KR102337691B1 - 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR102337691B1 KR1020170134094A KR20170134094A KR102337691B1 KR 102337691 B1 KR102337691 B1 KR 102337691B1 KR 1020170134094 A KR1020170134094 A KR 1020170134094A KR 20170134094 A KR20170134094 A KR 20170134094A KR 102337691 B1 KR102337691 B1 KR 102337691B1
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Abstract

본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 허상을 형성하기 위한 이미지 광을 방출하는 이미지 생성 장치; 상기 이미지 생성 장치에서 발생된 이미지 광이 나타내는 이미지를 확대 또는 축소하여 투과시키는 렌즈; 및 상기 렌즈를 투과한 이미지 광이 아이 박스의 반대측으로 입사하여 굴절 투과할 수 있도록 구성되는 컴바이너를 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 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 아이박스에서 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 위하여 제1 이미지 광을 방출하는 제1 이미지 생성 장치; 허상을 형성하기 위하여 제2 이미지 광을 방출하는 제2 이미지 생성 장치; 및 윈드 쉴드에 대향하는 제1 면과, 상기 제1 면의 반대면으로서 아이 박스에 대향하는 제2 면을 갖는 컴바이너를 포함하되, 상기 제1 이미지 광이 상기 제1 면을 통해 입사되어 굴절된 뒤 상기 제2 면을 통해 상기 아이 박스 측으로 전달되고, 상기 제2 이미지 광이 상기 제2 면에 반사되어 상기 아이 박스 측으로 전달되는 컴바이너를 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는, 상기 제1 이미지 광을 하방으로 굴절시켜 투과되도록 구성되고, 상부가 상기 아이 박스를 향하도록 지면에 수직한 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어진 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 이미지 생성 장치에서 발생된 제1 이미지 광이 나타내는 이미지의 상하 방향 크기를 소정 비율 확대하여 투과시키는 렌즈를 더 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 렌즈는 하기의 관계식 1을 만족하는 상하 초점거리를 가지는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017101660927-pat00001
(상기 관계식 1에서, fcv1 는 컴바이너의 상하 초점거리이고, flv 는 렌즈의 상하 초점거리이고, flh 는 렌즈의 좌우 초점거리이며, dl 는 렌즈와 컴바이너 간의 거리이다.)
또한, 상기 컴바이너의 상기 제1 면에서의 제1 이미지 광의 투과율(t1)은 아래의 관계식 3에 의해 결정되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 3]
Figure 112021104019215-pat00018
(상기 관계식 3에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ1i는 제1 이미지 광의 입사각이고, θ1t는 제1 이미지 광의 출사각)
또한, 상기 제2 이미지 생성 장치에서 발생된 상기 제2 이미지 광을 반사시켜 상기 컴바이너 측으로 전달하는 거울을 더 포함하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 거울은 상기 제2 이미지 광을 상하 방향으로 소정 비율 확대하여 반사시키도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 거울은 하기의 관계식 4를 만족하는 상하 초점거리를 가지는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 4]
Figure 112017101660927-pat00003
(상기 관계식 4에서, fcv2 는 컴바이너의 상하 초점거리이고, fmv 는 거울의 상하 초점거리이며, fmh 는 거울의 좌우 초점거리이며, dm 는 거울과 컴바이너 간의 거리이다.)
또한, 상기 컴바이너의 상기 제2 면에서의 제2 이미지 광의 반사율은 아래의 관계식 5에 의해 결정되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
[관계식 5]
Figure 112017101660927-pat00004
(상기 관계식 5에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ2i는 제1 이미지 광의 입사각이고, θ1t는 제1 이미지 광의 출사각)
또한, 상기 컴바이너는 상기 제2 면에서 상기 아이 박스를 향해 오목한 형상을 가지도록 소정의 곡률을 갖는 영역이 적어도 일부에 제공되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너의 상기 제2 면에 있어서, 상기 제1 이미지 광이 투과되는 제1 영역이 상기 제2 이미지 광이 반사되는 제2 영역보다 상부에 위치하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는 제1 면, 및 상기 제1 면의 반대측에 위치하고 상기 아이 박스에 대향하는 제2 면을 구비하고, 상기 제2 영역에 상기 제2 이미지 광의 반사를 위한 반사층이 별도로 제공되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 이미지 생성 장치는 P파 편광의 상기 제1 이미지 광을 방출하고, 상기 제2 이미지 생성 장치는 S파 편광의 상기 제2 이미지 광을 방출하는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스를 향하도록 지면에 수직한 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너 경사각은 20°이상 50°이하인 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 이미지 생성 장치에 먼지가 쌓이는 것을 방지하기 위한 더스트 커버를 더 포함하고, 상기 더스트 커버는 제1 이미지 광의 경로에 배치되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 더스트 커버는 플레이트 형태로 구비되며, 상기 더스트 커버는, 상기 더스트 커버를 통과하는 상기 제1 이미지 광과 상기 더스트 커버의 법선이 0°이상 30°이하의 각도를 가지도록 배치되고, 상기 더스트 커버는, 상기 더스트 커버를 통과하여 출사하는 상기 제1 이미지 광이 상기 더스트 커버면에 수직한 법선 보다 상기 아이 박스를 향해 더 기울어지도록 배치되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 더스트 커버는 상기 아이 박스로부터 연장되는 가상의 수평선에 대하여 20°내지 90°로 입사하는 외광을 차단할 수 있도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 컴바이너로부터 상기 아이 박스에 도달하는 전체 광의 전체 조도에 대하여, 상기 컴바이너에서 굴절되어 상기 아이 박스로 입사하는 상기 제1 이미지 광의 조도는 10%이상 25%이하이고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면에서 반사되어 상기 아이 박스로 입사하는 상기 제2 이미지 광의 조도는 10%이상 25%이하인 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 일 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 일 실시예에 따라, 제1 이미지 광이 컴바이너의 제1 영역 내의 제1 면에서 굴절되어 아이박스로 입사하고 제2 이미지 광이 컴바이너의 제2 영역 내의 제2 면에서 굴절되어 아이박스로 입사하는 것을 개념적으로 나타낸 측면도이다.
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 3에서의 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 광을 통해 현출되는 허상은 문자, 도형, 기호 등을 포함할 수 있으며, 여러가지 색깔로 구현될 수 있다. 이하에서는 도 3을 더 참조하여 헤드업 디스플레이 장치(10)의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 헤드업 디스플레이 장치(10)는 소정 방향으로 제1 이미지 광을 방출시키는 제1 이미지 생성 장치(110); 소정 방향으로 제2 이미지 광을 방출하는 제2 이미지 생성 장치(120); 아이 박스(E)를 향해 제1 이미지 광을 굴절 투과시키고, 제2 이미지 광을 반사시키는 컴바이너(200); 제1 이미지 광이 컴바이너(200)로 입사하도록 제1 이미지 생성 장치(110)에서 발생된 제1 이미지 광이 나타내는 이미지를 확대 또는 축소하여 투과시키는 렌즈(300); 제2 이미지 광이 컴바이너(200)로 입사하도록 제2 이미지 생성 장치(120)에서 발생된 제2 이미지 광이 나타내는 이미지를 확대 또는 축소하여 반사시키는 거울(400); 및 제1, 제2 이미지 생성 장치(110, 120), 렌즈(300), 미러(400) 등의 장치에 먼지 등의 이물질이 쌓이는 것을 방지하기 위한 더스트 커버(500)를 포함할 수 있다.
제1 이미지 생성 장치(110)는 사용자가 볼 수 있는 허상을 형성하기 위하여 소정 방향으로 제1 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 이미지 광은 P파 편광일 수 있고, 컴바이너(200)의 제1 영역 내의 제1 면(210)에서 굴절 투과됨으로써 사용자에게 인식될 수 있다. 이러한 제1 이미지 생성 장치(110)는예를 들어 LCD, DLP, LCoS, Scanning 프로젝터 등으로 구현될 수 있다. 또한, 제1 이미지 생성 장치(110)는 개별적으로 제1 이미지 광을 방출할 수 있는 복수 개의 영역을 포함할 수 있다.
제1 이미지 생성 장치(110)는 렌즈(300)를 투과하게끔 제1 이미지 광을 발생시킬 수 있다. 제1 이미지 생성 장치(110)는 렌즈(300)를 향해 직접 제1 이미지 광을 방출할 수 있으며, 이러한 제1 이미지 광이 방출되는 방향은 아이 박스(E)를 향하는 방향일 수 있다. 제1 이미지 생성 장치(110)는 윈드 쉴드(W)와 컴바이너(200)의 사이의 공간 중 공간적인 제약이 상대적으로 심하지 않은 곳에 배치될 수 있다.
또한, 제1 이미지 생성 장치(110)는 사용자가 보게 되는 허상의 크기가 왜곡되거나 방향이 변하지 않도록 보상된 제1 이미지 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제1 이미지 생성 장치(110)는 컴바이너(200)의 제1 영역에서 굴절된 제1 이미지 광을 보상하기 위하여, 컴바이너(200)의 제1 영역이 제1 이미지 광을 굴절시키는 방향을 따라 확대 또는 축소하여 제1 이미지 광을 방출시킬 수도 있다. 그러나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 이미지 생성 장치(120)는 사용자가 볼 수 있는 허상을 형성하기 위하여 소정 방향으로 제2 이미지 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 제2 이미지 광은 S파 편광일 수 있고, 컴바이너(200)의 제2 영역에서 반사됨으로써 사용자에게 인식될 수 있다. 이러한 제2 이미지 생성 장치(120)는 일 예로 LCD로 구현될 수 있다. 또한, 제2 이미지 생성 장치(120)는 개별적으로 제2 이미지 광을 방출할 수 있는 복수 개의 영역을 포함할 수 있다. 제2 이미지 생성 장치(120)에서 제2 이미지 광이 방출되는 방향 및 위치는 제1 이미지 생성 장치(110)에서 제1 이미지 광이 방출되는 방향 및 위치와 상이할 수 있다.
제2 이미지 생성 장치(120)는 거울(400)에서 반사되게끔 제2 이미지 광을 발생시킬 수 있다. 제2 이미지 생성 장치(120)는 거울(400)을 향해 직접 제2 이미지 광을 방출할 수 있으며, 이러한 제2 이미지 광이 방출되는 방향은 윈드 쉴드(W)를 향하는 방향일 수 있다. 제2 이미지 생성 장치(120)는 윈드 쉴드(W)와 컴바이너(200)의 사이의 공간 중 공간적인 제약이 상대적으로 심하지 않은 곳에 배치될 수 있다.
또한, 제2 이미지 생성 장치(120)는 사용자가 보게 되는 허상의 크기가 왜곡되거나 방향이 변하지 않도록 보상된 제2 이미지 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제2 이미지 생성 장치(120)는 컴바이너(200)의 제2 영역에서 반사된 제2 이미지 광을 보상하기 위하여, 상하 방향으로 제2 이미지 광을 확대 또는 축소하여 방출시킬 수도 있다. 그러나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 이미지 생성 장치(120)는 이상에서 서술한 제1 이미지 생성 장치(110)와 별도의 장치로 구성되어 제1 이미지 생성 장치(110)의 하측에 구비될 수 있다. 또한, 제1 이미지 광이 투과하는 제1 영역은 제2 이미지 광이 투과하는 제2 영역 보다 하측에 위치할 수 있다. 또한, 제2 이미지 생성 장치(120)의 제2 이미지 광의 경로는 제1 이미지 생성 장치(110)의 제1 이미지 광의 경로와 중첩되지 않도록 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 이미지 생성 장치(110)와 하나의 유닛으로 통합되어 구성되는 것도 가능하다.
컴바이너(200)는 제1 이미지 광이 굴절 투과되고, 제2 이미지 광이 반사될 수 있도록 구성될 수 있다. 컴바이너(200)는 윈드 쉴드(W)에 대향하는 제1 면(210); 제1 면(210) 반대측의 제2 면(220); 및 제1 이미지 광을 굴절시키기 위한 굴절부(미도시)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. 굴절부는 제1 면(210) 및 제2 면(220) 중 하나 이상에 제공될 수 있다. 컴바이너(200)는 굴절부에 의해 소정의 굴절율(nc) 및 임계각(θc)을 가질 수 있다. 복수 개의 굴절부를 투과하는 제1 이미지 광은 아이 박스(E)를 향해 굴절되고, 복수 개의 굴절부 사이를 투과하는 전방 시야는 굴절되지 않고 아이 박스(E)로 입사한다. 이러한 굴절부는 미세 프리즘, 프레넬 렌즈 및 홀로 그래픽 광학 소자(HOE)로 구성될 수 있으나, 이는 예시에 불과하므로, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
컴바이너(200)는 제1 이미지 생성 장치(110)에서 발생한 제1 이미지 광이 굴절 투과할 수 있도록 구성되고 소정의 굴절율(nc)를 가지는 제1 영역, 및 제2 이미지 생성 장치(120)에서 발생한 제2 이미지 광이 반사될 수 있도록 구성되는 제2 영역를 포함할 수 있다. 이러한 제1 영역은 컴바이너(200)를 아이 박스(E)측에서 보았을 때의 컴바이너(200) 내의 적어도 일부 영역으로서, 제1 이미지 광이 굴절 투과되는 영역일 수 있다, 제2 영역도 컴바이너(200)를 아이 박스(E)측에서 보았을 때의 컴바이너(200) 내의 적어도 일부 영역으로서, 제2 이미지 광이 반사되는 영역일 수 있다. 이러한 제1 영역과 제2 영역은 서로 중첩되어 구성되는 것도 가능하다. 일 실시예에 따르면 제2 영역은 제2 이미지 광을 반사시키기 위한 반사층이 제1 면(210) 및 제2 면(220) 중 굴절부가 구비되지 않은 면에 코팅될 수 있다. 이러한 반사층은 편광 코팅으로 구성될 수 있다.
한편, 컴바이너(200)는 예를 들어 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC), 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl methacrylate, PMMA) 등으로 형성될 수 있고, 굴절부는 미세 프리즘, 프레넬 렌즈 및 홀로 그래픽 광학 소자(HOE)로 구성될 수 있으나, 이는 예시에 불과하므로, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
컴바이너(200)는 측면에서 보았을 때(도 3) 그 상측이 아이 박스(E)를 향하여 지면에 수직한 법선(Y)에 대해 소정 각도(컴바이너 경사각(θS))로 기울어지도록 배치될 수 있다. 이러한 컴바이너 경사각(θS)은 대략 20°이상 50°이하일 수 있다. 또한, 컴바이너(200)는 투과하는 광이 상하 방향에 있어서 굴절되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컴바이너(200)는 아래측으로 기울어진 방향으로 제1 영역의 제1 면(210)에 입사하는 이미지 광을 아래측으로 굴절시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 컴바이너(200)에서의 이미지 광의 출사각은 이미지 광의 입사각 보다 작을 수 있다. 여기서 출사각(出射角)은 컴바이너(200)에 의해 굴절되어 이로부터 출사하는 이미지 광과, 이미지 광이 출사하는 컴바이너(200)의 표면에 수직한 법선(P)과 이루는 각도로 정의될 수 있다. 제1 이미지 광은 컴바이너(200)에 입사하기에 앞서 렌즈(300)를 투과하므로, 이하에서는 이러한 렌즈(300)에 대하여 설명한다.
렌즈(300)는 제1 이미지 생성 장치(110)에서 발생한 제1 이미지 광을 컴바이너(200)의 제1 영역을 향해 투과시킬 수 있다. 렌즈(300)는 렌즈(300)를 투과한 제1 이미지 광을 아이 박스(E)를 향해 보다 효과적으로 집중시키기 위하여, 상하 방향 및 좌우 방향으로 소정의 곡률을 가질 수 있다. 또한, 렌즈(300)는 투과된 제1 이미지 광이 윈드 쉴드(W)에 투영되지 않도록 구성될 수 있다. 이러한 렌즈(300)는 제1 이미지 생성 장치(110)와 컴바이너(200)의 사이에 배치될 수 있으며, 컴바이너(200)의 제1 면(210) 측에 배치될 수 있다.
컴바이너(200)의 제1 영역에서의 제1 이미지 광의 굴절로 인해, 컴바이너(200)를 통해 나타나는 허상은, 제1 이미지 생성 장치(110)에서 방출될 때 제1 이미지 광이 나타내는 이미지의 크기보다 상하 방향으로 축소되어 현출될 수 있다. 따라서, 제1 이미지 광에 의한 허상이 컴바이너(200)에서의 굴절에 의해 상하 방향으로 축소되는 것을 보상하기 위하여, 렌즈(300)는 제1 이미지 광을 투과시킬 때에 제1 이미지 광이 나타내는 이미지의 크기를 상하 방향으로 소정 비율 확대시킬 수 있다. 렌즈(300)가 제1 이미지 광을 확대 반사하는 비율은 아래의 관계식 1을 만족하는 렌즈(300)의 상하 초점거리(flv)에 의해 결정될 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112017101660927-pat00005
상기 관계식 1에서, fcv1 는 컴바이너의 제1 영역에서의 상하 초점거리이고, flv 는 렌즈의 상하 초점거리이고, dl 는 렌즈(300)와 컴바이너(200) 간의 거리이다. 렌즈(300)가 상기와 같은 렌즈의 상하 초점거리(flv)를 가지게 됨으로써, 제1 이미지 광에 의해 현출되는 허상의 상하 방향 배율이 보다 정교하게 보상될 수 있다. 한편, 렌즈(300)는 애너모픽 타입(Anamorphic type) 또는 실린더 타입(cylindrical type) 등으로 구성될 수 있으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기의 관계식 1에서 컴바이너의 제1 영역서의 상하 초점거리(fcv1)는 헤드업 디스플레이 장치(10)의 허상 표시 거리, 제1 FOV의 수직방향 각(θFOV _1_ vercical), 제1 시야 중심각(θLD1) 및 컴바이너(200)의 굴절율(nc)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 제1 이미지 생성 장치(110)에 의해 형성된 허상이 차지하는 영역은 제1 FOV로 정의될 수 있고, 상기의 제1 FOV의 제1 수직방향 각(θFOV _1_vercical)은 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 제1 FOV의 상측 끝단과 하측 끝단 사이의 종방향으로의 각도로 정의될 수 있다. 또한, 상기의 제1 시야 중심각(θLD1)은 아이 박스(E)로부터 수평으로 연장되는 가상의 선(H)과 아이 박스(E)로부터 연장되어 제1 FOV의 중심을 통과하는 가상의 선이 형성하는 각도로 정의될 수 있다.
또한, 컴바이너(200)의 제1 영역 내의 제1 면에서의 제1 이미지 광의 반사율(r1)과 반사율(t1)은 아래의 관계식 2 및 관계식 3에 의해 결정될 수 있다.
[관계식 2]
Figure 112017101660927-pat00006
[관계식 3]
Figure 112021104019215-pat00019
상기의 관계식 2 및 3에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ1i는 제1 이미지 광의 입사각이고, θ1t는 제1 이미지 광의 출사각으로 정의된다. 컴바이너(200)로부터 아이 박스(E)에 도달하는 전체 광의 조도를 100%이라 하였을 때, 컴바이너(200)에서 굴절되어 아이 박스(E)로 입사하는 제1 이미지 광의 조도(I2)는 10%이상 25%이하일 수 있다.
한편, 이상에서는 렌즈(300)와 컴바이너(200) 간의 거리(dl)가, 컴바이너의 제1 영역에서의 상하 초점거리(fcv1)와 상이한 것을 예시하여 설명하였으나, 다른 예로, 렌즈(300)와 컴바이너(200) 간의 거리(dl)가, 컴바이너의 제1 영역에서의 상하 초점거리(fcv1)와 동일하게 구성되는 것도 가능하다. 이 경우, 렌즈(300)는 좌우 방향으로의 곡률만을 가질 수 있다. 예를 들어, 렌즈(300)는 좌우 방향으로의 곡률을 가지는 실린더형 렌즈로 구성될 수 있다.
거울(400)은 제2 이미지 생성 장치(120)에서 발생한 제2 이미지 광을 컴바이너(200)의 제2 영역을 향해 반사시켜 컴바이너(200) 측으로 전달할 수 있다. 거울(400)은 거울(400)에서 반사된 제2 이미지 광을 아이 박스(E)를 향해 보다 효과적으로 집중시키기 위하여, 상하 방향 및 좌우 방향으로 소정의 반사 곡률을 가질 수 있다. 또한, 거울(400)은 반사된 제2 이미지 광이 윈드 쉴드(W)에 투영되지 않도록 구성될 수 있다. 이러한 거울(400)은 제2 이미지 생성 장치(120)보다 아이 박스(E)에 더 가까이 배치될 수 있으며, 컴바이너(200)의 제2 면(220) 측에 배치될 수 있다.
컴바이너(200)의 적어도 제2 영역은 반사된 제2 이미지 광을 아이 박스(E)에 더욱 집중시키기 위하여, 아이 박스(E)를 향해 오목한 형상을 가지도록 소정의 곡률을 가질 수 있으며, 이러한 곡면은 제2 면(220)에 형성될 수 있다. 이 경우, 컴바이너(200)의 제2 영역에서의 제2 이미지 광의 반사로 인해, 컴바이너(200)의 제2 영역을 통해 나타나는 허상은, 제2 이미지 생성 장치(120)에서 방출될 때 제2 이미지 광이 나타내는 이미지의 크기보다 상하 방향으로 축소되어 현출될 수 있다. 따라서, 제2 이미지 광에 의한 허상이 컴바이너(200)의 제2 영역에서의 반사에 의해 상하 방향으로 축소되는 것을 보상하기 위하여, 거울(400)은 제2 이미지 광을 반사할 때에 이미지 광이 나타내는 이미지의 크기를 상하 방향으로 소정 비율 확대시킬 수 있다. 거울(400)이 제2 이미지 광을 축소 반사하는 비율은 아래의 관계식 4를 만족하는 거울(400)의 상하 초점거리(fmv)에 의해 결정될 수 있다.
[관계식 4]
Figure 112017101660927-pat00008
상기 관계식 4에서, fcv2 는 컴바이너의 제2 영역에서의 상하 초점거리이고, fmv 는 거울의 상하 초점거리이며, fmh 는 거울의 좌우 초점거리이며, dm 은 거울과 컴바이너 간의 거리이다. 거울(400)이 상기와 같은 거울의 상하 초점거리(fmv)를 가지게 됨으로써, 이미지 광에 의해 현출되는 허상의 상하 방향 배율이 보다 정교하게 보상될 수 있다. 한편, 거울(400)은 애너모픽 타입(Anamorphic type) 또는 실린더 타입(cylindrical type) 등으로 구성될 수 있으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기의 관계식 2에서 컴바이너의 제2 영역에서의 상하 초점거리(fcv2)는 헤드업 디스플레이 장치(10)의 허상 표시 거리, 제2 FOV의 수직방향 각(θFOV _2_ vercical), 및 제2 시야 중심각(θLD2)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 제2 이미지 생성 장치(120)에 의해 형성된 허상이 차지하는 영역은 제2 FOV로 정의될 수 있고, 상기의 제2 FOV의 제2 수직방향 각(θFOV _2_ vercical)은 아이 박스(E)에서 바라보았을 때 제2 FOV의 상측 끝단과 하측 끝단 사이의 종방향으로의 각도로 정의될 수 있다. 또한, 상기의 제2 시야 중심각(θLD2)은 아이 박스(E)로부터 수평으로 연장되는 가상의 선(H)과 아이 박스(E)로부터 연장되어 제2 FOV의 중심을 통과하는 가상의 선이 형성하는 각도로 정의될 수 있다.
또한, 컴바이너(200)의 제2 영역 내의 제2 면에서의 제2 이미지 광의 반사율(r2)과 투과율(t2)은 아래의 관계식 5 및 관계식 6에 의해 결정될 수 있다.
[관계식 5]
Figure 112017101660927-pat00009
[관계식 6]
Figure 112017101660927-pat00010
상기의 관계식 5 및 6에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ2i는 제2 이미지 광의 입사각이고, θ2t는 제2 이미지 광의 출사각으로 정의된다.
컴바이너(200)를 투과하는 광의 전체 조도를 100%이라 하였을 때, 전방 시야의 조도(I1)는 50% 이상 80%이하일 수 있고, 컴바이너(200)에서 굴절되어 아이 박스(E)로 입사하는 제1 이미지 광의 조도(I2)는 10%이상 25%이하일 수 있으며, 컴바이너(200)에서 반사되어 아이 박스(E)로 입사하는 제2 이미지 광의 조도(I3)는 10%이상 25%이하일 수 있고, 전방 시야의 조도(I1), 아이 박스(E)로 입사하는 제1 이미지 광의 조도(I2), 및 아이 박스(E)로 입사하는 제2 이미지 광의 조도(I3)의 합은 100%일 수 있다.
한편, 이상에서는 제2 이미지 광을 반사시키기 위한 반사층이 컴바이너(200)의 제1 면(210) 또는 제2 면(220)에 구비되는 것으로 나타내었으나, 컴바이너(200)는 제2 이미지 광을 반사시키기 위한 반사층 없이도 제2 이미지 광을 반사시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우, 컴바이너 경사각(θS)과 제2 이미지 광에 의한 제2 시야 중심각(θLD2)의 합이 56.3°이하이고, 제2 시야 중심각(θLD2)은 0°이상 7°이하로 구성될 수 있다.
더스트 커버(500)는 제1 이미지 생성 장치(110), 제2 이미지 생성 장치(120), 렌즈(300) 및 거울(400) 중 하나 이상에 먼지 등의 이물질이 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 이러한 더스트 커버(500)는 자동차 등의 데쉬보드에 구비될 수 있고, 헤드업 디스플레이 장치(10)가 데쉬보드와 별도로 구비되는 경우 헤드업 디스플레이 장치(10)의 하우징(미도시)에 구비될 수 있다. 이러한 더스트 커버(500)는 폴리카보네이트 등의 투명 플레이트일 수 있고, 이러한 플레이트는 판넬(panel), 필름(film) 등의 형태를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
더스트 커버(500)는 더스트 커버(500)는 제1 이미지 광의 진행 경로 상에 배치될 수 있다. 또한, 더스트 커버(500)는, 더스트 커버(500)를 통과하여 출사하는 이미지 광이, 더스트 커버(500)의 면에 수직한 법선(dn) 보다 아이 박스(E)를 향해 더 기울어지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 더스트 커버(500)는 더스트 커버(500)를 통과하는 제1 이미지 광과 더스트 커버(500)의 법선(dn) 간의 각도(θd)가 0°이상 30°이하가 되도록 배치될 수 있다. 이를 통해, 더스트 커버(500)는 아이 박스(E)로부터 연장되는 가상의 수평선(H)에 대하여 20°이상 90°이하로 외부로부터 입사하는 햇빛 등의 외광이 더스트 커버(500)에서 반사되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 이러한 외광의 반사가 이미지 광을 왜곡시키거나 이미지 광과 중첩되는 것이 방지될 수 있다.
한편, 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. 또한, 렌즈(300) 및 거울(400)을 윈드 쉴드(W)에 대향하는 자유곡면으로 구성할 필요 없이 상하 방향 또는 좌우 방향의 곡률로 곡면을 구성할 수 있으므로, 제조가 더 용이해진다는 장점이 있다.
한편, 상기 실시예들에 따른 도면에서는 제1 이미지 생성 장치(110)에서 방출된 제1 이미지 광이 더스트 커버(500)를 통과하여 컴바이너(200)에 직접 입사하는 것으로 나타내었으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치(10)는 제1 이미지 생성 장치(110)과 아이 박스(E) 사이에서 제1 이미지 광이 진행하는 경로 상에, 적어도 하나 이상의 추가적인 렌즈 및/또는 거울이 구비될 수 있다.
또한, 상기 실시예들에 따른 도면에서는 렌즈(300)에서 반사된 이미지 광이 컴바이너(200)에 직접 입시하는 것으로 나타내었으나, 본 발명의 사상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치(10)는 렌즈(300)와 컴바이너(200) 사이에서 이미지 광이 진행하는 경로 상에, 적어도 하나 이상의 추가적인 렌즈 및/또는 거울이 구비될 수 있으며, 렌즈(300)에서 방출된 이미지 광이 이러한 추가적인 렌즈 및/또는 거울을 거쳐 컴바이너(200)에 입사하도록 구성되는 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 110: 제1 이미지 생성 장치
120: 제2 이미지 생성 장치 200: 컴바이너(200)
300: 렌즈 400: 거울
500: 더스트 커버

Claims (18)

  1. 허상을 형성하기 위하여 제1 이미지 광을 방출하는 제1 이미지 생성 장치;
    허상을 형성하기 위하여 제2 이미지 광을 방출하는 제2 이미지 생성 장치;
    윈드 쉴드에 대향하는 제1 면과, 상기 제1 면의 반대면으로서 아이 박스에 대향하는 제2 면을 갖는 컴바이너를 포함하되, 상기 제1 이미지 광이 상기 제1 면을 통해 입사되어 굴절된 뒤 상기 제2 면을 통해 상기 아이 박스 측으로 전달되고, 상기 제2 이미지 광이 상기 제2 면에 반사되어 상기 아이 박스 측으로 전달되는 컴바이너; 및
    상기 제1 이미지 생성 장치에서 발생된 제1 이미지 광이 나타내는 이미지의 상하 방향 크기를 소정 비율 확대하여 투과시키는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈의 상하 초점거리는 상기 컴바이너의 상하 초점거리, 상기 렌즈의 좌우 초점거리, 상기 렌즈와 상기 컴바이너 간의 거리를 기초로 형성되는 헤드업 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너는, 상기 제1 이미지 광을 하방으로 굴절시켜 투과되도록 구성되고, 상부가 상기 아이 박스를 향하도록 지면에 수직한 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어진 헤드업 디스플레이 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 하기의 관계식 1을 만족하는 상하 초점거리를 가지는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 1]
    Figure 112021104019215-pat00011

    (상기 관계식 1에서, fcv1 는 컴바이너의 상하 초점거리이고, flv 는 렌즈의 상하 초점거리이고, flh 는 렌즈의 좌우 초점거리이며, dl 는 렌즈와 컴바이너 간의 거리이다.)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너의 상기 제1 면에서의 제1 이미지 광의 투과율(t1)은 아래의 관계식 3에 의해 결정되는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 3]
    Figure 112021104019215-pat00020

    (상기 관계식 3에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ1i는 제1 이미지 광의 입사각이고, θ1t는 제1 이미지 광의 출사각)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 이미지 생성 장치에서 발생된 상기 제2 이미지 광을 반사시켜 상기 컴바이너 측으로 전달하는 거울을 더 포함하는 헤드업 디스플레이 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 거울은 상기 제2 이미지 광을 상하 방향으로 소정 비율 확대하여 반사시키도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 거울은 하기의 관계식 4를 만족하는 상하 초점거리를 가지는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 4]
    Figure 112021104019215-pat00013

    (상기 관계식 4에서, fcv2 는 컴바이너의 상하 초점거리이고, fmv 는 거울의 상하 초점거리이며, fmh 는 거울의 좌우 초점거리이며, dm 는 거울과 컴바이너 간의 거리이다.)
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너의 상기 제2 면에서의 제2 이미지 광의 반사율은 아래의 관계식 5에 의해 결정되는 헤드업 디스플레이 장치.
    [관계식 5]
    Figure 112017101660927-pat00014

    (상기 관계식 5에서 nc는 컴바이너의 굴절율이고, na는 공기의 굴절율이며, θ2i는 제1 이미지 광의 입사각이고, θ1t는 제1 이미지 광의 출사각)
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너는 상기 제2 면에서 상기 아이 박스를 향해 오목한 형상을 가지도록 소정의 곡률을 갖는 영역이 적어도 일부에 제공되는 헤드업 디스플레이 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너의 상기 제2 면에 있어서, 상기 제1 이미지 광이 투과되는 제1 영역이 상기 제2 이미지 광이 반사되는 제2 영역보다 상부에 위치하는 헤드업 디스플레이 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 영역에 상기 제2 이미지 광의 반사를 위한 반사층이 별도로 제공되는 헤드업 디스플레이 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이미지 생성 장치는 P파 편광의 상기 제1 이미지 광을 방출하고,
    상기 제2 이미지 생성 장치는 S파 편광의 상기 제2 이미지 광을 방출하는 헤드업 디스플레이 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 컴바이너는 상부가 상기 아이 박스를 향하도록 지면에 수직한 법선에 대해 소정의 컴바이너 경사각으로 기울어지고, 상기 컴바이너 경사각은 20°이상 50°이하인 헤드업 디스플레이 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이미지 생성 장치에 먼지가 쌓이는 것을 방지하기 위한 더스트 커버를 더 포함하고,
    상기 더스트 커버는 상기 제1 이미지 광의 경로에 배치되는 헤드업 디스플레이 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 더스트 커버는 플레이트 형태로 구비되며,
    상기 더스트 커버는, 상기 더스트 커버를 통과하는 상기 제1 이미지 광과 상기 더스트 커버의 법선이 0°이상 30°이하의 각도를 가지도록 배치되고,
    상기 더스트 커버는, 상기 더스트 커버를 통과하여 출사하는 상기 제1 이미지 광이 상기 더스트 커버의 일면에 수직한 법선 보다 상기 아이 박스를 향해 더 기울어지도록 배치되는 헤드업 디스플레이 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 더스트 커버는 상기 아이 박스로부터 연장되는 가상의 수평선에 대하여 20°내지 90°로 입사하는 외광을 차단할 수 있도록 구성되는 헤드업 디스플레이 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴바이너로부터 상기 아이 박스에 도달하는 전체 광의 전체 조도에 대하여, 상기 컴바이너에서 굴절되어 상기 아이 박스로 입사하는 상기 제1 이미지 광의 조도는 10%이상 25%이하이고, 상기 컴바이너의 상기 제2 면에서 반사되어 상기 아이 박스로 입사하는 상기 제2 이미지 광의 조도는 10%이상 25%이하인 헤드업 디스플레이 장치.
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