KR102174982B1 - 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

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    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view

Abstract

본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 허상을 형성하기 위한 이미지 광을 방출하는 이미지 생성 장치; 및 차량의 윈드 쉴드에 대향하는 제1 면, 및 상기 제1 면의 반대측에 위치하고 아이 박스에 대향하는 제2 면이 구비되고, 상기 제1 면 측으로 입사하는 상기 이미지 광이 상기 아이 박스를 향해 굴절되어 상기 제2 면을 통해 출사될 수 있도록 구성되는 컴바이너를 포함할 수 있다.

Description

헤드업 디스플레이 장치{HEAD-UP DISPLAY DEVICE}
본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 대한 발명이다.
헤드업 디스플레이 장치는 전방 시야와 PGU(Picture Generation Unit)에서 생성된 영상이 합성되는 방법에 따라, 크게 다이렉트 방식(윈드 쉴드에서 합성)과 컴바이너 방식(윈드 쉴드와 별체인 컴바이너에서 합성)의 2가지 종류로 구분될 수 있다. 다이렉트 방식의 헤드업 디스플레이 장치는 주로 고급차에 설치되고 있으며, 컴바이너 방식의 헤드업 디스플레이 장치는 주로 중소형차에 설치되고 있는 실정이다.
그러나, 다이렉트 방식의 헤드업 디스플레이 장치는 윈드 쉴드에서 발생되는 영상의 왜곡을 헤드업 디스플레이 장치 광학계의 거울에서 보정하여야 한다는 문제가 있다. 또한, 차량의 윈드 쉴드는 차종에 따라 형상이 상이하기 때문에 각각의 차종에 맞게 광학계가 맞춤 설계 및 제작되어야 한다는 번거로움이 있다. 게다가, 다이렉트 방식의 경우 운전자의 아이 박스에서 윈드 쉴드를 거쳐 헤드업 디스플레이 장치 미러 사이의 거리는 약 1m 이상으로 상당히 길기 때문에, FOV(Field of view)를 확대하여 시인성을 증가시키기 위해서는 미러 사이즈를 더욱 증가시켜야 함에도 불구하고, 공간 상의 제약이 따른다는 문제가 있다.
한편, 헤드업 디스플레이 장치를 컴바이너 방식으로 구성할 경우, 컴바이너가 차량의 대쉬 보드의 위로 돌출되어야 한다. 이때, 기존의 컴바이너 방식의 컴바이너는 전방시야는 투과하면서도 PGU의 영상을 반사하는 미러 역할을 하여야하기 때문에, 상대적으로 PGU측에 가깝고 운전자에게서 멀리 떨어진 위치에 배치되는 것이 유리하였다. 그러나, 일반적으로 차량의 윈드 쉴드는 수직면 대비 약 60도 정도의 큰 기울기로 기울어져 있기 때문에 컴바이너가 돌출할 수 있는 공간에 제약을 받게 되며, 운전자에게서 멀리 배치될수록 그 제약은 커지게 된다. 따라서, 컴바이너 돌출의 한계로 인해 FOV를 확대하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 종래의 문제점에 착안하여 발명된 것으로서, 컴바이너가 크게 구성될 수 있고 시야각이 확대되어, 시인성이 비약적으로 향상될 수 있는 헤드업 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 허상을 형성하기 위한 이미지 광을 방출하는 이미지 생성 장치; 및 차량의 윈드 쉴드에 대향하는 제1 면, 및 상기 제1 면의 반대측에 위치하고 아이 박스에 대향하는 제2 면이 구비되고, 상기 제1 면 측으로 입사하는 상기 이미지 광이 상기 아이 박스를 향해 굴절되어 상기 제2 면을 통해 출사될 수 있도록 구성되는 컴바이너를 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는, 상기 제1 면에 입사하는 상기 이미지 광이 하방으로 굴절되어 투과할 수 있도록 구성되고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 하나 이상에 배열되는 굴절부를 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 굴절부는 상기 제1 면에 형성된 미세 프리즘이고, 상기 미세 프리즘은, 상기 제1 면에 대해 제1 내각으로 기울어진 제1 경사면; 및 상기 제1 면에 대해 제2 내각으로 기울어지고, 상기 제1 경사면 보다 상측에 구비되는 제2 경사면을 포함하며, 상기 제2 내각은 상기 제1 내각 보다 작게 형성되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스 측을 향하도록 지면에 수직한 제1 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면으로부터 상기 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 최대 출사각은 하기의 관계식 1을 만족하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017101660691-pat00001
(상기 관계식 1에서, θr _ max1 는 상기 컴바이너에서 출사하여 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 상기 제2 면에 수직한 제2 법선에 대한 제1 최대 출사각이고, θFOV_vercical은 FOV(Field of view)의 수직방향 각이며, θLD 는 상기 아이 박스로부터 연장되는 수평선과 상기 아이 박스(E)로부터 연장되어 FOV의 중심을 통과하는 가상의 선이 이루는 각도이고, θS 는 상기 컴바이너 경사각)
또한, 상기 제2 내각은 하기의 관계식 2를 만족하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 2]
Figure 112017101660691-pat00002
(상기 관계식 2에서 θi2 는 상기 미세 프리즘의 제2 내각이고, θc 는 상기 컴바이너의 임계각, n은 컴바이너의 굴절율)
또한, 상기 굴절부는 상기 제2 면에 형성된 미세 프리즘이고, 상기 미세 프리즘은, 상기 제2 면에 대해 제3 내각으로 기울어진 제3 경사면; 및 상기 제2 면에 대해 제4 내각으로 기울어지고, 상기 제3 경사면 보다 하측에 구비되는 제4 경사면을 포함하고, 상기 제4 내각은 상기 제3 내각 보다 작게 형성되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스 측을 향하도록 지면에 수직한 제1 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면으로부터 상기 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 최대 출사각은 하기의 관계식 4를 만족하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 4]
Figure 112017101660691-pat00003
(상기 관계식 4에서, θr _ max2 는 상기 컴바이너에서 출사하여 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 상기 제3 경사면에 수직한 제3 법선에 대한 제2 최대 출사각이고, θFOV _vertical 은 시야의 수직방향 각이며, θLD 는 상기 아이 박스로부터 연장되는 수평선과 시야의 중심 간의 각도이고, θS 는 상기 컴바이너 경사각)
또한, 상기 제4 내각은 하기의 관계식 6를 만족하고, 하기의 관계식 6의 θr _max1 은 관계식 1을 만족하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 6]
Figure 112017101660691-pat00004
[관계식 1]
Figure 112017101660691-pat00005
(상기 관계식 6에서 θi4 는 상기 미세 프리즘의 제4 내각이고, θc 는 상기 컴바이너의 임계각)
또한, 상기 굴절부는 가로 방향으로 상기 제1 면 또는 상기 제2 면 상에서 연장 형성되고, 복수 개로 구비되며, 복수 개의 상기 굴절부는 세로 방향으로 소정의 이격 거리로 떨어져 배열되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는, 상기 굴절부의 세로 방향에 있어서의 길이에 대한 서로 인접하는 상기 굴절부 간의 이격 거리의 비율이 감소할수록, 굴절 투과하는 이미지 광의 양이 증가하도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 헤드업 디스플레이 장치의 컴바이너가 크게 구성되고 시야각이 확대될 수 있으며, 이로 인해 헤드업 디스플레이 장치의 시인성이 비약적으로 향상될 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 헤드업 디스플레이 장치의 이미지 광과 윈드 쉴드 외부의 광이 입사하는 것을 개념적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라, 이미지 광이 컴바이너에서 굴절되어 아이박스로 입사하는 것을 개념적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 3의 컴바이너의 굴절부의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라, 이미지 광이 컴바이너에서 굴절되어 아이박스로 입사하는 것을 개념적으로 나타낸 측면도이다.
도 6은 도 5의 컴바이너의 굴절부의 측면도이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 굴절부의 내각과 컴바이너 경사각의 관계 및 제2 실시예에 따른 굴절부의 내각과 컴바이나 경사각 과의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 좌측, 우측 등의 표현은 아이 박스의 위치에서 헤드업 디스플레이 장치를 바라보았을 때를 기준으로 설명한 것이고, 그 중, 상측, 하측 등의 표현은 도 3 및 도 5에서의 상측, 하측과도 동일하다.
또한, 어떤 구성요소에서 다른 구성요소로 광이 진행, 입사함에 있어서, 직접적으로 광이 진행, 입사할 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재하여 광이 진행 과정에서 굴절, 반사, 투과할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(10)의 구성을 설명한다. 헤드업 디스플레이 장치(10)는 윈드 쉴드(W)와 아이 박스(E) 사이에 구비될 수 있으며, 윈드 쉴드(W)는 자동차 등의 전면부에 설치된 유리창일 수 있다. 여기서, 아이 박스(E)는 사용자의 시점 위치의 허용 범위를 나타내는 영역으로 정의되고, 소정의 범위를 가질 수 있다. 헤드업 디스플레이 장치(10)는 이미지 광을 통하여 허상을 형성하고, 사용자는 헤드업 디스플레이 장치(10)의 허상을 통하여 운전에 필요한 정보를 얻을 수 있다. 이미지 광에 의해 현출되는 허상은 문자, 도형, 기호 등을 포함할 수 있으며, 여러가지 색깔로 구현될 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 헤드업 디스플레이 장치(10)의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소정 방향으로 이미지 광을 방출시키는 이미지 생성 장치(100); 및 이미지 광을 굴절 투과시키는 컴바이너(200)를 포함할 수 있다.
이미지 생성 장치(100)는 사용자가 볼 수 있는 허상을 형성하기 위하여 소정 방향으로 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 이미지 생성 장치(100)는 예를 들어 LCD, DLP, LCoS, Scanning 프로젝터 등으로 구현될 수 있다. 또한, 이미지 생성 장치(100)는 개별적으로 이미지 광을 방출할 수 있는 복수 개의 영역을 포함할 수 있다. 이미지 생성 장치(100)는 이미지 광을 윈드 쉴드(W)에 투영시키지 않게금 구성될 수 있다. 이미지 생성 장치(100)는 발생한 이미지 광을 컴바이너(200)에 직접 조사할 수 있고, 이를 위해 이미지 생성 장치(100)는 윈드 쉴드(W)와 컴바이너(200)의 사이에 배치되어 컴바이너(200)를 향해 이미지 광을 방출할 수 있다. 다만, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이미지 생성 장치(100)는 컴바이너(200)에서 굴절된 이미지 광을 보상하기 위하여, 이미지 광을 컴바이너(200)가 이미지 광을 굴절시키는 방향을 따라 확대 또는 축소하여 방출시킬 수 있다. 예를 들어, 컴바이너(200)가 하측으로부터 입사하는 이미지 광을 하측으로 굴절시키도록 구성되는 경우, 이미지 생성 장치(100)는 상하 방향을 따라 이미지 광을 확대하여 방출시킬 수 있다. 이미지 생성 장치(100)에서 방출될 때 이미지 광이 나타내는 이미지는 상하 방향으로 확대되고, 이러한 이미지 광이 나타내는 이미지는 컴바이너(200)를 하방으로 굴절 투과하면서 상하 방향으로 축소되므로, 사용자는 최종적으로 상하 방향의 배율이 보상된 허상을 볼 수 있다.
컴바이너(200)는 이미지 생성 장치(100)에서 발생한 이미지 광이 굴절되어 투과될 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 컴바이너(200)는 윈드 쉴드(W)에 대향하고 있는 제1 면(210); 제1 면(210) 반대측의 제2 면(220); 및 이미지 광을 굴절시키기 위해 제1 면(210)에 구비되는 굴절부(230)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 컴바이너(200)는 제1 면(210)이 윈드 쉴드(W)에 대향하고 제2 면(220)이 아이 박스(E)에 대향하도록 배치될 수 있다. 컴바이너(200)는 소정의 굴절율(n) 및 임계각(θc)을 가질 수 있다. 또한, 컴바이너(200)는 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate, PMMA) 등으로 형성될 수 있다.
컴바이너(200)는 측면에서 보았을 때(도 3 및 도 4) 그 상측이 아이 박스(E)를 향하여 지면에 수직한 법선(Y)에 대해 소정 각도(컴바이너 경사각(θS))로 기울어지도록 배치될 수 있다. 또한, 컴바이너(200)는 투과하는 광이 상하 방향에 있어서 굴절되도록 구성될 수 있다. 이를 위해 굴절부(230)는 상하 방향과 어긋나는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 굴절부(230)는 광이 굴절되는 방향과 직교하도록 좌우 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
이러한 굴절부(230)는 제1 면(210)에 배열되는 미세 프리즘 방식으로 구현될 수 있다. 이 경우, 굴절부(230)는 제1 면(210)에 대해 제1 내각(θi1)으로 기울어진 제1 경사면(231); 및 제1 면(210)에 대해 제2 내각(θi2)으로 기울어진 제2 경사면(232)을 포함할 수 있다. 제1 내각은 제2 내각보다 크고 90°보다 작게 형성될 수 있다. 따라서, 측면에서 보았을 때 제2 경사면(232)은 제1 경사면(231)보다 길게 형성될 수 있고, 제1 경사면(231) 보다 상측에 배치될 수 있다. 제1 경사면(231)과 제2 경사면(232)은 제1 면(210)으로부터 아이 박스(E)의 반대측으로 돌출 연장되면서 서로 만날 수 있다. 또한, 측면에서 보았을 때, 제1 면(210) 상에서의 제1 경사면(231)과 제2 경사면(232) 간의 거리는 제1 바닥 거리(b1)로 정의될 수 있다. 또한, 굴절부(230)의 높이(h)는 제1 내각(θi1), 제2 내각(θi2) 및 제1 바닥 거리(b1)에 의해 결정될 수 있다. 한편, 제1 면(210)과 제2 면(220) 사이의 시트형 부분은 컴바이너 바디(201)로 정의될 수 있고, 굴절부(230)는 컴바이너 바디(201)와 동일한 재질로 형성되어 일체형으로 구성될 수도 있다.
한편, 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 이미지 생성 장치(100)에 의해 형성된 허상이 차지하는 영역은 FOV로 정의될 수 있다. 또한, 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 FOV의 상측 끝단과 하측 끝단 사이의 종방향으로의 각도는 FOV의 수직방향 각(θFOV_vercical)으로 정의될 수 있다. 또한, 아이 박스(E)로부터 수평으로 연장되는 가상의 선(H)과 아이 박스(E)로부터 연장되어 FOV의 중심을 통과하는 가상의 선이 형성하는 각도는 시야 중심각(θLD)으로 정의될 수 있다. 또한, 컴바이너(200)에 의해 굴절되어 이로부터 출사하는 이미지 광과, 이미지 광이 출사하는 컴바이너(200)의 표면에 수직한 법선(P1 또는 P2)과 이루는 각도는 출사각(出射角)으로 정의될 수 있다. 본 실시예에서는 컴바이너(200)로부터 출사하는 이미지 광과 제2 표면(220)에 수직한 법선(P1)이 이루는 각이 출사각에 해당한다. 또한, 굴절부(230)가 제1 면(210)에 구비될 때 출사각의 최대값인 제1 최대 출사각(θr_max1)은 아래의 관계식 1에 의해 정의될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017101660691-pat00006
또한, 미세 프리즘의 제2 내각(θi2)은 아래의 관계식 2에 의해 정의될 수 있다.
[관계식 2]
Figure 112017101660691-pat00007
상기의 관계식 2에서 θi2 는 상기 미세 프리즘의 제2 내각이고, n은 컴바이너의 굴절율이다. 또한, 관계식 2에서 미세 프리즘의 제2 내각의 상한은 하기의 스넬의 법칙으로부터 유도될 수 있다.
Figure 112017101660691-pat00008
굴절부(230)는 제1 면(210)에 복수 개로 제공될 수 있다. 인접하는 굴절부의 제2 경사면(231) 간의 거리를 제1 간격(i1)라고 할 때, 제1 간격(i1)은 제1 바닥 거리(b1) 보다 크게 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 굴절부(230)는 수직 방향으로 서로 이격되어 제1 면(210)을 따라 나란하게 배열될 수 있으며, 굴절부(230) 간의 이격 거리(d)는 제1 간격(i1)과 제1 바닥 거리(b1)의 차이로부터 산출될 수 있다. 이러한 전방 시야는 복수 개의 굴절부(230) 사이를 통과하여 아이 박스(E)로 굴절없이 입사될 수 있다. 다시 말해, 컴바이너(200)에 입사하는 이미지 광 중 일부는 굴절부(230)를 통과하여 굴절 투과하고, 다른 일부는 굴절부(230) 사이를 통과하여 비굴절 투과할 수 있다. 제1 바닥 거리(b1), 제1 내각 및 제2 내각의 조건이 동일하다면, 제1 간격(i1)에 대한 이격 거리(d)의 비율이 감소할수록 굴절 투과하는 이미지 광의 양은 증가한다.
한편, 컴바이너(200)를 투과하는 광의 전체 밝기를 100%이라 하였을 때, 전방 시야의 밝기(I1)는 50% 이상 80%이하일 수 있고, 컴바이너(200)에서 굴절되어 아이 박스(E)로 입사하는 제1 이미지 광의 밝기(I2)는 20%이상 50%이하일 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 컴바이너 경사각(θS)이 작아질수록, 즉, 수평선에 대하여 수직에 가까울수록 굴절부(230)의 제2 내각(θi2)은 작게 구성될 수 있다. 또한, 컴바이너 경사각(θS) 값이 동일한 조건에서, 시야의 수직방향 각(θFOV_vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값이 커질수록, 제2 내각(θi2)이 커지게 된다. 또한, 제2 내각(θi2)이 동일한 조건에서, 시야의 수직방향 각(θFOV _ vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값이 커질수록, 컴바이너 경사각(θS)이 커지게 된다.
본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(10)는 상기와 같은 구성을 가짐으로써 종래의 미러형 컴바이너 방식에 비해 아이 박스(E) 측에 더 인접하게 배치될 수 있다. 따라서, 컴바이너(200)의 크기 및 FOV를 결정함에 있어서 공간 상의 제약으로부터 보다 자유로울 수 있으며, 컴바이너(200) 및 FOV가 더욱 커질 수 있다.
한편, 이러한 구성 이외에도, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 굴절부(240)가 제2 면(220)에 구비되는 것도 가능하다. 이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 상술한 제1 실시예와 비교하였을 때 차이점을 위주로 제2 실시예를 설명하며, 동일한 설명 및 도면부호는 상술한 실시예를 원용한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 굴절부(240)는 제2 면(220)에 배열되는 미세 프리즘 방식으로 구현될 수 있다. 이 경우, 굴절부(240)는 제2 면(220)에 대해 제3 내각(θi3)으로 기울어진 제3 경사면(241); 및 제2 면(220)에 대해 제4 내각(θi4)으로 기울어진 제4 경사면(242)을 포함할 수 있다. 제3 내각(θi3)은 제4 내각(θi4) 보다 크고 90°보다 작게 형성될 수 있다. 따라서, 측면에서 보았을 때 제4 경사면(242)은 제3 경사면(241)보다 길게 형성될 수 있고, 제3 경사면(241) 보다 상측에 배치될 수 있다. 제3 경사면(241)과 제4 경사면(242)은 제2 면(220)으로부터 아이 박스(E)측으로 연장되면서 서로 만날 수 있다. 한편, 측면에서 보았을 때, 제2 면(220) 상에서의 제3 경사면(241)과 제4 경사면(242) 간의 거리는 제2 바닥 거리(b2)로 정의될 수 있다. 이 경우, 굴절부(240)의 높이(h)는 제3 내각(θi3), 제4 내각(θi4) 및 제2 바닥 거리(b2)에 의해 결정될 수 있다.
한편, 굴절부(240)가 제2 면(220)에 구비될 때, 출사각의 최대값인 제2 최대 출사각(θr_max2)은 아래의 관계식 3에 의해 정의될 수 있다. 본 실시예에서는 컴바이너(200)로부터 출사하는 이미지 광과 굴절부(240)의 제4 경사면(240)에 수직한 법선(P2)이 이루는 각이 출사각에 해당한다.
[관계식 3]
Figure 112017101660691-pat00009
또한, 상기 관계식 3에 이보다 앞서 서술한 관계식 1을 대입하면 아래의 관계식 4가 도출될 수 있다.
[관계식 4]
Figure 112017101660691-pat00010
한편, 상기의 관계식 2와 유사하게, 스넬의 법칙으로부터 미세 프리즘의 제4 내각(θi4)에 대하여 관계식 5가 성립할 수 있다.
[관계식 5]
Figure 112017101660691-pat00011
상기의 관계식 5를 제4 내각(θi4)에 대하여 정리하면, 제4 내각(θi4)의 상한이 유도되며, 제4 내각(θi4)의 하한은 10°이므로, 제4 내각(θi4)의 범위는 아래의 관계식 6에 의해 정의될 수 있다.
[관계식 6]
Figure 112017101660691-pat00012
앞서 이미 서술한 관계식 1에 따라, 시야의 수직방향 각(θFOV _ vercical), 시야 중심각(θLD), 및 컴바이너 경사각(θS)으로부터 제1 최대 출사각(θr _ max1) 값을 구할 수 있으므로, 상기의 관계식 6에서 제4 내각(θi4)의 상한값도, 시야의 수직방향 각(θFOV_vercical), 시야 중심각(θLD), 및 컴바이너 경사각(θS)으로부터 구할 수 있다.
한편, 굴절부(240)는 제2 면(220)에 복수 개로 제공될 수 있다. 인접하는 굴절부의 제4 경사면(242) 간의 거리를 제2 간격(i2)라고 할 때, 제2 간격(i2)은 제2 바닥 거리(b2) 보다 크게 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 굴절부(240)는 수직 방향으로 서로 이격되어 제2 면(220)을 따라 나란하게 배열될 수 있으며, 굴절부(240) 간의 이격 거리(d)는 제2 간격(i2)과 제2 바닥 거리(b2)의 차이로부터 산출될 수 있다. 이러한 전방 시야는 복수 개의 굴절부(240) 사이를 통과하여 아이 박스(E)로 굴절없이 입사될 수 있다. 다시 말해, 컴바이너(200)에 입사하는 이미지 광 중 일부는 굴절부(240)를 통과하여 굴절 투과하고, 다른 일부는 굴절부(240) 사이를 통과하여 비굴절 투과할 수 있다. 제2 바닥 거리(b2), 제3 내각(θi3) 및 제4 내각(θi4)의 조건이 동일하다면, 제2 간격(i2)에 대한 이격 거리(d)의 비율이 감소할수록 굴절 투과하는 이미지 광의 양은 증가한다.
또한, 도 7을 참조하면, 컴바이너 경사각(θS)이 작아질수록, 즉, 수평선에 대하여 수직에 가까울수록 굴절부(240)의 제4 내각(θi4)은 작게 구성될 수 있다. 또한, 컴바이너 경사각(θS) 값이 동일한 조건에서, 시야의 수직방향 각(θFOV _ vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값이 커질수록, 제4 내각(θi4)이 커지게 된다. 또한, 제4 내각(θi4)이 동일한 조건에서, 시야의 수직방향 각(θFOV _ vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값이 커질수록, 컴바이너 경사각(θS)이 커지게 된다.
한편, 제1 실시예 및 제2 실시예를 비교함에 있어서, 시야의 수직방향 각(θFOV _vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값과, 컴바이너 경사각(θS)이 변하지 않는다는 조건에서, 제2 실시예에 따른 제4 내각(θi4)은 제1 실시예에 따른 제2 내각(θi2)보다 2배 이상 크다. 또한, 시야의 수직방향 각(θFOV _ vercical)의 1/2과 시야 중심각(θLD)을 더한 값이 변하지 않고, 제2 내각(θi2)과 제4 내각(θi4)이 동일한 값을 가진다는 조건에서, 제1 실시예에 따른 제2 내각(θi2)은 제2 실시예에 따른 제4 내각(θi4)보다 현저하게 낮은 컴바이너 경사각(θS) 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 미세 프리즘을 굴절부(230)의 예시로 서술하였으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 굴절부(230)가 프레넬 렌즈, 홀로 그래픽 광학 소자(HOE)로 구성되는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예들에 따른 도면에서는 이미지 생성 장치(100)가 이미지 광을 컴바이너(200)에 직접 방출하는 것으로 나타내었으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치(10)는 이미지 생성 장치(100)의 이미지 광이 적어도 하나 이상의 렌즈 및/또는 거울을 거쳐 컴바이너(200)에 입사하도록 구성되는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예들에서는 굴절부(230)가 제1 면(210) 또는 제2 면(220)에 구비되는 것으로 서술하였으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 굴절부(230)가 제1 면(210) 및 제2 면(220) 모두에 구비되는 것도 가능하다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(10)를 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
W: 윈드 쉴드 E: 아이 박스(E)
10: 헤드업 디스플레이 장치 100: 이미지 생성 장치
200: 컴바이너 210: 제1 면
220: 제2 면 230: 굴절부
231: 제1 경사면 232: 제2 경사면
233: 제3 경사면 234: 제4 경사면

Claims (10)

  1. 허상을 형성하기 위한 이미지 광을 방출하는 이미지 생성 장치; 및
    차량의 윈드 쉴드에 대향하는 제1 면, 및 상기 제1 면의 반대측에 위치하고 아이 박스에 대향하는 제2 면이 구비되고, 상기 제1 면 측으로 입사하는 상기 이미지 광이 상기 아이 박스를 향해 굴절되어 상기 제2 면을 통해 출사됨으로써 상기 허상을 형성할 수 있도록 구성되는 컴바이너를 포함하고,
    상기 컴바이너는 상기 제1 면에 배열되어 상기 제1 면에 대해 경사면을 형성하는 굴절부를 포함하고, 상기 굴절부가 상기 허상을 형성하기 위해 상기 이미지 광을 굴절시킴으로써 상기 이미지광의 상하 방향의 폭은 상기 이미지 광이 상기 컴바이너에 입사하기 전에 비하여 축소되고,
    상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스 측을 향하도록 지면에 수직한 제1 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면으로부터 상기 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 최대 출사각은 하기의 관계식 1을 만족하는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 1]
    Figure 112020075626686-pat00025

    (상기 관계식 1에서, θr_max1 는 상기 컴바이너에서 출사하여 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 상기 제2 면에 수직한 제2 법선에 대한 제1 최대 출사각이고, θFOV_vercical은 FOV(Field of view)의 수직방향 각이며, θLD 는 상기 아이 박스로부터 연장되는 수평선과 상기 아이 박스(E)로부터 연장되어 FOV의 중심을 통과하는 가상의 선이 이루는 각도이고, θS 는 상기 컴바이너 경사각)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너는, 상기 제1 면에 입사하는 상기 이미지 광이 하방으로 굴절되어 투과할 수 있도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절부는 상기 제1 면에 형성된 미세 프리즘이고,
    상기 미세 프리즘은,
    상기 제1 면에 대해 제1 내각으로 기울어진 제1 경사면; 및
    상기 제1 면에 대해 제2 내각으로 기울어지고, 상기 제1 경사면 보다 상측에 구비되는 제2 경사면을 포함하며,
    상기 제2 내각은 상기 제1 내각 보다 작게 형성되는 헤드업 디스플레이 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 내각은 하기의 관계식 2를 만족하는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 2]
    Figure 112020075626686-pat00014

    (상기 관계식 2에서 θi2 는 상기 미세 프리즘의 제2 내각이고, θc 는 상기 컴바이너의 임계각, n은 컴바이너의 굴절율)
  6. 삭제
  7. 허상을 형성하기 위한 이미지 광을 방출하는 이미지 생성 장치; 및
    차량의 윈드 쉴드에 대향하는 제1 면, 및 상기 제1 면의 반대측에 위치하고 아이 박스에 대향하는 제2 면이 구비되고, 상기 제1 면 측으로 입사하는 상기 이미지 광이 상기 아이 박스를 향해 굴절되어 상기 제2 면을 통해 출사됨으로써 상기 허상을 형성할 수 있도록 구성되는 컴바이너를 포함하고,
    상기 컴바이너는 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 하나 이상에 배열되어 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 상기 하나 이상에 대해 경사면을 형성하는 굴절부를 포함하고, 상기 굴절부가 상기 허상을 형성하기 위해 상기 이미지 광을 굴절시킴으로써 상기 이미지광의 상하 방향의 폭은 상기 이미지 광이 상기 컴바이너에 입사하기 전에 비하여 축소되고,
    상기 굴절부는 상기 제2 면에 형성된 미세 프리즘이고,
    상기 미세 프리즘은,
    상기 제2 면에 대해 제3 내각으로 기울어진 제3 경사면; 및
    상기 제2 면에 대해 제4 내각으로 기울어지고, 상기 제3 경사면 보다 하측에 구비되는 제4 경사면을 포함하고,
    상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스 측을 향하도록 지면에 수직한 제1 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면으로부터 상기 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 최대 출사각은 하기의 관계식 4를 만족하는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 4]
    Figure 112020019372918-pat00015

    (상기 관계식 4에서, θr_max2 는 상기 컴바이너에서 출사하여 아이 박스로 진행하는 이미지 광의 상기 제3 경사면에 수직한 제3 법선에 대한 제2 최대 출사각이고, θFOV_vertical 은 시야의 수직방향 각이며, θLD 는 상기 아이 박스로부터 연장되는 수평선과 시야의 중심 간의 각도이고, θi4 는 상기 미세 프리즘의 상기 제4 내각이며, θS 는 상기 컴바이너 경사각)
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제4 내각은 하기의 관계식 6를 만족하고, 하기의 관계식 6의 θr_max1 은 관계식 1을 만족하는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 6]
    Figure 112020019372918-pat00016

    [관계식 1]
    Figure 112020019372918-pat00017

    (상기 관계식 6에서 θi4 는 상기 미세 프리즘의 상기 제4 내각이고, n은 상기 컴바이너의 굴절율이며, θc 는 상기 컴바이너의 임계각)
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절부는 가로 방향으로 상기 제1 면 상에서 연장 형성되고, 복수 개로 구비되며,
    복수 개의 상기 굴절부는 세로 방향으로 소정의 이격 거리로 떨어져 배열되는 헤드업 디스플레이 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 컴바이너는,
    상기 굴절부의 세로 방향에 있어서의 길이에 대한 서로 인접하는 상기 굴절부 간의 이격 거리의 비율이 감소할수록, 굴절 투과하는 이미지 광의 양이 증가하도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치.
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