KR101081171B1 - 집속 광속 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집속 광속 형성 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 발광 다이오드 매트릭스(1, 2, 3)로 구성되는 광원이 구비되고, 발광 다이오드에 의해 형성되는 광을 집속시키고 산란시키는 광학 장치가 광원과 광 출구 사이에 배치되며, 벽(6)이 반사성인 광 채널을 각 매트릭스 지점에 대해 각각 형성하는 격자형 반사기(5)가 상기 광을 집속시키고 산란시키는 광학 장치에 포함되고, 광원(1, 2, 3)을 마주하는 각 광 채널의 단부가 볼록 렌즈(4)를 포함한다.
집속 광속, 집속 광속 형성 장치, 헤드업 디스플레이

Description

집속 광속 형성 장치{DEVICE FOR PRODUCING A BUNDLED LIGHT FLUX}
본 발명은, 집속 광속(focused light flux) 형성 장치를 구비한 헤드업 디스플레이(head up display)로서, 광원을 구비하고, 광 밸브(light valve)를 포함한 영상 재생 장치를 구비하는, 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.
운송 수단 운전자가 주행 도로나 비행 공간을 계속 주시하면서 정보를 전달받을 수 있게 하기 위하여, 정보를 나타내는 영상을 운송 수단의 전면 유리에 영사하는 데 사용되는 이른바 헤드업 디스플레이(head-up display)가 공지되어 있다. 주위가 밝을 때에도 영상을 볼 수 있게 하기 위해서는, 추가로 그 영상의 조도를 높여야 할 필요가 있다. 일례로 독서 램프나 쇼윈도우 및 전람회용 발광체와 같은 여타 조명 분야에도 집속 광속의 형성은 필요하다.
집속 광속 형성 장치는, 각각 디스플레이에 대해 출원된 미국 특허 공보 제5,836,676호와 제5,043,716호에 그리고 일본 공개 특허 공보 제7-130256호에 개시되어 있다. 광선 집속 조명 기구는 미국 특허 공보 제4,935,665호에 개시되어 있다. 하지만, 개시되어 있는 장치들은 그들 각각의 집속 특성과 산란 특성으로 인해 헤드업 디스플레이에는 거의 적용시킬 수가 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 특히 전체 크기가 작고 중량이 가벼우며, 가능한 한 열이나 전력 손실이 거의 없게끔 사용되어, 운송 수단에서 작동하기에 적합한 장치를 사용함으로써 광속을 형성시키는 것이다.
이와 같은 목적은 본 발명의 특허청구범위 제1항 개시된 특징에 따라 달성된다. 종속항들은 바람직한 실시 태양들을 개시하고 있다.
본 발명의 집속 광속 형성 장치에 따르면, 각 매트릭스 지점(matrix point)이 각기 다른 색상을 가질 수 있는 다수의 발광 다이오드에 의해 형성되는 것이 바람직한 것으로 판명되었다. 또한, 본 발명은 광 채널 하나당 단일 렌즈가 있는 적용 분야에만 한정되는 것은 아니다.
모든 광 채널의 볼록 렌즈가 광원과 그리드 반사기 사이에 배치된 판에 일체형으로 연결되면, 본 발명에 따른 집속 광속 형성 장치를 효율적인 비용으로 제조할 수 있게 된다. 하지만, 상기 판은 광을 원하지 않는 횡방향으로 전달할 수 있는데, 이는 볼록 렌즈가 광원과 그리드 반사기 사이에 배치된 웹(web)에 그룹을 형성하여 일체형으로 연결되면 방지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 렌즈의 곡률 반경은 서로 다른 방향으로 다르다(비점 수차 렌즈). 이에 따라, 특히 긴 광 출구 개구에서 광 분배 효과가 향상된다.
광 밸브를 포함하고 광 출구 개구에 배치되는 영상 재생 장치에 의하여, 높은 조도를 갖고 전체 영상 영역에 걸쳐서 균일한 조도를 갖는 소형의 고해상도 영상 형성 장치를 제조할 수 있게 된다. 이 경우에, 광을 집속시키고 산란시키는 장치에 의하여, 개별 발광 다이오드들의 영상이 교란되지 않고서, 발광 다이오드에 의해 형성된 광이 영상 재생 장치의 표면으로 집중된다. 본 발명의 바람직한 적용 분야는 운송 수단용 그래픽 헤드업 디스플레이이다.
영상 재생 장치는 본 발명에 따른 집속 광속 형성 장치에 몇 가지 이점을 제공하는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다. 따라서, RGB 광원과 컬러 디스플레이 간의 공동 작용에 의하여, 그래픽 컬러 영상이 적절한 조도를 가지고서 헤드업 디스플레이에 표시될 수 있게 된다. 반사기와 렌즈의 공동 작용에 따라서, 액정 디스플레이의 영역에 작용하는 배경 조명의 조도와 컬러의 균일한 분포가 달성된다.
형상화할 수 있는 영상이 채색되어 액정 컬러 디스플레이에 표시될 수 있다. 따라서, 영상의 내용이 운전 상황에 맞게끔 변화될 수 있다. 전체 영상 재생 장치의 설치 공간은 실제 실시예의 경우에 단지 수 입방 센티미터 정도이다. 발광 다이오드의 컬러와 관련 디스플레이의 컬러를 선택함으로써 각각 컬러 공간이 표시되도록 하는 것도 가능하다. 이를 테면, RGB 발광 다이오드 매트릭스 대신에, 적색/녹색 발광 다이오드 매트릭스를 선택하여 블루 필터(blue filter) 소자들을 액정 디스플레이의 녹색 발광 다이오드 매트릭스들로 대체시키는 것도 가능하다. 이에 따라, 더욱 향상된 조도를 갖는 제한된 컬러 공간이 형성된다.
본 발명에는 여러 가지 실시예가 가능하다. 이하에서는 다수의 실시예들을 도면들을 참고로 하여 설명한다.
도 1은 일 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 실시예의 그리드 반사기를 도시한 평면도이다.
도 3은 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 4는 여러 가지 상세 사항을 설명하기 위해서 도 1의 일부를 확대하여 상세하게 도시한 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예의 일부를 확대하여 상세하게 도시한 도면이다.
도 6은 렌즈 매트릭스의 일부를 도시한 도면이다.
도 1과 도 2의 실시예를 보면, 지지부(2)에 설치된 4개의 발광 다이오드(1)를 각각 구비한 4×8개 그룹의 매트릭스(matrix)가 광원으로서 구비되어 있다. 경사면이 반사기의 역할을 하는 웹(web)(3)이 상기 그룹들 사이에 배치된다.
그리드(grid) 반사기(5)에 인접한 렌즈 매트릭스(4)는 광원(1, 2, 3) 위에 놓인다.
웹(3), 렌즈 매트릭스(4) 및 그리드 반사기(5)의 경사면(6)은 광을 균일하게 분배시킨다. 웹(7)이 반사기(5)를 가리지 않게 하기 위해서, 반사기(5)와 액정 디스플레이(9) 사이에 간격을 형성시키는 프레임(8)이 구비된다. 백라이팅(backlighting)이 보다 균일하게 액정 디스플레이(9)에 조사되도록 하는 확산 스크린(10)이 액정 디스플레이(9) 아래에 배치된다.
프레임(8)은 액정 디스플레이가 경사지게 위치되도록 하여, 관찰자에게 도달할 수 있게 광이 이탈하는 방향과 동일한 방향으로, 위에서 입사한 광이 반사되지 않게 한다.
도 2는, 액정 디스플레이(9)와 확산 스크린(10)이 제거되어 있는 상태에서 도 1의 장치를 도시한 것이다. 도 2를 보면, 렌즈 매트릭스(4)를 통해서 발광 다이 오드(1)를 확인할 수 있다. 하지만, 간단하게 도시하기 위하여, 발광 다이오드(1)의 해당 변형(distortion)에 대해서는 도시하지 않았다.
도 3에 도시된 일 실시예에 따르면, 프레임(17)에 놓인 유리판(18)이 광 출구 개구에 포함되는 조명 장치가 도시되어 있다. 이러한 점을 제외하고는, 이 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 동일하게 구성된다.
도 4는 도 1을 확대하여 상세하게 도시한 도면이며, 액정 디스플레이와 광원에 대해서 상세하게 도시한 도면이다. 액정 디스플레이(9)는 두 유리판(11, 12) 사이의 컬러 필터(14)와 액정(13)을 포함한다. 상기 컬러 필터(14)는 각기 다른 색상을 가진 3개의 색점이 배열되어 구성되며, 상기 3개의 색점은 도 4에 서로 달리 해칭하여 도시되어 있다. 조절 전극(미도시)이 컬러 필터와 상관되는 방식으로 구비되며, 각각 액정과 함께 광 밸브(light valve)를 형성한다. 유리판(11, 12)의 외부에는 편광면과 서로 수직인 편광기(15, 16)가 배치된다.
도 1에 간략하게 도시된 광원은 도 4에 보다 상세하게 도시되어 있다.
4개의 발광 다이오드(1)가, 웹(3)에 의해 형성된 구멍의 중간부에서 상승되는 방식으로 서브마운트(submount)(20)에 배치된다. 발광 다이오드는, 점유 영역이 해칭되어 개략적으로만 도시되어 있는 라인(25)에 접합 와이어(21)를 통해 연결된다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 발광 다이오드 중 하나는 적색이고, 2개는 연녹색이며, 나머지 하나는 연청색이다. 이 구성에 따르면, 광은 서로 혼합되어 백색광을 형성한다. 서브마운트(20)와 웹(3) 사이의 공간은 백색 포팅 합성물(potting compound)(22)로 충진되며, 이 포팅 합성물의 표면(24)은 발광 다이오드(1)로부터 측방향으로 발광된 광의 반사기 역할을 한다. 투명 포팅 합성물(23)은 캐비티의 형성을 방지한다.
도 4에 도시된 실시예에 따르면, 광원(1, 2, 3)과 렌즈 매트릭스(4)는 실리콘 겔로 제조된 층(26), PCF층(27) 및 적절한 접착제(28)에 의해 서로 연결된다.
PCF층(27)은, 발광 다이오드에 의해 형성된 광 중에서 하부 편광기(15)의 방향으로 편광된 광만이 투과되도록 하여, 어떠한 광도 PCF층(27)에서 편광에 의해 소실되지 않게 한다. 각기 달리 편광된 광은 PCF층(27)에 의해 반사되어 표면(24)으로부터 재발광된다. 적절히 편광된 성분은 추가로 PCF층(27)을 투과하여, 전체적으로 PCF층은 휘도를 증가시키는 데 기여하게 된다.
도 5는 PCF층이 없는 일 실시예를 도시하고 있다. 도 5에서도 집속 광속 형성 장치 가장자리 부분이 상세하게 도시되어 있다.
도 6은 8개의 렌즈가 웹(32)에 의해 함께 결합되어 있는 렌즈 매트릭스(31)를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 렌즈 매트릭스 중 4개는 도 4와 도 5에 따른 실시예에서 서로 이웃하여 배치된다.

Claims (5)

  1. 집속 광속을 형성하기 위한 장치를 구비하는 헤드업 디스플레이로서,
    발광 다이오드 매트릭스로 구성되는 광원(1, 2, 3);
    발광 다이오드들에 의해 형성되는 광을 집속 및 산란시키고, 상기 광원(1, 2, 3)과 마주하는 각각의 단부가 볼록 렌즈(4)를 포함하고 벽들(6)이 반사성인 광 채널을 매트릭스 지점에 대해 각각 형성하는 그리드 반사기(5)를 포함하는 광학 장치; 및
    광 밸브들을 포함하고, 광을 집속 및 산란시키는 상기 광학 장치의 광 출구 개구에 배치되는 영상 재생 장치(9) ― 상기 영상 재생 장치(9)는 상기 광원으로부터의 광이 상기 영상 재생 장치(9)를 이탈하는 방향과 상이한 방향으로 입사광이 반사되도록 위치됨 ―
    를 포함하고,
    상기 영상 재생 장치(9)와 상기 광 출구 개구 사이에 확산 스크린(10)이 배치되는,
    집속 광속 형성 장치를 구비하는 헤드업 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서,
    모든 광 채널들의 볼록 렌즈들(4)은 상기 광원(1, 2, 3)과 상기 그리드 반사기(5) 사이에 배치된 판에 일체형으로 연결되는,
    집속 광속 형성 장치를 구비하는 헤드업 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈들(4)은 상기 광원(1, 2, 3)과 상기 그리드 반사기(5) 사이에 배치된 웹들에 그룹들을 형성하여(in groups) 일체형으로 연결되는,
    집속 광속 형성 장치를 구비하는 헤드업 디스플레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼록 렌즈(4)는 상이한 방향들에서 상이한 곡률 반경을 갖는 비점 수차 렌즈를 포함하는,
    집속 광속 형성 장치를 구비하는 헤드업 디스플레이.
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