KR102424949B1 - 헤드 업 디스플레이 장치 - Google Patents

헤드 업 디스플레이 장치 Download PDF

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KR102424949B1 KR1020150057684A KR20150057684A KR102424949B1 KR 102424949 B1 KR102424949 B1 KR 102424949B1 KR 1020150057684 A KR1020150057684 A KR 1020150057684A KR 20150057684 A KR20150057684 A KR 20150057684A KR 102424949 B1 KR102424949 B1 KR 102424949B1
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Abstract

실시예는 광을 방출하는 적어도 하나의 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광의 경로를 변경하는 제1 광학 부재; 상기 제1 광학 부재로부터 방출된 광을 하기의 제2 광학 부재로 전달하는 광학 시트; 및 상기 광학 시트로부터 전달된 광의 경로를 변경하고, 상기 광학 시트 방향의 제1 면과 하기의 영상 패널 방향의 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 제2 면이 각각 곡면인 제2 광학 부재를 포함하는 헤드 업 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

헤드 업 디스플레이 장치{HEAD-UP DISPLAY DEVICE}
실시예는 헤드 업 디스플레이 장치에 관한 것이다.
헤드 업 디스플레이 장치(head-up display)란, 조정사나 운전자의 시선 이동을 최소화하기 위해 조정사나 운전자의 주시선 위치에 주행에 필요한 다양한 정보를 외부 시야와 함께 중첩시켜 허상으로서 표시하는 전방 시현 장치이다.
헤드 업 디스플레이 장치는 표시부, 광학계, 홀로그래픽 컴바이너(holographic combiner) 등으로 구성되며, 현재 차량의 속도, 위치 등의 주행정보를 표시부를 통해 소정의 이미지로 형성하고, 형성된 이미지는 광학계를 사용하여 차량의 전면 유리창인 윈드실드(windshield)에 부착된 홀로그래픽 컴바이너에 투사한다. 그리고, 차량 전방의 허공에 소정의 이미지가 결상되어 운전자는 결상 된 이미지를 통해 시야를 돌려 계기판을 확인하지 않고도 현재 차량의 위치나 속도 등의 주행과 관련된 정보 등을 볼 수 있도록 한다.
이러한 헤드 업 디스플레이 시스템에서 현재까지는 차량 주행과 관련된 정보를 소정의 이미지로 표현하기 위한 표시부로 CRT(Cathode-Ray Tube)나 LCD(Liquid Crystal Display) 등을 사용하고 있다.
영상 패널을 통과한 영상 정보를 획득한 빛이 미러(mirror)나 윈드실드를 통하여 운전자에게 제공되는데, 영상 패널로 입사되는 빛의 분포가 일정하지 않을 수 있으며 따라서 운전자에게 제공되는 영상의 광균일도가 낮을 수 있다.
실시예는 휘도가 향상된 허상을 헤드 업 디스플레이할 수 있고, 광균일도가 고른 헤드 업 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
실시예는 광을 방출하는 적어도 하나의 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광의 경로를 변경하는 제1 광학 부재; 상기 제1 광학 부재로부터 방출된 광을 하기의 제2 광학 부재로 전달하는 광학 시트; 및 상기 광학 시트로부터 전달된 광의 경로를 변경하고, 상기 광학 시트 방향의 제1 면과 하기의 영상 패널 방향의 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 제2 면이 각각 곡면인 제2 광학 부재를 포함하는 헤드 업 디스플레이 장치를 제공한다.
제2 광학 부재에서 방출된 빛의 경로를 변경하는 반사 부재를 더 포함할 수 있다.
제1 광학 부재는, 복수 개의 곡면으로 이루어질 수 있다.
제1 광학 부재 내의 곡면의 개수는 상기 광원의 개수와 동일할 수 있다.
제1 광학 부재 내의 각각의 곡면의 단면은 타원일 수 있다.
제1 광학 부재 내의 각각의 곡면의 단면의 적어도 일부는 다음의 수학식으로 정의되는 형상을 가지고, (x2/A2)+(y2/B2)+(z2/C2)=c2, 여기서 3＜A＜10, 3＜B＜10, 3＜C＜10일 수 있다.
광학 시트는, 디퓨저 시트 또는 프리즘 시트일 수 있다.
광학 시트는, 상기 제1 광학 시트로부터 상기 제2 광학 시트로 향하는 빛의 주된 방향에 수직일 수 있다.
제2 광학 부재 내의 제1 면은 상기 광학 시트 방향으로 볼록하고 제2 면은 상기 제1 면과 반대 방향으로 볼록할 수 있다.
광원은 복수 개가 배치된 방향과, 상기 제2 광학 부재 내의 제1 면과 제2 면이 배치된 방향은 동일할 수 있다.
제1 면의 곡률은 15 내지 30일 수 있다.
제2 면의 형상은 상기 제2 광학 부재의 중심에 대하여 상기 제1 면과 대칭일 수 있다.
실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치에 영상의 광 균일도가 종래의 광균일도에 비하여 개선된다.
도 1은 실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치를 장착한 차량을 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 광원과 제1 광학 부재를 나타낸 도면이고,
도 3은 도 1의 제1 광학 부재와 광학 시트 및 제2 광학 부재를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 제2 광학 부재의 사시도이고,
도 5는 헤드 업 디스플레이 장치의 일실시예의 배치를 상세히 나타낸 도면이고,
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치에 따른 영상의 광균일도를 종래와 비교한 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치를 장착한 차량을 나타낸 도면이다.
도 1에 예시된 헤드 업 디스플레이 장치(100)는 광원부(110), 광학부(120), 영상 패널(130) 및 제어부를 포함할 수 있다.
광원부(110)은 광을 방출하며, 적어도 하나의 광원(112) 및 기판(114)을 포함할 수 있다.
기판(114) 위에 적어도 하나의 광원(112)이 배치될 수 있다. 기판(114)은 광원(112)에 전기적 연결을 위한 전극 패턴이 형성될 수 있으며, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 유리, 폴리카보네이트(PC), 실리콘(Si)으로부터 선택된 어느 한 물질로 이루어진 PCB(Printed Circuit Board) 기판일 수도 있고, 필름 형태로 형성될 수도 있다.
또한, 기판(114)은 단층 PCB, 다층 PCB, 세라믹 기판, 메탈 코아 PCB 등을 선택적으로 사용할 수 있다.
제어부는 기판(114)을 통해 적어도 하나의 광원(112)을 구동시키는 역할을 한다. 여기서, 적어도 하나의 광원(112)은 복수의 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 광원(112)은 발광 다이오드(LED:Light Emitting Device) 또는 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)일 수 있으나, 실시예는 광원(112)의 종류에 국한되지 않는다.
적어도 하나의 광원(112)은 측면 발광형(side view type) 발광 다이오드 또는 상면 발광형(top view type) 발광 다이오드일 수 있다.
광원(112)이 발광 다이오드 칩(LED chip)일 경우, 발광 다이오드 칩은 블루 LED 칩 또는 자외선 LED 칩으로 구성되거나 또는 레드 LED 칩, 그린 LED 칩, 블루 LED 칩, 엘로우 그린(Yellow green) LED 칩, 화이트 LED 칩 중에서 적어도 하나 또는 그 이상을 조합한 패키지 형태로 구성될 수도 있다.
여기서, 화이트 LED는 블루 LED 상에 옐로우 형광체(Yellow phosphor)를 결합하거나, 블루 LED 상에 레드 형광체(Red phosphor)와 그린 형광체(Green phosphor)를 동시에 사용하여 구현할 수 있고, 블루 LED 상에 옐로우 형광체(Yellow phosphor), 레드 형광체(Red phosphor) 및 그린 형광체(Green phosphor)를 동시에 사용하여 구현할 수도 있다.
만일, 적어도 하나의 광원(112)이 복수의 광원을 포함할 경우, 복수의 광원은 서로 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수도 있고 서로 동일한 파장 대역을 갖는 광을 방출할 수도 있다. 이때, 제어부(150)는 기판(114)을 통해 복수의 광원(112) 중 적어도 하나의 광원의 발광 여부를 제어하여, 복수의 광원(112)이 교대로 작동하도록 제어할 수도 있다.
또한, 복수의 광원(112)이 적색, 녹색 및 청색 성분의 광을 방출할 경우, 헤드 업 디스플레이될 허상을 컬러로 표현하기 위해, 제어부(150)는 이러한 복수의 광원(112)의 점멸을 기판(114)을 통해 제어할 수 있다.
도시된 헤드 업 디스플레이 장치(100)가 복수의 광원(112)의 위치를 가변시키는 모터(미도시)를 포함할 경우, 제어부는 적어도 하나의 광원(112)의 위치를 제어하기 위해 모터를 구동시킬 수도 있다.
또한, 헤드 업 디스플레이될 허상의 휘도를 조절하기 위해, 제어부는 광원(112)에서 방출되는 광의 밝기 정도를 제어할 수도 있다. 이로 인해, 야간 또는 강하고 직접적인 태양광 등이 존재하는 주간에 높은 품질의 광이 제공될 수 있도록 한다.
광학부(120)는 제1 광학 부재와 광학 시트 및 제2 광학 부재로 이루어질 수 있으며, 후술한다.
도시되지는 않았으나, 광원부(110)과 광학부(120)의 사이에는 광 가이드가 배치될 수 있다. 광 가이드는 광원(112)의 광축 상에 배치되어 하나의 광원(112)으로부터 방출된 광을 광학부(120)로 가이드한다. 광 가이드부는 예를 들어, PMMA(Polymethylmethacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), COC(Cyclic Olefin Copolymers), PEN(polyethylene naphthalate), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), 또는 MS(Mathacylate styrene) 수지 중 어느 하나를 포함할 수 있지만, 실시 예는 광 가이드부(120)의 물질에 국한되지 않는다.
영상 패널(130)은 정보를 갖는 영상을 생성하고, 예를 들면 액정 표시 장치(LCD:Liquid Crystal Display), DLP(Digital Light Processing) 또는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 실시 예는 영상 패널(130)의 종류에 국한되지 않는다.
예를 들어, 영상 패널(130)이 LCD일 경우, LCD에 포함되는 액정 패널은 2장의 판 유리 사이에 액정을 주입받고 소자 패턴 즉, 배선에 구간되는 도트(픽셀)이 형성되고, 각 픽셀은 얇은 막 트랜지스터(TFT)에 의해 제어된다. 이와 같이, LCD는 화상 표시가 이루어지는 주지의 화상 표시 장치이다.
제어부는 정보를 갖는 영상 데이터를 영상 패널(130)로 제공하고, 영상 패널(130)은 제어부(150)로부터 받은 영상 데이터를 이용하여 영상을 생성한다. 이를 위해, 제어부(150)는 외부의 차량 정보 제공부(미도시) 등과 전기적으로 접속하여, 영상 데이터를 받을 수 있다. 예를 들어, 차량 정보 제공부는 자동차를 위한 여러 가지 기능을 실행할 수 있는 소프트웨이가 담긴 일종의 컴퓨터인 ECU(Electronic Control Unit)를 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 실시 예에 의한 헤드 업 디스플레이 장치(100)에서 필요로 하는 전원을 공급하는 역할을 수행할 수도 있다.
헤드 업 디스플레이 장치(100)는 주로 차량이나 항공기 등에 배치될 수 있는데, 헤드 업 디스플레이 장치(100)는 윈드실드유리(202) 아래에 배치될 수 있지만, 실시 예는 차량(200) 내에서 헤드 업 디스플레이 장치(100)의 위치에 국한되지 않는다.
도 1에서 차량(200)은 헤드 업 디스플레이 장치(100), 윈드실드유리(windshield glass)(202) 및 광 합성부(combiner)(204)를 포함할 수 있다. 헤드 업 디스플레이 장치(100)는 윈드실드유리(202) 아래에 배치될 수 있지만, 실시 예는 차량(200) 내에서 헤드 업 디스플레이 장치(100)의 위치에 국한되지 않는다.
도시되지는 않았으나, 헤드 업 디스플레이 장치(100)는 영상 패널(130)에서 방출된 광을 광 합성부(204) 방향으로 전달하는 반사 부재를 더 포함할 수 있다.
영상 패널(130)에서 투사된 허상은 광 합성부(204)로 조사될 수 있는데, 허상이 광 합성부(204)로 조사될 경우, 광 합성부(204)는 조사된 광을 회절시켜 운전자(210)에게 허상(190)이 인식될 수 있도록 할 수 있고, 운전자(210)는 허상(190)으로부터 전달되는 이미지(184)를 관측할 수 있다. 광 합성부(204)는 윈드실드유리(202) 위에 배치될 수 있는 홀로그램(hologram)(미도시)을 포함할 수 있으며, 경우에 따라 생략될 수도 있다.
도 2는 도 1의 광원과 제1 광학 부재를 나타낸 도면이다.
광원부(110)는 기판(114) 상에 배치되는 5개의 광원(112, a1~a5)을 포함하고, 제1 광학 부재(122)는 몸체(122a) 상에 곡면(122b)이 배치되는데, 곡면(122b)는 광원(a1~a5)의 개수와 동일하게 5개의 곡면(b1~b5)을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 곡면(b1~b5)는 각각의 광원(a1~a5)으로부터 방출되는 광(점선으로 도시됨)의 광축 상에 배치될 수 있다.
5개의 광원(a1~a5)들이 배치된 방향과 제2 광학 부재(124) 내에서 제1 면(S1)과 제2 면(S2)가 배치된 방향은 동일할 수 있다.
제1 광학 부재(122)는 광원부(110) 방향의 제1 면(S1)과 반대 방향의 제2 면(S2)를 포함할 수 있는데, 곡면(b1~b5)은 제2 면(S2)에 형성될 수 있다. 그리고, 5개의 광원(a1~a5)들이 배치된 방향과 제2 광학 부재(124) 내에서 제1 면(S1)과 제2 면(S2)가 배치된 방향은 동일할 수 있다.
각각의 곡면(b1~b5)의 단면의 적어도 일부는 타원일 수 있고, 상세하게는 각각의 곡면(b1~b5)의 단면의 적어도 일부는 아래의 수학식 1로 정의되는 형상을 가질 수 있다.
수학식 1
(x2/A2)+(y2/B2)+(z2/C2)=c2, 여기서 3＜A＜10, 3＜B＜10, 3＜C＜10일 수 있으며, c는 상수일 수 있다.
도 3은 도 1의 제1 광학 부재와 광학 시트 및 제2 광학 부재를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 제2 광학 부재의 사시도이다.
제1 광학 부재(122)에서 경로가 변경된 광은 광학 시트(124)를 통과하여 제2 광학 부재(126)로 전달될 수 있다.
광학 시트(124)는 디퓨저 시트 또는 프리즘 시트일 수 있고, 광학 시트(124)는 제1 광학 부재(122)로부터 방출되어 제2 광학 부재(126)로 향하는 빛의 주된 전달 방향 내지 광축에 수직일 수 있다.
제2 광학 부재(126)는 광학 시트(124) 방향인 제1 방향의 제1 면(126a)과 도시되지는 않았으나 영상 패널 방향인 제2 방향의 제2 면(126b)을 포함하고, 제1 면(126a)과 제2 면(126b)에 각각 곡면일 수 있다.
제1 면(126a)은 광학 시트(124) 방향으로 볼록하고 제2 면(126b)은 제1 면과 반대 방향으로 볼록한 형상일 수 있다.
제2 광학 부재(126) 내에서 제1 면(S1)의 곡률은 15 내지 30일 수 있고, 제2 면(S2)의 곡률은 -30 내지 -15이며, 제2 광학 부재(126)의 중심에 대하여 제1 면(S1)과 제2 면(S2)는 대칭일 수 있다.
도 5는 헤드 업 디스플레이 장치의 일실시예의 배치를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5에서, 제1 광학 부재 내의 곡면(122b)의 곡률은 아래의 수학식 2를 만족할 수 있다.
수학식 2
(x2/A2)+(y2/B2)+(z2/C2)=1, 여기서 A=4.64이고, B=5.5이고, 3=4.59일 수 있다.
제2 광학(126)의 제1 면과 제2 면의 곡률(R1, R2)는 각각 -22.5와 +22.5일 수 있고, 제1 광학 부재(122)의 두께(t1)은 5.7 밀리미터일 수 있고, 제2 광학 부재(126)의 내부 폭(t2)는 10.7 밀리미터일 수 있다.
그리고, 제1 광학 부재(122)와 광학 시트(124) 사이의 거리(d1)은 5.5 밀리미터일 수 있고, 광학 시트(124)와 제2 광학 부재(126) 사이의 거리(d2)는 0.5 밀리미터일 수 있고, 제2 광학 부재(126)와 반사 부재 사이의 거리(d3)는 5.5 밀리미터일 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치에 따른 영상의 광균일도를 종래와 비교한 도면이다.
도 6a의 실시예에 따른 헤드 업 디스플레이 장치에 따른 영상의 광 균일도가 도 6b의 종래의 광균일도에 비하여 개선된 것을 알 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 헤드 업 디스플레이 장치 110: 광원부
112: 광원 114: 기판
120: 광학부 122: 제1 광학 부재
122a: 몸체 122b: 곡면
124: 광학 시트 126: 제2 광학 부재
190: 허상 200: 차량
202: 윈드실드유리 204: 광 합성부

Claims (12)

  1. 광을 방출하는 복수의 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 광의 경로를 변경하는 제1 광학 부재;
    상기 제1 광학 부재로부터 방출된 광을 하기의 제2 광학 부재로 전달하는 광학 시트;
    상기 광학 시트로부터 전달된 광의 경로를 변경하고, 상기 광학 시트 방향의 제1 면과 하기의 영상 패널 방향의 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 제2 면이 각각 곡면인 제2 광학 부재;
    상기 복수의 광원의 광축 상에 배치되어 상기 복수의 광원으로부터 방출된 광을 가이드하는 광 가이드부;
    상기 제2 광학 부재로부터 광이 입사되고 영상 데이터를 생성하는 영상 패널; 및
    상기 영상 패널에서 방출된 빛의 경로를 변경하는 반사 부재를 포함하고,
    상기 제1 광학 부재는 복수 개의 곡면으로 이루어지고, 상기 제1 광학 부재 내의 곡면의 개수는 상기 광원의 개수와 동일하고, 상기 제2 광학 부재 내의 제1 면은 상기 광학 시트 방향으로 볼록한 곡면이고, 제2 면은 상기 제1 면과 반대 방향으로 볼록한 곡면이고,
    상기 제2 광학 부재 내의 제1 면과 제2 면은 상기 복수의 광원의 광축에 대하여 수직인 가상의 면에 대하여 서로 대칭으로 배치되고,
    상기 광학 시트는 상기 제1 광학 부재 및 상기 제2 광학 부재 방향의 양면이 플랫하고,
    상기 제1 광학 부재와 상기 광학 시트 사이의 거리는 5.5 밀리미터이고, 상기 제2 광학 부재와 상기 반사 부재 사이의 거리는 5.5 밀리미터이고, 상기 광학 시트와 상기 제2 광학 부재 사이의 거리보다 큰 헤드 업 디스플레이 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 부재 내의 각각의 곡면의 단면은 타원인 헤드 업 디스플레이 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 시트는, 디퓨저 시트 또는 프리즘 시트인 헤드 업 디스플레이 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 시트는, 상기 제1 광학 부재부터 상기 제2 광학 부재로 향하는 빛의 주된 방향에 수직인 헤드 업 디스플레이 장치.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 복수 개가 배치된 방향과, 상기 제2 광학 부재 내의 제1 면과 제2 면이 배치된 방향은 동일하고, 상기 제1 면의 곡률은 15 내지 30인 헤드 업 디스플레이 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020150057684A 2015-02-26 2015-04-24 헤드 업 디스플레이 장치 KR102424949B1 (ko)

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