KR101408523B1

KR101408523B1 - 헤드업 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101408523B1
Application number: KR1020120080087A
Authority: KR
Inventors: 다까유끼 후지까와; 가즈또 후까사와; 히데아끼 이마호리
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2011-07-24
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-06-17
Also published as: CN102902064A; DE102012106638A1; KR20130012109A; US8766879B2; CN102902064B; JP5370427B2; JP2013025205A; US20130021224A1

Abstract

투영면(91, 93)에 투영될 표시 화상(71)이 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 스크린 부재(30)의 결상면(31)에 형성된다. 상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 투영기(10)가 구성된다. 상기 결상면(31)은 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성된다.

Description

헤드업 디스플레이 장치{HEAD-UP DISPLAY APPARATUS}

본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.

차량의 헤드업 디스플레이 장치 분야에서, 차량의 윈드실드를 포함하는 광학 시스템에서 발생되는 수차는 허상으로 표시되는 화상의 변형을 야기하는 것으로 알려져 있다. 상기 광학 시스템의 수차 중 하나는 화상의 왜곡에 발생되는 수차이다. 상기 왜곡에 의해 야기되는 허상의 2차원 변형을 감소시키는 기술이, 예를 들어 JPH07-257225A, JPH10-149085A, 및 JPH11-30764A에 개시되어 있다.

구체적으로, JPH07-257225A에는 발광 표시 수단 및 반사 홀로그램을 포함하는 홀로그램 디스플레이 시스템이 개시되어 있다. 상기 발광 표시 수단은 허상의 광을 투영한다. 상기 발광 표시 수단으로부터 출사된 광은 상기 반사 홀로그램에 투영된다. 상기 발광 표시 수단에 의해 투영된 표시 화상의 형상은 반사 홀로그램에서 발생된 변형을 보상하기 위하여 사전에 미리 변형(미리 왜곡)된다. 따라서, 상기 표시된 허상의 2차원 변형을 제한할 수 있다.

JPH10-149085A에는 디스플레이, 광원, 및 홀로그램 컴바이너를 포함하는 홀로그램 디스플레이 장치가 개시되어 있다. 상기 디스플레이는 표시 화상을 형성하는 광을 투영한다. 상기 디스플레이로부터 출사된 광은 상기 홀로그램 컴바이너에 투영된다. 상기 디스플레이에 의해 투영된 표시 화상의 형상은 홀로그램 컴바이너에서 발생된 화상의 2차원 변형을 보상하기 위하여 사전에 미리 변형(미리 왜곡)된다. 따라서, 상기 표시된 화상의 2차원 변형을 제한할 수 있다.

JPH11-30764A에는 화상 표시면 및 하프 거울(half mirror)을 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 개시되어 있다. 상기 화상 표시면으로부터 화상의 광이 투영된다. 상기 화상 표시면으로부터 출사된 광은 상기 하프 거울에 투영된다. 상기 화상 표시면으로부터 투영된 화상은 하프 거울에서 발생된 화상의 변형을 보상하기 위하여 사전에 미리 변형(미리 왜곡)된다. 따라서, 상기 허상의 2차원 변형을 제한할 수 있다.

근래 들어, JPH11-30764A의 경우와 유사하게, 시각자(viewer)의 전방측에 위치된 오목한 윈드실드에 표시 화상을 투영하는 헤드업 디스플레이 장치를 사용하는 것이 만연되어 있다. 이러한 헤드업 디스플레이 장치에서, 상기 화상의 2차원 변형에 의해 발생되는 수차 외에, 필드의 3차원 곡률(three-dimensional curvature of field)에 의해 야기되는 수차가 발생한다. 그러므로, 시각 영역에서 시각자가 본 표시 화상의 표시된 허상은 상기 시각자의 시각 영역과 표시된 허상 간의 거리가 상기 표시된 허상의 중앙부에서 상기 표시된 허상의 에지부로 감소하도록 변형된다.

JPH11-30764A의 헤드업 디스플레이 장치에서, 상기 표시 화상을 표시하는 화상 표시면은 평면으로 형성된다. 또한, 이러한 화상 표시면의 형상을 변경하는 것은 일반적으로 어렵다. 그러므로, 상기 화상 표시면에서 윈드실드까지인 광로의 거리 및 상기 허상의 결상점(imaging point)을 조정하기가 어렵다. 그 결과, 상기 허상의 3차원 변형이 감소될 수 없다. 상기 3차원 변형이 허상에서 발생하는 경우, 시각자가 시각 영역 내에서 자신의 시점을 이동시킬 때에 상기 형상의 변화 및 위치의 변화가 상기 표시 화상의 허상에서 발생한다. 그러므로, 상기 허상으로 표시되는 상기 표시 화상의 디스플레이 품질은 불충분하게 될 가능성이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 고려하여 이루어진다. 따라서, 본 발명의 목적은 허상으로 표시되는 표시 화상의 디스플레이 품질을 향상시킬 수 있는 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 미리 정해진 시각 영역으로부터 표시 화상의 허상을 시각자가 볼 수 있게 디스플레이 부재의 투영면에 표시 화상을 투영하도록 구성되는 헤드업 디스플레이가 제공된다. 상기 헤드업 디스플레이 장치는 스크린 부재와 투영기를 포함한다. 상기 스크린 부재는 투영면에 투영될 표시 화상이 상기 투영면에 표시 화상을 투영할 때에 형성되는 결상면을 포함한다. 상기 투영기는 결상면에 표시 화상을 형성하는 광을 투영하도록 구성된다. 상기 결상면은 허상의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성된다.

본 명세서에 개시된 도면은 예시적인 목적만을 위한 것으로 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하도록 의도하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치가 설치된 차량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 차량에서 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 레이저 스캐너의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구성요소의 위치를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에서 화살표 V 방향으로 본 허상 및 차량의 윈드실드와 함께 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 스크린의 볼록 결상면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 스크린의 결상면 및 레이저 스캐너와 함께 자유곡면 렌즈를 나타낸 도면이다.
도 7a는 결상면에 형성된 표시 화상을 나타낸 도면이다.
도 7b는 결상면이 평면인 경우에 허상의 형상을 나타낸 도면이다.
도 7c는 시각자의 안점이 우측 방향으로 이동된 경우에 시각자가 본 도 7b의 허상을 나타낸 도면이다.
도 7d는 결상면이 볼록면인 경우에 허상의 형상을 나타낸 도면이다.
도 7e는 시각자의 안점이 우측 방향으로 이동된 경우에 시각자가 본 도 7d의 허상을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 볼록 결상면을 갖는 장치의 사양을 나타낸 도면이다.
도 9는 비교예에서 평면 결상면을 갖는 장치의 사양을 나타낸 도면이다.
도 10은 볼록 결상면을 갖는 도 8의 장치를 이용하여 시뮬레이션으로 측정된 레이저 광의 스폿 직경 및 평면 결상면을 갖는 도 9의 장치를 이용하여 시뮬레이션으로 측정된 레이저 광의 스폿 직경을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 자유곡면 렌즈를 갖는 장치의 사양을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 자유곡면 렌즈를 갖는 도 11의 장치를 이용하여 시뮬레이션으로 측정된 레이저 광의 스폿 직경 및 자유곡면 렌즈를 갖지 않는 장치를 이용하여 시뮬레이션으로 측정된 레이저 광의 스폿 직경을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(100)는, 예를 들어 차량(이 경우에는 자동차)(1)의 계기판에 수용된다. 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)로부터 표시 화상(71)이 차량(1)의 윈드쉴드(표시 부재)(90)에 투영되어, 운전자(시각자)는 미리 정해진 아이 박스(eye box)(60)로부터 상기 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각적으로 인식할 수 있다. 상기 표시 화상(71)이 헤드업 디스플레이 장치(100)로부터 투영되는 투영면(투영 표면으로도 나타냄)(91)은 상기 윈드실드(90)의 차량 내측면에 형성되고 오목하다, 즉 시각자로부터 멀어지는(이에 의하여, 시각자의 아이 박스(60)로부터 멀어지는) 방향으로 만곡되며 리세스되는 오목면으로 형성된다. 상기 투영면(91)에 투영되는 표시 화상(71)의 광은 상기 아이 박스(60)를 향해 투영면(91)에 의해 반사되어 운전자(시각자)의 안점(eye point)(61)에 도달한다. 상기 표시 화상(71)의 광을 감지하는 시각자는 시각적으로 인식할 수 있다, 즉 상기 윈드실드(90)의 전방측(즉, 상기 시각자와 반대되는 윈드실드(90)의 측)에 형성된 표시 화상(71)의 허상(70)을 볼 수 있다.

상기 투영면(91)에 투영되는 표시 화상(71)은 차량의 수평 방향(좌우 방향)으로 측정되며 상기 차량의 수직 방향으로 측정된 표시 화상(71)의 세로 길이보다 큰 가로 길이를 갖는 긴 직사각형 형태(장방형 형태)로 구성된다. 이는 시각자가 차량의 시트에 안착될 때 상기 안점(61)이 수직 방향보다 수평 방향으로 더 쉽게 이동하기 때문이다. 상기 표시 화상(71)은, 예를 들어 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)를 갖는 차량의 주행 속도, 네비게이션 시스템에 의해 명시되는 차량의 주행 방향 신호의 화상, 및 상기 차량의 경고 신호(들)을 나타내는 화상 세그먼트를 포함한다.

이제, 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)의 구조를 도 2 및 3을 참조하여 설명할 것이다. 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)는 하우징(110)(도 1 참조)에 수용되는 레이저 스캐너(10), 스크린(30), 및 오목 거울(40)을 포함한다. 다음의 설명에서, 시각자가 본 허상(70)의 수평 방향(좌우 방향 또는 제1 방향으로도 나타냄)의 축을 x축으로 나타낼 것이다. 또한, 상기 수평 방향에 수직한 허상(70)의 수직 방향(상하 방향 또는 제2 방향으로도 나타냄)의 축을 y축으로 나타낼 것이다. 또한, 다음의 설명에서, 편의상, 각 대응하는 구성요소에 형성되거나 투영되는 표시 화상(71)의 x축 방향을 수평 방향(좌우 방향 또는 제1 방향으로도 나타냄)으로 나타낼 것이고, 각 대응하는 구성요소에 형성되거나 투영되는 표시 화상(71)의 y축 방향을 수직 방향(상하 방향 또는 제2 방향으로도 나타냄)으로 나타낼 것이다.

상기 레이저 스캐너(10)는 광원(13), 광학 소자(20), MEMS(micro electro mechanical system; 미세 전자 기계 시스템) 거울(26), 및 제어기(11)를 포함한다.

상기 광원(13)은 3개의 레이저 투영 소자(14-16)를 포함한다. 각각의 레이저 투영 소자(14-16)는 상기 레이저 투영 소자(14-16) 중 다른 두개와는 상이한 주파수를 갖는 대응하는 레이저 광(레이저 빔으로도 나타냄), 즉 상기 레이저 투영 소자(14-16) 중 다른 두개와는 상이한 색위상을 갖는 대응하는 레이저 광을 투영한다. 구체적으로, 상기 레이저 투영 소자(14)는 적색의 레이저 광을 투영한다. 상기 레이저 투영 소자(15)는 청색의 레이저 광을 투영한다. 상기 레이저 투영 소자(16)는 녹색의 레이저 광을 투영한다. 상기 상이한 색위상의 레이저 광이 첨가되게 혼합되는 경우, 다양한 색상이 재현될 수 있다. 각 레이저 투영 소자(14-16)는 제어기(11)에 연결된다. 각 레이저 투영 소자(14-16)는 상기 제어기(11)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여 대응하는 색위상의 레이저 광을 투영한다.

상기 광학 소자(20)는 3개의 콜리메이터 렌즈(collimator lens)(21), 3개의 다이크로익 필터(dichroic filter)(22-24), 및 집광 렌즈(25)를 포함한다. 각각의 콜리메이터 렌즈(21)는 상기 레이저 투영 소자(14-16)로부터 투영되는 레이저 광의 투영 방향으로 상기 대응하는 레이저 투영 소자(14-16)의 하류측에 배치된다. 상기 콜리메이터 렌즈(21)는 레이저 광을 굴절시켜서 평행한 광선을 발생시킨다.

각각의 다이크로익 필터(22-24)는 상기 대응하는 레이저 투영 소자(14-16)로부터 투영되는 레이저 광의 투영 방향으로 상기 대응하는 콜리메이터 렌즈(21)의 하류측에 배치된다. 각각의 다이크로익 필터(22-24)는 미리 정해진 대응하는 주파수의 광을 반사시키고, 상기 미리 정해진 대응하는 주파수가 아닌 다른 주파수의 광을 통과시킨다. 구체적으로, 상기 레이저 투영 소자(14)의 하류측에 배치되는 다이크로익 필터(22)는 적색 주파수의 광을 반사시키고, 상기 적색 주파수가 아닌 다른 주파수의 광을 통과시킨다. 상기 레이저 투영 소자(15)의 하류측에 배치되는 다이크로익 필터(23)는 청색 주파수의 광을 반사시키고, 상기 청색 주파수가 아닌 다른 주파수의 광을 통과시킨다. 상기 레이저 투영 소자(16)의 하류측에 배치되는 다이크로익 필터(24)는 녹색 주파수의 광을 반사시키고, 상기 녹색 주파수가 아닌 다른 주파수의 광을 통과시킨다. 각각의 다이크로익 필터(22-24)는 집광 렌즈(25)를 향해 상기 대응하는 레이저 광을 반사시킨다.

상기 집광 렌즈(25)는 평면으로 형성되는 입광면 및 볼록면으로 형성되는 출광면을 갖는 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)이다. 상기 집광 렌즈(25)는 집광 렌즈(25)의 입광면으로 입사하는 레이저 광을 굴절시켜서 광을 수렴한다. 이에 의하여, 상기 집광 렌즈(25)를 통과하는 레이저 광은 스크린(30)의 결상면(imaging surface)(31)에 집중되고, 이에 대해서는 후술될 것이다.

상기 MEMS 거울(26)은 제어기(11)에 연결되고, 대체로 직사각형의 플레이트 형태로 구성된다. 상기 MEMS 거울(26)은 외부 프레임부(29), 내부 프레임부(28), 거울부(27)를 포함한다.

상기 외부 프레임부(29)는 직사각형 프레임 형태로 구성되고, 이는 상기 내부 프레임부(28)의 외주부 및 상기 거울부(27)의 외주부를 둘러싼다. 상기 외부 프레임부(29)는 레이저 스캐너(10)의 하우징에 의해 견고하게 유지된다. 상기 내부 프레임부(28)는 외부 프레임부(29)의 내측에 배치되며 직사각형 프레임 형태로 구성된다. 상기 내부 프레임부(28)는 수평 방향으로 연장되는 두개의 저속 피벗(28a)을 통해 상기 외부 프레임부(29)에 의해 지지된다. 상기 내부 프레임부(28)는 저속 피벗(28a)을 중심으로 해서(더 구체적으로는, 상기 저속 피벗(28a)의 축을 중심으로 해서) 회전가능하다(피벗가능하다, 즉 스윙가능하다). 상기 외부 프레임부(29)와 내부 프레임부(28) 사이에 미도시된 복수의 전극(전극 그룹)이 제공되어 상기 저속 피벗(28a)을 중심으로 내부 프레임부(28)를 회전시킨다.

상기 거울부(27)는 내부 프레임부(28)의 내측에 배치되며 원판 형태로 구성된다. 상기 광을 고효율로 반사시키기 위하여 금속 필름이, 예를 들어 알루미늄의 기상 증착에 의해 상기 광학 소자(20)에 대향되는 거울부(27)의 표면에 형성된다. 상기 거울부(27)는 두개의 고속 피벗(27a)에 의해 상기 내부 프레임부(28)에 의해 지지되고, 상기 두 고속 피벗(27a)의 각각은 수직 방향으로 연장된다. 상기 거울부(27)는 고속 피벗(27a)을 중심으로 해서(더 구체적으로는, 상기 고속 피벗(27a)의 축을 중심으로 해서) 회전가능하다(피벗가능하다, 즉 스윙가능하다). 상기 내부 프레임부(28)와 거울부(27) 사이에 미도시된 복수의 전극(전극 그룹)이 제공되어 상기 고속 피벗(27a)을 중심으로 거울부(27)를 회전시킨다. 전술한 방식으로 구성된 MEMS 거울(26)에서, 상기 외부 프레임부(29)와 내부 프레임부(28) 사이에 제공된 전극 그룹 및 상기 내부 프레임부(28)와 거울부(27) 사이에 제공된 전극 그룹은 상기 제어기(11)로부터 출력된 구동 신호에 기초하여 구동된다. 이에 의하여, 상기 거울부(27)의 방향은 수직 방향(도 3의 VS 방향 참조) 및 수평 방향(도 3의 HS 방향 참조)으로 조정될 수 있다.

상기 제어기(11)는 프로세서를 포함하며 상기 레이저 투영 소자(14-16)와 MEMS 거울(26)에 연결되는 전자 제어 장치이다. 상기 제어기(11)는 레이저 광을 펄스 광처럼 명멸(blink)시키기 위하여 각 레이저 투영 소자(14-16)에 제어 신호를 출력한다. 또한, 상기 레이저 제어기(11)는 거울부(27)에 의해 반사되는 상기 반사된 레이저 광의 방향을 제어하기 위하여 상기 MEMS 거울(26)에 구동 신호를 출력하고, 이에 따라 상기 거울부(27)에 의해 반사되는 상기 반사된 레이저 광이 도 3에 도시된 주사선(SL)을 형성한다.

상기 레이저 스캐너(10)가 스크린(30)의 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 상기 제어기(11)는 레이저 스캐너(10)를 제어한다. 구체적으로, 상기 투영된 명멸 레이저 광을 주사함으로써, 상기 표시 화상의 각 픽셀이 상기 대응하는 명멸 레이저 광에 의해 형성되는 상기 표시 화상(71)이 스크린(30)의 결상면(31)에 형성된다. 상기 레이저 스캐너(10)의 주사에 의해 형성되는 표시 화상(71)은, 예를 들어 초당 60프레임 및 수평 방향(x축)으로 480픽셀과 수직 방향(y축)으로 240픽셀을 갖는 화상이다.

상기 스크린(30)은, 예를 들어 유리로 이루어진 기판의 표면에, 예를 들어 알루미늄의 기상 증착에 의해 형성되는 반사 스크린(반사형 스크린)이다. 상기 스크린(30)은 레이저 스캐너(10)의 상측에 차량의 수직 방향으로 배치된다(도 4 참조). 상기 스크린(30)은 결상면(31)을 갖는다. 상기 결상면(31)은 스크린(30)에 기상 증착되는, 예를 들어 알루미늄의 금속 필름에 의해 형성된다. 상기 레이저 광이 y축과 z축에 의해 정의된 y-z 면을 따라 상기 레이저 스캐너(10)로부터 투영될 때 상기 표시 화상(71)이 결상면(31)에 형성된다(도 4 참조). 상기 z축은 x축과 y축의 양 축에 대하여 수직하다. 상기 결상면(31)은 레이저 광을 산란시키기 위하여 미세 조도(micro-asperity)를 갖는다. 상기 결상면(31)은 표시 화상(71)을 형성하며 결상면(31)에 부딪치는 레이저 광을 상기 오목 거울(40)을 향해서 산란시키고 반사시킨다.

상기 오목 거울(40)은, 예를 들어 유리로 이루어진 기판의 표면에, 예를 들어 알루미늄의 기상 증착을 통해 형성된다. 상기 오목 거울(40)은 스크린(30)의 결상면(31)으로부터 반사되는 상기 반사된 레이저 광을 윈드실드(90)의 투영면(91)에 반사하는 반사면(41)을 갖는다. 상기 반사면(41)의 중앙부는 오목하다, 즉 상기 결상면(31)과 투영면(91)으로부터 멀어지는 방향으로 만곡되며 리세스된다. 상기 반사면(41)이 결상면(31)에 의해 반사되는 표시 화상(71)을 확대하여 반사하도록 상기 반사면(41)은 투영면(91)에 표시 화상(71)을 투영한다. 상기 반사면(41)의 곡률에 의해 확대되는 표시 화상(71)의 배율은 상기 표시 화상(71)의 수평 방향과 수직 방향 간에 다르다. 구체적으로, 상기 반사면(41)의 수평 방향으로의 곡률은 반사면(41)의 수직 방향으로의 곡률보다 크고, 이에 따라 상기 반사면(41)에서 상기 표시 화상(71)의 수평 방향으로의 배율(배율 비율)은 표시 화상(71)의 수직 방향으로의 배율(배율 비율)보다 크다.

이어서, 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(100)의 특징을 설명할 것이다. 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 볼록한 만곡된 볼록면이고, 즉 상기 레이저 스캐너(10)와 오목 거울(40)을 향해 만곡되며 돌출되는 만곡된 볼록면이다. 또한, 상기 레이저 스캐너(10)와 스크린(30) 사이에 (자유곡면 광학 요소로서 역할을 하는) 자유곡면 렌즈(50)가 위치된다. 이제, 상기 결상면(31) 및 자유곡면 렌즈(50)를 도 4 내지 7e를 참조하여 상세하게 설명할 것이다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 오목 거울(40)을 향해 돌출하며 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)의 수평 방향으로 만곡된다. 구체적으로, 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 볼록하다, 즉 상기 결상면(31)의 에지부(33)에 비해 상기 오목 거울(40)의 반사면(41)(또한, 투영면(91))이 위치되는 측을 향해 상기 레이저 광의 투광 방향(z축 방향)으로 상기 결상면(31)의 중앙부(32)가 더 근접하도록 돌출되며 만곡된다. 상기 결상면(31)의 형상은 반사면(41)의 곡률과 상기 투영면(91)의 곡률에 의해 야기되는 상기 허상(70)의 필드 곡률(curvature of field)을 보상(보정 또는 제한)하도록 선택된다. 여기서, 도면에 도시된 상기 결상면(31)의 곡률, 상기 투영면(91)의 곡률, 및 상기 허상(70)의 곡률은 축척 비율이 아니며 설명을 위하여 약간 과장되었다는 것을 유의하여야 한다.

이제, 상기 필드 곡률에 의해 야기되는 허상(70)의 3차원 변형을 설명할 것이다. 상기 결상면(31)에 의해 반사되는 레이저 광은 상기 만곡된 반사면(41) 및 만곡된 투영면(91)에 의해 더 반사된다. 이러한 반사로 인하여, 수차가 상기 필드 곡률에 의해 허상(70)에 발생된다. 구체적으로, 도 5를 참조하면, 상기 결상면(31)의 에지부(33)에 의해 반사되는 레이저 광은 상기 결상면(31)의 중앙부(32)에 의해 반사되는 레이저 광에 비해 상기 윈드실드(90)에 근접하는 더 가까운 위치에서 상기 허상(70)의 대응부(에지부(70b))로서 화상화된다. 그러므로, 상기 결상면이 평면인 경우, 상기 평면 결상면(도 5에서 이점쇄선으로 나타낸 결상면(31)을 참조)과 허상(70) 간의 거리가 상기 허상(70)의 중앙부(70a)에서 상기 허상(70)의 에지부(70b)로 점진적으로 감소되도록(도 5의 이점쇄선을 참조) 시각자가 시각적으로 인식하는 상기 표시 화상(71)의 허상(70)은 만곡된다.

상기와 같은 점을 고려하여, 본 실시예에 따르면, 상기 결상면(31)은 3차원적으로 구성되며 상기 허상(70)의 필드 곡률을 보상(보정 또는 제한)하는 만곡된 볼록면으로 형성된다. 상기 결상면(31)의 이러한 형상 때문에, 상기 레이저 광의 투광 방향으로 상기 결상면(31)에서 투영면(91)까지의 거리가 상기 결상면(31)의 중앙부(32)로부터 상기 결상면(31)의 에지부(33)로 증가한다. 그러므로, 상기 허상(70)의 에지부(70b)의 상 위치가 상기 허상(70)의 중앙부(70a)의 상 위치에 비해 더 큰 양으로 상기 결상면(31)으로부터 멀어지게 변위되도록 상기 결상면(31)은 상 위치를 조정하기 위한 조정 기능을 갖는다. 상기 필드 곡률로 인해 투영면(91)에 근접하게 위치되는 상기 허상(70)의 에지부(70b)는 결상면(31)의 조정 기능 때문에 상기 투영면(91)으로부터 이제 더 이격된다. 이에 의하여, 상기 허상(70)의 3차원 변형이 감소된다.

상기 결상면(31)이 허상(70)에 미치는 영향을 도 8에 도시된 사양을 갖는 장치로 수행되는 특정 시뮬레이션의 결과를 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 도 8은 볼록 결상면(31)을 갖는 장치의 사양을 도시하고 있다. 도 8에 나타낸 결상면(31)은 수평 방향(x축)으로 2차항(quadratic term)을 갖는 면(이차 곡면, 더 구체적으로 포물면)이다. 그러므로, 상기 결상면(31)은 수평 방향으로 포물선 형태로 만곡된다. 또한, 도 9는 평면 결상면을 갖는 비교 장치의 사양을 나타내고 있다. 상기 아이 박스(60)에서 안점(61)으로부터 본 상기 허상(70)의 레이저 광의 스폿(spot) 직경은 도 8의 사양 및 도 9의 사양에 대하여 도 10에서 비교된다. 상기 스폿 직경은 레이저 광의 투광 방향에 수직한 면에서 상기 레이저 광의 직경이다. 상기 스폿 직경이 감소되는 경우, 상기 허상(70)은 안점(61)의 위치 변화에 따라 덜 이동하여 선명하게 된다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 볼록 결상면(볼록면)(31)이 이용되는 경우, 상기 표시 화상(71)의 중앙부에서 레이저 광의 스폿 직경은 감소된다. 게다가, 상기 표시 화상(71)의 전체 범위에 걸쳐 최대인 상기 레이저 광의 최대 스폿 직경도 감소된다. 그러므로, 상기 허상(70)은 안점(61)의 이동에 따라 덜 이동하여 선명하게 된다.

이제, 자유곡면 렌즈(50)의 기능을 설명할 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 스캐너(10)에 의해 투영된 레이저 광의 초점은 상기 레이저 스캐너(10)의 중심(구체적으로, MEMS 거울(26)의 거울부(27)의 중심)에 집중되는 동심 구면(concentric spherical surface)(SF)(도 6의 점선 참조)을 따라 위치된다. 그러므로, 상기 레이저 광의 수평 주사를 실행할 때(도 6에서 화살표 HS 참조), 상기 레이저 광의 초점은 볼록 결상면(31)의 형상에 따라 상기 결상면(31)으로부터 대략 벗어날 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광의 초점을 결상면(31)의 중앙부(32)의 표면부에 위치시키기 위하여 상기 레이저 광의 초점이 설정되는 경우에, 상기 에지부(33)의 영역에서 레이저 광의 초점은 상기 레이저 스캐너(10)가 위치되는 측에서 상기 결상면(31)으로부터 벗어날 수 있다(도 6에서 화살표 G1 참조). 이에 반해, 상기 레이저 광의 초점을 에지부(33)의 표면부에 위치시키기 위하여 상기 레이저 광의 초점이 설정되는 다른 경우에, 상기 중앙부(32)의 영역에서 레이저 광의 초점은 상기 레이저 스캐너(10)와 대향되는 반대측에서 상기 결상면(31)으로부터 벗어날 수 있다(도 6에서 화살표 G2 참조). 이에 의하여, 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)은 선명하지 않을 가능성이 있다.

상기와 같은 점을 고려하여, 본 실시예에 따르면 상기 레이저 스캐너(10)와 결상면(31) 사이에 자유곡면 렌즈(50)가 위치된다. 상기 자유곡면 렌즈(50)는 입광면(51)과 출광면(52)을 가지며 광학 유리로 이루어지는 렌즈이다. 상기 입광면(51)은 자유곡면으로 형성되며 상기 레이저 광의 투광 방향으로 레이저 스캐너(10)와 대향된다, 즉 상기 레이저 스캐너(10)가 위치되는 측에 위치된다. 상기 출광면(52)은 평면으로 형성된다. 상기 자유곡면 렌즈(50)는 레이저 스캐너(10)에 의해 결상면(31)에 투영되는 레이저 광의 초점을 조정한다. 구체적으로, 상기 자유곡면 렌즈(50)의 입광면(51)은 상기 레이저 스캐너(10)로부터 멀어지는 방향으로 리세스되며 수평 방향으로 만곡된다. 그러므로, 상기 수평 에지부(33)(즉, 상기 결상면(31)의 수평 방향으로 상기 표시 화상(71)의 단부에 위치되는 수평 에지부(33)에 표시 화상(71)의 일부를 형성하는 상기 레이저 광의 초점은 레이저 스캐너(10)로부터 더 멀리 변위된다. 이에 의하여, 상기 중앙부(32)의 표면부에 레이저 광의 초점을 위치시키기 위하여 상기 레이저 광의 초점이 설정되는 경우에도, 상기 표시 화상(71)의 수평 에지부(33)의 영역에서 레이저 광의 초점은 자유곡면 렌즈(50)에 의해 결상면(31)에 위치될 수 있다. 상기 자유곡면 렌즈(50)의 이와 같은 기능 때문에, 상기 레이저 광의 초점은 결상면(31)의 전체 범위에 걸쳐 상기 결상면(31)에 대략 위치될 수 있다. 이에 의하여, 상기 표시 화상(71)은 결상면(31)의 전체 범위에 걸쳐 선명하게 형성될 수 있다. 그 결과, 시각자가 본 표시 화상(71)의 허상(70)(도 5 참조)은 상기 허상(70)의 전체 범위에 걸쳐 보다 선명한 화상이 된다.

이제, 상기 자유곡면 렌즈(50)가 허상(70)에 미치는 영향을 도 11에 도시된 사양을 갖는 장치로 수행되는 특정 시뮬레이션의 결과를 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 도 11은 자유곡면 렌즈(50)를 갖는 장치의 사양을 도시하고 있다. 도 11에 나타낸 자유곡면 렌즈(50)의 입광면(51)은 수평 방향(x축 방향)으로 2차항 및 4차항을 갖는다. 또한, 상기 입광면(51)은 수직 방향(y축 방향)으로 2차항(quadratic term), 3차항(cubic term), 및 4차항(quartic term)을 갖는다.

도 11에 나타낸 자유곡면 렌즈(50)에서, 수평 방향으로의 짝수 차수항(even-order term) 때문에, 상기 자유곡면 렌즈(50)는 오목하다, 즉 수평 방향으로 리세스되며 만곡된다. 상기 레이저 광의 초점은 만곡된 결상면(31)에서 조정된다. 또한, 상기 자유곡면 렌즈(50)는 홀수 차수항(odd-order term)인 3차항을 갖고, 이에 따라 상기 수직 방향으로 입광면(51)의 하반부(lower half)는 볼록하다, 즉 상기 레이저 스캐너(10)를 향해 만곡되며 돌출된다. 이에 반해, 상기 수직 방향으로 입광면(51)의 상반부(upper half)는 오목하다, 즉 상기 레이저 스캐너(10)로부터 멀어지는 방향으로 만곡되며 리세스된다. 상기 입광면(51)의 전술한 구성 때문에, 상기 입광면(51)의 하반부를 통과하며 상기 결상면(31)의 하반부에 도달하는 레이저 광은 상기 자유곡면 렌즈(50)가 제거되는 경우에 비해 상기 레이저 스캐너(10)에 더 근접한 위치에서 초점이 맞춰진다. 이에 반해, 상기 입광면(51)의 상반부를 통과하며 상기 결상면(31)의 상반부에 도달하는 레이저 광은 상기 자유곡면 렌즈(50)가 제거되는 경우에 비해 상기 레이저 스캐너(10)로부터 더 멀어진 위치에서 초점이 맞춰진다.

본 실시예에서, 상기 레이저 스캐너(10)는 스크린(30)의 하측에 배치된다. 그러므로, 상기 레이저 스캐너(10)에서 스크린(30)까지의 거리는 수직 방향으로 상측을 향해 증가된다. 따라서, 상기 레이저 광의 초점이 자유곡면 렌즈(50)에 의해 조정되므로, 상기 레이저 광이 y-z 면을 따라 하측으로부터 투영되는 경우에도 상기 레이저 광의 초점은 결상면(31)의 전체 범위에 걸쳐 상기 결상면(31)에서 조정될 수 있다. 도 12는 상기와 같은 기능을 갖는 자유곡면 렌즈(50)가 제공되는 경우와 상기 자유곡면 렌즈(50)가 제거되는 경우 간의 비교를 도시하고 있다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 자유곡면 렌즈(50)가 레이저 스캐너(10)와 스크린(30) 사이에 위치되는 경우, 상기 스크린(30)의 중앙부(32)에 위치된 상기 표시 화상(71)의 중앙부에서 상기 레이저 광의 스폿 직경은 상기 자유곡면 렌즈(50)가 제공될 때 약간 증가된다. 여기서, 도 12의 "0.0㎛"의 표시는 상기 자유곡면 렌즈가 없을 때에 상기 표시 화상(71)의 중앙부에서 상기 레이저 광의 스폿 직경이 0.1㎛보다는 작지만 제로(0)보다는 큰 것을 의미한다는 것을 유의하여야 한다. 상기 표시 화상(71)의 전체 범위에서 상기 레이저 광의 최대 스폿 직경은 상기 자유곡면 렌즈(50)가 제공될 때에 감소된다. 그러므로, 상기 허상(70)은 안점(61)의 이동에 따라 덜 이동하여 상기 자유곡면 렌즈(50)가 있을 때에는 상기 허상(70)의 전체 범위에 걸쳐 더 선명하게 된다.

도 7a 내지 7e를 참조하여, 시각자가 아이 박스(60) 내에서 안점(61)을 이동시키는 경우에 대해 상기 허상(70)의 변화를 설명할 것이다. 도 7a는 x축 방향으로 길어진 긴 직사각형 형태(장방형 형태)로 대략 구성되며 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)의 형상을 도시하고 있다. 상기 결상면이 평면인 경우에, 시각자가 본 허상(70)은 도 7b에 도시된 형상을 갖는다. 이러한 허상(70)의 형상은 수평 방향으로 만곡된다(도 2 및 5에서 이점쇄선으로 나타낸 허상(70) 참조). 그러므로, 시각자가, 예를 들어 우측 방향으로 안점(61)을 이동시키는 경우에, 상기 허상(70)은 도 7c에 도시된 형상을 갖는다. 구체적으로, 상기 허상(70)의 우반부(right half)는 수평 방향으로 압축되고, 상기 허상(70)의 좌반부(left half)는 수평 방향으로 팽창된다. 또한, 상기 허상(70)이 만곡되므로, 상기 허상(70)과 안점(61) 간의 거리는 수평 방향으로 상기 안점(61)의 이동에 따라 변화된다. 따라서, 시각자가 안점(61)을 이동시키는 경우, 상기 허상(70)은 시각자에게 접근한다. 전술한 바와 같이, 상기 허상(70)의 형상 및 위치는 안점(61)의 이동에 따라 크게 변화된다.

도 7d는 볼록 결상면(31)에 형성된 허상(70)을 도시하고 있다. 도 7d에 도시된 허상(70)에서, 상기 허상(70)의 수평 방향으로의 곡률은 감소된다(도 2 및 5에서 실선으로 나타낸 허상(70) 참조). 본 실시예에서, 시각자가 우측 방향으로 안점(61)을 이동시키는 경우, 상기 허상(70)은 도 7e에 도시된 형상을 갖는다. 도 7e의 경우, 수평 방향으로 우측에 위치되는 도 7e의 허상(70)의 우반부의 압축, 및 수평 방향으로 좌측에 위치되는 도 7e의 허상(70)의 좌반부의 팽창은 도 7c의 허상(70)에 비해 줄어든다. 또한, 상기 허상(70)의 곡률은 감소되므로, 상기 안점(61)을 수평 방향으로 이동시킴으로써 발생되는 상기 허상(70)과 안점(61) 간의 거리의 변화가 더 제한된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서, 시각자가 아이 박스(60) 내에서 안점(61)을 이동시키는 경우에도, 상기 허상(70)의 형상 변화 및 상기 허상(70)의 위치 변화는 모두 제한된다. 그러므로, 상기 허상(70)으로서 표시되는 상기 표시 화상(71)의 디스플레이 품질은 향상될 수 있다.

또한, 상기 결상면(31)이 허상(70)의 3차원 변형을 감소시키기 위하여 볼록하도록 구성되는 본 실시예에서도, 상기 자유곡면 렌즈(50)는 레이저 광의 초점을 조정할 수 있고, 이에 의하여 상기 허상(70)의 선명함의 상실은 더 선명한 허상(70)을 제공하기 위하여 제한된다. 그러므로, 상기 표시 화상(71)의 디스플레이 품질은 신뢰가능하게 향상될 수 있다.

또한, 상기 표시 화상(71)이 오목 거울(40)에 의해 확대되는 본 실시예와 유사하게, 상기 필드 곡률에 의해 야기되는 허상(70)의 3차원 변형이 확대될 수 있다. 그러나, 상기 결상면(31)은 결상면(31)의 조정 기능에 의해 확대된 허상(70)의 확대된 3차원 변형을 줄일 수 있다. 그러므로, 시각자가 허상을 쉽게 인식할 수 있도록 확대되며 상기 허상(70)의 형상 변화 및 위치 변화가 제한되는 개선된 허상(70)을 상기 시각자가 볼 수 있다. 따라서, 상기 표시 화상(71)의 디스플레이 품질은 더 향상될 수 있다.

또한, 본 실시예에서, 수평 방향(좌우 방향 또는 제1 방향)으로 상기 표시 화상(71)의 확대(배율)가 수직 방향(상하 방향 또는 제2 방향)으로 상기 표시 화상(71)의 확대(배율)보다 더 크도록 상기 오목 거울(40)의 반사면(41)은 표시 화상(71)을 확대시키도록 구성된다. 이러한 경우, 상기 필드 곡률에 의해 발생되는 상기 허상(70)의 수평 방향으로의 변형은 수평 방향으로 상기 허상(70)의 확대를 증가시키는 것으로 인해 더 두드러질 수 있다. 그러므로, 상기 결상면(31)은 수평 방향으로 만곡되는 볼록면이 되도록 구성된다. 이에 의하여, 전술한 상기 결상면(31)의 조정 기능은 표시 화상(71)의 현저한 수평 변형을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 수평 방향으로 만곡되는 단순한 만곡 형상을 갖는 결상면(31)이 용이하게 형성될 수 있고, 이에 따라 상기 스크린(30)이 신뢰가능하게 제공될 수 있다. 이에 의하여, 상기 표시 화상(71)의 향상된 디스플레이 품질이 더 높아지도록 구현될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 고출력 레이저 광의 주사를 통해 상기 결상면(31)에 형성된 표시 화상(71)은 높은 콘트라스트(contrast)를 갖는다. 따라서, 상기 허상(70)의 높은 시인성이 구현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 시각자가 높은 시인성 및 감소된 변형을 갖는 허상(70)을 볼 수 있게 하는 본 실시예의 헤드업 디스플레이 장치(100)에 의해 양호한 디스플레이 품질이 구현될 수 있다.

또한, 본 실시예에서, 상기 자유곡면 렌즈(50)와 레이저 스캐너(10)의 조합으로 인해, 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)은 전술한 자유곡면 렌즈(50)의 초점 조정 기능에 의하여 더 선명하게 된다. 따라서, 상기 변형이 감소된 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자는 더 쉽게 인식할 수 있다. 그 결과, 상기 레이저 스캐너(10)가 자유곡면 렌즈(50)와 조합되는 경우, 상기 표시 화상(71)의 디스플레이 품질은 상당히 향상될 수 있다.

또한, 본 실시예에서, 상기 자유곡면 렌즈(50)의 입광면(51)은 결상면(31)에서 레이저 광의 초점을 조정하기 위한 조정 기능을 갖는다. 상기 입광면(51)은 만곡면으로서 형성되고, 이에 따라 상기 입광면(51)으로의 레이저 광의 입사각(입광각)은 직각과 같거나 이에 근접한 각도가 된다. 그러므로, 상기 자유곡면 렌즈(50)를 통과할 때에 발생하는 레이저 광의 색수차는 감소될 수 있다.

또한, 상기 반사 스크린(30)의 사용으로 인해, 상기 레이저 광의 광로의 부분은 헤드업 디스플레이 장치(100)의 내부에서 전후로 휘게 된다. 따라서, 요구되는 광로 거리를 제공하면서 계기판에 헤드업 디스플레이 장치(100)의 설치를 가능하게 하기 위하여 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)의 크기가 감소될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 레이저 스캐너(10)는 본 발명의 투영기(projector)로서 역할을 한다. 상기 스크린(30)은 본 발명의 스크린 부재로서 역할을 한다. 상기 오목 거울(40)은 본 발명의 (확대 렌즈로도 알려진) 확대 거울로서 역할을 한다. 상기 자유곡면 렌즈(50)는 본 발명의 초점 조정 광학 시스템 (또는 초점 조정 광학 시스템의 자유곡면 광학 요소)으로서 역할을 한다. 상기 아이 박스(60)는 본 발명의 시각 영역으로서 역할을 한다. 상기 윈드실드(90)는 본 발명의 디스플레이 부재로서 역할을 한다.

본 발명이 전술한 실시예에 대하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않고 상기 실시예는 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변경될 수 있다.

예를 들어, 상기 실시예에서, 상기 윈드실드(90)는 표시 화상(71)이 헤드업 디스플레이 장치(100)에서 투영되는 본 발명의 디스플레이 부재로서 사용된다. 그러나, 상기 투영면이 형성되는 디스플레이 부재는 윈드실드(90)로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 상기 디스플레이 부재는 투영면(93)을 갖는 컴바이너(독립 부재)(92)일 수 있다. 이러한 컴바이너(92)는 투광재로 이루어지고 차량의 객실(passenger compartment) 내에 위치된 윈드실드(90)의 내면에 인접하게 위치되고, 보다 구체적으로는 상기 내면에 부착된다.

또한, 상기 컴바이너(92)는 독립적으로 형성되거나 상기 윈드실드(90)와 분리되게 제공될 수 있다. 상기 컴바이너(92)가 디스플레이 부재로서 사용되는 경우, 확대 거울로서 역할을 하는 오목 거울은 제거될 수 있다. 상기 컴바이너(92)의 투영면(93)이 만곡된 오목면인 경우, 운전자(시각자)가 보는 허상은 결상면에 형성된 표시 화상으로부터 확대된 확대 화상이다. 그러므로, 이러한 경우에, 상기 확대 거울은 제거될 수 있다.

또한, 상기 윈드실드(90)와 분리되게 형성되는 컴바이너(92)가 디스플레이 부재로서 사용되는 경우, 상기 컴바이너(92)는 평면 형태로 구성될 수 있다. 또한, 원하는 배율이 확대 거울로 얻어질 수 있는 경우, 상기 투영면의 곡률에 의해 달성되는 확대 기능을 갖는 것이 요구되지 않을 수 있다. 이에 의하여, 상기 표시 화상이 평면 투영면에 투영되는 경우가 가능할 수 있다.

전술한 실시예에서, 상기 반사면(41)의 곡률 및 상기 투영면(91)의 곡률은 수직 방향으로의 배율보다 더 큰 수평 방향으로의 배율을 갖도록 확대되는 표시 화상(71)의 허상(70)을 운전자(시각자)가 볼 수 있게 할 수 있다. 이에 의하여, 수평 방향으로 요구되는 화각(angle of view)을 제공하기 위하여 수평 방향으로 허상(70)의 변형을 효과적으로 제한하도록 상기 결상면(31)은 수평 방향으로만 만곡된다. 그러나, 수평 방향으로의 배율 및 수직 방향으로의 배율은 요구(또는 필요)에 따라 적당하게 변화될 수 있다. 따라서, 상기 화각이 수직 방향으로 요구되는 경우, 상기 결상면은 수평 방향 외에 수직 방향으로 만곡될 수 있다. 구체적으로, 이러한 경우, 결상면의 형상을 규정하는 다항식(도 8 참조)이 y의 짝수 차수항(예를 들면, 2차항)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 경우, 상기 결상면의 형상은 대응하는 표면 윤곽, 즉 수평 방향으로 투영면(91)의 대응하는 표면 곡률 및 수직 방향으로 투영면(91)의 대응하는 표면 곡률과 대응할 수 있다. 상기 변경예는 오목 거울(40)의 반사면(41)에 적용될 수도 있다.

전술한 실시예에서, 상기 반사 스크린(30)이 사용된다. 그러나, 상기 스크린이 볼록면을 갖도록 구성되기만 하면, 상기 스크린은 반사형으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 스크린(30)은 투광재로 이루어진 투과 스크린으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 레이저 스캐너는 오목 거울과 대향되는 스크린의 볼록 결상면의 대향측으로부터 상기 표시 화상을 형성하는 레이저 광을 투영한다.

전술한 실시예에서, 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 2차항을 갖는 만곡된 포물면이다. 그러나, 상기 윈드실드의 형상 및 상기 투영면의 형상은 헤드업 디스플레이 장치가 설치되는 차량의 유형에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 상기 윈드실드와 투영면이 수직 방향에 대하여 상대적으로 기울어지는 경우, 상기 결상면의 형상을 규정하는 다항식(도 8 참조)은 상기 투영면의 기울어진 영향을 보상(보정 또는 제한)하기 위하여 y의 홀수 차수항(예를 들면, 3차항)을 포함한다.

전술한 실시예에서, 상기 레이저 스캐너(10)와 스크린(30) 사이에 배치된 자유곡면 렌즈(50)는 본 발명의 초점 조정 광학 시스템 (또는 초점 조정 광학 시스템의 자유곡면 광학 요소)으로서 역할을 한다. 대안적으로, 상기 자유곡면 렌즈(50) 대신에, 자유곡면 거울이 본 발명의 초점 조정 광학 시스템 (또는 초점 조정 광학 시스템의 자유곡면 광학 요소)으로서 사용될 수 있다. 상기 자유곡면 거울이 사용되는 경우, 상기 레이저 광에서 발생되는 색수차는 레이저 광의 초점을 조정할 때 제한될 수 있다. 또한 대안적으로, 예를 들면, 다수의 렌즈 및/또는 거울이 본 발명의 초점 조정 광학 시스템을 형성하는데 사용될 수 있다. 또한 대안적으로, 상기 레이저 스캐너(10)의 집광 렌즈(25)가 본 발명의 초점 조정 광학 시스템의 일부로서 형성될 수 있다.

전술한 실시예에서, 상기 자유곡면 렌즈(50)는 평면으로 형성되는 출광면(52) 및 자유곡면으로 형성되는 입광면(51)을 갖는다. 대안적으로, 상기 자유곡면 렌즈의 출광면은 자유곡면으로 형성되는 출광면 및 평면으로 형성되는 입광면을 가질 수 있다. 또한 대안적으로, 상기 자유곡면 렌즈의 입광면과 출광면은 자유곡면으로 각각 형성될 수 있다. 또한 대안적으로, 상기 자유곡면 렌즈는 단순한 오목면 또는 단순한 볼록면으로 형성되는 입광면, 및 단순한 오목면 또는 단순한 볼록면으로 형성되는 출광면을 가질 수 있다.

전술한 실시예에서, 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 레이저 스캐너(10)가 위치되는 결상면(31) 측에서 상기 결상면(31)의 에지부(33)로부터 멀어지게 상기 레이저 광의 초점을 변위시키면서 상기 결상면(31)의 중앙부(32)에 상기 레이저 광의 초점을 위치시키기 위하여 초기에 설정된 상기 레이저 광의 초점은 상기 결상면(31)의 에지부(33)로부터 멀어지게 초기에 변위되는 레이저 광의 초점이 상기 결상면(31)의 에지부(33)에 위치되도록 상기 자유곡면 렌즈(50)의 기능에 의해 조정되고, 이에 따라 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)은 표시 화상(71)의 전체 범위에 걸쳐 더 선명하게 된다. 그러나, 이는 임의의 다른 적절한 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 레이저 스캐너(10)와 대향되는 결상면(31) 측에서 상기 결상면(31)의 중앙부(32)로부터 멀어지게 상기 레이저 광의 초점을 변위시키면서 상기 결상면(31)의 에지부(33)에 상기 레이저 광의 초점을 위치시키기 위하여 초기에 설정된 상기 레이저 광의 초점은 상기 결상면(31)의 중앙부(32)로부터 멀어지게 초기에 변위되는 레이저 광의 초점이 상기 레이저 스캐너(10)를 향해 상기 초점을 변위시킴으로써 상기 결상면(31)의 중앙부(32)에 위치되도록 상기 자유곡면 렌즈(50)의 기능에 의해 조정될 수 있고, 이에 따라 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)은 표시 화상(71)의 전체 범위에 걸쳐 더 선명하게 된다. 또한 대안적으로, 상기 중앙부(32)로부터 멀어지게 상기 레이저 광의 초점을 변위시키며 상기 에지부(33)로부터 멀어지게 상기 레이저 광의 초점을 변위시키면서 상기 중앙부(32)와 에지부(33) 사이의 상기 결상면(31)의 중간 위치에 상기 레이저 광의 초점을 위치시키기 위하여 초기에 설정된 상기 레이저 광의 초점은 상기 중앙부(32)로부터 멀어지게 초기에 변위되는 레이저 광의 초점이 상기 레이저 스캐너(10)를 향해 상기 초점을 변위시킴으로써 상기 중앙부(32)에 위치되며 상기 에지부(33)로부터 멀어지게 초기에 변위되는 레이저 광의 초점이 상기 레이저 스캐너(10)로부터 멀어지게 상기 초점을 변위시킴으로써 상기 에지부(33)에 위치되도록 상기 자유곡면 렌즈(50)의 기능에 의해 조정될 수 있고, 이에 따라 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)은 표시 화상(71)의 전체 범위에 걸쳐 더 선명하게 된다.

전술한 실시예에서, 상기 레이저 스캐너(10)로부터 결상면(31)으로 전송되는 레이저 광의 광축은 y-z 면을 따라 있다. 이러한 배치 때문에, 상기 자유곡면 렌즈(50)의 입광면(51)의 형상을 규정하는 다항식(도 11 참조)은 y의 홀수 차수항(구체적으로, 3차항)을 포함한다. 그러나, 상기 결상면에 대한 레이저 스캐너의 상대적인 위치는 상기 헤드업 디스플레이 장치가 설치되는 차량의 유형에 의한 윈드실드의 형상 및 계기판 내부의 이용가능한 공간에 따라 적절한 방식으로 변경될 필요가 있다. 그러므로, 상기 자유곡면 렌즈의 표면의 형상을 규정하는 다항식이 차량에서 레이저 스캐너의 설치 위치에 대응하는 항(들)을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 레이저 스캐너로부터 결상면으로 전송되는 레이저 광의 광축이 x-z 면(x축과 z축에 의해 규정된 면)을 따라 있는 경우, 즉 상기 레이저 광이 결상면의 횡 방향 측으로부터 투영면에 투영되는 경우에, 상기 자유곡면 렌즈의 표면의 형상을 규정하는 다항식이 x의 홀수 차수항을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 레이저 광이 투영면의 대각 방향의 하측으로부터 투영면에 투영되는 경우에, 상기 자유곡면 렌즈의 표면의 형상을 규정하는 다항식이 x의 홀수 차수항 및 y의 홀수 차수항 모두를 포함하는 것이 바람직하다.

전술한 실시예에서, 상기 레이저 광의 주사(즉, 거울부(27)로 레이저 광의 조향)를 통해 상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 레이저 스캐너(10)가 본 발명의 투영기로서 사용된다. 그러나, 이러한 투영기가 결상면에 표시 화상을 형성하는 광을 투용할 수 있기만 하면 다양한 종류의 투영기가 본 발명의 투영기로서 사용될 수 있다. 구체적으로, 예를 들면, 광원 및 광학 시스템[예를 들면, 렌즈(들)]과 함께 실리콘 액정 표시 장치(LCOS; liquid crystal on silicon) 또는 디지털 거울 장치(DMD; digital mirror device)를 포함하는 투영기가 본 발명의 투영기로서 사용될 수 있다.

상기 LCOS는 실리콘 기판과 투광 기판 사이에 액정층을 유지, 즉 클램핑함으로써 형성된다. 상기 액정층은 복수의 배열된 픽셀을 형성한다. 액정을 구동하는 회로 및 광을 반사하는 전극이 실리콘 기판에 제공된다. 상기 투광 기판을 통해 LCOS로 입사하는 광원의 광은 액정층을 통과하여 상기 실리콘 기판에 제공된 전극에 의해 반사되고, 이에 따라 상기 반사된 광은 LCOS에서 출사한다. 상기 표시 화상이 되는 원 화상(original image)이 액정층에 형성되는 경우, 이러한 LCOS를 갖는 투영기는 결상면에 표시 화상을 형성하는 광을 투영할 수 있다.

상기 DMD는 다수의 미소 거울(micro-mirror)을 기판에 배열함으로써 형성된다. 각각의 미소 거울은 대응하는 픽셀을 형성한다. 각 미소 거울의 경사각은 제어 신호에 기초하여 변화될 수 있다. 상기 DMD로 입사하는 광원의 광은 각 미소 거울에 의해 반사된다. 상기 DMD는 각 미소 거울의 경사각을 제어함으로써 화상을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 DMD를 갖는 투영기는 결상면에 표시 화상을 형성하는 광을 투영할 수 있다.

전술한 실시예에서, 다수의 가동 피벗, 즉 고속 피벗(27a) 및 저속 피벗(28a)을 갖는 MEMS 거울(26)은 레이저 광을 주사하기 위하여, 즉 조향하기 위하여 제공된다. 그러나, 상기 레이저 스캐너는 복수의 MEMS 거울을 가질 수 있고, 각 MEMS 거울은 단일의 가동 피벗 (또는 수평 방향과 수직 방향 중 대응하는 하나의 방향으로만 연장되는 두개의 피벗)을 가질 수 있다. 구체적으로, 수평 방향으로 레이저 광을 주사, 즉 조향하는 제1 MEMS 거울 및 수직 방향으로 레이저 광을 주사, 즉 조향하는 제2 MEMS 거울은 2차원 화상을 형성하는 상기 실시예의 MEMS 거울(26)의 기능을 구현하기 위하여 조합될 수 있다.

전술한 실시예에서, 본 발명은 차량(예를 들면, 자동차)의 윈드실드(90)에 표시 화상(71)을 투영하는 헤드업 디스플레이 장치에 적용된다. 그러나, 본 발명은 다양한 유형의 이송 장치(예를 들면, 비행기, 배, 기차와 같은 다른 종류의 차량)에 설치되게 그리고 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자가 볼 수 있게 적용되는 다양한 유형의 헤드업 디스플레이에 적용될 수 있다.

부가적인 이점 및 변경을 당업자라면 용이하게 이룰 수 있다. 그러므로, 넓은 의미에서의 본 발명은 도시되며 설명된 특정 상세, 대표적인 장치, 및 예시적인 예에 한정되지 않는다.

Claims

미리 정해진 시각 영역(60)으로부터 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자가 볼 수 있게 디스플레이 부재(90, 92)의 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영하도록 적용되는 헤드업 디스플레이 장치이며,
상기 투영면(91, 93)에 투영될 표시 화상(71)이 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 형성되는 결상면(31)을 포함하는 스크린 부재(30);
상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 구성되는 투영기(10)이며, 상기 결상면(31)은 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되는, 투영기(10); 및
오목면으로 형성되고, 반사면(41)에 의해 표시 화상(71)을 확대함에 따라 상기 결상면(31)에 형성되는 표시 화상(71)을 반사함으로써 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영하는, 반사면(41)을 포함하는 확대 거울(40)을 포함하고,
상기 결상면(31)은 반사면(41)의 곡률에 의해 발생되는 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 투영면(91, 93)은 오목면으로 형성되고,
상기 결상면(31)은 투영면(91, 93)의 곡률에 의해 발생되는 상기 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 투영면(91, 93)은 미리 정해진 시각 영역(60)으로부터 멀어지는 방향으로 만곡되며 리세스되는 오목면으로 형성되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 결상면(31)은 투영기(10)를 향해 만곡되며 돌출되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 결상면(31)은 제1 방향으로의 상기 투영면(91, 93)의 곡률 및 제2 방향으로의 상기 투영면(91, 93)의 곡률에 기초하여 서로 수직한 상기 제1 방향 및 제2 방향의 양 방향으로 3차원적으로 만곡되는
헤드업 디스플레이 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 반사면(41)은 결상면(31)으로부터 멀어지는 방향으로 만곡되며 리세스되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서, 상기 반사면(41)은 제1 방향으로의 상기 투영면(91, 93)의 곡률 및 제2 방향으로의 상기 투영면(91, 93)의 곡률에 기초하여 서로 수직한 상기 제1 방향 및 제2 방향의 양 방향으로 3차원적으로 만곡되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 디스플레이 부재(90, 92)에 투영되는 표시 화상(71)은 제1 방향에 수직한 표시 화상(71)의 제2 방향보다는 상기 제1 방향으로 길어지고,
상기 반사면(41)은, 제1 방향으로의 상기 표시 화상(71)의 배율이 제2 방향으로의 상기 표시 화상(71)의 배율보다 크도록, 상기 디스플레이 부재(90, 92)에 투영되는 표시 화상(71)을 확대하는 오목면으로 형성되고,
상기 결상면(31)은 제1 방향으로의 상기 허상(70)의 필드 곡률을 제한하기 위하여 상기 제2 방향보다 제1 방향으로 더 만곡되는 볼록면으로 형성되는
헤드업 디스플레이 장치.
미리 정해진 시각 영역(60)으로부터 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자가 볼 수 있게 디스플레이 부재(90, 92)의 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영하도록 적용되는 헤드업 디스플레이 장치이며,
상기 투영면(91, 93)에 투영될 표시 화상(71)이 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 형성되는 결상면(31)을 포함하는 스크린 부재(30);
상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 구성되는 투영기(10)이며, 상기 결상면(31)은 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되는, 투영기(10); 및
상기 투영기(10)로부터 투영되는 광이 집중되는 초점을 상기 결상면(31)에 위치시키기 위하여 상기 초점을 조정하는 초점 조정 광학 시스템(50)를 포함하는,
헤드업 디스플레이 장치.
제10항에 있어서, 상기 초점 조정 광학 시스템(50)은 홀수 차수항을 갖는 다항식에 의해 규정되는 만곡된 표면부를 갖는 입광면(51) 및 출광면(52) 중 하나를 갖는 자유곡면 광학 요소를 포함하는
헤드업 디스플레이 장치.
미리 정해진 시각 영역(60)으로부터 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자가 볼 수 있게 디스플레이 부재(90, 92)의 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영하도록 적용되는 헤드업 디스플레이 장치이며,
상기 투영면(91, 93)에 투영될 표시 화상(71)이 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 형성되는 결상면(31)을 포함하는 스크린 부재(30); 및
상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 구성되는 투영기(10)를 포함하고,
상기 결상면(31)은 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되고,
상기 투영기(10)는 광으로서 레이저 광을 투영하도록 구성되고,
상기 투영기(10)는 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하기 위하여 상기 결상면(31)에 레이저 광을 주사하는
헤드업 디스플레이 장치.
미리 정해진 시각 영역(60)으로부터 표시 화상(71)의 허상(70)을 시각자가 볼 수 있게 디스플레이 부재(90, 92)의 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영하도록 적용되는 헤드업 디스플레이 장치이며,
상기 투영면(91, 93)에 투영될 표시 화상(71)이 상기 투영면(91, 93)에 표시 화상(71)을 투영할 때에 형성되는 결상면(31)을 포함하는 스크린 부재(30); 및
상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 형성하는 광을 투영하도록 구성되는 투영기(10)를 포함하고,
상기 결상면(31)은 허상(70)의 필드 곡률을 제한하는 볼록면으로 형성되고,
상기 헤드업 디스플레이 장치는 차량용 장치이고,
상기 디스플레이 부재(90, 92)의 투영면(91, 93)은 차량의 윈드실드의 표면(91), 및 상기 윈드실드와 별도로 형성되며 상기 윈드실드의 내면에 인접하게 위치되는 독립 부재의 표면(93) 중 하나인
헤드업 디스플레이 장치.