KR101131983B1 - 차량속도에 따라 가상 영상정보 이미지의 투영위치를 변화시키는 차량용 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

차량속도에 따라 가상 영상정보 이미지의 투영위치를 변화시키는 차량용 헤드업 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 운전자의 주시야선 안에 가상 이미지를 형성하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 영상정보를 수신하여 영상 이미지를 출력하는 영상출력부; 영상출력부로부터 출력되는 영상 이미지를 투과시키는 제1 렌즈를 구비하되, 제1 렌즈를 영상 이미지를 투과시키는 방향으로 전후 이동시키는 렌즈조절부; 차량의 차량속도를 수신하는 속도수신부; 및 차량속도에 따라 제1 렌즈를 이동시키는 영상제어부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 의하여, 차량의 속도에 따라 윈도 실드에 투사시키는 영상 이미지의 시청거리를 조절함으로써, 운전자가 차량속도에 따라 전방을 주시하는 거리(또는 위치)의 주변에 가상 이미지를 표시하여 전방을 주시하던 시선의 초점을 변경하지 않더라도 영상 이미지를 시청할 수 있다.

Description

차량속도에 따라 가상 영상정보 이미지의 투영위치를 변화시키는 차량용 헤드업 디스플레이 장치 { A head-up display device for vehicle moving the projecting position of virtual images by the vehicle velocity }
본 발명은 운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 운전자의 주시야선 안에 가상 이미지를 형성하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 차량의 속도에 따라 차량의 윈드실드에 투영시키는 이미지의 투영 위치(또는 거리)를 변화시키는 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 헤드업 디스플레이(HUD, Head Up Display)는 차량의 속도나 유량 등의 정보나 나이트 비전, 후방감시카메라의 영상 등의 영상정보를 렌즈에 의해 확대한 상태로 거울을 이용하여 계기판 등이 아닌 전면 유리창에 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 쉽게 인식할 수 있어 안전성을 확보하도록 한 것이다.
초창기에 HUD는 항공기 특히 전투기에 부착되어 개발하게 된 것이 차량용 HUD인 것이다.
보통 시속 약 100m/h 운전 중에 시야를 계기판에 두었다가 도로로 시야를 고정시키는 시간(약 2초)에 약 55m 이동하기 때문에 위험은 존재한다. 이러한 위험을 줄이는 방법의 하나로 차량용 HUD를 개발 중인 것이다. 차량용 HUD는 앞 유리창의 운전자의 주시야 선에 계기판의 정보(속력, 주행거리, RPM 등)를 나타나게 하여 운전자가 운전 중에도 쉽게 주행정보를 파약할 수 있도록 한다. 이로써 운전자는 도로로부터 눈을 떼지 않고도 중요한 주행정보를 인지함으로써 안전 운행을 할 수 있는 것이다.
도 1a는 종래의 차량용 HUD 광학 시스템의 개략도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 운전자가 운전석에 착석하면 운전자의 머리 윗부분에 설치되어 있는 초음파 센서(20)와 운전자의 전면 혹은 후방에 설치되어 있는 초음파 센서(22)에 의해 머리와의 거리를 감지하여 ECU(24)에 인가한다.
즉, 운전자의 머리 위부분에 설치되어 있는 초음파 센서(20)는 초음파 센서(20)와 머리의 위부분과의 거리를 감지하여 ECU(24)에 인가하고, 운전자의 전면 혹은 후방에 설치되어 있는 초음파 센서(22)는 초음파 센서(22)로부터 머리의 앞부분 혹은 뒷부분에 이르는 거리를 감지하여 ECU(24)에 인가한다.
두개의 초음파 센서(20)(22)에 의해 감지되는 거리 데이터를 인가받은 ECU(<18> 24)는 두개의 거리 데이터에 의해 운전자의 시선의 위치를 판단한다. 즉, 운전자의 시선 높이가 어느 지점에 위치하고 있는가와 전후위치가 어디에 위치하고 있는가를 판단하여 프로젝터(14)로부터 반사되는 반사광이 디스플레이 되어야 하는 위치를 판단한다.
운전자의 시선의 위치가 판정되면, ECU(24)는 프로젝터(14)에서 투사되는 반사광이 전술한 과정에 의해 판단된 위치에 디스플레이 되도록 프로젝터(14)의 입사각을 연산한다. 즉, 프로젝터(14)에서 투사되는 반사광이 윈드실드(10)의 컴바이너(12)에 반사되어 운전자의 시선에 정상적으로 전달될 수 있는 프로젝터(14)의 입사각을 연산한다.
프로젝터(14)의 현재 위치를 판단한 후, 프로젝터(14)의 입사각을 연산된 입사각으로 조정할 수 있도록 모터 구동부(18)에 구동신호를 출력하여(S5), 모터(16)를 구동한다(S6). 이를 통해 프로젝터(14)의 입사각이 조정되어 윈드실드(10)의 컴바이너(12)에 디스플레이되는 반사광의 위치를 운전자의 시선에 맞게 조절할 수 있다.
도 1b는 실제 차량의 운전자가 종래의 HUD 시스템을 이용하는 경우의 개략도이고, 도 1c는 종래의 HUD 시스템의 원리를 나타낸 도면이다.
도 1b 및 도 1c에서 나타낸 바와 같이 운전자는 영상원에서 나오는 각종 정보를 포함하는 영상 이미지를 미러와 윈드실드의 컴바이너를 통해 운전시야의 일정거리 밖에서 볼 수 있는 구조로 되어 있다.
즉, 자동차의 내부 시스템에서 전달되는 주행 정보를 디스플레이가 가능한 데이터로 변환되는 프로세스 과정을 거치며 그 데이터는 거울에 반사되고 윈드 실드에 투영되어 운전자의 주시야선 안에서 가상 이미지를 형상하여 운전자에게 주행 정보를 제공하게 된다.
그러나 가상 이미지를 구현 하는데 있어서, 허상 광학 관계로 인하여 이차원 영상 이미지로 구현되기 때문에 운전자의 시야를 가리게 되고, 내비게이션 등 각종 정보에 있을 수 있는 3차원 공간정보를 표시하기에는 한계가 있다.
이를 개선하여 3차원 허상 이미지를 생성하기 위한 기술의 일례가 [한국등록특허 제0813492호(2008.03.13.공개), "차량용 헤드 업 디스플레이 장치"](이하 선행기술 1)에 제시되고 있다. 상기 선행기술 1은 차원 입체영상의 구현으로 운전자가 필요로 하는 3차원 이미지 정보를 구현하는 기술을 제시하고 있다.
한편, 상기와 같은 헤드업 디스플레이 기술은 영상 이미지를 윈드실드에 투영하되, 운전자가 윈드실드에서 일정한 거리만큼 떨어진 곳에서 가상의 이미지(또는 허상)를 보게 한다. 예를 들어, 운전자가 통상 자신의 눈에서 약 2m 정도 떨어진 거리에서 이미지를 볼 수 있게 한다.
그러나 운전자는 운전 속도나 운전 상황에 따라 보는 거리가 달라져서 운전자의 초점도 멀어지거나 가깝게 변하게 된다. 이로 인해, 운전 중 HUD의 정보를 확인하기 위해서, 운전자는 시각 초점을 먼 곳으로부터 가까운 곳으로 움직이게 된다. 이때 실제 도로인 먼 곳과 HUD의 가까운 초점 거리의 차이가 있기 때문에, 실제 도로나 HUD의 상이 흐릿하게 보인다. 따라서 운전자는 종합적인 운전 상황을 지속적으로 관찰하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 운전자가 필요로 하는 영상정보를 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 윈드실드 전방에 가상 이미지를 형성하되, 차량속도에 따라 가상 이미지의 투영 위치(또는 거리)를 정하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 차량속도에 따라 투영위치를 변화시키는 동시에, 투영위치가 멀어지면 영상 이미지를 크게 하는 등 위치에 따라 투영시키는 영상 이미지의 크기를 조절하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 차량속도를 단계로 구분하여 각 단계에 따른 렌즈의 이동거리, 영상 이미지의 줌 비율 등 영상조절 값을 사전에 정하고, 차량속도를 수신하면 그 속도에 속하는 단계의 영상조절 값을 이용하여 제어하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 운전자의 주시야선 안에 가상 이미지를 형성하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 상기 영상정보를 수신하여 영상 이미지를 출력하는 영상출력부; 상기 영상출력부로부터 출력되는 영상 이미지를 투과시키는 제1 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈를 영상 이미지를 투과시키는 방향으로 전후 이동시키는 렌즈조절부; 상기 차량의 차량속도를 수신하는 속도수신부; 및 상기 차량속도에 따라 상기 제1 렌즈를 이동시키는 영상제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 제1 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 결상렌즈인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상제어부는 상기 차량속도가 커지면 상기 제1 렌즈를 영상출력부 방향으로 이동시키고, 상기 차량속도가 작아지면 상기 제1 렌즈를 영상출력부의 반대방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상제어부는 차량속도가 s인 경우, 영상출력부(51)에서 제1 렌즈(55)의 이동거리 a를 [수식 1]에 의하여 구하는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
Figure 112010048928084-pat00001
단, b0, b1는 운전자의 시선에서 허상까지의 최소거리 및 최대거리,
SM 는 차량의 최대속도, f는 제1 렌즈의 초점거리.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상출력부는 출력 패널의 앞면에 상기 출력되는 영상 이미지를 입체영상 이미지로 전환하기 위한 필터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 필터는 폴라라이징 필터(polarizing filter), 렌티큘러 렌즈 시트, 슬릿 어레이 시트 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상제어부는 차량속도를 적어도 2개의 속도단계로 구분하고 각 속도단계에 해당하는 제1 렌즈의 이동거리를 정하여, 수신된 차량속도에 속하는 속도단계를 구하고, 구한 속도단계에 해당하는 이동거리로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상제어부는 하나의 속도단계의 이동거리에서 다른 속도단계의 이동거리 동안 상기 제1 렌즈를 이동시키되, 사전에 정해진 이동시간 동안 균일한 비율로 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 영상제어부는 상기 제1 렌즈 대신 상기 영상출력부의 출력 패널을 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서, 상기 렌즈조절부는 줌 렌즈인 제2 렌즈를 더 구비하고, 상기 제1 렌즈의 이동에 따라 상기 제2 렌즈의 줌을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 의하면, 차량의 속도에 따라 윈도 실드에 투사시키는 영상 이미지의 시청거리를 조절함으로써, 운전자는 속도에 따라 전방 시선 거리가 변하더라도 시선의 초점을 변경 없이 영상 이미지를 시청할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 의하면, 영상의 투영위치의 변화에 맞춰 영상 크기를 조절함으로써, 투영위치가 멀더라도 운전자는 영상 이미지를 편하게 볼 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 의하면, 차량속도를 단계로 구분하여 각 단계에 따라 영상조절 값을 사전에 정해 이용함으로써, 영상 이미지의 출력을 간단하고 빠르게 제어할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명을 실시하기 위한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 설치 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 차량속도에 따른 렌즈의 이동거리를 조절하는 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 차량속도의 속도단계에 대한 렌즈거리 등을 설정한 표이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 시청거리에 의해 입체영상의 액정 전계 렌즈의 초점을 구하는 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 패럴랙스 배리어에 의해 입체영상을 구현하는 방식을 설명하는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 운전자 40 : 차량
41 : 윈드실드 글래스 50 : 차량용 헤드업 디스플레이 장치
51 : 영상출력부 51a : 백라이트 또는 조명원
51b : 액정 표시 패널 52 : 필터
54 : 렌즈조절부 55 : 제1 렌즈
56 : 제2 렌즈 57 : 속도수신부
58 : 영상제어부
60 : 반사거울 70 : 가상 이미지 또는 허상
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 설치 일례를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 헤드업 디스플레이 장치(50)는 자동차(40)의 대시보드(dashboard)에 배치되고, 속도계 등의 계기류의 값을 운전자(관찰자)(30)의 전방에, 윈드실드 글래스(41)(윈드실드 또는 앞유리, 반사면) 너머에 표시한다.
상기 헤드업 디스플레이 장치(50)는 소형 액정 표시 패널(51b)(도 3 참조)을 내장하고 있고, 이 액정 표시 패널에 계기류의 값을 표시한다. 헤드업 디스플레이 장치(50)는 액정 표시 패널(51b)로부터 출사되는 영상 이미지를 렌즈조절부(54)(도 3 참조)에 의해 윈드실드 글래스(41)를 향해서 확대 투영한다. 투영된 영상이미지는 윈드실드 글래스(41)에서 운전자(30)의 방향으로 반사된다.
헤드업 디스플레이 장치(10)는 윈드실드 글래스(41) 상에 실상을 표시하는 것이 아니라, 운전자(30)로부터 윈드실드 글래스(41) 너머의 거리(D)의 위치에 허상(70)을 표시한다.
운전 중에 시선을 거의 움직이지 않고, 또한 눈의 초점 조절이 거의 행하여지지 않아도 허상(70)을 볼 수 있도록 허상(70)이 표시되는 거리(D)는 길게 되어 있다. 또, 허상(70)이 표시되는 거리(D)는 차량의 속도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 차량의 속도가 30km/h 인 경우 운전자(30)로부터 2m 정도의 거리에 허상(70)을 표시하거나, 차량의 속도가 60km/h 경우 운전자(30)로부터 6m 정도의 거리에 허상(70)을 표시한다.
한편, 헤드업 디스플레이 장치(50)로부터 출사되는 영상 이미지는 미러 시스템의 거울(60)에 의해 반사되어 윈드실드 글래스(41) 상에 투영된다.
미러 시스템(60)은 적어도 하나의 거울로 구성되며, 거울은 영상 이미지의 출사 방향으로 바꾸거나, 윈드실드 글래스(41)의 곡률이 부분마다 달라 영상 이미지가 왜곡되는 현상을 방지하기 위해 이용된다. 상기와 같은 기술은 공지기술이므로 구체적 설명은 생략한다.
또한, 미러 시스템(60)에서 거울은 하나 또는 2개 이상도 이용될 수 있다. 특히, 헤드업 디스플레이 장치(50)를 설치하는 위치에 따라 다수의 거울을 사용하여, 헤드업 디스플레이 장치(50)로부터 출사되는 영상 이미지가 윈드실드 글래스(41) 상에 제대로 투영되도록 영상 이미지를 반사시킨다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(50)의 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 영상출력부(51), 렌즈조절부(54), 영상제어부(58), 및 속도수신부(57)를 포함하여 구성된다.
영상출력부(51)는 광원(또는 백라이트, 51a)과 액정 표시 패널(51b)로 구성되어, 영상정보를 수신하여 영상 이미지를 출력한다. 즉, 광원(51a)은 조명광을 발생하고, 액정 표시 패널(51b)에 차량의 운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 표시한다. 그리고 조명광(51a)을 통하여 영상 이미지가 액정 표시 패널(51b)로부터 출력된다.
액정 표시 패널(51b)에는 속도계(speedometer)나 회전 속도계(tachometer), 수온계, 연료계 등의 각종 계기류의 값이 표시된다. 또한, 액정 표시 패널(51b)은 투과형이고, 배후에 설치된 백라이트(51a)로부터 조명광이 조사되며, 표시된 화상의 정보를 갖는 영상 이미지를 전방에 투과시킨다.
액정 표시 패널(51b)은 LCD, LOCS, DMD 등으로 사용될 수 있다. 즉, 이러한 평판형 표시소자를 사용함으로써, 시스템 구성효율을 높이고, 시스템의 소형화 및 슬림화를 용이하게 구현할 수 있을 뿐 아니라, 운전자가 필요로 하는 각종 이미지 정보를 반사 또는 투과하여 표시하는 투사광학계를 구현하기도 용이하게 된다.
백라이트(51a)는, 예를 들면 백색의 LED 등으로 이루어지고, 액정 표시 패널(51b)을 배후로부터 똑같이 조명한다. 또한, 백라이트(51a)는 백색의 LED에 의해 백색의 조명광을 조사하는 것에 한하지 않고, 원하는 색의 조명광을 조사하도록 해도 좋다. 예를 들면, 적색, 녹색, 청색 등의 단색 LED로 구성해도 좋고, 이들 단색 LED를 몇 가지 조합해서 원하는 색으로 상을 표시시키도록 해도 좋다. 또한, 백라이트(51a)는 LED에 한하지 않고, 다른 주지의 램프 등을 사용해도 된다. 그 외 백라이트 또는 광원(51a)으로서 UHP Lamp, 및 레이저 등을 사용할 수 있다. 이는 시스템의 사양, 설계에 따라 적정한 광원으로서 사용가능하며, 그 외에도 HUD 시스템이 특성에 따라 다양하게 광원을 선택할 수 있음은 물론이다.
렌즈조절부(54)는 영상출력부(51)로부터 출력되는 영상 이미지를 투과시키는 제1 렌즈(55)를 구비하되, 제1 렌즈(55)를 영상 이미지를 투과시키는 방향으로 전후 이동시킨다. 즉, 제1 렌즈(55)는 직선 이동수단(미도시)에 의해 조명광의 방향으로 전후로 이동될 수 있다. 직선 이동수단은 직선으로 이동시키는 통상의 이동수단을 사용한다.
제1 렌즈(55)는 양의 굴절력을 가지는 결상렌즈를 사용한다. 따라서 영상출력부(51)로부터 출력되는 영상 이미지를 확대하여 윈드실드 글래스(41)에 투영한다.
한편, 렌즈조절부(54)는 줌 렌즈인 제2 렌즈(56)를 더 구비할 수 있다. 제2 렌즈(56)는 제1 렌즈(55)의 전방에 설치되거나, 제1 렌즈(55)의 후방에서 영상출력부(51)와의 사이에 설치될 수도 있다.
렌즈조절부(54)는 영상제어부(58)의 제어에 따라 제1 렌즈(55)를 전후로 이동시키거나, 제2 렌즈(56)의 줌 배율을 조절한다.
속도수신부(57)는 차량의 차량속도를 수신한다. 특히, 속도수신부(57)는 차량의 제어장치(ECU)나 속도계로부터 차량속도를 수신한다.
영상제어부(58)는 차량속도에 따라 제1 렌즈(55)를 이동시킨다. 즉, 영상제어부(58)는 차량속도가 커지면 제1 렌즈(55)를 영상출력부(51) 방향으로 이동시키고, 차량속도가 작아지면 제1 렌즈(55)를 영상출력부(51)의 반대방향으로 이동시킨다.
도 4a에서 보는 바와 같이, 차량속도가 작아지면, 영상제어부(58)는 제1 렌즈(55)를 영상출력부(31)의 반대 방향으로 이동시킨다. 이를 통해, 영상출력부(51)에서 출력되는 영상 이미지의 허상(또는 가상 이미지, 70)을 윈드실드 글래스(41)의 가까이에서 형성되도록 한다.
운전자(30)는 차량속도를 줄이면 전방의 가까운 곳을 보게 되고, 차량속도가 높아지면 전방의 먼 곳을 보게 된다. 따라서 차량속도가 떨어지면, 윈드실드 글래스(41)의 전방 가까운 곳에 영상 이미지의 허상(70)을 형성하여, 운전자(30)가 전방을 주시하던 시선의 초점을 변경하지 않더라도 영상 이미지의 허상(70)를 시청할 수 있다.
또한, 도 4b에서 보는 바와 같이, 차량속도가 빨라지면, 영상제어부(58)는 제1 렌즈(55)를 영상출력부(31) 방향으로 이동시킨다. 이를 통해, 영상출력부(51)에서 출력되는 영상 이미지의 허상(또는 가상 이미지, 70)을 윈드실드 글래스(41)의 먼 곳에서 형성되도록 한다.
차량속도에 따라 렌즈의 이동거리를 구하는 식은 다음과 같이 구한다.
영상출력부(51)에서 제1 렌즈(55)까지의 이동거리를 a라 하고, 운전자의 시선에서 허상까지의 거리를 b라 하고, 제1 렌즈의 초점거리를 f라 하면, 영상출력부(51)에서 제1 렌즈(55)의 이동거리 a는 다음 [수학식 1]에 의하여 구한다.
[수학식 1]
Figure 112010048928084-pat00002
상기 [수학식 1]에서 보는 바와 같이, 운전자의 시선에서 허상까지의 거리를 멀게 하면, b의 값은 커진다. f는 고정값이므로, a는 작아진다. 따라서 운전자의 시선에서 멀리 떨어진 곳에서 허상(70)을 형성하려면, 영상출력부(31)와 제1 렌즈(55)의 거리를 가깝게 해야 한다.
또한, 운전자의 시선에서 허상까지의 거리 b의 최소값을 b0라 하고, 최대값을 b1이라고 정한다. 차량의 최대속도를 SM 이라고 정하면, 차량속도 s에 대하여 운전자의 시선에서 허상까지의 거리 b는 다음 [수학식 2]와 같다.
Figure 112010048928084-pat00003
상기 [수학식 1]과 [수학식 2]를 통해, 차량속도가 s인 경우, 영상출력부(51)에서 제1 렌즈(55)의 이동거리 a는 다음 [수학식 3]에 의하여 구한다.
[수학식 3]
Figure 112010048928084-pat00004

다른 실시예로서, 영상제어부(58)는 차량속도를 적어도 2개의 속도단계로 구분하고 각 속도단계에 해당하는 제1 렌즈(55)의 이동거리를 정하여, 수신된 차량속도에 속하는 속도단계를 구하고, 구한 속도단계에 해당하는 이동거리로 이동시킨다.
상기 [수학식 3]을 이용하여, 차량속도 s에 따라 제1 렌즈(55)를 이동시키면, 윈드실드 글래스에 형성되는 영상 이미지의 허상(70)의 거리가 지속적으로 변하므로, 운전자(30)는 허상(70)을 바라보는데 매우 불편할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여, 차량속도를 일정한 단계로 구분한다.
도 5의 일례에서 보는 바와 같이, 차량속도를 4단계로 구분한다. 차량속도가 30km/h 이하이면, 제1 단계로서 제1 렌즈 거리를 30mm 로 설정한다. 또, 차량속도가 70km/h이면, 제3단계에 속하므로 제1 렌즈 거리를 20mm 로 설정한다.
각 단계에 따른 제1 렌즈(55)의 거리는 실험을 통해 최적의 거리를 사전에 정하여, 도 5와 같은 표를 만들어 사용한다.
바람직하게는, 영상제어부(58)는 하나의 속도단계의 이동거리에서 다른 속도단계의 이동거리 동안 상기 제1 렌즈를 이동시키되, 사전에 정해진 이동시간 동안 균일한 비율로 이동시킨다.
예를 들어, 차량속도가 25km/h에서 35km/h로 빨라지면, 제1 렌즈의 거리를 30mm에서 25mm로 변경한다. 이때, 제1 렌즈를 아주 빠른 시간 내에 변동시키면, 영상 이미지의 허상(70)이 매우 빠른 속도로 이동되므로, 운전자(30)가 혼란을 겪을 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 정해진 이동시간 동안 일정한 균일 비율로 이동시키도록 한다. 일례로, 3초 동안 제1 렌즈의 거리를 30mm에서 25mm로 일정한 비율로 감소시킨다. 상기와 같이 일정한 비율로 일정한 시간동안 이동하면, 운전자(30)는 영상 이미지의 허상이 변하는 상황을 충분히 인지할 수 있으므로, 당황하지 않게 된다.
다음으로, 줌 렌즈를 구비하여 영상 이미지의 허상(70)의 크기를 조절하는 방법을 설명한다.
렌즈조절부(54)는 줌 렌즈인 제2 렌즈(56)를 더 구비하고, 제1 렌즈(55)의 이동에 따라 제2 렌즈(56)의 줌을 조절한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 제1 렌즈(55)의 이동에 따라 허상(70)이 맺히는 위치도 멀어질 뿐만 아니라, 허상(70) 자체도 확대된다. 그러나 확대되는 크기는 매우 커질 수도 있고, 충분히 커지지 않아 운전자(30)가 육안으로 파악하기에는 영상 이미지가 너무 멀고 작을 수도 있다.
이를 해결하기 위해, 제1 렌즈(55)의 전방에 제2 렌즈(56)를 구비하여, 제2 렌지(56)의 줌배율을 조절함으로써 출력되어 투과되는 영상 이미지의 크기를 조절한다.
바람직하게는, 제2 렌즈의 줌배율도 차량속도의 단계로 구분하여 줌배율을 사전에 정해 테이블로 저장한다. 도 5와 같이, 차량속도에 따라 속도단계를 찾고 그 속도단계에 해당하는 줌배율을 읽어와서 읽어온 줌배율로 제2 렌즈의 줌배율을 설정한다.
앞서 설명한 실시예는 제1 렌즈(55)를 이동시켜 영상이미지의 허상(70)의 거리를 변화시킨 것이다. 렌즈(55)를 이동시키는 대신 영상출력부(51) 자체가 이동하여, 허상(70)의 거리를 조절할 수 있다.
즉, 차량속도가 작아지면, 영상제어부(58)는 영상출력부(31)를 제1 렌즈(55)의 반대방향으로 후진시킨다. 이를 통해, 영상출력부(51)와 제1 렌즈(55)의 사이를 멀어지게 한다. 차량속도가 빨라지면, 영상제어부(58)는 영상출력부(31)를 제1 렌즈(55) 방향으로 전진시킨다. 이를 통해, 영상출력부(51)와 제1 렌즈(55)의 사이를 가까워지게 한다.
나머지의 구체적 실시는 앞서 설명한 제1 렌즈(55)를 이동시키는 것과 동일하게 적용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따라 출력되는 영상 이미지를 입체영상으로 출력하는 구성을 도 6을 참조하여 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 영상출력부(51)는 출력 패널(51b)의 앞면에 상기 출력되는 영상 이미지를 입체영상 이미지로 전환하기 위한 필터(52)를 구비한다. 필터는 폴라라이징 필터(polarizing filter), 렌티큘러 렌즈 시트, 슬릿 어레이 시트 중 어느 하나로 이루어진다.
도 6은 입체영상을 위한 렌티큘러 렌즈 및 이의 원리 및, 최적 시청거리와 운전자의 위치관계를 나타낸 도면이다.
표시 패널(51b)에서 하나의 렌즈 영역(P)에 대하여 좌안 영상(l)과, 우안 영상(r)을 생성하고, 이를 액정 전계 렌즈(52b)를 통해 투과시킬 때, 액정 전계 렌즈(52b)가 갖는 영역별 유효 굴절율 차에 의해 운전자(또는 시청자)는 각각 좌안에 좌안 영상(l)을 인지하고, 우안에서 우안 영상(r)을 인지한다. 이는 사람이 갖는 좌안과 우안 사이의 간격, 즉, 양안 시차에 의해 인지하는 것으로, 일반적으로 사람의 양안 간격의 평균 값은 65mm 에 해당한다. 여기서, 각각 좌안 영역의 범위는 좌안이 시인할 수 있는 범위, 우안 영역의 범위는 우안이 시인할 수 있는 범위를 나타낸 것으로, 각각 양안 간격에 상당하는 65mm에 상당하며, 우안, 좌안 영역을 포함한 거리는 65mm의 2배인 130mm에 해당한다.
이 때, 운전자(30)가 액정 전계 렌즈(52b)로부터 시청 거리 D의 위치에 있고, 액정 전계 렌즈(52b)가 f의 초점 거리를 가질 때, 시청 거리 D에서 양안 간격을 E라고 하며, 일 렌즈 영역(P)의 피치를 P라고 한다.
이 때, 상기 액정 전계 렌즈(52b)와 초점 사이의 삼각형과, 상기 초점과 시청자 위치 사이의 삼각형은 서로 비례 관계에 있으며, 이에 따라 다음 [수학식 4]들에 의한 시청 거리 D를 구할 수 있다.
즉, P: fR= 2E:(D-f)의 관계가 성립되어,
[수학식 4]
Figure 112010048928084-pat00005
이러한 관계식에 의해 렌즈의 초점 거리(fR)가 짧아지면 렌즈의 시청 거리(D)도 짧아짐을 알 수 있다. 그러나 도 6과 같이, 액정 전계 렌즈(52b)에 대하여, 시청자가 액정 전계 렌즈(52b)의 시청거리 D와 동일한 위치 S1에 있을 경우에는 정상적으로 입체 표시를 시청 가능하지만, 이로부터 벗어난 S2에 있을 경우에는 입체 표시 영상이 맺히는 부위가 아니게 되어, 이 위치에 시청자가 있을 때 불명확한 영상으로 입체 표시 영상을 인식하게 된다.
액정 전계 렌즈(52b)에 인가하는 전압을 변화시켜 초점거리 fR를 변경한다. 즉, 앞서 차량속도에 의해 제1 렌즈(55)를 이동시켜, 운전자(30)의 시선에서 허상(70)까지의 거리 D를 결정하고, 상기 거리 D에 따라 액정 전계 렌즈(52b)의 전압을 가하여, 다음 [수학식 5]에 의해 초점거리를 변경한다.
[수학식 5]
Figure 112010048928084-pat00006

입체영상 필터(52)의 또 다른 예로서, 슬릿 배열판을 이용하는 패럴럭스(Parllax) 방식을 이용하여 입체영상을 구현할 수 있다. 여기서, 슬릿 배열판(3D filter)이 평판 표시 소자의 외부에 설치된 입체 표시장치를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿 배열판(220)은 방향별 영상을 분리하는 3D 필터(filter)로 이용되며, 빛이 통과할 수 있는 사각형 모양의 투과 영역(225)과 나머지 불투과 영역(224)으로 이루어져 있다.
LCD 패널로 이루어지는 평판 표시 소자(210)는 반사판(205)에 밀착된 백 라이트(200)와 3D 필터(filter)인 슬릿 배열판(220)사이에 배치된다. 이때, 평판 표시 소자(210)를 투과한 빛은 슬릿 배열판(220)의 투과 영역(225)을 통과하게 된다. 한편, 슬릿 배열판 (220)의 불투과 영역(224)은 흑색의 흡수 도료로 처리되어있다.
따라서 평판 표시 소자(210)를 투과한 빛 가운데 불투과 영역(224)에 도달된 빛은 불투과 영역(224)에 처리된 흑색의 흡수 도료에 의하여 흡수가 이루어진다. 슬릿 배열판(220)을 이용한 parallax 방식의 경우에는 렌즈 배열판을 사용하는 렌티큘라 방식과는 달리 수차가 발생되지 않고 제작이 용이하다는 장점이 있다.
입체영상 필터(52)의 또 다른 예로서, 편광필터 이용하여 입체영상을 구현할 수 있다. 수많은 픽셀을 구비하는 평판형 디스플레이 소자에서 나오는 이미지를 편광필터를 통하여 각각의 픽셀에 좌, 우안에 대응 되는 편광 시키고, 이 편광필터를 투과 또는 반사하여 나오는 이미지 좌, 우안으로 직교하는 편광필터를 구비하는 안경을 통하여 입체영상을 표시하게 되는 구조이다.
이처럼, 3차원 입체영상을 구현하는 편광필터 방식은 직교한 편광소자의 조합에 의한 차광효과를 이용해서 좌우안의 화상을 분리하는 것이며, 직교하는 편광필터를 장착한 프로젝터에 의해 좌우 화상을 스크린에 투사하고 직교하는 편광필터가 달린 안경으로 관찰한다. 이 방식은 색 재현성이 좋고, 높은 해상도, 풀 칼라의 영상 표시가 가능하며 좋은 실재감, 실현이 수월하다는 장점이 있다.
앞서 렌티큘라를 이용하는 경우와 같이, 시청거리 D에 따라 패럴랙스의 슬릿 배열판의 간격을 조절한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 운전자의 주시야선 안에 가상 이미지를 형성하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 개발하는 데 적용이 가능하다.

Claims (10)

  1. 차량의 운전자가 필요로 하는 영상정보를 수신하여 차량의 윈드실드 글래스에 투영시켜 운전자의 주시야선 안에 가상 이미지를 형성하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 영상정보를 수신하여 영상 이미지를 출력하는 영상출력부;
    상기 영상출력부로부터 출력되는 영상 이미지를 투과시키는 제1 렌즈를 구비하되, 상기 제1 렌즈를 영상 이미지를 투과시키는 방향으로 전후 이동시키는 렌즈조절부;
    상기 차량의 차량속도를 수신하는 속도수신부; 및
    상기 차량속도에 따라 상기 제1 렌즈를 이동시키는 영상제어부를 포함하고,
    상기 영상제어부는 상기 제1 렌즈 대신 상기 영상출력부의 출력 패널을 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 양의 굴절력을 가지는 결상렌즈인 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 영상제어부는 상기 차량속도가 커지면 상기 제1 렌즈를 영상출력부 방향으로 이동시키고, 상기 차량속도가 작아지면 상기 제1 렌즈를 영상출력부의 반대방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영상제어부는 차량속도가 s인 경우, 영상출력부(51)에서 제1 렌즈(55)의 이동거리 a를 [수식 1]에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
    [수식 1]
    Figure 112010048928084-pat00007

    단, b0, b1는 운전자의 시선에서 허상까지의 최소거리 및 최대거리,
    SM 는 차량의 최대속도, f는 제1 렌즈의 초점거리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상출력부는 출력 패널의 앞면에 상기 출력되는 영상 이미지를 입체영상 이미지로 전환하기 위한 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터는 폴라라이징 필터(polarizing filter), 렌티큘러 렌즈 시트, 슬릿 어레이 시트 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영상제어부는 차량속도를 적어도 2개의 속도단계로 구분하고 각 속도단계에 해당하는 제1 렌즈의 이동거리를 정하여, 수신된 차량속도에 속하는 속도단계를 구하고, 구한 속도단계에 해당하는 이동거리로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 영상제어부는 하나의 속도단계의 이동거리에서 다른 속도단계의 이동거리 동안 상기 제1 렌즈를 이동시키되, 사전에 정해진 이동시간 동안 균일한 비율로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈조절부는 줌 렌즈인 제2 렌즈를 더 구비하고, 상기 제1 렌즈의 이동에 따라 상기 제2 렌즈의 줌을 조절하는 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치.

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