KR20070082108A

KR20070082108A - 차량용 헤드업 디스플레이

Info

Publication number: KR20070082108A
Application number: KR1020060014440A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 이상걸
Original assignee: 파워옵틱스 주식회사
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-21
Also published as: KR100787121B1

Abstract

본 발명은 차량용 헤드업 디스플레이에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 영상정보 소스군, 거울군, 결상렌즈군, 전면유리 보정렌즈군으로 구성되어 차량의 속도나 유량 등의 정보나 나이트 비전, 후방감시카메라의 영상 등의 정보를 계기판 등이 아닌 차량 전면유리에 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 차량의 운전 및 기타 정보를 쉽게 인식하도록 하되, 특히 헤드업디스플레이를 소형화 및 광학적 성능의 안정성을 극대화하므로서 차량 디자인 등의 중요성을 고려하면서 첨단안전시스템을 부가적으로 장착하도록 하는데 그 특징이 있다.

차량, 헤드업 디스플레이, 전면유리, 영상정보, 렌즈, 거울,

Description

차량용 헤드업 디스플레이{HEAD-UP DISPLAY FOR A VEHICLES}

도 1은 본 발명의 장치가 적용된 차량을 보여주는 구성도.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예를 보여주는 요부 구성도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

12: 제1거울

13: 제2거울

14: 제1렌즈

15: 제2렌즈

16: 제3렌즈

본 발명은 차량의 속도나 유량 등의 정보나 나이트 비전, 후방감시카메라의 영상 등을 계기판 등이 아닌 전면 유리창에 영상정보로 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 차량의 운전 및 기타 정보를 쉽게 인식할 수 있어 안전성을 확보하게 되는 차량용 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.

미래의 안전 차량에 있어서 차량의 운전 및 기타 정보를 운전자가 쉽게 인식 하는 것이 매우 중요하다.

그러나 차량을 운행하는 중에 차량의 운전 및 기타 정보를 인지한다는 것은 운전자의 시선을 뺏기 때문에 본래의 취지였던 안전 차량의 목적을 달성하기에는 곤란한 문제점이 있었다.

그래서 개발된 것이 차량용 해드업 디스플레이다.

상기한 차량용 헤드업 디스플레이는 차량의 속도나 유량 등의 정보나 나이트 비전, 후방감시카메라의 영상 등의 영상정보를 렌즈에 의해 확대한 상태로 거울을 이용하여 계기판 등이 아닌 전면 유리창에 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 쉽게 인식할 수 있어 안전성을 확보하도록 한 것이다.

이때 차량의 전면유리를 컴바이너(combiner)로 설정하여서 운전자의 시선을 최대한 고정시킨 상태에서 정보를 인지하도록 하였다.

또한, 다양한 운전자가 특정 차량에 앉았을 때, 운전자의 눈의 위치를 기록하면 타원 형태의 분포를 가지고 분포도의 장축과 단축을 표시한 값을 아이립스(eyellipse)라고 표현하는데, 다양한 운전자에 대해 만족하도록 광축을 조정하되, 이는 비구면의 거울을 사용하여서 전면유리의 곡면에 대한 보정과 아이립스(eyellipse)의 보정을 위해 거울의 위치각을 조절하도록 하였다.

그러나 상기한 종래의 기술은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 전면유리의 곡면에 대한 보정과 아이립스(eyellipse)의 보정을 렌즈를 통과한 영상정보를 전면유리 근처에 설치된 거울의 위치각 조절로 보정하게 되는데, 상기 거울은 렌즈를 통과한 영상정보를 반사하기 때문에 그 크기가 비교적 크고 광축조정을 위해서 구동하기 때문에 확보되는 공간으로 인하여 헤드업 디스플레이 모듈의 크기가 커지는 단점이 있었다.

둘째, 차량의 전면유리는 광학적 굴절력이 작고 x방향과 y방향의 곡률이 다른 자유곡면의 형태를 갖기 때문에 종래기술들은 전면유리의 굴절력이 작은 것을 이용해서 무시하거나 대표적인 곡률로 보정하는 방법을 취하였다. 이것은 운전자가 이미지를 관측할 때, 과도한 시도를 느끼거나 이미지의 위치에 따라서 시도차이를 느끼는 현상을 유발하는 문제를 유발하였다.

더우기 최근에는 속도계나 유량계 등 차량의 기본적인 정보만을 제공하지 않고 나이트 비전이나 후방 감시카메라 등과 연계하여서 동영상 등을 보여줌으로써 이미지의 품질이 더욱 중요하게 되어 상기한 제 문제가 더욱 심각하게 대두되었다.

이 때문에 종래 US5329272A, US4961625에서는 전면유리를 평면거울로 근사하여서 설계하도록 하였으나 이는 근본적인 문제해결이 되지 못하였다.

본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 근본적으로 해결하고자 창출된 것으로서,

디자인 등의 중요성을 고려하면서 첨단안전시스템이 부가적으로 장착될 수 있도록 하기 위해서 헤드업디스플레이를 소형화 및 광학적 성능의 안정성을 동시에 달성하도록 하는데 그 목적이 있다.

즉 본발명의 헤드업 디스플레이의 소형화는 광학계를 소형화시켜야 하지만, 영상정보 소스의 크기나 허상의 위치 등이 기본적인 크기를 차지하고 있어서 반사 광학소자 등의 배치구성을 개선하여 그 크기를 최소화함은 물론 이로인해 광축의 굴곡 조절을 위한 구동원의 최소화도 가능하도록 함에 의해 달성가능하게 된다.

또한 차량 전면유리의 굴절력은 상당히 작기 때문에 미세한 곡률변화를 모두 보정하지 않더라도 X방향과 y방향에서 달라진 굴절력을 맞추어 준다면, 사람의 눈으로 관측되는 이미지의 변화는 미세할 것이고 이것은 실용상에 아무런 문제가 없게 되는데 이와 같은 x방향과 y방향에 대한 굴절력의 보정을 회전비대칭 자유곡면 렌즈로 구비함에 의해 달성가능하게 된다.

이하, 본 발명에 대해 좀더 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 차량용 헤드업 디스플레이는 영상정보 소스(CRT, LCD 등)를 광학계를 통해 컴바인(combiner)의 역할을 행하는 차량의 전면유리를 통해서 운전자에게 허상(virtual image)을 보여주는 것이다.

상기한 허상은 운전자로부터 약 2미터 전방에 위치하도록 하는데 이유는 운전자가 차량 밖의 풍경과 차량정보를 최대한 동시에 보도록 고려를 한 것이다.

이와 같은 본 발명의 기본 구성은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 영상정보 소스군, 거울군, 결상렌즈군, 전면유리 보정렌즈군으로 나뉜다. 영상정보 소스군은 영상정보를 전달해주는 매체로서 CRT, LCD 등이 있다.

영상정보 소스로부터 전면유리 방향으로 굴절력이 없는 제1거울(12)과 제2거울(13)이 위치한다. 이것을 거울군이라고 명명한다.

다음으로 결상렌즈군이 위치하는데 양의 굴절력을 갖는 제1렌즈(14)와 음의 굴절력을 갖는 제2렌즈(15)로 구성된다.

그리고 상기 제1렌즈(14)와 제2렌즈(15)는 상호 접합하여 구성할 수 있다. 이는 공간 활용 및 작업성 등의 이유에서이다.

또한 상기 영상정보 소스와 제1거울, 제2거울, 제1렌즈는 펜타 형태의 모양을 갖는다. 이것은 공간을 최소화하기 위한 배치이다.

상기 제1거울(12) 또는 제2거울(13)에는 별도의 구동원(예를들면 모터)을 연결하여서 각도를 조절하도록 구성되며, 이것은 운전자의 아이립스(eyellipse)를 만족시키기 위해서 광축을 굴곡하는 역할을 한다.

상기 제1거울(12)이나 제2거울(13)은 영상정보 소스에 가까이 위치해서, 다시말해 영상정보 소스가 렌즈군을 통과하기 전단계에 위치하고 있기 때문에 그 사이즈가 비교적 작으며, 작은 각도 변화로도 아이립스(eyellipse)를 만족시킬 수 있게 된다. 이는 또한 상기 거울의 각도 조절을 이루는 구동원도 비교적 작게 구성하게 되는 것이다.

상기 결상렌즈군은 양의 굴절력을 갖는 제1렌즈(14)와 음의 굴절력을 갖는 제2렌즈(15)로 구성하고, 상기 제1,2렌즈(14)(15)의 합성 굴절력은 양의 굴절력을 갖고 색수차를 제거해 주면서 영상정보 소스의 이미지 위치를 결정하는 역할을 한다.

상기 전면유리 보정렌즈군은 하나의 렌즈인 제3렌즈(16)로 구성이 된다. 상기 제3렌즈(16)는 회전비대칭인 자유곡면으로 이루어진 렌즈이며 x방향과 y방향에 서로 다른 곡률을 가질 수가 있다. 이것은 전면유리가 가지는 x축방향과 y축방향의 곡률 차이로 인한 시도변화를 보정해 주게 된다.

즉, 상기 회전비대칭 자유곡면의 제3렌즈(16)는 영상정보 소스측의 면은 x나 y방향 중 한 방향이 평면이고 나머지 방향은 구면이나 비구면이며, 전면유리측 면이 평면으로 구성할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 실시 예 1에 따른 광학계의 실시 예 값은 다음의 표1과 같다.

면번호	곡률반경(r)	두께, 거리(d)	굴절률(nd)	아베수(vd)
1	Infinity	18.00
2	Infinity	54.32	Mirror
3	Infinity	-53.36
4	Infinity	54.32	Mirror
5	Infinity	5.00
*6	184.000	30.00	1.51680	64.2
7	-97.000	5.00
8	-94.200	15.00	1.62004	36.3
9	-326.000	6.48
**10	1250.200	10.00	1.51680	64.2
11	3000.000	126.70

상기 표1에서 *는 회전대칭 비구면을 나타낸다.

회전대칭 비구면을 나타내는 식은 아래의 수학식 1과 같다.

여기서, z는 중심광축으로부터 높이가 h인 비구면상의 좌표점에 대한 비구면 정점상의 수직면으로부터의 거리를 나타내고, k는 코닉(Conic)상수이며, c는 비구면 정점의 렌즈곡률을 나타낸다. 그리고, A4, A6, A8, A10 은 비구면 계수를 나타낸다.

상기한 수학식 1을 토대로 하여 산출되는 본 발명의 실시 예 1에 따른 광학계의 비구면 계수는 다음의 표2와 같다.

비구면 계수	제 6면의 비구면 계수
k	0.007820
A4	-9.83564E-15
A6	2.44083E-16
A8	3.47653E-17
A10	2.23498E-18

상기 표1에서 **는 회전비대칭 자유곡면을 나타내며 회전비대칭 자유곡면을 나타내는 식은 수학식 2와 같다.

여기서, z는 중심광축으로부터 높이가

인 비구면상의 좌표점에 대한 비구면 정점상의 수직면으로부터의 거리를 나타내고, kx, ky는 코닉(Conic)상수이며, Cx, Cy는 비구면 정점의 렌즈곡률을 나타낸다. 그리고, Ax4, Ax6, Ax8, Ax10, Ay4, Ay6, Ay8, Ay10 은 비구면 계수를 나타낸다.

상기한 수학식 2를 토대로 하여 산출되는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학계의 자유곡면 계수는 다음의 표3과 같다.

비구면 계수	제 10면의 비구면 계수	비구면 계수	제 10면의 비구면 계수
Rx	Inifinity	Ry	1250.2
Kx	0	Ky	-0.5
Ax4	0	Ay4	5.23450E-12
Ax6	0	Ay6	-3.56815E-14
Ax8	0	Ay8	-6.56568E-17
Ax10	0	Ay10	-2.33671E-18

본 발명의 실시 예 2에 따른 광학계의 실시예 값은 다음의 표4와 같다.

면번호	곡률반경(r)	두께, 거리(d)	굴절률(nd)	아베수(vd)
1	Infinity	18.00
2	Infinity	54.32	Mirror
3	Infinity	-53.36
4	Infinity	54.32	Mirror
5	Infinity	5.00
6	184.000	30.00	1.51680	64.2
7	-97.000	15.00	1.62004	36.3
8	-326.000	6.48
**9	1369.520	5.00	1.51680	64.2
10	Infinity	126.70

상기 표4에서 **는 회전비대칭 자유곡면을 나타내며 실시 예 2에 따른 광학계의 자유곡면 계수는 다음의 표5와 같다.

비구면 계수	제 10면의 비구면 계수	비구면 계수	제 10면의 비구면 계수
Rx	Inifinity	Ry	1369.52
Kx	0	Ky	0
Ax4	0	Ay4	0
Ax6	0	Ay6	0
Ax8	0	Ay8	0
Ax10	0	Ay10	0

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 차량용 헤드업 디스플레이는 차량의 속도나 유량 등의 정보나 나이트 비전, 후방감시카메라의 영상 등을 계기판 등이 아닌 차량 전면유리에 영상정보로 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 차량의 운전 및 기타 정보를 쉽게 인식하도록 하되, 특히 헤드업디스플레이를 소형화 및 광학적 성능의 안정성을 극대화하므로서 차량 디자인 등의 중요성을 고려하면서 첨단안전시스템이 부가적으로 장착하도록 하는 효과를 제공하는 것이다.

Claims

차량의 각종 영상정보소스를 렌즈와 거울에 의해 차량 전면유리로 투사시켜 운전자가 전면을 주시하면서도 차량의 운전 및 기타 정보를 쉽게 인식하도록 하는 것에 있어서,

상기 영상정보 소스로부터 차량의 전면유리방향으로, 굴절력이 없는 제1거울(12), 제2거울(13)과, 전체적으로 양의 굴절력을 갖고 영상정보의 이미지 위치를 결정하는 결상렌즈군과, 전면유리에 의한 시도변화를 보정하기 위한 보정렌즈가 영상정보를 순차적으로 전달하도록 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.
제1항에 있어서,

상기 영상정보 소스와 제1거울(12), 제2거울(13), 결상렌즈군이 펜타 형태로 배치 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1거울(12)이나 제2거울(13)은 구동원이 연결되어서 광축의 각

도를 조정하도록 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.
제1항에 있어서,

상기 결상렌즈군은 양의 굴절력을 갖는 제1렌즈(14)와 음의 굴절력을 갖는 제2렌즈(15)로 구성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.
제1항에 있어서,

상기 보정렌즈는 회전비대칭인 자유곡면으로 형성된 제3렌즈(16)로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.
제5항에 있어서,

상기 제3렌즈(16)는 영상정보 소스측의 면은 x나 y방향 중 한 방향이 평면이고 나머지 방향은 구면이나 비구면이며, 전면유리측 면은 평면으로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 헤드업 디스플레이.