KR20150047832A

KR20150047832A - 전방 상향 시현용 광학계

Info

Publication number: KR20150047832A
Application number: KR1020130127799A
Authority: KR
Inventors: 류재명; 이기훈; 경재현
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단; (주)그린광학
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-05-06
Also published as: KR101604087B1

Abstract

본 발명은 자동차, 비행기, 선박 등과 같은 운송수단 이동 시에 운전석 내부에 바람이 들어오는 것을 막기 위한 바람막이창(Wind shield) 등과 같은 곡면유리와 최소한의 추가 광학부품으로 구성된 HUD(Head Up Display)을 제공하기 위한 전방 상향 시현용 광학계에 관한 것으로서, 반사면 1개만으로 설계되고, 반사면을 제외하고 광학계의 굴절능에 영향을 주는 추가 광학부품을 사용하지 않음으로써, 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있는 전방 상향 시현용 광학계를 제공한다.

Description

전방 상향 시현용 광학계{Optical System for Head Up Display}

본 발명은 전방 상향 시현 장치에 관한 것으로서, 특히 자동차, 비행기, 선박 등과 같은 운송수단 이동 시에 운전석 내부에 바람이 들어오는 것을 막기 위한 바람막이창(Wind shield) 등과 같은 곡면 유리와 최소한의 추가 광학부품으로 구성된 HUD(Head Up Display)을 제공하기 위한 전방 상향 시현용 광학계에 관한 것이다.

비행기에서 조종사의 전방 시야를 확보해 주기 위해 처음 도입되었던 전방상향 시현 장치(Head Up Display, HUD)는 운행 정보가 비행기의 전면 유리에 나타나도록 설계되는데, 최근에는 자동차에도 사고 감소를 위해 도입되고 있다.

전방 상향 시현 장치는 자동차 운전석 앞 유리(Wind shield)에 각종 정보를 표시하여 운전 편의성과 안정성을 높여 주는 최첨단 디스플레이 기술로서, 향후 내비게이션(Navigation)이나 블랙박스(Black box) 이상의 자동차 필수품으로 자리잡음으로써 큰 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.

전방 상향 시현 장치는 소형 화면표시장치(Micro Display)에서 출발한 영상을 허상으로 만들어서, 원래 영상보다 크고 운전자의 시야 조절이 필요 없는 편안한 영상을 만드는 것을 목적으로 하는데, 가장 간단하게는 소형 화면표시장치의 영상을 운송수단의 바람막이창과 같은 곡면 유리에 직접 반사시켜 영상을 만들게 된다.

그러나 이러한 방식과 같은 종래의 전방 상향 시현 장치는 운전자와 영상 사이의 거리가 운송수단 앞쪽 물체의 거리에 비해 짧기 때문에 운전자의 시야를 조절해야 하는 불편함이 있으며, 노안 때문에 시야 조절 반응이 빠르지 않은 나이 많은 운전자의 경우, 특히 더 불편함을 느끼게 되는 문제점이 있었다.

따라서 바람막이창과 같은 곡면유리 외에 추가적인 광학 부품을 사용해서 운송수단 앞쪽 물체의 관찰 거리 정도의 위치에 허상을 만들어 준다면 시야 조절이 필요 없어 운전에 매우 편리할 수 있다. 그러나 이러한 추가적인 광학 부품을 많이 사용할수록 해상력이 높아지고, 왜곡을 개선하는 데 장점이 있지만, 추가되는 광학 부품들의 제작 정밀도를 각각 개별적으로 높여야 하고, 각 광학 부품들 사이 정렬을 잘 해야 하는 문제점이 있다. 특히 추가로 사용하는 광학 부품은 일반적인 렌즈와는 달리 회전 비대칭일 수 있으며, 곡면 자체가 상당히 넓기 때문에 가공에 많은 비용이 발생하는 문제점이 있다.

일례로, 일본 공개특허공보 제2011-133633호(2011. 07. 07. 공개)에는 광학 성능을 높이기 위해 두 개의 반사면을 사용하여 시점(Eye-point)에 영상을 표시하는 시각표시장치가 개시되어 있고, 일본 공개특허공보 제2003-241100호(2003. 08. 27. 공개)는 한 개의 반사 부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 편심광학계가 개시되어 있는데, 이 기술들은 두 개의 반사면 또는 굴절렌즈를 포함한 비구면 프리즘(Prism)을 추가로 사용함으로써, 광학 성능을 높이기 위해 보다 많은 광학 면을 사용함에 따라 광학 부품의 제작 비용이 많이 소요되고, 광학 부품들을 정렬하는데 어려움이 있다.

또한, 종래의 전방 상향 시현 장치는 곡면을 시점면에 대해 기울여야 하므로 광학계 조립 자체가 상당히 어려워진다. 따라서 추가 광학 부품이 생길수록 가공 비용 외에도 직접적인 조립 비용이 발생하며, 조립에 필요한 시간이 소요되어 생산 시간도 늘어나는 단점이 있다.

일례로, 일본 공개특허공보 제2006-065234호(2006. 03. 09. 공개)에는 한 개의 광학 부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 편심광학계와 그것을 이용한 광학시스템이 개시되어 있는데, 이는 한 개의 광학 부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 광학계이긴 하지만 한 개의 부품 내에서 2번의 반사와 2번의 굴절이 발생하기 때문에, 굴절능의 변화를 가져오는 면이 총 3면(1면에서 중복으로 반사와 굴절이 있음)이어서 광학 부품들을 정렬하는데 매우 어려운 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 제2011-133633호(2011. 07. 07. 공개) 일본 공개특허공보 제2003-241100호(2003. 08. 27. 공개) 일본 공개특허공보 제2006-065234호(2006. 03. 09. 공개)

따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 소형 화면표시장치에서 출발한 영상을 크게, 그리고 운전자의 시야 조절 없이 편안한 영상을 운전자에게 제공할 수 있는 전방 상향 시현용 광학계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 소형 화면표시장치에서 출발한 영상을 운전자에게 크고 편안하게 제공할 시, 광학 부품의 제작 비용을 줄이고 광학 부품들의 정렬이 용이한 전방 상향 시현용 광학계를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 운송수단에 장착되는 전방 상향 시현 장치에 있어서, LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 또는 LCD(Liquid Crystal Display), DMD(Digital Micro-mirror Device) 등 작은 화면에 영상을 디스플레이 하는 소형 화면표시장치(Micro Display); 상기 소형 화면표시장치에서 발산된 빛을 반사시켜 상기 영상을 확대시키는 곡면거울(Curved Mirror); 및 상기 곡면거울로 이물질의 유입을 방지하며, 상기 곡면거울에서 반사된 빛을 통과시키는 양면이 평행한 평판 형태의 보호유리(30, Protection Glass);로 구성되어, 상기 곡면거울에 반사되고 상기 보호유리를 통과하여 상기 운송수단의 전방 곡면유리에 반사되어, 상기 운송수단의 탑승자 눈이 위치하는 조리개 면에 상기 소형 화면표시장치가 디스플레이 한 영상의 허상을 맺히게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 조리개 면과 상기 소형 화면표시장치의 각도가 하기의 수학식 11을 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 11)

여기서, θ _D 는 상기 조리개 면에서 x축을 중심으로 상기 소형 화면표시장치까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 조리개 면과 상기 보호유리의 각도가 하기의 수학식 12를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 12)

여기서, θ _P 는 상기 조리개 면에서 x축을 중심으로 상기 보호유리까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 곡면거울과 상기 곡면유리의 x축 곡률과 y축 곡률이 다르면, 상기 곡면거울과 상기 곡면유리의 곡률이 하기의 수학식 13을 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 13)

여기서, C _W4 는 상기 곡면유리의 xy 다항식의 x ²항 계수, C _M4 는 상기 곡면거울의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _W 은 상기 곡면유리의 곡률, c _M 은 상기 곡면거울의 곡률이다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 곡면거울의 x축 곡률과 y축 곡률의 비율이 하기의 수학식 14를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 14)

여기서, C _M4 는 상기 곡면거울의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _M 은 상기 곡면거울의 곡률이다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 전방 상향 시현용 광학계의 화각은 하기의 수학식 15를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 15)

여기서, EFL은 상기 곡면거울의 중심에서 상기 소형 화면표시장치의 중심까지의 거리, y는 상기 소형 화면표시장치의 단변 길이를 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 전방 상향 시현용 광학계의 F값(F/#)은 하기의 수학식 16를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(수학식 16)

여기서, BFL은 상기 조리개 면에서 수직으로 z축과 평행한 광선에 대해 상기 곡면거울과 상기 소형 화면표시장치의 교점 사이의 거리, r은 상기 조리개 면과 면적이 동일한 원의 반지름을 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 상기 곡면거울은, 반사곡면 근처에서 굴절 없이 반사면만으로 이루어진 전면 반사 거울(Front Mirror)인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반사면 1개만으로 설계됨으로써 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 반사면을 제외하고 광학계의 굴절능에 영향을 주는 추가 광학부품을 사용하지 않음으로써, 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 굴절이 모두 평면에서만 발생하여 광학계의 굴절능에 영향을 주지 않으며, 바람막이창 면에서의 반사를 제외한 반사가 1회만 발생하므로 굴절능에 영향을 1번만 주기 때문에 경면 가공을 한 번만 하게 되므로 가공 비용을 감소시켜 전방 상향 시현용 광학계의 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계를 구성하는 렌즈 부품의 배치와 그에 따른 광로도를 나타낸 도면,
도 2에 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 광로도,
도 2는 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 성능을 나타낸 스팟다이어그램(Spot diagram).

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 자동차, 비행기, 선박 등과 같은 운송수단 이동 시에 운전석 내부에 바람이 들어오는 것을 막기 위한 바람막이창 등과 같은 곡면 유리와 최소한의 추가 광학부품으로 구성된 HUD(Head Up Display)을 제공하기 위한 전방 상향 시현용 광학계를 제공한다.

본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는 1매의 곡면거울(Curved Mirror)만을 사용해서 광학계를 구성한다. 이때, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계에서 1매의 곡면거울만을 구비한다는 의미는 곡면거울에 먼지가 쌓여 반사율이 떨어지는 것을 방지하기 위한 평면 보호유리(Protection Glass)와 바람을 막아주는 바람막이창(Wind shield)과 같은 곡면유리(Curved Glass) 등은 광학계의 구성 방법에 관계없이 필수적으로 사용되는 광학 부품들이므로, 이들을 제외하고 광학계의 실질적인 굴절능을 부여하는 곡면거울의 사용 매수를 최소화했다는 의미이다.

도 1은 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계를 구성하는 렌즈 부품의 배치와 그에 따른 광로도(Optical layout)를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계는 소형 화면표시장치(10), 곡면거울(20, Curved Mirror) 및 보호유리(30, Protection Glass)로 구성된다.

도 1을 참조하면, 소형 화면표시장치(10)는 마이크로 디스플레이(Micro Display)로서, LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 또는 LCD(Liquid Crystal Display), DMD(Digital Micro-mirror Device) 등이 될 수 있다. 이러한 소형 화면표시장치(10)는 크기가 매우 작기 때문에 이를 통해 제공되는 화면은 보통 육안으로는 작게 보이며, 운전 중에 이러한 작은 화면을 주시해서 보는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 이러한 소형 화면표시장치(10)에서 발산된 빛은 광학적으로 굴절능을 갖는 곡면거울(20)에 반사되어 영상이 확대된다.

이러한 곡면거울(20)은 광학유리를 각종 가공 장비를 통해 연삭(fine grinding) 및 연마(polishing)하거나, 플라스틱을 사출하여 곡면을 만든 뒤, 이 곡면에 알루미늄 또는 은 등의 반사율이 높은 금속 재료를 얇게 코팅하여 제작할 수 있다. 이때, 자동차 등 운송수단의 운전석 내부 먼지가 곡면거울(20)에 유입되어 반사율이 떨어지는 것을 막기 위해 보호유리(30, Protection Glass)를 위치시킨다. 곡면거울(20)에 반사된 빛이 보호유리(30)를 거쳐 운전석 앞면 유리에 해당하는 곡면유리(40, Wind Shield 또는 Curved Glass)에 반사되어 조리개 면(50)으로 광축과 거의 평행하게 광선이 들어온다. 조리개 면(50)은 운전자의 눈이 위치하게 되는 위치로서, 운전자는 최종적으로 곡면거울(20)와 곡면유리(40)에 반사되어 확대된 영상을 보게 된다.

이하, 도 1 및 하기의 수학식 1을 참조하여 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계를 더욱 상세히 설명한다. 하기의 수학식 1은 도 1에 도시한 각 광학부품들이 이루는 각도들의 관계를 나타낸 것이다.

도 1 및 수학식 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계는 조리개 면(50)에 대해 x축을 중심으로 시계 방향으로 θ _D 기울어진 소형 화면표시장치(10)에서 발산된 빛이 조리개 면(50)에 대해 x축을 중심으로 시계 방향으로 θ _M 기울어진 곡면거울(20)에서 반사되고, 양면이 평행하고 사용 파장에 대해 투명한 보호유리(30)를 거쳐 바람막이창 등의 곡면유리(40)의 앞면에 반사하여 눈이 위치한 조리개 면(50)으로 빛이 입사되며, 이러한 과정을 통해 소형 화면표시장치(10)의 영상이 운전자 눈에 허상(Virtual image)으로 맺히게 된다.

이렇게 조리개 면(50)에 허상을 만들기 위해서는 반드시 곡면유리(40) 외에 추가적인 광학부품이 필요하고, 두 눈에 동시에 허상을 만들기 위해서는 광학부품이 커질 수 밖에 없다. 이때, 추가로 필요한 광학부품을 렌즈로 구현하게 되면 크기가 커지고 이에 따라 렌즈의 두께도 두꺼워지는 문제가 있다.

한편, 광학계의 충분한 성능을 얻기 위해서 2매의 반사곡면을 사용할 수 있으나, 곡면유리(40)가 회전 비대칭이므로 반사곡면도 회전 비대칭이어야 한다. 그러나 이러한 회전 비대칭 면은 가공이 어렵기 때문에 추가로 광학부품을 2개 이상 사용한다면 두 광학부품 사이의 정렬 문제도 발생하여 조립이 어려워지고, 광학부품 가공에 따른 제작비도 상승하게 된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 추가 광학부품으로 곡면거울(20)을 1개만 사용하여 소형 화면표시장치에서 발산된 빛이 하나의 오목한 형상의 곡면거울에 반사되고, 양면이 평행한 보호유리를 거쳐, 운송수단의 곡면유리에 반사되어 상기 운송수단의 운전자 눈에 허상을 맺게 하는 전방 상향 시현 광학계를 제공한다.

이때, 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계에서와 같이 추가 광학부품으로 곡면거울(20) 1개만을 사용하는 경우, 광학계의 체적을 최소화하면서 최적 성능을 갖게 하기 위해서는 비록 굴절능을 갖지는 않지만 보호유리(30) 및 소형 화면표시장치(10)의 위치도 매우 중요해진다. 도 1에 도시된 바와 같은 부품 배치에서 광학계의 부피는 보호유리(30)부터 곡면거울(20)의 하단부의 길이로 결정되므로 이들간의 거리가 짧아질수록 전방 상향 시현장치(HUD)의 체적이 작아진다. 그런데 곡면거울(20)과 조리개 면(50)이 이루는 각도 θ _M 이 작아질수록 곡면거울(20)에 입사하는 광선의 기울기가 커져서 HUD의 부피는 작아지지만 광학 성능이 낮아진다. 반대로, 곡면거울(20)이 조리개 면(50)과 직각이 되면 HUD자체가 구성되지 못할 수 있다.

한편, 곡면거울(20)의 각도는 결국 소형 화면표시장치(10)와 조리개 면(50)의 각도인 θ _D 에 영향을 주게 되며, θ _D 가 하기의 수학식 2와 같은 범위 내에 있다면 광학 성능을 유지하면서도 HUD의 부피를 최소화할 수 있다.

여기서, θ _D 는 조리개 면에서 x축을 중심으로 소형 화면표시장치(10)까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.

일반적으로는 θ _D 와 θ _N 은 같은 값을 가지게 할 수 있으나, HUD용 광학계가 회전 비대칭 광학계이므로 상면에서 MTF밸런스(Modulation Transfer Function balance)를 맞추기 위해 약간의 각도 차를 둘 수도 있다. 그리고 보호유리(30)를 조리개 면(50)과 수직하게 두는 것보다 도 1과 같이 90도보다 더 크도록 θ _P 면의 값을 하기의 수학식 3과 같은 값을 가지면, 광학계의 부피를 최소화할 수 있다. 또한, 보호유리(30)의 각도가 조리개 면(50)보다 90도 이상 크다면 강한 햇빛이 보호유리(30)에 반사되더라도 반사광이 조리개 면(50)으로 입사되지 않아 눈부심 등의 부작용을 막을 수 있다.

여기서, θ _P 는 조리개 면에서 x축을 중심으로 소형 화면표시장치(10)까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.

한편, 도 1과 같은 광학계에서 곡면유리(40)와 곡면거울(20)은 하기의 수학식 4와 같은 xy-다항식으로 표현될 수 있다.

여기서 c는 곡률, k는 원추계수이다. 이때, 구면에 관한 식을 Talyor 전개하여 첫 번째 항을 취하면 포물면의 방정식을 얻을 수 있으므로, x ²항의 계수는 곡면의 x방향 곡률, y ²항의 계수는 곡면의 y방향 곡률이 된다. 즉 x ²항의 계수를 C ₄ , y ²항의 계수을 C ₆ 이라 하면 하기의 수학식 5와 같은 관계식이 성립한다.

이 때, 수학식 4에서 다항식의 곡률 c가 주어진다면, 수학식 5는 하기의 수학식 6과 같이 변형된다.

한편, 광학계에 대해 x축 곡률과 y축 곡률이 다를 경우, 비점수차가 많이 발생할 수 있으므로, 하기의 수학식 7과 같은 조건을 만족한다면 특정 모델의 차량에 대한 대칭성을 기대할 수 있다.

여기서, C _W4 는 곡면유리(40)의 xy 다항식의 x ²항 계수, C _M4 는 곡면거울(20)의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _W 은 곡면유리(40)의 곡률, c _M 은 곡면거울(20)의 곡률이다.

특히, 광학계의 굴절능은 곡면거울(20)에서 결정되므로, 곡면거울(20)에 대한 x방향 및 y방향 곡률의 비율이 하기의 수학식 8과 같은 관계를 갖는다면 곡면거울(20)에 대해 대칭성을 기대할 수 있다.

여기서, C _M4 는 곡면거울(20)의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _M 은 곡면거울(20)의 곡률이다.

본 발명과 같이 복잡한 기울기(Tilt)가 있는 광학계에서는 초점거리를 정의하는 것이 쉽지 않다. 그러나 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계에서는 한 개의 곡면거울(20)만을 사용하며, 실질적으로 이 곡면거울(20)에 의해 굴절능이 결정되므로, 곡면거울(20)과 소형 화면표시장치(10)의 교점 사이의 거리가 광학계의 초점거리가 된다.

한편, 곡면거울(20)과 소형 화면표시장치(10) 사이의 거리는 조리개 면(50)에서 평행하게 출발하는 빛의 경로를 따라 측정할 수도 있으며, 이렇게 측정한 값이 엄밀한 의미에서의 초점거리가 된다. 하지만, 이 값은 곡면거울(20)의 중심에서 소형 화면표시장치(10)의 중심 사이의 거리로도 결정할 수 있으며, 이 두 값 사이의 차이는 크지 않을 것으로 예상할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 전방 상향 시현 광학계의 화각은 하기의 수학식 9과 같이 나타낼 수 있으며, F값(F/#)은 하기의 수학식 10을 만족한다.

여기서, EFL은 곡면거울(20)의 중심에서 소형 화면표시장치(10)의 중심까지의 거리, y는 소형 화면표시장치(10)의 단변 길이를 의미한다.

여기서, BFL은 조리개 면(50)에서 수직으로 z축과 평행한 광선에 대해 곡면거울(20)과 소형 화면표시장치(10)의 교점 사이의 거리, r은 조리개 면(50)과 면적이 동일한 원의 반지름을 의미한다.

한편, 곡면거울(20)을 후면 반사(Rear Mirror) 방식으로 사용하는 경우에는 앞쪽 굴절을 동반하게 되어, 이에 따른 색수차가 발생할 수 있고, 광선이 수직 입사하지 않으면 각도별 광경로차가 발생하여 수차에 의한 성능 저하가 있으므로, 본 발명에서는 반사곡면 근처에서 굴절 없이 반사면만으로 구성되는 전면 반사(Front Mirror) 방식의 곡면거울(20)을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계에서는 소형 화면표시장치(10)에서 발산된 빛이 곡면거울(20)를 거쳐 운전자의 눈동자에 도달하지만, 광학 설계단계에서는 이와 반대로 조리개 면(50)에서 광축에 대해 거의 평행한 광선을 보내서 소형 화면표시장치(10)에 빛이 모여 결상이 되도록 설계를 하기도 한다. 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 각종 정보를 나타낸 하기의 표 1 내지 표 3은 조리개 면(50)으로부터 광축에 대해 평행하게 입사된 광선이 소형 화면표시장치(10)에 결상된 것을 기준으로 작성된 것이다. 또한 소형 화면표시장치(10)의 크기는 67.3mm x 33.6mm이고, 장변 반화각은 ±5°, 단변 반화각은 ±2.5°이다.

하기의 표 1은 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계를 구성하는 각 부품들의 파라미터(Parameter)를 나타낸 것으로서, 각 렌즈의 곡률, 렌즈 두께, 렌즈 간 간격, 렌즈 소재 등의 정보를 나타낸다. 표 1에서 “OBJ”는 본 광학계의 허상을 의미하고, “IMG”는 소형 화면표시장치(10)이다. “Stop”은 사람 눈이 위치하는 면으로서 두 눈의 간격, 운전자 간의 키 차이를 고려하여 정하는 값으로서, 이 면을 Eye-box라고도 하며, 도 1의 조리개 면(50)에 해당한다. “No.2”는 곡면유리(40)의 면이고, “No.3”은 더미(Dummy)면 이다. 조리개 면(50)의 중심에서 광축과 일치하는 축상 중심 광선이 “No.2”에 의해 반사되어 원래 광축에 대해 특정 각도로 반사된다. 하지만 축상 중심 광선은 광축과 일치해야 하므로, 이를 위해 빛의 반사와 굴절에는 영향을 주지 않고, 광축만을 기울이기 위한 기준면이 필요하며, “No.3”는 그러한 역할을 하는 가상적인 면을 의미한다. 일반적으로 본 발명과 같이 편심이 복잡한 광학계에서는 이러한 가상면이 반드시 필요하다. “No.4” 및 “No.5”는 보호유리(30)의 상면 및 하면에 해당한다. “No.6”은 ”No.3”과 보호유리(30)에 의해 축상 중심 광선의 굴절에 따른 광축 시프트(shift)를 보정하여 축상 중심 광선과 광축을 일치시키기 위한 더미면이다. “No.6”은 “No.3”과 같이 광선의 반사와 굴절에는 영향을 주지 않는 가상면이다. 마지막으로 “No.7”은 곡면거울(20) 면에 해당한다. 하기의 표 1에 대응하는 광학면의 설명을 위하여 도 2에 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 광로도를 별도로 도시하였다.

하기의 표 2는 각 면의 편심 정보를 나타낸 것으로서, 이때 표 2에서 제외된 곡면유리(40)의 면에 해당하는 “No.2”는 광학계의 성능 보정에 사용하는 설계 변수가 아니므로, 상황에 관계없이 모두 동일한 형상을 갖는다. 표 2의 편심방법에서, “편심 후 복귀”는 평행 이동과 면 기울임 후에 그 전의 상황으로 되돌아가는 것을 의미한다. 또한 “Bending”은 광축을 면 기울임에 대한 해당량의 2배만큼 기울이라는 것을 의미한다.

표 2에서 X는 x축 방향의 평행 이동량, Y는 y축 방향의 평행 이동량, α는 x축에 대한 회전량, β는 y축에 대한 회전량, γ는 z축에 대한 회전량을 의미한다. 표 2에 언급된 각 면의 회전각으로부터 조리개 면(50)에 대해 기울어진 양을 계산할 수 있으며, 이는 전술한 수학식 2와 수학식 3을 이용하여 계산된다.

또한, 곡면유리(40)와 곡면거울(20)의 형상은 모두 전술한 수학식 4와 같이 정의되는 면이며, 하기의 표 3에 곡면유리(40, Wind Shield)와 곡면거울(20, Curved Mirror)의 각 곡면의 형상 계수를 나타내었다.

도 3은 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 성능을 나타낸 스폿 다이어그램(Spot diagram)으로서, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는 회전 대칭성이 없으므로 스폿 다이어그램에 의해 그 성능을 평가한다. 도 2에 도시한 각 스폿(Spot)의 사각형 크기는 가로 1mm 세로 1mm이다. 이러한 스폿 다이어그램은 기하광학적인 점퍼짐함수(Point Spread Function)이며, 한 점에 모여 있을수록 성능이 좋아짐을 의미한다. 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계가 대칭성이 없으므로, 필드(Field)는 총 9개에 대해 계산을 했으며, 중앙의 스폿 다이어그램이 제로필드(Zero-field)의 스폿 다이어그램이다.

제로필드에 대해 y축 각도가 -3도인 것은 운전자가 보통 약간 아래를 향하여 보는 것을 고려한 것이다. 이때, 광학계의 단변 방향의 시야각을 ±2.5도로 하면 중심 상측은 -0.5도, 중심 하측의 각도는 5.5도가 된다. 그리고 장변 방향의 시야각이 ±5.0도라면, 스폿 다이어그램의 좌상측은 x축 방향으로 -5도, y축 방향으로 -0.5도가 된다. 각 스폿 다이어그램의 DG는 각도를 의미하고, RMS는 각 스폿의 실효치 스폿 사이즈(rms spot size)를 의미하며, 100%는 조리개 면(50)을 통과하는 모든 광선이 상면에 도달하는 최소 원의 크기를 의미한다. 도 2의 스폿 다이어그램에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 결상 특성은 상당히 양호한 것을 알 수 있다.

광학계의 설계 데이터인 상기 표 1 내지 표 3으로부터 전술한 수학식들을 계산하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

θ _W 는 조리개 면(50, 표 1의 Stop)과 조리개 중심을 지나고 조리개 면(50)과 수직인 광선이 “No. 2” 이후에 반사되는 광선과의 각도를 의미하는 값으로서, 표 2의 “No. 3”의 α값인 121.63도에서 90도를 뺀 값으로 θ _W =31.63이다. 또한 θ _Tilt 는 광축에 대해 “No. 6”이 기울어진 양으로서 표 2의 “No. 3”의 α값인 16.5도가 된다. 따라서 θ _D 는 수학식 1 에 따라 25.37도가 되어 수학식 2를 만족하는 것을 알 수 있다. 그리고 θ _ADE _{_} _S4 는 보호유리(40)와 “No. 6”이 이루는 각도로서 표 2의 “No. 4”의 α값 38도를 의미한다. 따라서 θ _P 는 96.37도가 되어 수학식 3을 만족한다.

전술한 수학식 7에서 C _W4 는 상기 곡면유리(40)의 xy 다항식의 x ²항 계수이므로 표 3의 “Wind Shield”의 C4의 값인 0.00013236, C _M4 는 상기 곡면거울(20)의 xy 다항식의 x ²항 계수이므로 표 3의 “Curved Mirror”의 C4의 값인 0.00011071, c _W 은 상기 곡면유리(40)의 곡률이므로 표 1의 “No. 2”의 곡률 반경의 역수인 -1/1029.608이고, c _M 은 상기 곡면거울(20)의 곡률이므로 표 1의 “No. 2”의 곡률 반경의 역수인 1/756.435가 된다. 따라서 수학식 7은 약 1.18이 되어 주어진 식을 만족하는 것을 알 수 있으며, 수학식 8을 계산하면 약 0.86으로 주어진 식을 만족하는 것을 알 수 있다.

소형 화면표시장치(10)와 곡면거울(20)의 중심 사이의 거리는 조리개 면(50) 중심을 지나고, x축으로 3도 기울어진 광선에 대한 광선 추적(Ray-tracing)을 통해서 구할 수 있다. 여기서, x축으로 3도 아래로 기울어진 광선을 추적하는 이유는 운전자가 전방에 대해 약간 아래로 내려다 보는 것을 감안한 것이다. 이러한 방법으로 광선 추적을 하여 소형 화면표시장치(10)와 곡면거울(20)의 중심 사이의 거리(수학식 9의 EFL)는 약 305.6mm이며, 소형 화면표시장치(10)의 단변 길이(수학식 9의 y)는 33.6mm로 가정하였으므로, 수학식 9는 약 3.1이 되어 이를 만족하는 것을 알 수 있다.

수학식 10에서 BFL은 소형 화면표시장치(10)와 곡면거울(20)의 광축 상의 거리를 의미하므로, 표 1의 “No. 7”의 “Thick”인 279.023이다. 그리고, 조리개 면(50, “Stop”)의 크기는 표 1에서 주어진 바와 같이 140x65mm이며, 이와 동등한 넓이를 갖는 원의 반경(수학식 10의 r)은 약 53.82mm이므로, 수학식 10은 약 2.6이 되어 조건을 만족하는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는 반사면 1개만으로 설계되고, 반사면을 제외하고 광학계의 굴절능에 영향을 주는 추가 광학부품을 사용하지 않음으로써, 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims

운송수단에 장착되는 전방 상향 시현 장치에 있어서,
LCos(Liquid Crystal on Silicon) 또는 LCD(Liquid Crystal Display), DMD(Digital Micro-mirror Device) 등 작은 화면에 영상을 디스플레이하는 소형 화면표시장치(Micro Display);
상기 소형 화면표시장치에서 발산된 빛을 반사시켜 상기 영상을 확대시키는 곡면거울(Curved Mirror); 및
상기 곡면거울로 이물질의 유입을 방지하며, 상기 곡면거울에서 반사된 빛을 통과시키는 양면이 평행한 평판 형태의 보호유리(Protection Glass);로 구성되어,
상기 곡면거울에 반사되고 상기 보호유리를 통과하여 상기 운송수단의 전방 곡면유리(Wind Shield)에 반사되어, 상기 운송수단의 탑승자 눈이 위치하는 조리개 면에 상기 소형 화면표시장치가 디스플레이한 영상의 허상을 맺히게 하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
제 1항에 있어서,
상기 조리개 면과 상기 소형 화면표시장치의 각도가 하기의 수학식 11을 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 11)

여기서, θ _D 는 상기 조리개 면에서 x축을 중심으로 상기 소형 화면표시장치까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.
제 1항에 있어서,
상기 조리개 면과 상기 보호유리의 각도가 하기의 수학식 12를 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 12)

여기서, θ _P 는 상기 조리개 면에서 x축을 중심으로 상기 보호유리까지 시계 방향으로 측정한 각도이다.
제 1항에 있어서,
상기 곡면거울과 상기 곡면유리의 x축 곡률과 y축 곡률이 다르면, 상기 곡면거울과 상기 곡면유리의 곡률이 하기의 수학식 13을 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 13)

여기서, C _W4 는 상기 곡면유리의 xy 다항식의 x ²항 계수, C _M4 는 상기 곡면거울의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _W 은 상기 곡면유리의 곡률, c _M 은 상기 곡면거울의 곡률이다.
제 1항에 있어서,
상기 곡면거울의 x축 곡률과 y축 곡률의 비율이 하기의 수학식 14를 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 14)

여기서, C _M4 는 상기 곡면거울의 xy 다항식의 x ²항 계수, c _M 은 상기 곡면거울의 곡률이다.
제 1항에 있어서,
상기 전방 상향 시현용 광학계의 화각은 하기의 수학식 15를 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 15)

여기서, EFL은 상기 곡면거울의 중심에서 상기 소형 화면표시장치의 중심까지의 거리, y는 상기 소형 화면표시장치의 단변 길이를 의미한다.
제 1항에 있어서,
상기 전방 상향 시현용 광학계의 F값(F/#)은 하기의 수학식 16를 만족하는 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 16)

여기서, BFL은 상기 조리개 면에서 수직으로 z축과 평행한 광선에 대해 상기 곡면거울과 상기 소형 화면표시장치의 교점 사이의 거리, r은 상기 조리개 면과 면적이 동일한 원의 반지름을 의미한다.
제 1항에 있어서, 상기 곡면거울은,
반사곡면 근처에서 굴절 없이 반사면만으로 이루어진 전면 반사 거울(Front Mirror)인 것을 특징으로 하는 전방 상향 시현용 광학계.