[논문]차량용 헤드램프의 Cut-off Line에서 색수차 보정 및 평가

심주용; 박성찬

doi:10.3807/kjop.2019.30.1.008

차량용 헤드램프의 Cut-off Line에서 색수차 보정 및 평가
Correction and Evaluation for Color Aberration on the Cut-off Line of a Vehicle Headlamp 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.30 no.1, 2019년, pp.8 - 14

초록
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본 논문에서는 추가적인 광학부품 및 조립공정 없이 차량용 헤드램프의 cut-off line에서 발생하는 색수차를 보정하는 방법과 이를 평가하는 방법을 제안한다. 기하학적인 방법으로 색수차를 보정하기 위해 비구면 프로젝션 렌즈의 볼록면에 tilt를 적용하여 파장별 최대 출사각도의 차이를 줄였으며, 색수차를 평가하기 위한 위치와 광도를 정하고 색 좌표를 통해 색수차 기준을 제시하였다. 이러한 기하학적인 방법을 이용하여 설계된 자동차용 헤드램프를 평가한 결과 cut-off line의 색수차가 상당히 감소되었음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents methods to correct and evaluate the chromatic aberration occurring on the cut-off line of a headlamp without additional optical components and alignment process. To correct the chromatic aberration using a geometrical concept, the maximum differences in exit-ray angle between wavelengths are reduced by tilting the convex surface of an aspheric projection lens. To evaluate the chromatic aberration, the position and luminous intensity to be measured are suggested, and the criterion for chromatic aberration is presented through color coordinates. From the evaluation of an automotive headlamp designed using this geometrical method, it is found that the chromatic aberration of the cut-off line is significantly reduced.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Test points for low beam in ECE R112 regulation.
그림 Fig. 3. Optical structure of a vehicle headlamp.
그림 Fig. 2. Various type headlamps: (a) Reflector type, (b) Projector type.
표 Table 1. Required intensity of ECE R112 regulation at several test points
그림 Fig. 5. Layout for evaluation of color aberration in a headlamp.
그림 Fig. 6. (a) Layout of a headlamp with PC aspheric lens, (b) Exit ray angles with wavelength at exit pupil.
그림 Fig. 7. (a) Headlamp beam pattern, (b) Color aberration on cut-off line.
그림 Fig. 4. Color aberration on cut-off line, induced by upper and lower sections of the lens.
그림 Fig. 8. Comparison between spectrums: (a) LED source spectrum, (b) Projected beam spectrum on cut-off line.
그림 Fig. 9. Effects of difference and balance of the exit ray angle with wavelength.
그림 Fig. 10. Exit ray angles with wavelength at various tilted angles of aspheric lens surface.
그림 Fig. 11. Changes of ray bending by tilted surface of an aspheric lens.
그림 Fig. 12. Layouts of headlamp: (a) Conventional single lens of plano-convex, (b) New single lens of tilted plano-convex.
그림 Fig. 13. Measurement positions of cut-off line quality.
표 Table 2. Differences and balances of the exit ray angles at various tilted angles of aspheric lens surface (in degree)
그림 Fig. 14. Simulation results for color aberration induced by each aspheric lens: (a) Conventional lens of plano-convex, (b) New lens of tilted plano-convex.
그림 Fig. 15. Positions having intensity more than 200 cd are marked as black dot points in CIE 1931 chromaticity diagram. Among them, color aberrations exist at the points outside the white light zone: (a) Conventional headlamp with plano-convex lens, (b) New headlamp with tilted plano-convex lens.
표 Table 3. Comparison of the angular positions having color aberrations between two headlamps
그림 Fig. 16. Comparison of color aberrations on cut-off line at various projected distances: (a) Conventional headlamp with plano-convex lens, (b) New headlamp with tilted plano-convex lens.
표 Table 4. Simulated results in comparison with the requirements of the ECE R112 regulation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 추가적인 광학부품 및 공정 없이 렌즈의 형태를 약간 변형하여 적색 광선과 청색 광선을 일치시키는 효과를 넘어 녹색 광선까지 고려하여 색수차가 보정된 헤드램 프용 광학계를 설계 및 평가하기 위해 본 연구를 진행하였다.

가설 설정

이에 본 연구에 서는 그림 13과 같이 cut-off line의 특성을 측정하기 위해 규정된 vertical scan line에서 색수차를 평가하는 방법을 다음과 같이 제안한다. 색수차 평가 시 사람이 인지하지 못하는 영역은 제외되어야 한다. 이를 위해 ECE R112 규정의 test point에서 20,000 cd 이상의 광도를 갖는 75R 지점을 기준으로 눈의 베버상수(0.

제안 방법

Cut-off line에서 발생하는 색수차를 최소화하는 렌즈면의 틸트 값을 찾기 위해 그림 10과 같이 비구면 렌즈의 볼록면에 다양한 틸트 값을 적용한 후 렌즈를 통과한 광선들의 각도를 분석하였다. 그 결과 특정 방향으로 틸트된 렌즈에서만ifference 값이 감소하는 것을 확인하였다.
색수차 평가 시 사람이 인지하지 못하는 영역은 제외되어야 한다. 이를 위해 ECE R112 규정의 test point에서 20,000 cd 이상의 광도를 갖는 75R 지점을 기준으로 눈의 베버상수(0.01)를 고려하여 200 cd 미만의 광도를 갖는 위치는 평가대상에서 제외하고 200 cd 이상인 위치에 서만 색수차를 평가한다 ^[6] .
ECE R112 규정에서는 그림 1같이 밝기 및 패턴을 평가하기 위한 규정 외에도 그림 13처럼 cut-off line의 특성을 측정 하기 위한 규정이 있지만 [1] , cut-off line의 색수차를 평가하는 방법은 구체적으로 제시되어 있지 않다. 이에 본 연구에 서는 그림 13과 같이 cut-off line의 특성을 측정하기 위해 규정된 vertical scan line에서 색수차를 평가하는 방법을 다음과 같이 제안한다. 색수차 평가 시 사람이 인지하지 못하는 영역은 제외되어야 한다.
헤드램프의 cut-off line에서 발생하는 색수차의 원인을 분석하고 이를 보정하는 방법과 평가하는 방법을 제시하였다. 플라스틱 재질인 PC를 사용하여 설계한 헤드램프용 비구면 렌즈의 한쪽 면에 본 논문에서 제안한 방법으로 적절한 틸트 값을 적용한 후 색수차를 평가한 결과 기존대비 83 % 정도 감소한 것을 확인할 수 있었다.

데이터처리

본 논문에서 제시한 평가방법으로 색수차를 확인하기 위해 색수차 평가 위치인 vertical scan line에서 백색광 영역인 -1.25도 위치를 평가 시작 지점인 1번으로 설정 후 +0.02도간격으로 번호를 부여하여 광도 및 색 좌표를 평가하였다.
플라스틱 재질인 PC를 사용하여 설계한 헤드램프용 비구면 렌즈의 한쪽 면에 본 논문에서 제안한 방법으로 적절한 틸트 값을 적용한 후 색수차를 평가한 결과 기존대비 83 % 정도 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 설계방법은 평가 기준 위치와 근거리 모두에서 색수차 보정 효과가 있다는 것을조명설계 프로그램인 LightTools을 이용한 분석을 통해 확인 하였다. 또한 본 연구에서 제안된 설계방법을 기존의 광학계에 적용하여도 ECE R112 규정을 만족하는 것을 확인하였다.

성능/효과

Cut-off line에서 발생하는 색수차를 최소화하는 렌즈면의 틸트 값을 찾기 위해 그림 10과 같이 비구면 렌즈의 볼록면에 다양한 틸트 값을 적용한 후 렌즈를 통과한 광선들의 각도를 분석하였다. 그 결과 특정 방향으로 틸트된 렌즈에서만ifference 값이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 해당 방향 으로 과도한 틸트 값을 적용할 경우 balance 값이 증가하는것 또한 확인할 수 있었다.
그림 16에서 볼 수 있듯이 틸트된 비구면 렌즈를 사용하여 설계된 헤드램프의 경우 색수차를 평가하는 기준위치(25 m) 는 물론이고, 대부분의 위치에서도 기존 헤드램프에 비해 cut-off line이 선명하게 형성되었음을 알 수 있다.
이러한 설계방법은 평가 기준 위치와 근거리 모두에서 색수차 보정 효과가 있다는 것을조명설계 프로그램인 LightTools을 이용한 분석을 통해 확인 하였다. 또한 본 연구에서 제안된 설계방법을 기존의 광학계에 적용하여도 ECE R112 규정을 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 설계 및 평가 방법은 기존의 차량용 헤드램프 대부분에 쉽게 적용 가능하며 cut-off line의 색수차 보정 및 평가하는데 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
마지막으로 규정을 만족하는 기존 헤드램프의 비구면 렌즈의 한쪽 면에 tilt를 적용하여 색수차를 보정한 후, 표 1의 ECE R112 하향등 규정과 비교한 결과 요구하는 광량을 모두 만족시키는 것을 표 4를 통해 확인하였다.
그림 14는 기본적인 헤드램프 평가 위치인 25 m에서 헤드 램프를 조사했을 경우 기존의 헤드램프용 렌즈(그림 12(a)) 와 본 연구에서 제시한 헤드램프용 렌즈(그림 12(b))에 의한 조도특성을 분석한 결과이다. 본 연구에서 제시한 새로운 헤드램프는 기존의 헤드램프에 비해 보라색 계열의 색수차가 상당히 감소되었다
표 3은 그림 15에서 확인된 색수차 발생 위치를 정리한 값이다. 이 값들을 통해 본 논문 에서 제안한 방법으로 설계한 헤드램프의 색수차 발생량이 기존의 헤드램프보다 83 % 감소한 것을 확인할 수 있다.
헤드램프의 cut-off line에서 발생하는 색수차의 원인을 분석하고 이를 보정하는 방법과 평가하는 방법을 제시하였다. 플라스틱 재질인 PC를 사용하여 설계한 헤드램프용 비구면 렌즈의 한쪽 면에 본 논문에서 제안한 방법으로 적절한 틸트 값을 적용한 후 색수차를 평가한 결과 기존대비 83 % 정도 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 설계방법은 평가 기준 위치와 근거리 모두에서 색수차 보정 효과가 있다는 것을조명설계 프로그램인 LightTools을 이용한 분석을 통해 확인 하였다.

후속연구

또한 본 연구에서 제안된 설계방법을 기존의 광학계에 적용하여도 ECE R112 규정을 만족하는 것을 확인하였다. 이러한 설계 및 평가 방법은 기존의 차량용 헤드램프 대부분에 쉽게 적용 가능하며 cut-off line의 색수차 보정 및 평가하는데 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

United Nations Economic Commission for Europe vehicle regulations, ECE Regulation No. 112-Rev. 3 (2013).
M. Sivak, M. J. Flammagan, B. Schoettle, and G. Adachi, "Chromatic aberrations near the cutoff of low-beam headlamps," Report No. UMTRI-2004-6 (2004).
H. S. Lee, H. J. Park, and J. S. Kwak, "Improvement of disturbing color effects depending on the axial color of an automotive headlamp lens," Appl. Opt. 56, 5106-5111 (2017).

상세보기
B. Y. Joo and J. H. Ko, "Optimization of cutoff shields in projection headlight systems to achieve high intensity gradient and low color separation at the cutoff line," J. Opt. Soc. Korea 20, 118-124 (2015).
E. M. Park, Master's Thesis, Pukyong National University, Busan (2018), p. 37.
S. P. Ying and J. C. Lyu, "Ellipsoidal reflector design of the LED vehicle projector type headlamp," Proc. SPIE 9954, 1-8 (2016).
R. R. Shannon, "Tolerancing Techniques," in Handbook of Optics, 3nd ed., Vol. 2, M. Bass, Ed. (McGraw-Hill, New York, USA, 2010).
K. L. Kelly, "Color designations for lights," J. Opt. Soc. Am. 33, 627-632 (1943).
R. Melikov, Master's Thesis, Koc University, Istanbul (2016), p. 25.

저자의 다른 논문 :

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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