KR100820898B1

KR100820898B1 - 차량용 ｈｕｄ 시스템

Info

Publication number: KR100820898B1
Application number: KR1020060127893A
Authority: KR
Inventors: 한상훈; 박종명
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-04-11

Abstract

차량용 HUD 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 외부의 디스플레이 소스로부터 입력되는 영상 빔을 내측에서 반사시키기 위한 반사면을 구비한 도파관, 및 도파관의 일단에 설치되며 반사면을 통해 반사된 영상 빔을 윈드쉴드 방향으로 회절시키는 회절 광학 소자를 포함한다. 이로써, 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 차량 내부에 설치가 용이할 뿐만 아니라, 휴대가 용이하여 다른 차량에 옮겨 적용시키기기 용이하게 된다.

HUD, 차량, 도파관, DOE, 격자, 휴대

Description

차량용 ＨＵＤ 시스템{Head up display system for vehicle}

도 1은 일반적인 차량용 HUD 시스템을 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 차량용 HUD 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템을 개략적으로 도시한 도면,

도 4는 간섭 주름이 형성된 후상 격자의 예를 나타낸 도면,

도 5는 바이너리 옵틱스를 설명하기 위해 도시된 도면,

도 6은 회절 렌즈의 결상 원리 특성을 설명하기 위해 도시된 도면으로서, 도 6(a)는 회절 렌즈의 평면을 나타낸 것이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 존 플레이트형 회절 격자 구조의 단면도를 도시한 도면, 그리고

도 7은 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템이 차량에 적용된 경우를 설명하기 위해 도시된 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20, 32 : 디스플레이 소스 12, 14 : 반사경

16, 38 : 윈드쉴드 18, 22, 40 : 허상

30 : 도파관 34, 36 : 회절 광학 소자

본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 차량 내에 설치가 용이할 뿐만 아니라, 휴대가 용이하여 다른 차량에 쉽게 교체하여 적용할 수 있는 차량용 HUD에 관한 것이다.

차량 주행중에 운전자에게 주행 정보를 보다 효과적으로 전달하기 위해, 헤드업 디스플레이 장치(HUD : Head Up Display, 이하 "HUD"라 한다)라 불리는 차세대 디스플레이 장치의 연구가 활발히 진행되고 있다.

HUD는 차량 주행중의 운행 정보가 자동차 전면의 유리에 나타나도록 하는 전방 표시장치로서, 원래 비행기에서 조종사의 전방 시야를 확보해주기 위해 도입되었다. 최근 들어 미래형 자동차 개발과 함께 운전자에게 전달할 정보가 많아지면서 자동차에도 HUD가 적용되기 시작하였다. 특히, 네이게이션을 포함한 각종의 차량 디스플레이는 화면의 위치가 운전자 시야의 정면에 있지 않아 사용이 불편할 뿐만 아니라 사고를 유발할 가능성도 있기 때문에, 이를 대체 또는 보완하는 수단으로서 연구되고 있다.

HUD는 차량 주행에 필요한 정보를 운전자의 시야 정면에 전방의 경치와 중첩시켜 3차원적으로 표시해 주며, 이를 장착한 차량의 운전자들은 계기판의 속도나 방향지시등 등을 제어하기 위해 운전중에 시선을 옮길 필요가 없게 된다.

이때, 항공기와 달리 차량의 경우에는 자동차 전방 경치의 변화가 많기 때문 에 표시상의 식별을 양호하게 하기 위하여 윈드쉴드(windshield) 반사면에서 반사율을 크게 하여야 하며, 전방 시계의 확보를 위해서는 윈드쉴드의 투과율이 70% 이상이 되어야 한다. 또한, 한정된 반사율을 유효하게 사용하여 표시상의 식별을 양호하게 할 목적으로 홀로그램을 응용한 간섭호를 생성한다. 홀로그램으로 빛을 조사하면 간섭호에 따라 빛의 회절작용에 의한 파장의 선택성과 렌즈나 오목거울 효과를 얻을 수 있다. 즉, 레이저로부터 발진된 위상이 갖추어진 빛을 두 개로 구분하여 평면파와 구면파를 생성하여 사진 건판의 양쪽으로부터 투사한다. 이때 사진 건판 내에 간섭호가 생성된다. 예컨대, 간섭호의 밀도는 6000개/mm로 된다. 완성된 홀로그램 구면파 투사방향에서 빛을 보내면 몇 겹으로 구성되어 있는 간섭호 때문에 선택된 파장의 빛만이 회절하여 반사되며, 그 위외의 파장의 빛은 직진한다. 이 경우 홀로그램은 특정 파장광에 대하여 오목거울로서 작용한다.

도 1은 일반적인 차량용 HUD 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 차량의 속도, 유량, 네비게이션 등의 정보를 표시하는 디스플레이(10)는 그 화면을 통하여 정보를 영상으로 출력하며, 출력된 영상 빔(beam)은 미러(12, 14)에 의해 반사되어 윈드쉴드(windshield)(16)로 향하게 된다. 윈드쉴드(16)로 입사된 영상은 컴바이너(combiner)에 의해 반사되어 운전자의 시선에 전달된다. 이때, 운전자의 시선으로 전달된 영상은, 운전자 시선의 정면에 대하여 소정 각을 이루며 운전자의 시선으로부터 일정거리 떨어진 지점에서 운전자의 시야 정면의 경치와 겹쳐져서 운전자에게 허상으로 인식된다. 이때, 정면에 대한 허상의 각도는, 운전자의 전방의 경치와 혼동되지 않으면서 운전자가 인식하기 용이하도록 하기 위하 여 10 ~ 15°의 범위로 조절되는 것이 바람직하다.

도 2는 차량용 HUD 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 작은 크기의 디스플레이 장치(20)를 이용하여 허상 이미지(22)를 얻고자 하는 경우에는, 생성되는 허상 이미지(22)와 디스플레이 장치(20) 사이의 광학적 경로(Beam Path)가 길어질 수밖에 없다. 그러나 차량 내에는, 운전자의 전방에는 장해물이 가급적으로 적게 설치되는 것이 바람직하다. 따라서 이와 같은 구조의 HUD 시스템은 차량, 항공기, 전투기 등에 제품화하여 사용하기에 어려움이 있으며, 도 1과 같은 시스템을 선호하여 온 실정이다.

그러나 도 1과 같은 HUD 시스템 또한, 디스플레이 장치(10)로부터 윈드쉴드(16)를 통해 허상(18)을 생성시키기 위해서는 많은 수의 반사면(mirror)(12, 14)을 필요할 뿐만 아니라, 차량, 항공기, 전투기 등의 내부에 이와 같은 광학적 경로를 확보하기에는 많은 어려움이 있다.

또한, 이와 같은 HUD 시스템은, 일단 어느 차량에 설치된 후에는 다른 차량에 옮겨 적용시키는 것이 용이하지 않으며, 각각의 차량에는 각각 개별적인 HUD 시스템이 개별되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 차량 내에 설치가 용이할 뿐만 아니라, 휴대가 용이하여 다른 차량에 쉽게 교체하여 적용할 수 있는 차량용 HUD 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 외부의 디스플레이 소스로부터 입력되는 영상 빔(beam)을 내측에서 반사시키기 위한 반사면을 구비한 도파관; 및 상기 도파관의 일단에 설치되며, 상기 반사면을 통해 반사된 상기 영상 빔을 윈드쉴드(windshield) 방향으로 회절시키는 회절 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 차량용 HUD 시스템은, 상기 외부의 디스플레이 소스로부터 입력되는 영상 빔을 상기 도파관의 내측으로 회절시키는 제2 회절 광학 소자를 더 포함한다.

여기서, 상기 회절 광학 소자 또는 상기 제2 회절 광학 소자는, 박상(thin phase) 격자 또는 후상(thick phase) 격자로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 박상 격자는 CGH(Computer Generated Hologram), 바이너리 옵틱스(binary optics), 키노폼(Kinoform) 중의 적어도 하나로 형성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 회절 광학 소자 또는 상기 제2 회절 광학 소자는, 형성된 각 격자 구조의 깊이, 소자의 두께, 상기 형성된 각 격자 구조의 위치에 기초하여 위상이 변화된다.

이로써, 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 차량 내부에 설치가 용이할 뿐만 아니라, 휴대가 용이하여 다른 차량에 옮겨 적용시키기기 용이하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템을 상세하 게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 차량용 HUD 시스템은, 외부의 디스플레이 소스(32)로부터 입력되는 영상 빔(beam)을 내측에서 반사시키기 위한 반사면을 구비한 도파관(30), 및 도파관(30)의 출구측단에 설치되며 반사면을 통해 반사된 영상 빔을 윈드쉴드(windshield) 방향으로 회절시키는 회절 광학 소자(36)를 포함한다. 또한, 외부의 디스플레이 소스(32)는 속도, 방향, 네이게이션 등의 운행정보를 표시하는 LCD(Liquid Crystal Display), DMD(Digital Micromirror Device) 등의 디스플레이 장치를 포함한다.

여기서, 도파관(30)의 내측면에는 복수의 반사면이 설치되며, 각각의 반사면은 서로 다른 기울기로 설치되어 영상 빔을 순차적으로 전달할 수 있도록 구현된다. 그러나, 도파관(30) 내측면의 형상은 이와 같은 구조에 한정된 것이 아니며, 복수의 주름을 구비하고, 그 각각의 주름에 의해 순차적으로 영상 빔이 전달되도록 형성될 수도 있다.

바람직하게는, 도파관(30)의 입구측단에 외부의 디스플레이 소스(32)로부터 입력되는 영상 빔을 도파관(30)의 내측으로 회절시키는 제2 회절 광학 소자(34)가 설치될 수도 있다.

회절 광학 소자(Diffractive Optical Element : 이하, 'DOE'라고 한다)는 광학 시스템에 있어서 광을 조절하기 위하여 굴절(refraction) 또는 반 사(reflection)보다는 주기 구조(periodic structures)에 의한 회절(diffraction)을 이용한 소자라 할 수 있다.

DOE의 장점으로는 수차(aberration)가 없는 포인트-투-포인트(point-to-point) 이미지가 가능하며 광을 사용한 평판이 가능하고 비구면과 같은 수차 조절이 가능하다는 것이다.

DOE는 크게 진폭형 DOE와 위상형 DOE로 구별된다. 그러나 진폭형 DOE의 경우, 광의 일부가 광학 소자에 의해 차단되기 때문에 광 이용효율 측면에서 바람직하지 않다. 반면에, 위상형 DOE의 경우, 이상적으로 위상변화가 주어지도록 제조된다면 100%의 회절 효율을 달성할 수 있는 것으로 공지되어 있으며, 특히, 표면 릴리프(surface relief) 형으로 불리우는 것들이 통상의 광학계에 있어서 많이 사용된다. 이와 같은 표면 릴리프 형은 소자기판의 깊이 방향으로 구조를 만듦으로써, 소자 표면상의 위치에 대응하는 위상변화가 통과하는 광에 의해 이루어지도록 한다.

이때, 구조의 요구되는 깊이는 파장에 관계하는 것이며, 소자의 두께는 작게 제조될 수 있다. 또한, 구조의 위치를 변화시킴으로써 여러 가지 위상 변화를 이룰 수 있다. 이와 같은 방법으로, 통상의 굴절 광학계에 대하여 비구면을 형성해서 얻을 수 있는 효과를 광범위하게 실현할 수 있다. 소자 표면상의 위치에 따라서 광에 주어지는 위상변화를 기술하는 함수를 위상함수라고 부른다.

DOE의 또 다른 특징은, 색분산이 굴절 광학계와는 반대로 나타난다는 것이다. 이러한 특징에 기초하여, 굴절 광학계에 의해서 발생한 색수차를 회절 광학 소 자를 이용하여 보정할 수 있다.

이와 같은 표면 릴리프 형의 DOE 형상은 일반적으로 박상(thin phase) 격자와 후상(thick phase) 격자로 분류된다.

박상 격자에는 일반적으로 프린터, 플로터 또는 합성 기법에 의해 생성된 CGH(Computer Generated Hologram), 평판 위에 다층 마스크(mask)의 포토 에칭(photo-etching)에 의해 생성된 바이너리 옵틱스(binary optics), 구면 또는 비구면 기판 위에 다이아몬드 터닝(turning) 또는 평행한 기판 위에 레이저 라이팅(laser writing)에 의해 생성된 키노폼(Kinoforms)이 있다. 박상 격자는 상대적으로 광각과 넓은 스펙트럼 대역에서 높은 회절 효율을 가진다.

후상 격자는 중 크롬산염 젤라틴과 같은 두꺼운(5~30㎛) 감광 유제에 간섭 주름을 레코딩하여 형성된다. 도 4는 간섭 주름이 형성된 후상 격자의 예를 나타낸다.

일반적으로 바이너리 옵틱스는, 요구되는 정밀도에 따라 다층의 마스크를 사용하여 포토 에칭을 수행함에 의해 평면 기판 위에 제조된 DOE이다. 사용된 마스크의 수를 N이라 하면, 도 5에 도시한 바와 같이 스텝의 수가 2ⁿ이기 때문에 바이너리 광학이라고 일컬어진다. 종래에는, 공작 정밀도 등의 이유에 의해 DOE에 필요한 이상적인 형상(블레이즈 형상(blazed shape)) 즉, 위상함수를 바르게 표현하기 위해 필요한 형상을 직접 제조하는 것이 어려웠다. 그러나 바이너리 옵틱스의 경우, 블레이즈 형상은 직접 제조되지 않고 계단 형상을 사용하여 근사화시킨다. 이러한 계 단 형상은 리소그래피 공정에 의해, 그리고 노광장치와 같은 스테퍼를 사용해서 아주 미세한 구조로 정확하게 제조할 수 있다.

이하에서는 회절 렌즈의 결상 원리 특성을 도 6을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 6(a)는 회절 렌즈의 평면을 나타낸 것이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 존 플레이트(zone plate)형 회절 격자 구조의 단면도를 도시한 것이다.

DOE에 있어서는, 광이 위상에 대하여 주기(2π)를 가진다는 것을 이용한다. 위상함수의 값(φ_m)이 2π의 정수배와 동등해지는 r_m의 값을 계산하고, 주기에 있어서는 φ_m의 값이 범위 (0, 2π)내로 들어오도록 2π의 정수배를 가한 위상함수 φ_m을 만든다. 이때, r_m은 m번째 회절 원의 반경을 나타내며, r_m은 다음 식과 같이 산출된다.

이때의 λ₀는 파장을 나타낸다. 각 원 영역을 통과하는 광파의 위상 변화는 근접 축 영역을 고려하면 수학식 2와 같다.

이때, 존 플레이트의 굴절률을 n(λ)라 하면,

여기서,

라 할 때, 수학식 2는,

이 되며, 존 플레이트 전체의 투과계수

는 주기 1의

의 주기계수에 해당하는 차식의 퓨리에 급수 전개로 구현된다.

여기서, c_k는 다음과 같이 표시된다.

따라서, 도 6(b)의 존 플레이트의 진폭 투과율은 최종적으로 다음과 같다.

k를 -k로 치환하면 수학식 6의 파장 λ의 평행광 입사는 다음과 같이 표시된 다.

이때에 곡률반경에 대하여 다수의 구면파가 발생하는 현상이 나타난다. 이 상황에서 k차 회절광의 회절 효율은 다음과 같이 표현된다.

수학식 9에서 λ=λ₀가 될 때,

이 되며, 1차 회절광에 대하여 100% 회절 효율을 얻을 수 있는 것으로 해석된다.

초점 거리는 기준 파장 대비 초점 거리를 f₀라 할 때, 수학식 8로부터 다음과 같이 표현할 수 있다.

이때, 굴절률 n_eqv는 통상 굴절렌즈를 고려하여

1/f=(n_eqv - 1)c

가 되며, n_eqv=1+1/cf가 성립한다. 여기서, c는 곡률을 의미한다.

도 7은 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템이 차량에 적용된 경우를 설명하기 위해 도시된 도면이다. 여기서, 설명을 용이하게 하기 위하여 디스플레이 소자(본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템을 나타낸다)는 운전자의 전방에 위치한 것으로 도시하였지만, 본 발명에 따른 HUD 시스템은 차량의 데쉬보드(dash board) 위에 장착될 수 있으며, 기타 다른 위치에 장착될 수도 있다.

차량용 HUD 시스템으로부터 전달되는 영상 빔은 윈드쉴드에 의해 일정량이 운전자에게 반사되며, 운전자는 윈드쉴드를 통해 운행정보를 표시하는 허상을 인식하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 내부 측면에 반사면이 마련된 도파관에 영상 빔을 회절시키는 회절 광학 소자를 적용시킴으로써, 디스플레이 장치로부터 영상 빔을 수신하여 윈드쉴드로 전달하기까지의 광학적 경로를 단순하게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도파관의 내측면에 복수의 반사경을 구비하고, 영상 빔의 위상변화는 회절 광학 소자를 이용하여 조절하게 됨으로써, 차량용 HUD 시스템의 전체적인 부피 및 크기를 줄일 수 있게 된다.

또한, 회절 광학 소자의 격자 구조의 깊이, 소자의 두께, 격자 구조의 위치를 이용하여 영상 빔의 위상을 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 윈드쉴드를 통해 생성되는 허상의 위상을 조절하는 것이 용이하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 그 전체적인 부피 및 크기가 적고, 어느 하나의 차량에 고정되어 사용되는 것이 아니기 때문에, 휴대하기 편리하며, 하나의 차량에서 다른 차량으로 이동하여 장착하기가 용이하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 차량용 HUD 시스템은, 내부 측면에 반사면이 마련된 도파관에 영상 빔을 회절시키는 회절 광학 소자를 적용시킴으로써, 디스플레이 장치로부터 영상 빔을 수신하여 윈드쉴드로 전달하기까지의 광학적 경로를 단순하게 하는 것이 가능하게 된다.

Claims

차량용 헤드업 디스플레이 시스템에 있어서,

외부의 디스플레이 소스로부터 입력되는 영상 빔(beam)을 내측에서 반사시키기 위한 반사면을 구비한 도파관; 및

상기 도파관의 일단에 설치되며, 상기 반사면을 통해 반사된 상기 영상 빔을 윈드쉴드(windshield) 방향으로 회절시키는 회절 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 외부의 디스플레이 소스로부터 입력되는 영상 빔을 상기 도파관의 내측으로 회절시키는 제2 회절 광학 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 회절 광학 소자 또는 상기 제2 회절 광학 소자는, 박상(thin phase) 격자 또는 후상(thick phase) 격자로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 박상 격자는 CGH(Computer Generated Hologram), 바이너리 옵틱스(binary optics), 키노폼(Kinoform) 중의 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 회절 광학 소자 또는 상기 제2 회절 광학 소자는, 형성된 각 격자 구조의 깊이, 소자의 두께, 상기 형성된 각 격자 구조의 위치에 기초하여 위상이 변화되는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 시스템.