KR101693922B1

KR101693922B1 - 헤드램프용 레이저 광학계

Info

Publication number: KR101693922B1
Application number: KR1020140086695A
Authority: KR
Inventors: 안병석; 김대곤; 윤성욱; 이석주
Original assignee: 현대자동차주식회사; 에스엘 주식회사
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2017-01-09
Also published as: DE102014116983A1; US20160010821A1; CN105318281A; CN105318281B; DE102014116983B4; JP6545445B2; KR20160007922A; JP2016018778A

Abstract

본 발명은 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 것으로, 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔이 형광체(20)의 입사면(21)에 수직하면서 상기 형광체(20)의 중심을 관통하는 기준선(L3)과 일치하는 경로를 갖도록 된 것이다.

Description

헤드램프용 레이저 광학계{LASER OPTICAL SYSTEM FOR HEAD LAMP}

본 발명은 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광손실의 최소화를 통해 광효율을 증대시킴과 더불어 광학계의 사이즈 축소를 통해 디자인 자유도를 높일 수 있는 헤드램프용 레이저 광학계에 관한 기술이다.

차량의 헤드램프(전조등)는 운전자의 전방 시계확보를 위해 전방을 조명하는 램프로서, 보통 할로겐, HID(High intensity discharge), LED 다이오드를 광원으로 사용하고 있다.

그런데, 할로겐, HID, LED 다이오드 등은 소비전력이 높기 때문에 광효율이 낮은 단점이 있고, 특히 광원과 렌즈를 포함한 광학계 전체의 사이즈가 커서 디자인 자유도가 낮고 중량이 무거운 단점이 있다.

최근에는 친환경적이면서 수명이 길고 또한 광효율이 높은 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 헤드램프가 개발되고 있는 추세이다.

종래의 헤드램프용 레이저 광학계는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 블루(blue) 파장대의 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드(1), 상기 레이저 다이오드(1)에서 출력된 빛과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체(2), 상기 형광체(2)에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 반사체(3), 상기 반사체(3)의 전방에 위치한 것으로 상기 반사체(3)를 통해 반사된 백색광을 집광 및 확산해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈(4)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

그런데, 상기와 같은 종래의 레이저 광학계는 레이저 다이오드(1)가 형광체(2)의 입사면(2a)에 수직한 기준선(L1)에 대해 일정각도(a1) 경사지게 설치된 구성으로, 상기와 같이 레이저 다이오드(1)가 일정각도(a1)로 경사지게 설치되면 형광체(2)로 입사되는 레이저 빔의 직경크기(a2)가 커지게 되고, 상기 직경크기(a2)가 커지게 되면 형광체(2)에 여기된 후 반사체(3)로 출사되는 백색광의 출사각 즉 유효방사각(a3)이 커지게 되는 바, 상기 유효방사각(a3)이 커지는 만큼 반사체(3)의 밖으로 백색광이 출사되는 광손실 영역(a4)도 커지게 됨으로써, 전체적으로 광학계의 광손실이 커지고 광효율이 감소하는 단점이 있다.

또한, 레이저 광학계는 광손실의 최소화를 위해 레이저 다이오드(1)에서 출력된 레이저 빔은 모두 다 형광체(2)로 입사되는 것이 바람직한데, 종래와 같이 레이저 다이오드(1)가 일정각도(a1)로 경사지게 설치되어서 형광체(2)로 입사되는 레이저 빔의 직경크기(a2)가 커지게 되면, 형광체(2)의 크기(a5)도 레이저 빔을 모두 다 입사시키기 위해 그만큼 커지게 되는 바, 이로 인해 광학계의 사이즈가 전체적으로 커지게 됨으로써 중량증가와 원가상승 및 디자인 자유도에 불리한 단점도 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

일본 공개특허공보 특개2012-099284호

이에 본 발명은 상기한 바의 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 형광체로 입사되는 레이저 빔의 직경크기를 감소시킬 수 있도록 함으로써 형광체에 여기된 후 반사체로 출사되는 레이저 빔의 출사각 즉 유효방사각을 줄일 수 있도록 하고 이를 통해 광손실의 최소화 및 광효율 향상을 도모할 수 있도록 하며, 특히 광학계의 사이즈 축소를 도모해서 중량감소와 원가절감 및 디자인 자유도를 높일 수 있는 헤드램프용 레이저 광학계를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체; 상기 형광체에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체; 상기 메인반사체를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈; 및 상기 형광체의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체로 입사되는 레이저 빔을 모아주고 상기 형광체에서 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈를 포함하고; 상기 레이저 다이오드는 상기 레이저 다이오드의 중심이 상기 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 빔렌즈의 직경은 상기 빔렌즈의 렌즈면에 입사되는 레이저 빔의 직경보다는 크고 상기 메인반사체보다는 작은 크기로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 형광체와 상기 빔렌즈는 상기 메인반사체의 내측공간에 위치하고; 상기 레이저 다이오드는 상기 메인반사체의 외부공간에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔렌즈는 비구면렌즈 또는 볼록렌즈인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체; 상기 형광체에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체; 상기 메인반사체를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈; 상기 형광체의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체로 입사되는 레이저 빔을 모아주고 상기 형광체에서 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈; 및 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 상기 빔렌즈로 반사시키는 빔반사체를 포함하되; 상기 빔반사체에서 반사된 레이저 빔의 경로는 상기 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하는 것을 특징으로 한다.

상기 형광체와 상기 빔렌즈는 상기 메인반사체의 내측공간에 위치하고; 상기 레이저 다이오드와 상기 빔반사체는 상기 메인반사체의 외부공간에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔반사체는 미러인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체; 상기 형광체에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체; 및 상기 메인반사체를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈를 포함하고; 상기 레이저 다이오드는 상기 레이저 다이오드의 중심이 상기 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔이 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하는 경로를 갖는 구성으로, 이를 통해 광학계의 광손실을 최소화시킬 수 있게 됨으로써 광효율의 증대를 도모할 수 있게 되고, 형광체의 크기를 크게 줄일 수 있게 됨으로써 광학계의 사이즈 축소와 중량감소 및 원가절감을 도모할 수 있으며, 더 나아가 디자인 자유도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 종래 헤드램프용 레이저 광학계를 설명하기 위한 도면,
도 3과 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 블루(blue) 파장(보통 450nm대의 단파장)대의 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드(10); 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체(20); 상기 형광체(20)에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체(30); 상기 메인반사체(30)의 전방에 위치한 것으로 상기 메인반사체(30)를 통해 반사된 백색광을 집광 및 확산해서 전방으로 조사하는 비구면렌즈(40); 및 상기 형광체(20)의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체(20)로 입사되는 레이저 빔을 모아(집광)주고 상기 형광체(20)에서 여기된 후 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈(50)를 포함하고; 상기 레이저 다이오드(10)는 상기 레이저 다이오드(10)의 중심이 상기 형광체(20)의 입사면(21)에 수직하면서 상기 형광체(20)의 중심을 관통하는 기준선(L3)과 일치하도록 설치된 구조가 특징이다.

상기 형광체(20)와 메인반사체(30) 및 빔렌즈(50)는 광학계를 이루는 하우징(60)에 고정되게 설치된 구조이고, 상기 비구면렌즈(40)는 하우징(60)에 홀더(미도시)를 매개로 메인반사체(30)의 전방에 위치하도록 설치된 구조이며, 상기 메인반사체(30)는 단면이 원호모양으로 형성된 구조이고, 상기 형광체(20)와 빔렌즈(50)는 상기 메인반사체(30)의 내측공간에 위치하고, 상기 레이저 다이오드(10)는 상기 메인반사체(30)의 외부공간에 위치하도록 설치된 구조이다.

또한, 본 발명에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는 도면으로 도시되지는 않았지만 상기 레이저 다이오드(10)로의 전류공급을 제어하는 PCB기판; 상기 레이저 다이오드(10)와 상기 형광체(20)에서 발생한 열을 외부로 전달해서 방열하는 히트싱크;등을 더 포함해서 구성된다.

한편, 상기 빔렌즈(50)의 직경(D1)은 상기 빔렌즈(50)의 렌즈면(51)에 입사되는 레이저 빔의 직경(D2)보다 큰 직경을 갖도록 형성된 것이 바람직한데, 이는 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔이 손실됨이 없이 모두 다 빔렌즈(50)를 통해 입사되도록 하기 위함이며, 이를 통해 광손실을 없애고 더 나아가 광효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 빔렌즈(50)의 직경(D1)은 상기 메인반사체(30)보다는 작은 크기로 형성된 것이 바람직한데, 이는 빔렌즈(50)의 중심(형광체의 중심)은 메인반사체(30)의 초점에 위치하기 때문에 빔렌즈(50)의 직경(D1)이 메인반사체(30)의 초점거리보다 클 필요가 없기 때문인 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 빔렌즈(50)는 입사되는 레이저 빔을 집광 및 굴절시켜서 형광체(20)로 입사 가능하게 하고, 또한 형광체(20)에서 여기된 후 메인반사체(30)로 출력되는 백색광의 방사각을 축소시킬 수 있도록 하기 위해 비구면렌즈 또는 볼록렌즈인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계는, 형광체(20)의 입사면(21)에 수직하면서 형광체(20)의 중심을 관통하는 기준선(L3)에 레이저 다이오드(10)의 중심이 일치하도록 상기 레이저 다이오드(10)가 설치된 구성으로, 상기와 같이 레이저 다이오드(10)의 중심과 기준선(L3)이 일치하도록 레이저 다이오드(10)가 설치되면, 빔렌즈(50)의 렌즈면(51)으로 입사되는 레이저 빔의 직경(D2) 크기를 종래구조와 대비하여 볼 때 크게 줄일 수 있게 된다.(a2>D2)

그리고, 본 발명에 따른 빔렌즈(50)는 렌즈면(51)을 통해 입사되는 레이저 빔을 집광 및 굴절시켜서 형광체(20)로 입사 가능하게 하는 것으로, 이를 통해 형광체(20)로 입사되는 레이저 빔의 직경크기도 크게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 빔렌즈(50)는 입사된 레이저 빔이 형광체(20)에서 여기된 후 메인반사체(30)로 출력될 때에 백색광의 출사각 즉 유효방사각(b1)을 줄여주는 역할도 함께 수행하는 것으로(a3>b1), 상기와 같이 유효방사각(b1)이 종래 대비 줄어들게 되면 메인반사체(30)의 밖으로 백색광이 출사되는 광손실 영역(b2)도 크게 줄일 수 있게 되는 바, 이를 통해 전체적으로 광학계의 광손실을 최소화시킬 수 있게 되고, 더 나아가 광효율의 증대를 도모할 수 있게 된다.

또한, 메인반사체(30)로 출력되는 백색광의 유효방사각(b1)을 줄일 수 있게 되면 단위면적당 광량의 증대를 도모할 수 있게 됨으로써, 광학계의 휘도를 크게 높일 수 있는 장점도 있다.

그리고, 전술한 바와 같이 레이저 다이오드(10)의 중심과 기준선(L3)이 일치하도록 레이저 다이오드(10)가 설치되고 특히 형광체(20)의 전면에 빔렌즈(50)를 설치해서 형광체(20)로 입사되는 레이저 빔의 직경크기를 줄일 수 있게 되면, 종래구조 대비 형광체(20)의 크기(b3)를 크게 줄일 수 있게 되는 바(a5>b3), 이를 통해 광학계의 전체 사이즈의 축소를 도모할 수 있게 됨으로써 중량감소와 원가절감 및 디자인 자유도를 높일 수 있는 장점도 있다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤드램프용 레이저 광학계가 도시되어 있는 바, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드(10); 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체(20); 상기 형광체(20)에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체(30); 상기 메인반사체(30)를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈(40); 상기 형광체(20)의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체(20)로 입사되는 레이저 빔을 모아주고 상기 형광체(20)에서 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈(50); 및 상기 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔을 상기 빔렌즈(50)로 반사시키는 빔반사체(70)를 포함하되; 상기 빔반사체(70)에서 반사된 레이저 빔의 경로(c1)는 상기 형광체(20)의 입사면에 수직하면서 상기 형광체(20)의 중심을 관통하는 기준선(L3)과 일치하는 구조인 것이다.

즉, 도 5에 도시된 헤드램프용 레이저 광학계는 도 3 내지 도 4에 도시된 광학계에서 빔반사체(70)가 더 추가되고, 빔반사체(70)에서 반사된 레이저 빔의 경로(c1)가 상기 기준선(L3)과 일치하는 구조로서, 이를 통해 레이저 다이오드(10)의 설치위치를 기준선(L3)이외의 위치로 변경할 수 있게 됨으로써 광학계의 디자인 자유도를 높일 수 있는 장점이 있는 구성인 것이다.

상기 형광체(20)와 메인반사체(30)와 비구면렌즈(40) 및 빔렌즈(50)의 구성은 도 3 내지 도 4에 도시된 광학계와 동일한 바, 이에 대한 설명은 생략한다.

여기서, 상기 형광체(20)와 빔렌즈(50)는 메인반사체(30)의 내측공간에 위치하고, 상기 레이저 다이오드(10)와 빔반사체(70)는 상기 메인반사체(30)의 외부공간에 위치하는 구조로, 상기 빔반사체(70)는 하우징(60)에 고정된 구조가 바람직하며, 필요에 따라서는 별도의 액추에이터(actuator)를 통해 빔반사체(70)의 각도를 조절할 수 있는 구성도 가능할 것이다.

상기 빔반사체(70)는 레이저 빔의 반사효율을 높이기 위해 미러(mirror)를 사용할 수 있고, 일면에 반사필름을 붙인 구성이 될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로는 도 3의 구성에서 빔렌즈(50)만을 제거한 상태로서 헤드램프용 레이저 광학계를 구성할 수도 있는 바, 즉 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드(10); 상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체(20); 상기 형광체(20)에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체(30); 및 상기 메인반사체(30)를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈(40)를 포함하고; 상기 레이저 다이오드(10)는 상기 레이저 다이오드(10)의 중심이 상기 형광체(20)의 입사면(21)에 수직하면서 상기 형광체(20)의 중심을 관통하는 기준선(L3)과 일치하도록 설치된 구조인 것이다.

상기 구성은 도 3에서 레이저 다이오드(10)에서 출력된 레이저 빔을 집광 및 굴절시켜서 형광체(20)로 입사 가능하게 하고 또한 메인반사체(30)로 출력되는 백색광의 방사각을 축소시킬 수 있는 빔렌즈(50)를 제거한 구성으로, 빔렌즈(50)를 제거하더라도 레이저 다이오드(10)의 중심이 상기 기준선(L3)과 일치하도록 레이저 다이오드(10)가 설치된 구조이기에, 도 3 내지 도 4를 참조해서 설명한 일 실시예에 따른 광학계의 장점 즉, 도 1 내지 도 2에 도시된 종래 광학계 대비 형광체(20)로 입사되는 레이저 빔의 직경크기를 줄일 수 있게 되고, 레이저 빔이 형광체(20)에서 여기된 후 메인반사체(30)로 출력될 때에 백색광의 출사각 즉 유효방사각(b1)을 줄일 수 있게 되며, 이를 통해 전체적으로 광학계의 광손실을 최소화시킬 수 있게 되고, 더 나아가 광효율의 증대를 도모할 수 있는 장점을 발휘할 수 있게 된다.

또한, 종래구조 대비 형광체(20)의 크기(b3)를 크게 줄일 수 있는 장점과 이를 통해 광학계의 사이즈 축소 및 중량감소와 원가절감 그리고 디자인 자유도를 높일 수 있는 장점도 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10 - 레이저 다이오드 20 - 형광체
30 - 메인반사체 40 - 비구면렌즈
50 - 빔렌즈 60 - 하우징
70 - 빔반사체

Claims

레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체;
상기 형광체에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체;
상기 메인반사체를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈; 및
상기 형광체의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체로 입사되는 레이저 빔을 모아주고 상기 형광체에서 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈를 포함하고;
상기 빔렌즈의 직경은 상기 빔렌즈의 렌즈면에 입사되는 레이저 빔의 직경보다는 크고 상기 메인반사체보다는 작은 크기로 형성되고;
상기 빔렌즈는 비구면렌즈 또는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 다이오드는 상기 레이저 다이오드의 중심이 상기 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하도록 설치된 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
청구항 1에 있어서,
상기 형광체와 상기 빔렌즈는 상기 메인반사체의 내측공간에 위치하고;
상기 레이저 다이오드는 상기 메인반사체의 외부공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
삭제
레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 빔과 반응하여 백색광을 출력하는 형광체;
상기 형광체에서 출력된 백색광을 전방으로 반사시키는 메인반사체;
상기 메인반사체를 통해 반사된 백색광을 전방으로 조사하는 비구면렌즈;
상기 형광체의 전면에 설치된 것으로 상기 형광체로 입사되는 레이저 빔을 모아주고 상기 형광체에서 출력되는 백색광의 방사각을 줄여주는 빔렌즈; 및
상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 빔을 상기 빔렌즈로 반사시키는 빔반사체를 포함하되;
상기 빔렌즈의 직경은 상기 빔렌즈의 렌즈면에 입사되는 레이저 빔의 직경보다는 크고 상기 메인반사체보다는 작은 크기로 형성되고;
상기 빔렌즈는 비구면렌즈 또는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
청구항 5에 있어서,
상기 빔반사체에서 반사된 레이저 빔의 경로는 상기 형광체의 입사면에 수직하면서 상기 형광체의 중심을 관통하는 기준선과 일치하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
청구항 5에 있어서,
상기 형광체와 상기 빔렌즈는 상기 메인반사체의 내측공간에 위치하고;
상기 레이저 다이오드와 상기 빔반사체는 상기 메인반사체의 외부공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
삭제
청구항 5에 있어서,
상기 빔반사체는 미러인 것을 특징으로 하는 헤드램프용 레이저 광학계.
삭제
삭제
삭제
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