KR101483978B1 - 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛 - Google Patents

헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛 Download PDF

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김진호
홍승기
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Abstract

본 발명은 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 관한 것으로, 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 있어서, 상기 투사 렌즈 유닛은 화상이 투영되는 스크린 측으로부터 이미지 소자를 향해 순차적으로 배치된 제1 렌즈 내지 제7 렌즈를 포함하고, 제1 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제2 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제3 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제4 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제5 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제6 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제7 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 상기 제1 내지 제7 렌즈는 유리 물질로 이루어진 것을 특징으로 하며, 구체적으로는 열에 의한 렌즈의 성능 변화를 최소화할 수 있는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 관한 것이다.

Description

헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛{PROJECTION LENS UNIT OF PROJECTOR USED IN HEAD―UP DISPLAY}
본 발명은 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 관한 것으로, 구체적으로는 열에 의한 렌즈의 성능 변화를 최소화할 수 있는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 관한 것이다.
최근, 전자 제품들이 발달함에 따라 운전에 도움을 주는 분야에도 적용되어 편리를 도모하고 있다. 그 예로, 자동차 네비게이션을 들 수가 있다. 그런데, 운전자는 시야에 있는 사물들을 확인해야 하며 차량의 주행 상태(속도, RPM 계기판 등)도 확인하면서 운전해야 한다.
이에 따라, 현재 운전자의 안전을 제공하고 차량 주행 정보와 주변상황 정보를 효과적으로 운전자에게 전달해주는 매체로 개발중인 여러 시스템이 있는데 그 중 헤드 업 디스플레이(Head Up Display, 이하 "HUD"라 약칭함)가 주요 관심사가 되고 있다.
HUD란 차량이나 항공기 주행 중 운전자 정면 즉, 운전자의 주 시야 선을 벗어나지 않는 범위에서 차량의 주행 정보나 기타 정보를 제공하는 시스템이다.
차량용 HUD는 앞 유리창의 운전자의 주 시야 선에 계기판의 정보(속력, 주행거리, RPM 등)을 나타나게 하여 운전자가 운전 중에도 쉽게 주행정보를 파악할 수 있도록 한다. 이로써 운전자는 도로로부터 눈을 떼지 않고도 중요한 주행정보를 인지함으로써 안전운행을 할 수 있게 된다.
이러한 HUD 장치는 차량에 장착이 용이하도록 소형화의 요구가 증가되고 있으며, 그에 따라 HUD 장치에 매설되는 프로젝터 투사렌즈 유닛 역시 소형화가 이루어지고 있다.
그러나 소형화가 진행될수록 프로젝터에 발생되는 열이 증가된다. 그에 더하여 차량의 내부에 매설되는 HUD용 프로젝터는 차량 내의 온도가 증가될수록 렌즈의 굴절능의 변화가 심해지고 이로 인해 렌즈가 설계된 대로 화상이 투영되지 못해 최종적으로 스크린에 나타나는 화상이 왜곡되어 버린다.
도 1은 종래의 HUD 프로젝터에 실장되는 렌즈 유닛의 구조 및 MTF 성능 그래프를 나타낸다. 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 종래의 투사렌즈 유닛은 7매의 렌즈로 이루어져 있으며, 상세한 렌즈의 스펙은 다음의 표 1과 같이 구성되어 있다.
[표 1]
Figure 112014040519839-pat00001
도 1 및 표 1에서 알 수 있듯이, 종래의 HUD 프로젝터에 실장되는 투사렌즈는 총 7매의 렌즈가 스크린 측으로부터 이미지 소자 측을 향해 차례대로 배열되고, 순서대로 부, 정, 부, 정, 부, 정, 정의 파워 배열을 가지고 있어 상이 투사되는 스크린으로서 차량의 앞유리(윈드쉴드)에 허상 이미지를 생성시키는 유닛인 비구면 미러의 물체 이미지를 투사시키도록 구성되어 있다.
그러나, 표 2에 나타낸 바와 같이 종래의 HUD용 프로젝터에 실장되는 투사렌즈 유닛의 경우 20℃의 실온에서는 원하는 유효 초점거리가 얻어질 수 있지만 온도가 증가함에 따라 각각의 렌즈에서의 유효 초점 거리가 변화하게 되는데, 특히 차량이 계속 주행 상태로 유지되어 차량 기관실의 내부 온도가 증가될수록 프로젝터 투사렌즈의 유효초점거리가 변화하여 원하는 화질이 구현되지 못하는 문제가 발생하게 된다.
[표 2]
Figure 112014040519839-pat00002

이러한 문제점은 아래의 표 3에 도시한 바와 같이 조리개 스톱을 기준으로 하여 나누어진 전군 렌즈(L1~L3)의 유효초점거리의 편차(ΔEFL)와 후군 렌즈(L4~L7)의 유효초점거리의 편차(ΔEFL)가 모두 부의 방향으로 편향되어 설계되어 있기 때문인 것으로 분석되었다.
[표 3]
Figure 112014040519839-pat00003
따라서 종래의 투사 렌즈의 렌즈 배열 및 구조에 따르면 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 고온에서의 MTF 특성이 열화됨을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 고온의 환경에서 안정적인 초점거리를 유지할 수 있는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고온에서의 전군 렌즈의 유효초점거리의 편차 방향과 후군 렌즈의 유효초점거리의 편차 방향이 서로 반대 방향으로 변화되도록 함으로써 전체 유효초점거리의 변화량이 종래의 투사렌즈에 비해 감소된 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛을 제공한다.
구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛은,
헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 있어서, 상기 투사 렌즈 유닛은 화상이 투영되는 스크린 측으로부터 이미지 소자를 향해 순차적으로 배치된 제1 렌즈 내지 제7 렌즈를 포함하고, 제1 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제2 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제3 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제4 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제5 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제6 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제7 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 상기 제1 내지 제7 렌즈는 유리 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 렌즈, 제6 렌즈, 및 제7 렌즈를 이루는 유리 물질은 DN/DT(abs.)(Temperature Coefficients of Refractive Index(10-6/K at 632.8nm))의 범위가 -3.6 내지 -2.6 범위 내에 있는 물질로부터 선택되고, 제2 렌즈 내지 제5 렌즈를 이루는 유리 물질은 DN/DT(abs.)의 범위가 0.5 내지 1.5 사이의 범위 내에있는 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제1 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -2.6을 갖는 재료로부터 선택되고, 제2 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.5를 갖는 재료로부터 선택되고, 제3 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.7을 갖는 재료로부터 선택되고, 제4 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 1.5를 갖는 재료로부터 선택되고, 제5 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.7을 갖는 재료로부터 선택되고, 제6 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -3.6을 갖는 재료로부터 선택되고, 제7 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -2.6을 갖는 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제1 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며, 제2 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며, 제3 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며, 제4 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 오목하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며, 제5 렌즈의 출사면은 광축과 수직으로 평평하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며, 제6 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며, 제7 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제1 내지 제7 렌즈는 구면 렌즈인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛은 고온의 환경에서 전군 렌즈의 유효초점거리의 편차 방향이 정의 방향으로 변화되고, 후군 렌즈의 유효초점거리의 편차 방향이 부의 방향으로 변화됨으로써 전체 유효초점거리의 변화량이 줄어들어 고온 환경에서도 안정적인 프로젝터의 화질 구현이 이루어진다.
도 1은 종래의 HUD 프로젝터에 실장되는 렌즈 유닛의 구조 및 MTF 성능 그래프를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이에 사용되는 투사 렌즈 유닛의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이에 사용되는 투사 렌즈 유닛의 MTF 성능 그래프를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이에 사용되는 투사 렌즈 유닛의 고온일때의 MTF 성능 그래프를 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛은 7매로 이루어진 렌즈 어레이(100), 내부전반사 프리즘(200), 커버 글래스(300) 및 이미지 소자(400)를 포함한다.
렌즈 어레이(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 화상이 투영되는 스크린(500) 측으로부터 이미지 소자(400)를 향해 순차적으로 배치된 제1 렌즈(L1) 내지 제7 렌즈(L7)를 포함한다. 구체적으로 제1 렌즈(L1)는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제2 렌즈(L2)는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제3 렌즈(L3)는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제4 렌즈(L4)는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제5 렌즈(L5)는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제6 렌즈(L6)는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고, 제7 렌즈(L7)는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈로 구성되며, 렌즈 스톱면(S)은 제3 렌즈(L3)와 제4 렌즈(L4) 사이에 배치되었다. 본 발명의 실시예에 의하면, 전술한 제1 렌즈(L1) 내지 제7 렌즈(L7)는 유리 렌즈로 이루어진다.
다음의 표 4는 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛을 구성하는 각각의 렌즈들에 대한 초점거리, 재료, DN/DT 값을 나타낸 표이다.
[표 4]
Figure 112014040519839-pat00004
상기 표 4에서 알 수 있듯이 제1 렌즈(L1)는 초점거리 -51.78의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)(Temperature Coefficients of Refractive Index (10-6/K at 632.8nm))는 -2.6을 갖는 호야사의 FC5(모델명)가 사용되었다.
또한, 제2 렌즈(L2)는 초점거리 34.69의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 0.5를 갖는 호야사의 EFD10이 사용되었다.
또한, 제3 렌즈(L3)는 초점거리 -20.16의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 0.7을 갖는 호야사의 EFD4가 사용되었다.
또한, 제4 렌즈(L4)는 초점거리 31.35의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 1.5를 갖는 호야사의 BACD16이 사용되었다.
또한, 제5 렌즈(L5)는 초점거리 -25의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 0.7을 갖는 호야사의 EFD4가 사용되었다.
또한, 제6 렌즈(L6)는 초점거리 25의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 -3.6을 갖는 호야사의 PCD4가 사용되었다.
또한, 제7 렌즈(L7)는 초점거리 20.8의 값을 갖도록 설계되었고, DN/DT(abs.)는 -2.6을 갖는 호야사의 FC5가 사용되었다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 투사 렌즈 유닛에서는 유효초점거리가 비교적 긴 렌즈들을 조합하여 사용하였는데 이는 초점 거리가 짧은 렌즈인 경우 파워가 크기 됨에 따라 개별 렌즈의 성질 변화에 따른 투사계 전체 성능 변화가 크게 되기 때문이다.
본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛에서는 렌즈 각각에 대한 파워를 낮추면서(즉, 렌즈 각각에 대한 초점 거리를 길게함), 제1 렌즈(L1), 제6 렌즈(L6), 및 제7 렌즈(L7)의 DN/DT(abs.)가 부의 값을 가지는, 바람직하게는 -3.6 이상, -2.6 미만의 DN/DT(abs.) 값을 가지는 유리 재질을 사용하였으며, 이와 반대로 제2 렌즈(L2) 내지 제5 렌즈(L5)는 DN/DT(abs.)가 정의 값을 가지는, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 사이의 값을 가지는 유리 재질을 사용하였다. 특히 투사 렌즈 유닛 내에서 유효초점거리가 짧은 후군 렌즈(L4-L7) 중 제6 렌즈(L6) 및 제7 렌즈(L7)에 DN/DT값의 부호가 마이너스(-)를 갖는 재질을 사용하여 굴절률의 변화가 작아지도록 설계하였다.
아래의 표 5는 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛을 구성하는 제1 렌즈(L1) 내지 제7 렌즈(L7)의 스펙을 나타낸 표이다.
[표 5]
Figure 112014040519839-pat00005
도 2와 표 5를 참조하면, 제1 렌즈(L1)는 스크린(500) 측을 향해 있는 출사면 즉, 제1 표면(S1)이 스크린(500)을 향해 볼록하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 입사면 즉, 제2 표면(S2)이 스크린(500)을 향해 볼록한 표면을 갖는 구면 렌즈로 이루어진다. 이러한 제1 렌즈(L1)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제1 표면(S1)의 곡률 반경이 58.6029mm이고, 제2 표면(S2)이 17.5501mm의 곡률 반경을 가지고 있는 바 제1 표면(S1)의 곡률 반경이 제2 표면(S2)의 곡률 반경보다 크게 형성된 메니스커스형 렌즈이다. 이때, 제1 렌즈(L1)는 광축에 따른 제1 표면(S1)과 제2 표면(S2) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 1.6mm이고, 제1 렌즈(L1)의 굴절률은 1.4875이며 분산계수는 70.44를 갖도록 설계되었다.
제2 렌즈(L2)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제3 표면(S3)이 스크린(500)을 향해 볼록하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제4 표면(S4)이 스크린(500)을 향해 오목한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제2 렌즈(L2)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제3 표면(S3)의 곡률 반경이 50.3242mm이고, 제4 표면(S4) 역시 50.3242mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제2 렌즈(L2)는 광축에 따른 제3 표면(S3)과 제4 표면(S4) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 4.1mm이고, 제2 렌즈(L2)의 굴절률은 1.7283이며, 분산계수는 28.32를 갖도록 설계되었다. 또한, 제1 렌즈(L1)와 제2 렌즈(L2) 사이의 거리, 즉 제2 표면(S2)과 제3 표면(S3) 사이의 거리는 2.0916mm이다.
제3 렌즈(L3)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제5 표면(S5)이 스크린(500)을 향해 볼록하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제6 표면(S6)이 스크린(500)을 향해 볼록한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제3 렌즈(L3)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제5 표면(S5)의 곡률 반경이 12.4928mm이고, 제6 표면(S6)이 5.5mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제3 렌즈(L3)는 광축에 따른 제5 표면(S5)과 제6 표면(S6) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 5.86mm이고, 제3 렌즈(L3)의 굴절률은 1.7552이며, 분산계수는 27.53을 갖도록 설계되었다. 또한, 제2 렌즈(L2)와 제3 렌즈(L3) 사이의 거리, 즉 제4 표면(S4)과 제5 표면(S5) 사이의 거리는 0.3523mm이다.
다음으로, 제3 렌즈(L3)의 제6 표면(S6)의 뒤로 렌즈 스톱면(S)이 놓여 지는데 제6 표면(S6)으로부터 렌즈 스톱면(S)까지의 거리는 6.9961mm로 설계되었으며, 다시 렌즈 스톱면(S) 뒤로 제4 렌즈(L4)의 제7 표면(S7)이 놓여 지는데 렌즈 스톱면(S)으로부터 제7 표면(S7)까지의 거리는 0.5967mm이다.
제4 렌즈(L4)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제7 표면(S7)이 스크린(500)을 향해 오목하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제8 표면(S8)이 스크린(500)을 향해 오목한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제4 렌즈(L4)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제7 표면(S7)의 곡률 반경이 -19.0997mm이고, 제8 표면(S8)이 -11.3196mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제4 렌즈(L4)는 광축에 따른 제7 표면(S7)과 제8 표면(S8) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 8.5mm이고, 제4 렌즈(L4)의 굴절률은 1.6204이며, 분산계수는 60.34를 갖도록 설계되었다.
제5 렌즈(L5)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제9 표면(S9)이 광축과 수직으로 평평하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제10 표면(S10)이 스크린(500)을 향해 볼록한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제5 렌즈(L5)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제9 표면(S9)의 곡률 반경이 ∞mm(광축과 수직 방향으로 거의 평면을 이룸)이고, 제10 표면(S10)이 19.1415mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제5 렌즈(L5)는 광축에 따른 제9 표면(S9)과 제10 표면(S10) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 2mm이고, 제5 렌즈(L5)의 굴절률은 1.7552이며 분산계수는 27.53을 갖도록 설계되었다. 또한, 제4 렌즈(L4)와 제5 렌즈(L5) 사이의 거리, 즉 제8 표면(S8)과 제9 표면(S9) 사이의 거리는 0.2mm이다.
제6 렌즈(L6)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제11 표면(S11)이 스크린(500)을 향해 볼록하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제12 표면(S12)이 스크린(500)을 향해 오목한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제6 렌즈(L6)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제11 표면(S11)의 곡률 반경이 76.5955mm이고, 제12 표면(S12)이 -19.1798mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제6 렌즈(L6)는 광축에 따른 제11 표면(S11)과 제12 표면(S12) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 3.28mm이고, 제6 렌즈(L6)의 굴절률은 1.618이며 분산계수는 63.4를 갖도록 설계되었다. 또한, 제5 렌즈(L5)와 제6 렌즈(L6) 사이의 거리, 즉 제10 표면(S10)과 제11 표면(S11) 사이의 거리는 0.6833mm이다.
제7 렌즈(L7)는 스크린(500) 측을 향해 있는 제13 표면(S13)이 스크린(500)을 향해 볼록하고, 이미지 소자(400) 측을 향해 있는 제14 표면(S14)이 스크린(500)을 향해 오목한 표면을 갖는 구면렌즈로 이루어진다. 이러한 제7 렌즈(L7)는 표 5에 나타낸 바와 같이, 제13 표면(S13)의 곡률 반경이 18.8671mm이고, 제14 표면(S14)이 -18.8671mm의 곡률 반경을 가지고 있다. 이때, 제7 렌즈(L7)는 광축에 따른 제13 표면(S13)과 제14 표면(S14) 사이의 거리(렌즈의 두께)는 8.54mm이고, 제7 렌즈(L7)의 굴절률은 1.4875이며 분산계수는 70.44를 갖도록 설계되었다. 또한, 제6 렌즈(L6)와 제7 렌즈(L7) 사이의 거리, 즉 제12 표면(S12)과 제13 표면(S13) 사이의 거리는 0.2mm이다.
내부전반사 프리즘(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 렌즈 어레이(100)의 후방 즉, 제7 렌즈(L7)의 제14 표면(S14) 뒤에 위치되어 이미지 소자(400)로부터의 이미지광을 제7 렌즈(L7)를 향해 전달한다.
다음으로, 표 6는 본 발명에 따르는 투사 렌즈 유닛의 프로젝터 내부 온도 변화에 따른 각 렌즈의 유효 초점 거리의 변화를 나타낸 표이다. 하기 표 6에서 알 수 있듯이, 각각의 렌즈에 있어서 유효초점거리의 총변화량은 -0.006392로 종래에 비해 매우 작아졌음을 알 수 있다.
[표 6]
Figure 112014040519839-pat00006

다음으로, 표 7은 본 발명에 따르는 투사 렌즈 유닛의 프로젝터 내부 온도 변화에 따른 전군 렌즈(L1~L3)와 후군 렌즈(L4~L7)의 유효 초점 거리의 변화를 나타낸 표이다. 여기서, 전군 렌즈(L1~L3)는 렌즈 스톱면(S)을 기준으로 스크린(500) 측에 위치한 렌즈의 그룹을 의미하며, 후군 렌즈(L4~L7)는 렌즈 스톱면(S)을 기준으로 이미지 소자(400) 측에 위치한 렌즈의 그룹을 의미한다.
[표 7]
Figure 112014040519839-pat00007
표 7로부터 알 수 있듯이, 전군 렌즈(L1~L3)의 경우 온도 상승에 따른 유효초점거리의 변화가 플러스(+) 방향으로 일어난 반면 후군 렌즈(L4~L7)의 온도 상승에 따른 유효초점거리의 변화가 마이너스(-) 방향으로 일어나게 되어 유효초점거리의 총 변화량이 줄어들게 된다.
따라서 표 6 및 표 7로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛은 렌즈 각각에 대한 유효 초점 거리의 총 변화량이 종래의 -0.038753에서 -0.006394로 감소한 것을 볼 수 있으며, 전군 렌즈(L1~L3)와 후군 렌즈(L4~L7)의 유효 초점 거리의 총 변화량이 종래의 -0.038732에서 -0.012514로 감소한 것을 불 수 있으며, 이는 도 3 및 도 4의 MTF 그래프를 통해서도 고온에서의 유효초점거리의 변화가 종래에 비해 향상된 것으로 나타난다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 렌즈 각각에 대한 유효초점거리를 길게 하여 각각의 렌즈가 갖는 파워를 낮춰 렌즈 각각의 성질 변화에 따른 프로젝터의 성능 변화가 적도록 하였으며, 투사계 내 유효초점거리가 짧은 후군쪽에 dn/dt값의 부호가 부(-)를 갖는 재질을 사용함으로써 렌즈의 굴절률의 변화가 적으면서 L01~L07의 합성 유효초점거리의 절대수치가 작아지도록 투사계를 구성하는 한편, 전군 렌즈와 후군 렌즈의 유효초점거리의 변화 방향을 상반되게 설계함으로써 고온에서도 투사계의 광학적 성능 변화를 최소화할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 투사계를 구성하는 모든 개별렌즈를 온도 변화에 따른 특성 변화가 둔감한 유리 재질로 선택함으로써 열 변화에 의한 렌즈의 광학적 성능 변화를 줄일 수 있는 바, 특히 종래보다 긴 유효 초점 거리를 갖는 개별렌즈의 조합으로 투사계를 구성하여 각각의 렌즈가 갖는 파워의 값이 작아지도록 함으로써 렌즈의 광학적 성능 변화를 최소화하여 투사계의 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.
또한, 투사계 내에서 유효 초점 거리가 짧은 후군 렌즈(L4~L7) 중 제6 렌즈(L6) 및 제7 렌즈(L7)를 DN/DT값의 부호가 부(-)를 갖는 재질로 사용함으로써 렌즈의 굴절률의 변화가 적도록 하면서, 제1 내지 제7 렌즈(L1~L7)의 전체적인 DN/DT값의 절대수치가 작아지도록 투사계를 구성하여 열에 의한 렌즈의 광학적 성능 변화를 최소화할 수 있다.
최종적으로, 본 발명에 따른 투사 렌즈 유닛은 프로젝터 내부에서 발생하는 열에 대해 전체적인 초점 거리를 안정적으로 유지할 수 있으므로, 스크린에 투사되는 영상을 선명하고 일정하게 유지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 렌즈 어레이 200 : 내부전반사 프리즘
300 : 커버 글래스 400 : 이미지 소자
500 : 스크린

Claims (5)

  1. 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛에 있어서,
    상기 투사 렌즈 유닛은 화상이 투영되는 스크린 측으로부터 이미지 소자를 향해 순차적으로 배치된 제1 렌즈 내지 제7 렌즈를 포함하고,
    제1 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제2 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제3 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제4 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제5 렌즈는 부(-)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제6 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    제7 렌즈는 정(+)의 굴절능을 갖는 렌즈이고,
    상기 제1 내지 제7 렌즈는 유리 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제6 렌즈, 및 제7 렌즈를 이루는 유리 물질은 DN/DT(abs.)(Temperature Coefficients of Refractive Index(10-6/K at 632.8nm))의 범위가 -3.6 내지 -2.6 범위 내에 있는 물질로부터 선택되고, 제2 렌즈 내지 제5 렌즈를 이루는 유리 물질은 DN/DT(abs.)의 범위가 0.5 내지 1.5 사이의 범위 내에있는 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -2.6을 갖는 재료로부터 선택되고,
    제2 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.5를 갖는 재료로부터 선택되고,
    제3 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.7을 갖는 재료로부터 선택되고,
    제4 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 1.5를 갖는 재료로부터 선택되고,
    제5 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 0.7을 갖는 재료로부터 선택되고,
    제6 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -3.6을 갖는 재료로부터 선택되고,
    제7 렌즈는 그 DN/DT(abs.)가 -2.6을 갖는 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며,
    제2 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며,
    제3 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며,
    제4 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 오목하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며,
    제5 렌즈의 출사면은 광축과 수직으로 평평하고, 입사면은 스크린측을 향해 볼록하며,
    제6 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하며,
    제7 렌즈의 출사면은 스크린측을 향해 볼록하고, 입사면은 스크린측을 향해 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛.
  5. 제 1 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제7 렌즈는 구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이에 사용되는 프로젝터의 투사 렌즈 유닛.
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