KR102299064B1 - 옥외용 화상 조사 장치 및 이것을 구비하는 이동체 - Google Patents

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Abstract

화상광을 출사하는 화상광 출사 디바이스(2, 3)로부터의 광로 상에 있어서 순차적으로, 편광자(4), 사파이어로 이루어지는 파장판(4)이 위치하고 있는 옥외용 화상 조사 장치(1), 및 이 옥외용 화상 조사 장치(1)를 구비하는 이동체.

Description

옥외용 화상 조사 장치 및 이것을 구비하는 이동체
본 개시는 차량탑재용 헤드업 디스플레이 장치 등의 옥외용 화상 조사 장치 및 이것을 구비하는 이동체에 관한 것이다.
액정 패널 등에 표시한 화상정보를 앞유리 등에 조사하고, 반사한 화상정보를 탑승자에게 시인시키는 옥외용 화상 조사 장치가 제안되어 있다. 이러한 옥외용 화상 조사 장치는 헤드업 디스플레이 장치(이하, 단지 HUD 장치로도 기재한다)로도 불린다.
일본 특허공개 2010-113197호 공보 일본 특허공개 2012-103331호 공보
본 개시의 옥외용 화상 조사 장치는 화상광을 출사하는 화상광 출사 디바이스와, 편광자와, 파장판을 구비하고, 화상광 출사 디바이스로부터의 광로 상에 있어서 순차적으로 편광자, 파장판이 위치하고 있고, 상기 파장판이 사파이어로 이루어진다. 또한, 본 개시의 이동체는 상술의 옥외용 화상 조사 장치를 구비한다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 옥외용 화상 조사 장치의 개략도이다.
도 2는 제 2 실시형태에 따른 옥외용 화상 조사 장치의 개략도이다.
도 3은 제 3 실시형태에 따른 옥외용 화상 조사 장치의 개략도이다.
도 4는 제 4 실시형태에 따른 옥외용 화상 조사 장치의 개략도이다.
도 5는 사파이어의 결정구조를 나타내는 도면이다.
본 개시의 옥외용 화상 조사 장치에 대해서, 이동체용 화상 조사 장치인 차량탑재용의 HUD 장치를 예로 해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 제 1 실시형태에 따른 HUD 장치(1)의 개략도이다. HUD 장치(1)는 화상광 출사 디바이스(A)와, 편광자(4)와, 사파이어로 이루어지는 파장판(5)을 구비한다. 화상광 출사 디바이스(A)는 광원(2)과, 화상 형성부(3)를 구비한다. 편광자(4)는 화상 형성부(3)로부터의 화상광을 편광하는 것이다. 또한, 도 1에 있어서는, 거울(6)과, 출사창(7)을 갖는 예를 나타내고 있고, 광원(2)로부터의 출사광을 포함하는 화상광의 출사광로(L)를 도면 중에 있어서 일점 쇄선의 화살표로 나타내고 있다.
HUD 장치는 대시보드에 매입하는 형태로 탑재되는 것이 일반적이다. 태양광이 HUD 장치에 입사하여 광로 상에 배치된 거울이나 렌즈에 의해서 집광되어서 파장판에 도달하고, 자외선을 받거나, 집광된 태양광에 의해 파장판이 고온으로 되거나 했을 경우, 파장판의 기능이 저하하여 시인성을 유지할 수 없게 될 우려가 있다.
제 1 실시형태에 따른 HUD 장치(1)는, 출사광로(L)에 있어서 화상광 출사 디바이스(A), 편광자(4), 파장판(5)의 순서로 위치하고 있다. 이러한 구성을 만족시키는 HUD 장치(1)는, 화상광 출사 디바이스(A)로부터의 광이 편광자(4)에서 편광되고, 편광된 광의 편광 방향이 파장판(5)에 의해 수직 방향의 편광 성분이 많아지도록 조정되기 때문에, 편광 선글라스에 의한 시인성의 저하가 적다. 그리고, 제 1 실시형태에 따른 HUD 장치(1)에 있어서는, 파장판(5)이 자외선에 대하여 열화하지 않고, 내열성이 우수한 사파이어로 이루어지는 것이기 때문에, 태양광에 의한 파장판(5)의 기능 저하가 적기 때문에 장기간에 걸쳐 사용할 수 있다.
본 개시의 HUD 장치(1)에 있어서의 파장판(5)이 사파이어로 이루어지는 것에 대해, 파장판이 수지제일 경우에는 자외선이나 열 등에 의해, 파장판이 열화될 우려가 있다. 또한, 본 개시의 HUD 장치(1)에 있어서의 파장판(5)은 수지보다 열에 강한 수정과 비교해도, 열전도율이 높고 강도도 높기 때문에, 파장판(5)의 온도상승을 억제를 할 수 있다. 그 때문에, 온도상승에 의한 열팽창이나 열응력에 기인하는 편광 방향의 어긋남 등의 파장판(5)의 기능 저하도 생기기 어렵고, 열응력에 기인하는 파장판(5)의 파손도 생기기 어렵다.
파장판(5)이란, 직교하는 편광 성분의 사이에 위상차를 발생시키는 기능을 갖는 복굴절 소자이며, 위상판이라고도 불린다. 본 실시형태에 있어서의 파장판(5)의 기능은, 편광자(4)로부터 출사된 화상광을 탑승자가 편광 선글라스를 착용하고 있을 경우의 시인성이 향상하도록 편광 방향을 바꾸는 것에 있다. 통상, 편광 선글라스는 수평 방향의 편광 성분을 차단하고, 수직 방향의 편광 성분을 투과시키도록 설계되어 있으므로, 예를 들면, 수평 방향의 편광 성분을 많이 포함하는 광을 수직 방향의 편광 성분을 많이 포함하는 광으로 변환한다.
그리고, 파장판(5)으로서는 1/2 파장판을 사용해도 좋다. 1/2 파장판이란 위상차 π(180°)를 발생시키는 것이며, 직선편광의 편광 방향을 바꾸기 위해서 사용하는 것이다. 파장판(5)으로서 1/2 파장판을 사용했을 때에는 수평 방향의 편광 성분을 편광 선글라스의 투과율이 높은 수직 방향의 편광 성분으로 바꿀 수 있기 때문에 화상정보의 시인성이 높아진다. 또, 1/2 파장판은 편광 방향과 후술하는 고속축이 이루는 각을 바꿈으로써 편광 방향을 임의로 바꿀 수 있기 때문에, 수평 방향의 편광 성분 뿐만 아니라, 예를 들면 경사 방향의 편광 성분을 수직 방향의 편광 성분으로 바꿀 수도 있다. 편광자(4)를 투과한 광의 편광 성분이 수평 방향으로부터 수직 방향의 사이에 있을 경우에는, 파장판(5)에 의한 편광 방향의 변환 각도를 90° 미만으로 함으로써 경사 방향의 편광 성분을 수직 방향의 편광 성분으로 바꿀 수 있기 때문에, 화상정보의 시인성이 높아진다.
또한, 파장판(5)으로서 1/4 파장판을 사용해도 좋다. 1/4 파장판이란 위상차 π/2(90°)를 발생시키는 것이며, 직선편광을 원편광 또는 타원편광으로 변환하기 위해서 사용되고 있다. 파장판(5)으로서 1/4 파장판를 사용했을 때에는, 편광 선글라스를 사용했을 경우의 시인성이 향상함과 아울러, 각도의 의존성을 억제하면서 수직 방향의 편광 성분을 증가시킬 수 있다. 그 때문에, 화상정보와 탑승자의 눈의 상대각도가 바뀐 경우에도 시인성의 변화를 억제할 수 있다.
어느 파장판(5)이나, 파장판(5)을 투과 후의 화상광은 파장판(5)을 투과 전의 화상광에 비해서 수직 방향의 편광 성분이 증가하거나, 또는 편광 방향이 보다 수직에 가까워지도록 배치되고, 이것에 의해 편광 선글라스를 착용하고 있어도 양호한 시인성을 유지할 수 있다.
그리고, 파장판(5)으로서 사용되는 사파이어란 산화알루미늄의 단결정이다. 사파이어는, 상술한 바와 같이 내열성이 우수한 것에 추가하여, 열전도성 및 방열성이 뛰어나 온도상승을 억제할 수 있는 점에 있어서도 뛰어나다. 예를 들면, 수정의 열전도율이 6.2∼10.4W/m·K인 것에 대해, 사파이어는 42W/m·K의 우수한 열전도율을 갖는다.
도 5는 사파이어의 결정구조를 나타내는 도면이다. 도 5(a)∼(d)에 각각 나타내는 바와 같이, 사파이어는 대표적인 결정면으로서 c면, m면, a면, r면 등의 결정면을 갖는다.
파장판(5)으로서 사용하는 사파이어는 복굴절성을 갖는(굴절률에 이방성이 있는) 재료이다. 복굴절성을 갖는 재료에 있어서, 굴절률이 작은 축을 고속축, 큰 축을 저속축으로 기재한다. 예를 들면, 파장 589㎚의 광에 대하여, 사파이어의 굴절률은 c축 방향이 1.768이며, c축과 수직인 방향이 1.760이기 때문에, 이 경우, c축 방향이 저속축이고, c축과 수직인 방향이 고속축이다.
사파이어로 이루어지는 파장판(5)은, 주면이 m면, 또는 a면이어도 좋다. 주면이 m면일 경우에는, a축이 고속축, c축이 저속축으로 된다. 또한, 주면이 a면일 경우에는, m축이 고속축, c축이 저속축으로 된다. 이러한 구성으로 하면 파장판(5)의 주면에 입사하는 화상광의 광축은 광학축(c축)에 수직으로 된다. 이러한 구성 으로 하면 편광 방향의 차이에 의한 진행 방향의 어긋남이 일어나지 않으므로 화상의 번짐을 억제할 수 있다.
또한, 사파이어는 기계적 강도에도 이방성이 있다. 사파이어의 항절강도는 a면의 c축 방향에서 최대로 되기 때문에, 파장판(5)이 장축(긴 변) 방향과 단축(짧은 변) 방향을 갖는, 예를 들면 직사각형 판상 등의 형상일 경우, 파장판(5)의 주면을 a면으로 하고, 장축 방향을 c축 방향으로 하면 좋다.
또한, 주면을 m면으로 하면, 면 방향의 항절강도의 이방성이 작기 때문에, 예를 들면 원판상의 파장판(5)의 주면을 m면으로 하면 좋다.
파장판(5)은, 그 구성에 의해서 트루 제로 오더(True Zero Order), 멀티 오더, 컨파운드 제로 오더(Compound Zero Order)의 3종류로 크게 구별된다.
트루 제로 오더의 파장판(5)은 파장 시프트나 온도 변화, 또는 사입사에 대하여 얻어지는 위상차 어긋남이 생기기 어렵다고 하는 이점이 있고, 판두께를 얇게 할 수 있기 때문에 HUD 장치(1)의 소형화가 가능해진다.
m면 또는 a면을 주면으로 하는 사파이어를 이용하여 파장 589㎚에 대한 트루 제로 오더의 1/4 파장판(5)을 얻기 위해서는, 위상차를 147.25㎚로 할 필요가 있기 때문에 판두께를 18.4㎛로 하면 좋다. 또한, 마찬가지로 파장 589㎚에 대한 트루 제로 오더의 1/2 파장판(5)을 얻기 위해서는, 위상차를 294.5㎚로 할 필요가 있고, 판두께를 36.8㎛로 하면 좋다.
멀티 오더의 파장판(5)은, 판두께를 소망에 따라서 변화시킬 수 있기 때문에 실용상 문제 없는 강도의 파장판을 얻을 수 있다.
m면 또는 a면을 주면으로 하는 사파이어를 이용하여 파장 589㎚에 대한 멀티 오더의 1/4 파장판(5)에서는, 1.25, 2.25, 3.25 파장분의 위상차를 발생시키기 위해서, 판두께를 92.0㎛, 165.7㎛, 239.3㎛로 하면 좋다. 파장을 λ(m), 저속축과 고속축의 굴절률차를 ΔN, n을 정수로 하면, 멀티 오더의 1/4 파장판(5)의 판두께 d(m)는 λ×(n+1/4)/ΔN이다. 마찬가지로, 1/2 파장판(5)에서는 1.5, 2.5, 3.5 파장분의 위상차를 발생시키기 위해서, 판두께를 110.4㎛, 184.1㎛, 257.7㎛로 하면 좋다. 파장을 λ(m), 저속축과 고속축의 굴절률차를 ΔN, n을 정수로 하면, 멀티 오더의 1/2 파장판(5)의 판두께 d(m)는 λ×(n+1/2)/ΔN이다.
컨파운드 제로 오더의 파장판(5)은 멀티 오더로 제조된 2매의 사파이어의 광축을 서로 직교하도록 배치해서 구성된다. 이러한 구성임으로써, 각각의 사파이어에서 생기는 위상차 시프트량이 서로에 의해 상쇄되어, 얻어지는 위상차에 대한 파장 의존성이나 온도 의존성이 적어진다. 또한, m면 또는 a면을 주면으로 하는 사파이어는 항절강도에 이방성을 갖지만, 컨파운드 제로 오더의 파장판(5)은 2매의 사파이어를 사용해서 제작하므로 항절강도의 이방성이 작은 파장판(5)으로 할 수 있다.
또, 컨파운드 제로 오더의 파장판(5)은, 조합시키는 2매의 사파이어의 두께의 차를 트루 제로 오더나 멀티 오더의 파장판(5)과 같게 하면 좋다.
사파이어로 이루어지는 파장판(5)의 두께가 0.1㎜ 이상이면, 파장판(5)으로서 충분한 기계적 강도와 방열성을 가질 수 있다. 또한, 두께가 0.5㎜ 이하이면 위상 어긋남이 작으므로 좋다.
다음에, 제 2 실시형태를 나타내는 도 2에는, 도 1에 나타내는 구조와 비교하여 파장판(5)과 거울(6) 사이에 광확산 부재(8)를 구비하고 있는 예를 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 파장판(5)과 거울(6) 사이에 광확산 부재(8)를 구비하고 있을 때에는, 광확산 부재(8)에 의해 화상광을 확대할 수 있다. 또한, 같은 크기의 화상으로 하기 위해서이면, 각 부재가 작아도 되기 때문에 HUD 장치(1)의 소형화를 꾀할 수 있다.
이 광확산 부재(8)는, 태양광에 대해서 보면 태양광을 집광하는 기능을 갖는 것이지만, 본 실시형태의 HUD 장치(1)는, 파장판(5)이 사파이어로 이루어지기 때문에 파장판(5)의 기능 저하가 작다. 광확산 부재(8)로서는, 예를 들면 볼록렌즈를 사용할 수 있다.
다음에, 제 3 실시형태를 나타내는 도 3에는, 도 1에 있어서의 거울(6)에 오목면 거울(10)을 구비하고 있는 예를 나타내고 있다. 이와 같이, 오목면 거울(10)을 구비할 때에는, 오목면 거울(10)이 거울(6)과 광확산 부재(8)의 양쪽의 기능을 갖고 있기 때문에 부재점수를 적게 할 수 있다.
또한, 탑승자가 편광 선글라스를 착용하고 있지 않을 경우에 대응하기 위해서, 광축 상으로부터 광축 밖으로 파장판(5)을 이동시키기 위한 이동기구(도시생략)를 구비하고 있어도 된다. 이동기구는 모터 등을 구동부로 하면 좋다.
HUD 장치(1)에 있어서는, 파장판(5) 뿐만 아니라 편광자(4)도 화상광 출사 디바이스(A)로부터의 출사광 및 외광에 의해 가열된다. 편광자(4)의 냉각의 관점으로부터 파장판(5)을 편광자(4)에 접촉시켜도 좋다. 이러한 구성을 만족시킬 때에는 편광자(4)를 냉각할 수 있다. 사파이어로 이루어지는 파장판(5)은 외부로부터 침입한 태양광의 일부를 차단할 수도 있으므로, 외광에 의한 편광자(4)의 손상을 억제할 수 있다.
도 1의 예와 같이, 편광자(4)와 파장판(5)이 접촉하고 있을 경우, 양자간의 열의 전달은 고체간의 열전도에 의해 행해지기 때문에, 편광자(4)를 냉각하는 효과가 높아진다. 파장판(5)의 표면에 편광자(4)가 직접 형성되어 있어도 되고, 또는 접착층을 통해서 양자가 접착되어 있어도 된다.
또한, 도 1에 있어서, 파장판(5)과 편광자(4)가 같은 크기인 예를 나타내고 있지만, 파장판(5)이 편광자(4)보다 커도 좋다. 이러한 구성을 만족시킬 때에는, 파장판(5)의 표면적이 증가하기 때문에 방열성이 향상된다.
또한, 파장판(5)을 편광자(4)에 근접시켜서 배치해도 좋다. 파장판(5)이 편광자(4)를 냉각할 수 있는 범위에서 근접하고 있으면, 편광자(4)와 파장판(5)이 이간하고 있어도 되고, 그 경우, 양자간의 열의 전달은 양자 사이에 있는 기체를 통해서 행하여진다. 편광자(4)와 파장판(5)을 떨어뜨려서 배치할 경우에는, 양자의 거리는 0.1㎜∼50㎜가 좋다.
HUD 장치(1)는 파장판(5)이 기류에 의해 냉각되도록 설계해도 좋다. 기류에 의한 냉각은 파장판(5)을 공냉하기 위해서 팬 등의 송풍체를 사용하면 좋다. 또한, 차량 등의 이동체의 이동에 따라 생기는 기류를 이용해도 좋다. 또한, 냉각 효과를 향상시키기 위해서 파장판(5)에 냉각 핀을 접속해도 좋다. 냉각 핀은 파장판(5)의 광이 조사되는 범위 이외의 부분의 적어도 일부에 형성되어 있으면 좋다.
HUD 장치(1)는, 제 4 실시형태를 나타내는 도 4와 같이, 화상 형성부(3)와 파장판(5) 사이에 배치된 편광자(4)에 추가해서, 광원(2)과 화상 형성부(3) 사이에 배치된 입사측 편광자(9)를 갖고 있어도 된다.
또한, 파장판(5)의 200∼400㎚의 파장 영역에 있어서의 투과율의 평균값이 400∼800㎚의 파장 영역에 있어서의 투과율의 평균값보다 작아도 좋다. 파장판(5)이 이러한 구성을 만족시킬 때에는, 소위 자외광 영역의 광을 감쇠시키고, 편광자(4)의 변질에 따르는 편광자(4)의 손상을 억제할 수 있다.
또한, 파장판(5)은 205∼260㎚의 파장 영역에 흡수대를 갖고 있어도 된다. 사파이어의 결정 육성시 또는, 육성 후의 열처리시의 분위기를 환원제 분위기로 제어하여 산소 공공에 기인하는 결함을 사파이어에 도입함으로써 자외광 영역에 흡수대를 가지고, 자외광을 감소시켜지는 사파이어를 제조할 수 있다. 산소 공공에 기인하는 결함을 갖는 사파이어는, F 센터, F+ 센터라고 불리는 결함을 갖고 있다. F 센터는 205㎚, F+ 센터는 210㎚, 230㎚, 260㎚에 흡수대를 가지고 있다. 이러한 205㎚∼260㎚의 파장 영역에 흡수대를 갖는 사파이어를 파장판(5)으로서 사용하면 자외광을 감쇠시킬 수 있고, 편광자(4)의 변질에 따르는 편광자(4)의 손상을 억제할 수 있다.
이상, 설명한 HUD 장치(1)를 탑재한 이동체는, 편광 선글라스를 장착한 탑승자이여도 화상정보의 시인성을 유지할 수 있고, 태양광에 노출되는 상황에 있어서도 화상정보를 시인할 수 없게 되는 것을 억제할 수 있다. 이동체란, 예를 들면 차량이며, 선박이나 비행기 등도 포함하는 것이다. 또, 태양광이란 태양광 자체가 이니어도, 차량의 창을 통과한 태양광 등도 포함된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상술의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 각종의 개량 및 변경을 행해도 좋다. 예를 들면, 옥외용 화상 조사 장치는 고글, 헬멧 등에 탑재해도 좋고, 건축물 등에 화상정보를 투영하도록 설치해도 좋다. 또한, 표시부는 창에 한정되지 않고, 거울 등이어도 좋다. 또한, 이동체가 차량 등의 경우로서 사람이 보아서 창의 맞은편 또는 앞쪽에 허상을 인식시키는 형태라도 좋다.
1 : 옥외용 화상 조사 장치(HUD 장치)
2 : 광원
3 : 화상 형성부
A : 화상광 출사 디바이스
4 : 편광자
5 : 파장판
6 : 거울
7 : 출사창
8 : 광확산 부재
9 : 입사측 편광자
10 : 오목면 거울

Claims (11)

  1. 화상광을 출사하는 화상광 출사 디바이스와, 편광자와, 파장판을 구비하고,
    상기 화상광 출사 디바이스로부터의 광로 상에 있어서 순차적으로 상기 편광자, 상기 파장판이 위치하고 있고, 상기 파장판이 사파이어로 이루어지고, 상기 파장판의 주면은 a면이고, 상기 파장판은 장축방향과 단축방향을 갖는 형상이며, 파장판의 주면의 장축방향은 c축방향인 옥외용 화상 조사 장치.
  2. 화상광을 출사하는 화상광 출사 디바이스와, 편광자와, 파장판을 구비하고,
    상기 화상광 출사 디바이스로부터의 광로 상에 있어서 순차적으로 상기 편광자, 상기 파장판이 위치하고 있고, 상기 파장판은 사파이어로 이루어지고, 파장판의 주면을 m면으로 하는 원형상인 옥외용 화상 조사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장판은, m면을 주면으로 하는 2장의 상기 사파이어를 배치한, 컴파운드 제로 오더의 파장판인 옥외용 화상 조사 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판이 1/2 파장판인 옥외용 화상 조사 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판이 1/4 파장판인 옥외용 화상 조사 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편광자가 상기 파장판에 접촉해서 위치하고 있는 옥외용 화상 조사 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판의 두께가 0.1mm 이상 0.5mm 이하인 옥외용 화상 조사 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판의 200∼400㎚의 파장 영역에 있어서의 투과율의 평균값이 400∼800㎚의 파장 영역에 있어서의 투과율의 평균값보다 작은 것을 특징으로 하는 옥외용 화상 조사 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판은 205∼260㎚의 파장 영역에 흡수대를 갖는 것을 특징으로 하는 옥외용 화상 조사 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장판을 상기 광로 상의 위치와 상기 광로 밖의 위치 사이에서 이동시키는 이동기구를 구비한 옥외용 화상 조사 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 옥외용 화상 조사 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동체.
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