KR20200026301A - 헤드업 디스플레이 - Google Patents

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스피겔 볼프 본
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 디스플레이 요소(1), 프로젝션 시스템(2), 확산판(3) 및 미러 요소(4, 41)를 갖는 헤드업 디스플레이에 관한 것이다. 이러한 헤드업 디스플레이에서는 미광으로 인한 자극이 자주 발생한다. 따라서 입사하는 미광에 의해 더 적은 자극을 생성하는 헤드업 디스플레이가 요구된다. 상기 확산판(3)이 상기 프로젝션 시스템(2)을 향하는 면에 집광 요소(31)를 갖고, 상기 프로젝션 시스템(2)과는 반대쪽 면에 광 차단 마스크(32)를 포함할 것이 제안된다.

Description

헤드업 디스플레이
본 발명은 프로젝션 시스템을 갖는 헤드업 디스플레이(head-up display)에 관한 것이다.
US 2016/0335959 A1은 디스플레이 요소, 프로젝션 시스템, 확산판 및 미러 요소를 갖는 헤드업 디스플레이를 도시한다. 이 알려진 헤드업 디스플레이의 단점을 고려하면, 프로젝션 시스템의 방향으로 외부로부터 확산판에 입사하는 미광(stray light)은 광학 시스템을 통해 관찰자의 눈에 도달할 수 있는 방향으로 확산판의 표면에서 반사되어 관찰자에 자극을 유발한다.
입사 미광으로부터의 자극이 적은 헤드업 디스플레이가 요구된다.
디스플레이 요소 및 프로젝션 시스템으로 구성된 중간 이미지 생성 유닛, 확산판 및 미러 요소를 갖는 헤드업 디스플레이에서, 본 발명은, 상기 확산판이 상기 프로젝션 시스템을 향하는 면에 집광 요소를 갖고, 상기 프로젝션 시스템과는 반대쪽을 향하는 면에 광 차단 마스크를 갖는 것을 제안한다. 이것은, 상기 마스크가 미광을 차단하여, 미광이 상기 프로젝션 시스템 또는 중간 이미지 평면의 방향으로 계속 진행하지 않고, 거기서 미광 반사 등을 생성할 수 없게 한다는 장점을 갖는다. 상기 집광 요소는 상기 프로젝션 시스템으로부터 나오는 광을 상기 마스크의 개구로 집광시켜, 상기 프로젝션 시스템에 의해 방출된 거의 모든 광이 실제로 상기 미러 요소에 도달하여 관찰자의 방향으로 진행하게 한다. 상기 집광 요소로 인해 미광은 관찰자에 유용한 각도 범위로 향하게 된다. 마찬가지로, TIR로도 알려진 내부 전반사(total internal reflection)로 인해 확산 요소에서 생성된 미광 반사는 본 발명에 따른 배열에 의해 효과적으로 감소된다.
상기 디스플레이 요소는 여기서 자가 발광 디스플레이 요소일 수 있고, 예를 들어, 유기 발광 다이오드에 기초한 OLED 디스플레이, 백라이트 디스플레이 요소, 예를 들어, 액정에 기초한 LCD 디스플레이, 또는 반사 디스플레이 요소, 예를 들어, 디지털 마이크로 미러 장치에 기초한 DMD 디스플레이일 수 있다. 상기 프로젝션 시스템은 상기 디스플레이 요소의 이미지를 투사 및 확대하는데 사용된다. 특정 상황에서는 이미지 크기를 줄이는 프로젝션도 적합할 수 있다. 상기 확산판은 상기 프로젝션 시스템의 중간 이미지 평면에 배열된다. 상기 확산판 상의 이미지는 가상화 시스템(virtualization system)에 의해 가상 이미지로 변환되고, 상기 미러 요소를 사용하여 환경 상에 중첩된다. 여기에 사용된 미러 요소는 많은 경우에 차량의 앞 유리(windshield)이거나 또는 상기 앞 유리와 관찰자 사이에 배열된 결합기(combiner)로 알려진 것이다. 상기 확산판 대신에, 판 형태가 아닌 다른 확산 요소가 또한 적절하게 사용될 수 있다. 사용된 가상화 시스템은 예를 들어 폴딩 미러(folding mirror)와 오목 미러의 조합이다.
상기 광 차단 마스크는 바람직하게는 광 흡수 재료로 구성된다. 이것은 상기 프로젝션 시스템의 방향으로 입사되는 미광이 상기 마스크에 의해 흡수된다는 장점을 갖는다. 상기 마스크의 개구를 통과하고 상기 집광 요소에서 반사되는 미광은 주로 상기 마스크의 후방부로 진행하고 여기서 흡수된다. 무시할 정도로 작은 부분만이 상기 마스크의 개구를 통해 두 번째로 다시 진행하거나 또는 상기 집광 요소에 의해 상기 마스크로 반사되지 않고 미광의 형태로 관찰자의 눈으로 떨어진다. 이러한 방식으로, 헤드업 디스플레이에 입사되는 태양광과 같은 미광이 효과적으로 감소된다.
본 발명에 따르면, 상기 광 차단 마스크는 반사성 재료로 구성되고 상기 확산판은 상기 가상화 시스템의 광축에 대해 경사지도록 배열되는 것으로 제공된다. 이것은 입사 태양광이 반사되지만 상기 확산판의 경사진 배열로 인해 상기 미러 요소에 도달하지 않아 관찰자에 방해를 주는 영향이 없다는 장점을 갖는다. 상기 가상화 시스템의 광축을 쉽게 결정할 수 없는 경우, 외부로부터 상기 가상화 시스템을 통해 입사되는 광이 상기 확산판에 의해 외부로 다시 반사되지 않거나 또는 이 광의 작은 부분만이 외부로 다시 반사되도록 빔 경로에 확산판이 경사져서, 결과적으로 관찰자에게 방해를 주지 않는 것으로 제공된다. 상기 광 차단 마스크는 유리하게도 또한 일 면에서 반사되고 타 면에서 흡수되도록 설계될 수 있다.
상기 집광 요소는 마이크로렌즈 어레이로도 알려진 마이크로렌즈 필드에 의해 형성되는 것으로 제공된다. 이것은 이러한 마이크로렌즈 어레이가 비용 효율적으로 생성될 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 상기 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 경사지도록 배열되는 것으로 제공된다. 상기 마이크로렌즈는 여기서 광축으로부터의 거리에 따라 경사져서, 상기 마스크의 개구를 통해 진행하는 출사 광 빔이 상기 가상화 시스템에 가장 가능한 적응을 나타내도록 한다. 이것은 상기 확산판의 모든 영역이 관찰자에 의해 가상 이미지에서 동일하게 인식된다는 장점을 갖는다. 이러한 경사는 상기 마스크의 개구에 대해 상이한 오프셋을 갖도록 개별 마이크로렌즈를 배열함으로써 용이하게 달성된다. 그 결과 개별 마이크로렌즈의 각각의 광축 밖으로 더 멀리 또는 덜 멀리 일어나는 광 입사는 경사에 대응하는 효과를 갖는다. 경사와 달리 단순히 오프셋시키는 것은 마이크로렌즈 어레이의 생성을 단순화시킨다.
상기 확산판은 유리하게는 상기 광 차단 마스크 위에 추가의 표면 구조물을 갖는다. 이것은 빔 경로에 추가 구성 요소를 배치할 필요 없이 추가의 광 성형을 가능하게 한다는 장점이 있다. 이것은 설치 공간을 절약한다. 상기 표면 구조물은 여기서 예를 들어 서로 인접하여 배열된 다수의 렌즈 표면에 의해 형성되며, 상기 수는 심지어 상대적으로 작을 수도 있으며, 극단적인 경우, 단일 렌즈 표면이 표면 구조물로서 제공된다. 대안적으로, 상기 마스크 자체는 표면 구조물을 가질 수 있다. 이것은 예를 들어 프레넬 렌즈 형태로, 확산기로서, 또는 다른 원하는 효과를 가능하게 하는 구조물로서 구현된다. 이러한 표면 구조물이 상기 마스크 아래에 배치되는 경우, 이것은 상기 마스크의 기능으로 인해 위로부터 입사하는 미광의 경우 역 반사가 거의 발생하지 않는다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 추가의 표면 구조물은 필드 렌즈(field lens) 기능을 구현하는 표면 구조물인 것으로 제공된다. 이것은 어떤 경우에도 헤드업 디스플레이에 필요한 필드 렌즈가 상기 확산판에 통합된다는 장점을 갖는다. 이를 위해 표면 구조물은 예를 들어 프레넬 렌즈 구조물로서 설계된다. 마이크로렌즈 배열체가 상기 표면 구조물로서 제공되면, 이는 마이크로렌즈 어레이와 함께 필드 렌즈 기능을 구현한다. 2개의 마이크로렌즈 배열체의 렌즈들 사이의 거리를 적절히 선택함으로써 적절한 필드 렌즈 효과가 달성된다.
상기 마스크의 개구는 유리하게는 상기 마스크의 표면적의 5% 미만을 구성한다. 이것은 이상적인 경우 상기 마스크에 처음 충돌 시 미광의 95% 초과량이 이미 제거된다는 장점을 갖는다. 상기 개구의 작은 표면적은 상기 집광 요소에 의해 집광된 광이 헤드업 디스플레이에 매우 적합한 대략 30°의 개구 각도로 상기 마스크의 개구를 떠나는 결과를 제공한다.
본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 일 변형예는 디스플레이 요소 및 프로젝션 시스템 대신에 상이한 중간 이미지 생성 유닛, 바람직하게는 위상 변조기 또는 레이저 스캐닝 시스템을 갖는다. 이러한 중간 이미지 생성 유닛의 경우에도 본 발명에 따른 확산판으로 방해를 주는 반사광을 의미 있게 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 집광 요소는 상기 확산판의 표면에 불규칙적으로 배열되는 것으로 제공된다. 이는 특히 모아레 패턴을 억제하는 장점을 갖는다.
상기 집광 요소 자체가 불규칙한 형상을 갖는 경우 모아레 패턴이 훨씬 더 잘 억제된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 상기 집광 요소는 공통 구조물 크기를 갖는 것으로 제공된다. 즉, 평균보다 상당히 더 크거나 상당히 더 작은 구조물은 발생하지 않는다. 이는 넓은 영역에서 감지되는 조명의 변화를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 집광 요소는 둥근 형상 및/또는 세장형 형상 및/또는 불규칙한 형상을 갖는다. 특히, 상기 형상을 혼합하면 모아레 패턴을 특히 양호하게 억제할 수 있다.
헤드업 디스플레이를 위한 본 발명에 따른 광학 유닛은 전술한 바와 같이 디스플레이 요소, 프로젝션 시스템 및 확산판을 갖는다. 상기 광학 유닛은 여기서 미러 요소와 결합하여 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이를 형성하기에 적합하며, 전술한 본 발명의 헤드업 디스플레이와 관련하여 제시된 장점을 갖는다. 종종, 상기 광학 유닛은 차량에 설치될 때 차량, 특히 앞 유리에 위치된 미러 요소와 함께 헤드업 디스플레이를 형성하는 경제적인 유닛이다.
헤드업 디스플레이를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 처음에 확산판의 캐리어의 제1 면에 집광 요소를 생성한다. 이는 예를 들어 확산 요소를 생성하는 대응하게 설계된 사출 금형을 사용하여 수행된다. 제1 면의 반대편에 위치된 제2 면에는 코팅물이 도포된다. 상기 코팅물은 광 차단성일 수 있고, 이 경우에 양면이 흡수성일 수 있고, 상기 확산판을 향하는 면에서 흡수성일 수 있고 상기 확산판과는 반대쪽을 향하는 면에서 반사성일 수 있다. 광 차단 코팅물 대신에, 다른 코팅물, 예를 들어, 포토레지스트가 또한 여기에 제공될 수 있다. 이어서, 상기 제1 면은 상기 코팅물에 개구를 생성하기에 적합한 강도 및 지속 시간 등을 갖는 한정된 특성을 갖는 빔에 노출된다. 적절한 경우, 에칭 매체와의 조합 또는 다른 적절한 조치가 여기서 실현될 수 있다. 이어서, 상기 확산판은 언급된 한정된 특성을 갖는 빔을 생성할 수 있는 프로젝션 시스템 및 디스플레이 요소와 결합된다. 이것은 마스크와 함께 상기 확산판이 상기 프로젝션 시스템에 최적으로 적응되는 것이 보장되는 장점을 갖는다. 대안적으로, 상기 확산판 및 상기 프로젝션 시스템은 초기에 결합되고, 이어서 상기 확산판과 결합된 상기 프로젝션 시스템을 통해 노출이 수행된다. 이러한 방식으로, 또한 상기 확산판과 상기 프로젝션 시스템이 최적으로 서로 적응되는 것이 보장된다. 배치, 노출, 에칭 및 접착제 접합으로 구성된 공정이 또한 여기서 사용될 수 있다. 마찬가지로 여기서 펄스 스캐닝 또는 다른 적절한 방법에 기초하여 방법을 의미 있게 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, "리프트-오프(lift-off) 방법"이라고도 하는 방법으로 포토레지스트가 렌즈 어레이의 후면에 적용된다. 상기 포토레지스트는 상기 렌즈 어레이를 통해 노출되고, 노출된 위치, 즉 개구들이 나중에 위치될 위치에서는 본래대로 유지된다. 이어서, 불투명 코팅물이 도포된다. 온전한 상태로 유지된 포토레지스트는 이후 용해되며, 그 결과 그 위에 위치된 코팅물이 또한 제거된다. 이것은 상기 마스크에 개구를 생성한다.
본 발명에 따른 생성 방법에서, 결합 전에, 확산판의 제2 면에 접착제가 도포되고, 이어서 상기 제2 면에 마이크로렌즈 배열체가 적용되고, 상기 마이크로렌즈 배열체는 이후 집광 요소에 대해 정렬되며, 이후 상기 접착제가 경화되는 것으로 제공된다. 이것은 마이크로렌즈 배열체를 갖는 상기 확산판을 생성할 수 있는 효율적인 가능성을 나타낸다. 순수한 접착제 접합, 버팀대(brace) 또는 비-경화 접착제도 또한 여기서 의미 있게 사용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 변형예 및 장점은 예시적인 실시형태에 대한 다음의 설명에서 나타내며, 이 설명으로부터 그리고 도면으로부터 수집될 수 있을 것이다.
도 1은 헤드업 디스플레이의 개략도;
도 2는 확산판을 도시하는 도면;
도 3은 확산판의 변형예를 도시하는 도면;
도 4는 헤드업 디스플레이의 변형예를 도시하는 도면;
도 5는 예로서 마이크로렌즈 어레이를 도시하는 도면;
도 6은 예로서 마이크로렌즈 어레이를 도시하는 도면;
도 7은 생성 방법을 도시하는 도면;
도 8은 생성 방법의 흐름도;
도 9는 도 2의 일부 상세 확대도; 및
도 10은 헤드업 디스플레이의 변형예를 도시하는 도면.
도 1은 디스플레이 요소(1), 프로젝션 시스템(2), 확산판(3) 및 미러 요소(4)를 갖는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이를 도시한다. 여기서 미러 요소(4)는 자동차의 앞 유리(41)로서 형성된다. 디스플레이 요소(1)는 광원(11)에 의해 조명된다. 광원(11)으로부터 나오는 광은 프로젝션 시스템(2)의 방향으로 디스플레이 요소(1)에서 반사된다. 프로젝션 시스템은 디스플레이 요소의 이미지를 확산판(3)으로 투사하고 이미지의 크기를 증가시키거나 만약 대응하는 디자인을 갖는 경우 감소시킨다. 거기서부터, 이미지는 폴딩 미러(44)에 의해 오목 미러(45)로 반사되고, 이 오목 미러는 그 크기를 증가시키고 이 이미지를 가상 이미지로 변환시킨다. 오목 미러(45)로부터 나오는 광은 미러 요소(4), 앞 유리(41)에서 관찰자의 눈(42)으로 반사된다. 이 과정에서, 이미지는 앞 유리(41)를 통해 볼 수 있는 환경의 이미지 상에 중첩되고, 차량의 후드 위 앞 유리의 전방 또는 심지어 차량 전방으로 진행하는 방향으로 가상 이미지(virtual image: VB)로서 나타난다.
확산판(3)은 이 도면의 하부에 위치된 면에 집광 요소(31)를 갖는다는 것을 볼 수 있다. 이 집광 요소는 프로젝션 시스템(2)을 향한다. 광 차단 마스크(32)는 프로젝션 시스템(2)과는 반대쪽을 향하는 확산판(3) 면에 위치된다. 광 차단 마스크(32)는 개구(321)를 갖고, 이 개구를 통해 프로젝션 시스템(2)으로부터 나오고 집광 요소(31)에 의해 집광된 광은 폴딩 미러(44)의 방향으로 통과하여 진행한다.
전술한 바와 같은 대응하는 참조 부호는 동일한 요소 또는 동일한 효과를 갖는 요소에 대해 다음의 도면에서 사용될 것이다. 개별 요소가 더 잘 이해하는데 유용한 것으로 보이지 않는 한, 개별 요소를 다시 설명하지 않을 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 확산판(3)을 확대하여 도시하는 것이다. 이 도 2는 프로젝션 시스템(2)의 렌즈(21)로부터 나오는 광이 집광 요소(31)에 의해 광 차단 마스크(32)의 개구(321)로 집광되는 것을 도시한다. 대응하는 광 빔은 실선을 사용하여 표시되고, 전파 방향은 화살표로 표시된다. 나아가 이 도면은 오른쪽 위로부터 나와서 확산 광(3)으로 입사하는 미광(LS)을 파선으로 도시한다. 이 미광은 특히 태양광이며, 이 태양광은 바람직하지 않은 상태에서 헤드업 디스플레이로 떨어지고 전형적으로 여기서 폴딩 미러(44) 및 오목 미러(45)에 의해 형성된 가상화 시스템에 의해 확산판(3)으로 진행한다. 이 도면의 좌측 부분은 미광(LS1)을 도시하고, 이 미광(LS1)은 광 차단 마스크(32)의 개구(321)들 중 하나의 개구를 통해 떨어지고, 집광 요소(31)들 중 하나의 집광 요소의 계면에서 반사되고, 아래로부터 광 차단 마스크(32)에 입사된다. 이와 관련하여 파선 영역(9)의 확대도를 도시하는 도 9를 또한 참조한다. 마스크(32)는 집광 요소(31)를 향하는 면에서 흡수성이며, 그 결과 아래로부터 마스크에 충돌하는 미광(LS1)이 거기서 흡수된다. 우측 부분은 광 차단 마스크(32)의 상측에서 반사되는 미광(LS2)을 도시한다. 본 발명의 변형예에 따르면, 광 차단 마스크(32)는 또한 상측에서 흡수성이 되도록 설계되어, 미광(LS2)은 광 차단 마스크(32)에 의해 또한 흡수되어 자극을 유발하지 않는다. 집광 요소(31)는 마이크로렌즈 어레이 형태로 배열된 마이크로렌즈(311)이다. 이 도면의 좌측 부분에서, 개별 마이크로렌즈(312, 313, 314)는 나머지 마이크로렌즈(311)에 대해 경사지도록 배열된다. 즉, 그 대칭축은 확산판(3)의 평면에 수직하지 않고, 중심으로부터의 거리에 따라 다르게 경사진다. 이것은 또한 확산판(3)의 주변 쪽으로 입사되는 광을 가능한 최적으로 분배하는 역할을 한다. 경사진 마이크로렌즈(312-314)는 여기에 단지 예로서 도시되어 있으며, 경사 각도는 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니지만 여기서 원리를 설명하는 목적을 갖는다. 개구(321)는 예를 들어 또한 사진 필름으로서 구현된 마스크(32)의 투명 영역으로서 형성될 수 있다.
집광 요소(31)를 통과하고 나서 확산판(3)의 임의의 다른 추가 구성 부분을 통과한 후에, 프로젝션 시스템(2)으로부터 나오는 사용된 광은 조리개 마스크(aperture mask) 역할을 하는 광 차단 마스크(32)의 개구(321)를 통해 진행한다. 복사선 방향이 더 제어되도록 의도된다면, 마이크로렌즈(311 내지 314)는 적절히 경사지게 구현될 수 있고, 개구의 위치는 적응될 수 있다. 태양을 향하는 면, 본 경우에, 상부 면이 흡수성으로 구현된다면, 미광 마스크(LS, LS1, LS2)는 광 차단 마스크(32)에 충돌 시 차단된다. 마스크(32)의 태양을 향하는 면이 반사성이 되도록 구현되면, 미광(LS2)으로 도시된 바와 같이 미광이 반사된다. 이것은 일반적으로 확산판(3)의 경사와 결합된다(도 4 참조). 이러한 방식으로, 미광(LS2)은 빔 경로로부터 광 트랩(light trap)으로 안내된다. 양호한 흡수체는 표준이 아니기 때문에, 태양을 향하는 면이 흡수성으로 구현되는 경우보다 태양을 향하는 면, 이 도면에서, 상부 면이 반사성이라면 일반적으로 더 나은 미광 억제를 예상할 수 있다. 그러나, 이 경우 운전자의 눈(42)으로 역 반사를 방지하는 것과 유사한 효과를 갖는 경사 또는 조치가 필요하다. 프로젝터를 향하는 면, 즉 이 도면에서 하부 면에는 도시된 바와 같이 흡수층이 제공된다. 이 흡수층이 없으면, 광이 확산판(3) 내에서 제어되지 않은 방식으로 진행하여 콘트라스트를 감소시킬 위험이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 확산판(3)의 다른 변형예를 도시한다. 이 경우, 이 도면에서 광 차단 마스크(32) 위에 추가 표면 구조물(33)이 배열된다. 추가 표면 구조물(33)은 마찬가지로 많은 마이크로렌즈(331)로 구성되며, 이 마이크로렌즈는 서로 인접하여 배열되고, 하부 집광 요소(31)와 함께 필드 렌즈 기능을 구현하도록 구성된다. 확산판(3)의 중심 영역에서 마스크(32) 위의 마이크로렌즈(331) 및 마스크(32) 아래의 마이크로렌즈(311)는 여기서 서로에 대해 오프셋되어 있지 않아서, 광이 중심 영역에서 거의 편향되지 않게 된다. 마이크로렌즈(331, 311)가 중심 영역으로부터 멀어질수록 마이크로렌즈는 서로에 대해 더 오프셋되어 있어서, 외부 영역의 광이 광축을 향해 더 많이 경사져서, 광축으로부터 더 멀리 확산판(3)을 통과하게 된다. 이러한 방식으로, 필드 렌즈 효과는 마이크로렌즈(331)와 마이크로렌즈(311)의 상이한 그리드 간격에 의해 달성된다. 확산판(3)으로부터 미러 요소(4)를 향해 진행하는 광은 표면 구조물(33)을 설계하는 것에 의해 한정된 개구 각도 및 배향을 갖는다. 여기서 마이크로렌즈(331)를 통해 광 차단 마스크(32)에 입사하여 여기서 흡수되는 미광 빔(LS2)이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 마스크(32)는 양면이 흡수성이 되도록 설계된다. 제2 표면 구조물(33)은 사용된 광을 추가로 성형하는 역할을 한다. 하나의 장점은 필드 렌즈 기능을 균일한 렌즈 어레이와 통합할 수 있다는 점에 있다. 태양을 향하는 반사성 면을 갖는 일 실시형태는 적절한 경계 조건 하에서 의미 있게 사용될 수 있는 옵션이다. 대안적인 변형예로서, 마스크(32) 위에 배열된 확산판(3)의 표면 구조물(34)이 예를 들어 영역(10)의 좌측면에 개략적으로 도시되어 있다. 이 표면 구조물은 별도의 층으로서 적용되는 표면 구조물(33) 대신에 제공된다. 마스크(32) 아래에 배열된 확산판(3)의 표면 구조물(35)은 영역(10)에서 우측에 개략적으로 예로서 도시되어 있다. 상기 표면 구조물(35)은 프레넬 효과를 생성하는 마이크로 구조물을 갖는다. 마스크(32)의 개구 아래에 경사진 영역이 있는 것이 예로서 도시되어 있다. 마스크(32) 아래에 표면 구조물(35)을 배열하는 하나의 장점은 마스크(32)의 기능으로 인해 미광이 위로부터 입사하는 경우에 어떠한 역 반사도 거의 발생하지 않는다는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 일 변형예를 도시한다. 광학 요소는 실질적으로 도 1에 기술된 바와 같이 배열된다. 차이점은 확산판(3)이 가상화 시스템, 이 경우, 폴딩 미러(44)와 오목 미러(45)로부터 나오는 광의 광축에 대하여 경사지도록 배열된다는 것이다. 여기서 경사 각도는 반드시 축척에 맞게 도시된 것이 아니고, 원리를 설명하기 위해 과장된 방식으로 도시된다. 앞 유리(41)를 통과한 후, (파선으로 표시된) 태양(40)으로부터 나오는 미광(LS)은 (실선으로 표시된) 오목 미러(45)로부터 나오는 광과 동일한 각도로, 그러나 반대 방향으로 진행한다는 것을 볼 수 있다. 그 후 미광(LS)은 헤드업 디스플레이로 진행한다. 이 미광은 오목 미러(45) 및 폴딩 미러(44)에 의해 반사되어 확산판(3)의 광 차단 마스크(32)에 입사된다. 여기에 도시된 광 차단 마스크(32)는 집광 요소(31)와는 반대쪽을 향하는 면에 반사성 표면을 갖고, 그 결과 미광(LS)이 반사된다. 확산판(3)이 경사진 것으로 인해, 미광(LS)은 이 도면에서 헤드업 디스플레이의 하우징(5)의 개구(51)를 통해 외부로 안내되고, 여기서 어떠한 경우에도 관찰자의 눈(42)으로 다시 진행하지 않아서 상기 관찰자에 자극을 유발하지 않는다.
도 5는 마이크로렌즈(311)로 만들어진 예시적인 마이크로렌즈 어레이(310) 및 마이크로렌즈(331)로 만들어진 마이크로렌즈 배열체(330)의 상세를 도시한다. 마이크로렌즈 어레이(310) 및 마이크로렌즈 배열체(330)는 원칙적으로 유사한 구조물일 수 있지만, 마이크로렌즈(311, 331)의 크기, 곡률 및 다른 광학 특성은 그 기능에 따라 상이하다. 여기서 마이크로렌즈(311, 331)는 각각의 경우 직사각형 표면적을 커버하고 서로 끊김 없이 전이된다. 도시된 마이크로렌즈 어레이(310) 또는 마이크로렌즈 배열체(330)의 대안적인 부분에서, 불투명 영역(319)은 마이크로렌즈(311, 331)들 사이에 위치된다. 상기 불투명 영역(319)은 표면을 부정확성하게 생성하는 것으로 인해 서로에 대해 개별 마이크로렌즈(311, 331)의 경계 영역에서 한정되지 않은 방식으로 굴절되는 광을 차단하여 관찰자에 미칠 수 있는 자극을 방지하는 역할을 한다.
도 6은 다른 마이크로렌즈 어레이(310) 또는 다른 마이크로렌즈 배열체(330)를 도시한다. 여기서, 마이크로렌즈(311, 331)는 가장 높은 패킹 밀도를 갖는 육각형 형상에 따라 배열된다. 영역(319)은 마이크로렌즈(311, 331)들 사이에 위치된다. 상기 영역은 유리하게는 불투명한 것으로 구현된다. 거기에 충돌하는 광은 과도한 노력으로 생성될 표면 기하 형상에 의해 이웃하는 마이크로렌즈(311)에 할당된 개구(51)들 중 하나의 개구로만 여전히 정확히 굴절될 것이고, 또는 개구(51)로부터 나오는 광은 과도한 노력으로 생성될 표면 기하 형상에 의해 대응하는 마이크로렌즈(331)들 중 하나의 마이크로렌즈에 의해서만 여전히 정확히 굴절될 것이다. 그러므로, 영역(319)은 불투명하고 그 위에 충돌하는 광을 가리도록 구현된다.
도 9는 도 2의 영역(9)의 상세 확대도이다. 이 도면은 광 차단 마스크(32)의 개구(321)를 통해 떨어지는, 외부로부터 입사되는 미광(LS1)이 집광 요소(31)들 중 하나의 집광 요소의 계면에서 반사되고 나서, 아래로부터 광 차단 마스크(32)로 입사하는 것을 도시한다. 따라서 방해를 주는 반사가 방지된다. 이러한 장점은 또한 광 차단 마스크(32)가 그 상부 면이 반사성이 되고 하부 면이 흡수성이 되도록 설계되는 경우에 달성된다.
도 10은 도 1의 우측 하부 부분에 따른 헤드업 디스플레이의 일부를 도시하는데, 여기서 디스플레이 요소(1) 및 프로젝션 시스템(2)이 아니라, 위상 변조기(12)가 광원(11)과 확산판(3) 사이의 중간 이미지 생성 유닛으로서 배열된 것을 도시한다. 폴딩 미러(44)의 하류의 빔 경로는 도 1에 도시된 것에 대응하므로 여기서 다시 도시하지는 않는다. 위상 변조기(12)는 여기서 투과성인 것으로 도시되어 있지만, 종종 또한 반사성인 것으로도 사용된다. 위상 변조기는 일반적으로 또한 하나 이상의 렌즈 및 가능하면 추가의 광학 요소를 포함하는데, 여기서는 단순화된 예시여서 도시되지 않았다.
도 11은 확산판(3)의 표면에 불규칙적으로 배열된 집광 요소(31, 315, 316, 317)의 일례를 도시한다. 이 예시적인 실시형태에서 확산판(3)은 간섭-리소그래피로 생성된 확산기이다. 집광 요소(31, 315, 316, 317)는 또한 불규칙한 형상을 갖는다. 이 집광 요소들이 공통으로 갖는 것은 구조물 크기이다. 즉, 상당히 더 크거나 상당히 더 작은 구조물이 발생하지 않는다. 거의 둥근 형상을 갖는 집광 요소(315)가 존재한다. 이 집광 요소는 전술한 마이크로렌즈와 유사한 광학 특성을 갖고, 예를 들어, 점 또는 거의 점으로 집광시킨다. 더 세장형 형상을 갖는 집광 요소(316)가 존재한다. 이 집광 요소는 더 세장형인 집광, 집광 선을 갖고 있다. 불규칙한 형상을 갖는 집광 요소(317)도 또한 존재한다. 이로 인해 다소 불규칙한 집광 형상이 형성된다. 결과적으로 본 발명에 따른 방법에 따른 노출을 사용하여 생성된 마스크는 불규칙한 형상의 개구의 불규칙한 분포를 갖고, 이는 집광 요소(31, 315, 316, 317)를 갖는 불규칙적으로 배열되고 형상화된 확산판(3)에 최적으로 적응된다. 이 변형예는 모아레 패턴을 매우 잘 억제한다.
도 7은 본 발명에 따른 생성 방법을 도시한다. 단계(S1)에서, 집광 요소(31)의 배열체(310)가 확산판(3)의 확산 특성을 이미 가질 수 있는 캐리어(3') 상에 적용된다. 이것은 화살표로 표시된다. 단계(S2)에서, 광 차단 코팅물(320)이 캐리어(3')의 반대쪽 면에 도포된다. 단계(S3)에서, 집광 요소(31)가 제공된 캐리어(3') 면은 코팅물에 개구(321)를 생성하기에 적합한 파장, 강도 및 지속 시간을 갖는 한정된 기하학적 특성을 갖는 빔(SB)에 노출된다. 이러한 개구(321)는 이전 도면에 도시되어 있다. 단계(S4)에서, 캐리어(3')는 프로젝션 시스템(2) 및 디스플레이 요소(1)와 결합된다. 프로젝션 시스템(2)은 여기서 일반적으로 개구를 생성하는데 사용된 것과는 다른 파장, 강도 및/또는 지속 기간을 갖는 상기 한정된 기하학적 특성을 갖는 빔(SB)을 생성할 수 있다. 이러한 조합은 예를 들어 도 1 및 도 4에 도시되어 있다.
확장된 확산판(3)을 생성하기 위해, 단계(S31)에서 광 차단 마스크(32)가 제공된 확산판(3)의 제2 면에 접착제(333)를 도포하는 것으로 제공된다. 후속 단계(S32)에서, 마이크로렌즈 배열체(330)가 접착제(333) 상에 적용되고, 이어서 단계(S33)에서 집광 요소(31)에 대해 정렬된다. 정렬이 완료된 후, 단계(S34)에서 접착제(333)가 경화된다. 이를 위해, 예를 들어 UV 복사선을 사용하여 경화 가능한 접착제(333)가 사용된다. UV 광에 노출시키는 것은 바람직하게는 집광 요소(31)와는 반대쪽 면으로부터 일어난다. 도 8은 선택적인 단계(S31 내지 S34)를 파선으로 도시하는 대응하는 흐름도를 도시한다.
생성 방법에서, 프로젝션 시스템(2)의 방향으로부터 렌즈 어레이를 통해 노출을 수행하는 것이 적절하다. 마스크(32)의 개구는 구조화되지 않은 마스크, 광 차단 코팅물(320)을 레이저 절제하거나 또는 광과 다른 상호 작용에 의해 최적으로 배향되게 생성된다. 이는 예를 들어 노출된 위치에서 더 나은 용해도에 의해 수행된다.
운전자가 앞 유리(41)를 통해 외부를 볼 수 있는 영역에서 가상 이미지(VB)를 보는 프로젝터 기반 앞 유리 헤드업 디스플레이의 경우, 중간 이미지 평면에 위치되고 이미지를 추가 이미징 스테이지에 투사하여 가상 이미지(VB)를 형성하는 확산판(3)에 태양광(LS)이 충돌할 수 있는 하나의 방법이 있다. 추가적으로, 상기 태양광(LS)은 이미징 스테이지에 의해 부분적으로 훨씬 더 집광되거나 훨씬 덜 집광된다. 아이박스(eyebox)로 알려진 것에 걸쳐 이미지를 볼 수 있게 하는 확산판(3) 또는 다른 유형의 확산판은 중간 이미지 평면에 위치된다. 이 기능으로 인해, 확산판(3)은 종종 출구 동공 확장기(exit pupil expander)라고도 한다. 확산판(3)은 또한 태양광(LS)의 일부를 되반사시켜, 이미지 콘트라스트를 감소시킬 수 있거나, 또는 상기 광은 바람직하지 않은 및/또는 방해를 주는 반사 또는 밝은 형태로 운전자에게 보일 수 있다. 본 발명은 확산판(3)의 반사를 상당히 감소시키고/시키거나 더 이상 아이박스로부터 인식될 수 없는 방향으로 편향시킨다.
아이박스는 관찰자가 잘림 없이 가상 이미지(VB)를 완전히 인식할 수 있도록 관찰자의 눈(42)이 위치해야 하는 공간 영역을 나타낸다. 관찰자의 눈(42)이 아이박스 외부에 위치되면, 가상 이미지(VB)는 부분적으로만 인식되거나 또는 전혀 인식되지 않을 수 있다. 즉, 미광(LS)이 아이박스 외부의 공간 영역으로 안내되는 경우, 미광은 적어도 헤드업 디스플레이에 의해 생성된 가상 이미지(VB)에 대해 자극의 영향을 주지 않는다. 더 크고 연장된 아이박스의 경우에도 본 발명에 의해 방해를 주는 반사가 크게 회피된다. 연장된 아이박스는 운전자의 눈이 또한 위치될 수 있지만 헤드업 디스플레이의 디스플레이가 보이지 않거나 단지 부분적으로만 보이는 영역을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따르면, 확산판(3)은 집광 요소(31), 예를 들어, 마이크로렌즈 어레이(310)로 구성된다. 마이크로렌즈(311)의 입구 조리개는 여기서 프로젝션 시스템(2)의 방향으로 위치된다. 기본 실시형태에서, 광 차단 마스크(32)는 프로젝션 시스템(2)으로부터 나오는 광이 통과할 수 있지만, 대부분의 다른 광은 차단되도록 설계된 태양광 입사 면에 놓인다. 입사 태양광(LS)은 내부 개구(321)를 통해서만 마스크(32)를 통과할 수 있고, 나머지는 흡수되거나, 반사 마스크(32)의 경우에는 광 트랩으로 안내된다. 즉, 개구(321) 또는 마스크(32)에서 산란된 잔류 반사광만이 표면으로부터 복귀한다. 아마도 내부 전반사에 의해 여전히 통과하고 프로젝션 시스템(2)을 향하는 구조물 면에 의해 반사되는 태양광은 방해 효과를 나타내기 위해 다시 마스크(32)를 통과해야 한다. 전반적으로, 이 접근법은 안구 동공 확장기로서 작용하는 확산판(3)의 역 반사 경향을 상당히 감소시키는 것을 돕는다.
본 발명에 따르면, 여기서 확산판(3)에 의해 취해지는 출구 동공 확장기의 기능은 미광 필터링을 허용하는 특수 마스크(32)에 의해 보충된다. 다른 변형예에서, 추가적으로 광 트랩이 사용되거나 추가의 빔 성형이 수행된다. 기본 실시형태에 더하여 다음 변형예가 특히 언급되어야 한다: 완전 흡수성 마스크가 사용되고, 완전 반사성 마스크가 사용되고, 일측이 반사성이고 일측이 흡수성이도록 설계된 마스크가 사용된다. 추가 변형예는 추가 빔 성형을 위해 제2 구조화된 표면(33)과 조합을 나타낸다. 마스크(32)는 바람직하게는 예를 들어 짧은 펄스 레이저와 관련하여 구조물 자체를 통해 노출시키는 것에 의해 생성된다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 명시적으로 설명되어 있지 않더라도 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 언급된 하나 이상의 조치를 수정하거나 이들 조치를 다른 조합으로 사용할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 디스플레이 요소(1), 프로젝션 시스템(2), 확산판(3) 및 미러 요소(4, 41)를 갖는 헤드업 디스플레이(head-up display)로서,
    상기 확산판(3)은 상기 프로젝션 시스템(2)을 향하는 면에 집광 요소(31)를 포함하고, 상기 프로젝션 시스템(2)과 반대쪽을 향하는 면에 광 차단 마스크(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 차단 마스크(32)는 광 흡수 재료로 구성되는, 헤드업 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 차단 마스크(32)는 반사성 재료로 구성되고, 상기 확산판(3)은 가상화 시스템(44, 45)의 광축에 대해 경사지도록 배열된, 헤드업 디스플레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 요소(31)는 마이크로렌즈 어레이(310)에 의해 형성되는, 헤드업 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이(310)의 마이크로렌즈(312 내지 314)는 경사지도록 배열되는, 헤드업 디스플레이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산판(3)은 상기 광 차단 마스크(32) 위에 다른 표면 구조물(33, 34)을 갖는, 헤드업 디스플레이.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산판(3)은 상기 광 차단 마스크(32) 아래에 다른 표면 구조물(35)을 갖는, 헤드업 디스플레이.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 표면 구조물은 필드 렌즈 기능을 실현하는 표면 구조물인, 헤드업 디스플레이.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스크(32)의 개구(51)는 상기 마스크(32)의 표면적의 5% 미만을 구성하는, 헤드업 디스플레이.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 디스플레이 요소(1) 및 프로젝션 시스템(2) 대신에, 이미지를 먼저 중간 이미지 평면 상에 생성하는 중간 이미지 생성 유닛이 상기 광원(11)과 상기 확산판(3) 사이에 배열되는, 헤드업 디스플레이.
  11. 제10항에 있어서, 상기 중간 이미지 생성 유닛은 위상 변조기(12) 및 레이저 스캐닝 시스템으로 구성되는, 헤드업 디스플레이.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 요소(31, 315, 316, 317)는 상기 확산판(3)의 표면에 불규칙적으로 배열되는, 헤드업 디스플레이.
  13. 제12항에 있어서, 상기 집광 요소(31, 315, 316, 317)는 불규칙한 형상을 갖는, 헤드업 디스플레이.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 집광 요소(31, 315, 316, 317)는 공통 구조물 크기를 갖는, 헤드업 디스플레이.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 요소(31, 315, 316, 317)는 원형 형상, 세장형 형상 및 불규칙한 형상 중 적어도 하나를 갖는, 헤드업 디스플레이.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 헤드업 디스플레이용 광학 유닛.
  17. 헤드업 디스플레이를 생성하는 방법으로서,
    - 확산판(3)의 제1 면에 집광 요소(31)를 생성하는 단계(S1);
    - 상기 제1 면과 반대쪽 상기 확산판(3)의 제2 면에 코팅물(320)을 도포하는 단계(S2);
    - 상기 코팅물(320)에 개구(321)를 생성하기에 적합한 파장, 강도 및 지속 시간을 갖는 한정된 기하학적 특성을 갖는 빔(SB)에 상기 제1 면을 노출시키는 단계(S3); 및
    - 상기 한정된 기하학적 특성을 갖는 빔을 생성할 수 있는 프로젝션 시스템(2)과 디스플레이 요소(1)와 상기 확산판(3)을 결합시키는 단계(S4)를 포함하는, 헤드업 디스플레이를 생성하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    - 상기 확산판(3)의 상기 제2 면에 접착제(333)를 도포하는 단계(S31);
    - 상기 접착제(333)가 도포된 상기 제2 면에 마이크로렌즈 배열체(330)를 적용하는 단계(S32);
    - 상기 집광 요소(31)에 대해 상기 마이크로렌즈 배열체(330)를 정렬하는 단계(S33); 및
    - 상기 접착제(333)를 경화시키는 단계(S34)를 포함하는, 헤드업 디스플레이를 생성하는 방법.
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