KR20150061319A - 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍곡선의 자취 중 일부에 배치되는 반사면을 구비하는 리플렉터; 상기 반사면을 향하여 광을 조사하며, 상기 리플렉터의 초점에 위치하는 광원; 및 입사면을 구비하는 비구면렌즈를 포함하며, 상기 리플렉터와 상기 광원은 상기 비구면렌즈의 초점과 상기 비구면렌즈의 상기 입사면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프에 관한 것이다. 이에 따라, 종래의 프로젝션형 차량용 전조등보다 전체 크기를 줄일 수 있다.

Description

쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프{Head lamp having Optical system using hyperbolar}

본 발명은 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 쌍곡선의 자취상에 배치되는 반사면을 구비하는 광학계를 이용하여 전체 크기를 줄인 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프에 관한 것이다.

일반적으로, 프로젝터형의 차량용 전조등은 차량 전후 방향으로 연장되는 광축 상에 렌즈가 배치되는 동시에, 그 후방측에 위치하는 초점보다도 후방측에 광원이 배치되어 있고, 이 광원으로부터의 광을 리플렉터에 의해 광축 부근으로 반사시키도록 구성되어 있다.

상기 프로젝터형 차량용 전조등과 관련된 기술로는 대한민국등록특허공보 제10-0824912호인 '차량용 전조등'이 있다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 상기 차량용 전조등(2)은 차량 전후 방향으로 연장되는 광축(Ax) 상에 배치된 투영 렌즈(3)와, 투영 렌즈(3)의 후방측 초점 F보다도 후방에 배치된 광원 벌브(4)와, 광원 벌브(4)로부터의 직접광을 전방을 향해 광축(Ax) 부근으로 반사시키는 리플렉터(5)와, 투영 렌즈(3)의 외주측에 환형으로 설치된 부가 렌즈(6)를 구비한 구성을 기재하고 있다.

이러한 프로젝션형 차량용 전조등(2)의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 투영 렌즈(3), 광원(4) 및 리플렉터(5)가 배치된다. 도 2에 있어서, L1은 리플렉터(5)의 꼭지점(V)부터 광원(4)까지의 거리이고, L2는 광원(4)부터 비구면렌즈(3)의 초점까지의 거리이고, L3는 비구면렌즈(3)의 초점부터 비구면렌즈(3)의 입사면까지의 거리를 나타낸다.

상기 프로젝션 광학계를 이용하는 경우, 광원과 비구면렌즈 각각의 초점을 타원의 양 초점으로 하여, 광원으로부터 조사되는 광을 비구면렌즈를 통과시켜 차량의 전방에 빔 패턴을 형성하게 된다.

그러나, 상기 프로젝션 광학계와 같은 구조의 경우 광학계 전체 길이(L1+L2+L3)가 길어지기 때문에, 헤드램프의 디자인 자유도가 떨어지는 문제가 있다.

예컨데, 직경이 55mm인 비구면 렌즈(3)를 사용하는 경우 L1은 30~40mm, L2는 30~40mm, L3는 5~10mm의 거리를 갖게 된다. 이 경우 광학계 전체 길이(L1+L2+L3)는 비구면렌즈(3)의 두께를 포함하여 약 100mm 정도가 된다.

또한, 상기 프로젝션 광학계와 같은 구조의 경우 리플렉터(5)에 의하여 반사되는 광은 비구면렌즈(3)의 입사면으로 조사되어야 하지만, 광원(4)으로부터 비구면렌즈(3)의 초점까지의 거리 중 2/3 지점을 넘어가는 광은 비구면렌즈(3)의 중심측으로 광을 보내기 어렵다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 쌍곡선의 자취상에 배치되는 반사면을 구비하는 광학계를 이용하여 전체 크기를 줄인 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 쌍곡선의 자취 중 일부에 배치되는 반사면을 구비하는 리플렉터; 상기 반사면을 향하여 광을 조사하며, 상기 리플렉터의 초점에 위치하는 광원; 및 입사면을 구비하는 비구면렌즈를 포함하며, 상기 리플렉터와 상기 광원은 상기 비구면렌즈의 초점과 상기 비구면렌즈의 상기 입사면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프에 의하여 달성된다.

바람직하게는, 상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리에 따라, 상기 리플렉터와 상기 광원의 배치가 조절되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 기 설정된 값인 경우, 상기 비구면렌즈의 광축과, 상기 리플렉터와 상기 광원이 구현하는 광축이 형성하는 각도에 따라, 광효율이 조절될 수 있다.

여기서, 상기 광원으로 엘이디 칩이 이용될 수 있다.

그리고, 상기 엘이디 칩은, 상기 비구면렌즈의 광축과 평행하게 배치될 수 있다.

또한, 상기 리플렉터와 상기 광원이 구현하는 광축이 형성하는 각도를 20도 이상으로 하여 상기 비구면렌즈로부터 조사되는 광의 중심측 광도를 증가시킬 수 있다.

한편, 상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 기 설정된 값인 경우, 상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로, 상기 반사면까지의 거리는 증가되고, 상기 광원까지의 거리는 감소됨에 따라 광효율이 증대될 수 있다.

바람직하게는, 상기 비구면렌즈의 직경은 55mm이고, 상기 비구면렌즈로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 35mm인 경우, 상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로 상기 반사면까지의 거리를 2~3mm로 설정하여 배치시키고, 상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로 상기 광원까지의 거리를 5~10mm로 설정하여 배치시킴으로써, 하이 빔을 구현할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프는 쌍곡선의 자취상에 배치되는 반사면을 구비하는 광학계를 이용하여 종래의 프로젝션형 차량용 전조등보다 전체 크기를 줄일 수 있다.

그에 따라, 상기 헤드램프의 디자인 자유도는 높아지며, 광원에서 직접적으로 비구면렌즈의 입사면으로 들어가는 광량이 증가하여 광효율이 상기 프로젝션형 보다 크게 된다.

도 1은 종래의 차량용 전조등을 나타내는 도면이고,
도 2는 종래의 차량용 전조등의 전체 길이를 나타내는 개념도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 쌍곡선을 이용한 광학계의 개념을 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 쌍곡선을 이용한 광학계의 해석결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 기술적 과제에 관한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면번호(참조번호)로 표시된 부분은 동일한 요소들을 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프에 대하여 살펴보기로 한다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 살펴보면, 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프(1)는 광원(100), 리플렉터(200), 및 비구면렌즈(300)를 포함할 수 있다.

그리고, 쌍곡선을 이용한 광학계는 광원(100)와 쌍곡선 형상으로 형성된 반사면(210)을 구비하는 리플렉터(200)에 의하여 구현된다.

따라서, 광원(100)으로부터 조사되는 광은 리플렉터(200)에 의해 반사되고, 비구면렌즈(300)로 투사되어 차량의 전방에 조사되게 된다.

광원(100)으로는 HID(High Intendity Dischage), 할로겐(Halogen) 벌브 등이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 면광원으로서 엘이디 칩(LED Chip)이 이용될 수 있음은 물론이다.

상기 쌍곡선을 이용한 광학계는, 도 5에 도시된 바와 같이, 쌍곡선의 자취에 배치되는 리플렉터(200)와 리플렉터의 초점(F1)에 위치하는 광원(100)에 의하여 구현된다.

따라서, 광원(100)에 의하여 조사되는 광은 리플렉터(200)에 의해 반사되어 비구면렌즈(300) 측으로 조사되게 된다. 이때, 리플렉터(200)에 의하여 반사되는 광은, 리플렉터(200)의 반사면(210)이 쌍곡선의 자취 상에 배치되기 때문에, 쌍곡선의 다른 하나의 초점인 가초점(F2)에서 조사되는 광과 같은 광 경로로 이동한다.

도 5에 있어서, 실선 화살표는 광원(100)에 의하여 조사되어 리플렉터(200)에 의해 반사되는 광의 경로를 나타내며, 점선 화살표는 가초점(F2)에서 조사되는 광의 경로를 나타낸다.

즉, 한 개의 초점(F1)에서 조사되는 광은 다른 초점(F2)에서 조사되는 것처럼 구현된다.

도 4를 참조하여 본 발명인 헤드램프(1)를 좀 더 상세히 살펴보면, 상기 헤드램프(1)의 리플렉터(200)는 쌍곡선 형상으로 형성된 반사면(210)을 구비한다.

그리고, 광원(100)은 반사면(210)을 향하여 광을 조사되게 한다. 여기서, 광원(100)은 리플렉터(200)의 초점에 위치하게 된다. 그에 따라, 광원(100)으로부터 조사되는 광은 리플렉터(200)의 반사면(210)에 반사되어 비구면렌즈(300)의 입사면(310)으로 입사되게 된다.

상기 종래의 광학계의 경우 광학계 전체 길이(L1+L2+L3)는 비구면렌즈(3)의 두께를 포함하여 약 100mm 정도가 되지만, 본 발명의 경우 동일한 비구면렌즈(300)를 사용시 50mm 이하가 된다. 즉 거리가 약 50% 정도 감소되게 된다. 이때, 상기 쌍곡선을 이용하는 광학계의 상하좌우의 폭은 비구면렌즈(300)의 직경(D)을 넘지않도록 배치되는 것이 바람직하다.

따라서, 비구면렌즈(300)의 초점(F)의 안쪽에 광원(100)이 위치하기 때문에 광원(100)으로부터 조사되는 광은 비구면렌즈(300)의 입사면(310) 안쪽으로 조사되게 되어 광효율 또한 향상된다.

한편, 상기 헤드램프(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, a, F, L, D 및 θ 에 의하여 빔 패턴을 조절할 수 있다. 여기서, a는 쌍곡선을 이용한 광학계의 원점(광원(100)과 비구면렌즈(300)의 초점(F)의 1/2 지점)에서 반사면(210)까지의 거리, F는 쌍곡선을 이용한 광학계의 초점거리(=(광원(100)과 비구면렌즈(300)의 초점 사이 거리)/2), L은 비구면렌즈(300)의 입사면(310)으로부터 비구면렌즈(300)의 초점(F)까지의 거리, D는 비구면렌즈(300)의 직경 및 θ는 비구면렌즈(300)의 광축(=차축)(O1)과 쌍곡선을 이용한 광학계의 광축(O2)이 이루는 각도를 나타낸다.

비구면렌즈(300)의 직경(D) 및 비구면렌즈(300)로부터 비구면렌즈(300)의 초점(F)까지의 거리에 따라 효과적으로 광효율을 높이기 위하여, 리플렉터(200)와 광원(100)의 배치가 조절된다.

따라서, 상기 L, 상기 D가 고정값으로 주어지면 상기 θ가 커질수록 광효율은 증가하게 된다. 여기서, 상기 광효율은 광원(100)에서 조사된 광이 리플렉터(200)에 의하여 반사된 후, 비구면렌즈(300)의 전방으로 조사되는 광의 효율을 나타낸다.

또한, 상기 L, 상기 D가 고정값으로 주어지면 상기 F가 작아지고 상기 a가 커질수록 광효율이 증가하게 된다.

종합해보면, 비구면렌즈(300)의 직경(D)과, 비구면렌즈(300)의 초점(F) 거리(L)에 따라 상기 a, F 및 θ의 효과적인 값이 결정된다.

일실시예로 상기 헤드램프(1)는 비구면렌즈(300)의 직경(D)이 55mm이고, 비구면렌즈(300)의 초점(F) 거리(L)이 35mm라 할 때, 상기 F의 길이는 5~10mm, a는 2~3mm일 경우 효과적으로 하이 빔을 구현할 수 있다(도 6 참조).

한편, 쌍곡선을 이용한 광학계의 광축과 비구면렌즈(300)의 광축이 이루는 각도(θ)를 20도 이상으로 하면서 광원(100)을 리플렉터(200)의 초점에 배치하되, 비구면렌즈(300)의 광축과 평행하게 배치를 하면 중심 광도의 값을 더 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 θ는 20도~45도가 바람직하다.

종합해보면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 헤드램프(1)의 상기 쌍곡선을 이용한 광학계는 반사면(210)의 가초점(F2)을 비구면렌즈(300)의 초점(F)에 위치시켜, 상기 쌍곡선을 이용한 광학계가 비구면렌즈(300)의 초점(F)과 비구면렌즈(300)의 입사면(310) 사이에 위치하게 할 수 있다. 그에 따라, 상기 헤드램프(1)의 비구면렌즈(300)의 초점(F)으로부터 비구면렌즈(300)의 입사면(310)까지의 거리(L)는 종래의 프로젝션형 차량용 전조등의 전체 길이(L1+L2+L3) 보다 적게 된다.

그에 따라, 상기 헤드램프(1)의 디자인 자유도는 높아지며, 광원(100)에서 직접적으로 비구면렌즈(300)의 입사면(310)으로 들어가는 광량이 증가하여 광효율이 상기 프로젝션형 보다 크게 된다.

본 발명에 따른 다양한 실시 예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.

지금까지 본 발명에 대해 실시 예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 자명하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프
100 : 광원 200 : 리플렉터
300 : 비구면렌즈 310 : 입사면

Claims (8)

1. 쌍곡선의 자취 중 일부에 배치되는 반사면을 구비하는 리플렉터;
   상기 반사면을 향하여 광을 조사하며, 상기 리플렉터의 초점에 위치하는 광원; 및
   입사면을 구비하는 비구면렌즈를 포함하며,
   상기 리플렉터와 상기 광원은 상기 비구면렌즈의 초점과 상기 비구면렌즈의 상기 입사면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리에 따라, 상기 리플렉터와 상기 광원의 배치가 조절되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
3. 제1항에 있어서,
   상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 기 설정된 값인 경우,
   상기 비구면렌즈의 광축과,
   상기 리플렉터와 상기 광원이 구현하는 광축이 형성하는 각도에 따라, 광효율이 조절되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
4. 제3항에 있어서,
   상기 광원으로 엘이디 칩이 이용되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
5. 제4항에 있어서,
   상기 엘이디 칩은,
   상기 비구면렌즈의 광축과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
6. 제5항에 있어서,
   상기 리플렉터와 상기 광원이 구현하는 광축이 형성하는 각도를 20도 이상으로 하여 상기 비구면렌즈로부터 조사되는 광의 중심측 광도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
7. 제2항에 있어서,
   상기 비구면렌즈의 직경 및 상기 비구면렌즈의 상기 입사면으로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 기 설정된 값인 경우,
   상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로, 상기 반사면까지의 거리는 증가되고, 상기 광원까지의 거리는 감소됨에 따라 광효율이 증대되는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.
8. 제7항에 있어서,
   상기 비구면렌즈의 직경은 55mm이고, 상기 비구면렌즈로부터 상기 비구면렌즈의 초점까지의 거리가 35mm인 경우,
   상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로 상기 반사면까지의 거리를 2~3mm로 설정하여 배치시키고, 상기 광원과 상기 비구면렌즈의 초점의 1/2 지점을 기준으로 상기 광원까지의 거리를 5~10mm로 설정하여 배치시킴으로써, 하이 빔을 구현하는 것을 특징으로 하는 쌍곡선을 이용한 광학계를 구비하는 헤드램프.

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