KR101344129B1

KR101344129B1 - 헤드업 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101344129B1
Application number: KR1020120113591A
Authority: KR
Inventors: 히데아끼 이마호리; 다까유끼 후지까와; 히로시 안도
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-12-20
Also published as: JP5594272B2; JP2013088521A; US8736964B2; DE102012109569B4; DE102012109569A1; KR20130040743A; US20130094092A1

Abstract

투영면(91)에 표시 화상을 투영하여 시인 영역(60)으로부터 시인되는 표시 화상(71)의 허상(70)을 형성하는 헤드업 디스플레이 장치(100)가 제공된다. 상기 장치는 스크린 부재(30) 및 광학 장치(40)를 포함한다. 상기 스크린 부재는 표시 화상을 형성하는 결상면(31)을 포함한다. 상기 광학 장치는 결상면에 의해 표시 화상을 받아서 반사시키는 반사면(41)을 포함하여 상기 투영면으로 투영한다. 상기 결상면은 가상 기준면(RF)으로부터 볼록 및 오목하며 x축과 y축을 따라 서로 교호하는 볼록부(32) 및 오목부(33)를 격자 어레이로 포함한다. 상기 결상면의 임의의 위치에서 가상 기준면에 대한 수직선이 상기 광학 장치의 반사면의 외측을 통과한다.

Description

헤드업 디스플레이 장치{HEAD-UP DISPLAY APPARATUS}

본 발명은, 차량의 윈드실드와 같은 표시 부재에 표시 화상을 투영하여 시인 영역(viewpoint region)으로부터 표시 화상의 시각적 인식을 허상으로서 가능하게 하는 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.

특허문헌 1: JP 2010-139927 A

특허문헌 2: JP 2009-205102 A (US 2009/0219615 A1)

예를 들면, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 스크린의 결상면(image formation face)에 형성된 표시 화상을 광학 반사면을 이용하여 의해 반사시켜서 차량의 윈드실드에 표시 화상을 투영하는 헤드업 디스플레이 장치가 알려져 있다. 최근 들어, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 스크린은 특허문헌 2에 개시된 구성을 채용하고 있다.

도 9를 참조하면, 특허문헌 2의 투사용 스크린(130)은 기준면(reference face)으로도 불리우는 xy-좌표면에 격자 패턴으로 배열된 복수의 볼록 렌즈(132)를 포함한다. 상기 볼록 렌즈(132)는 결상면에 입사한 광을 반사 또는 굴절시켜서 미리 결정된 확산 각도로 상기 광을 출사시킨다. 특허문헌 2에 개시된 스크린(130)을 채용하는 특허문헌 1에 개시된 헤드업 디스플레이 장치의 구성은 시인 영역의 전체에 도달하며 이를 커버하도록 상기 결상면에 형성된 표시 화상의 광 확산을 정확하게 제어한다. 상기 표시 화상은 허상으로서 선명하게 시인될 수 있다. 따라서, 특허문헌 2의 스크린(130)은 높은 표시 품질을 갖는 헤드업 디스플레이 장치에 적합하게 채용될 수 있다.

본 발명자들은 특허문헌 1, 2의 기술을 조합한 구성에서 다음의 이점을 발견하였다. 즉, 특허문헌 2의 스크린(130)은 필수적으로 홈(139)을 갖고, 상기 홈의 각각은 인접한 볼록 렌즈(132) 사이에 리세스된 곡면을 갖는다. 상기 볼록 렌즈(132)의 곡면의 곡률은 충분히 작을 수 있지만, 상기 홈(139)의 리세스된 곡면은 유감스럽게도 상당히 커지게 된다. 따라서, 상기 홈(139)의 리세스된 곡면은 기준면에 대하여, 즉 상기 스크린(130)의 xy-좌표면에 대하여 크게 경사진다. 이는 상기 홈(139)의 리세스된 곡면에 수직한 법선이 상기 기준면에 직교하는 z축에 대하여 상당히 경사지게 한다. 여기서, 상기 스크린의 z축은 스크린의 방위를 변경함으로써 상기 반사면 전체의 외측의 위치로 향할 수 있다. 그러나, 상기 홈(139)의 리세스된 곡면에 수직한 법선은 유감스럽게도 상기 반사면의 내측의 위치에 이르게 될 수 있다.

이러한 구성은 다음의 상황을 야기한다. 예를 들어, 윈드실드를 통과한 외광이 상기 반사면에 입사되어 상기 스크린을 향해 반사될 수 있다. 또한, 상기 스크린의 홈은 외광의 일부를 난반사시켜 상기 반사면을 향해 복귀시킬 수 있다. 그리고 나서, 상기 반사면은 스크린으로부터 복귀되는 외광을 표시 화상의 광과 함께 윈드실드에 투영할 수 있다. 그 결과, 상기 외광은 시인 영역으로부터 시인되는 허상에 유감스럽게도 반사될 수 있다.

본 발명의 목적은 허상의 표시 품질을 향상시키면서 표시 화상의 허상에 외광의 반사를 억제하는 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 헤드업 디스플레이 장치는 다음과 같이 제공된다. 상기 장치는 표시 부재의 투영면에 표시 화상을 투영하여 시인 영역으로부터 허상으로서 상기 표시 화상의 시각적 인식을 달성한다. 상기 장치는 스크린 부재 및 광학 장치를 포함한다. 상기 스크린 부재는 표시 화상을 형성하는 결상면을 포함한다. 상기 광학 장치는 스크린 부재와 분리되게 배치되고, 상기 결상면에 의해 형성되는 표시 화상을 받아서 반사시키는 반사면을 포함하여 상기 표시 화상의 투영면으로 투영한다. 상기 스크린 부재와 광학 장치는 서로 직각으로 교차하는 x축, y축, z축을 갖는 미리 결정된 3차원 공간에 배치된다. 여기에서, 상기 결상면은 x축과 y축을 따르는 복수의 볼록부 및 복수의 오목부를 포함한다. 상기 볼록부와 오목부의 각각은 x축을 따르는 미리 결정된 제1 길이 및 y축을 따르는 미리 결정된 제2 길이를 갖는다. 상기 볼록부와 오목부는 상기 x축과 y축의 각각을 따라 하나의 볼록부가 하나의 오목부와 교호하도록 배치되는 격자 어레이로 배치된다. 상기 결상면의 가상 기준면은 상기 볼록부가 가상 기준면으로부터 볼록한 볼록면을 가지며 상기 오목부가 가상 기준면으로부터 오목한 오목면을 갖도록 규정된다. 상기 가상 기준면의 임의의 위치와 수직한 수직선이 상기 광학 장치의 반사면의 외측을 통과하도록 상기 스크린 부재와 광학 장치가 배치된다.

상기 구성에 의하면, 상기 결상면에서, 상기 가상 기준면으로부터 볼록한 볼록면을 각각 갖는 볼록부 및 상기 가상 기준면으로부터 오목한 오목면을 각각 갖는 오목부가 x축과 y축을 따라 미리 결정된 길이를 각각 가지면서 서로 반복적으로 교호하도록 배치된다. 이는, 볼록부만을 갖는 결상면의 구성에 비해, 상기 볼록부와 오목부의 곡면의 곡률이 효과적으로 작아지게 하는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 상기 가상 기준면에 대한 볼록부와 오목부의 경사가 결상면 전체에 걸쳐 효과적으로 감소될 수 있다. 따라서, 상기 결상면의 임의의 위치와 수직한 법선 및 동일한 위치에서 상기 가상 기준면과 수직한 수직선 사이의 차이는 상당히 작아지게 된다.

따라서, 상기 표시 부재의 투영면을 통과하는 외광은 광학 장치의 반사면에 입사하여 상기 결상면으로 반사될 수 있고; 이후, 상기 외광은 결상면에 의해 반사될 수 있지만, 상기 반사면으로 다시 입사할 수 없다. 이는 상기 외광이 시인 영역으로부터 시인되는 허상에 반사되도록 상기 반사면에 의해 반사된 외광이 상기 표시 화상의 광과 함께 상기 표시 부재의 투영면으로 투사되는 상황의 발생을 억제한다. 또한, 상기 허상의 표시 품질은 볼록부와 오목부의 광 확산 기능에 의해 더 향상된다.

본 발명의 상기 목적과 그 이외의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 다음의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의한 헤드업 디스플레이 장치의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 레이저 스캐너의 구성 및 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 스크린의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 라인에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 V-V 라인에 따른 단면도이다.
도 6은 스크린의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 결상면에 수직한 법선이 반사면의 외측 위치를 향하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 외광이 반사면의 외측을 향해 반사되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 종래 기술에 따른 스크린의 결상면의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

(기본 구성)

본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(100)는, 예를 들면 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)가 장착되는 차량인 호스트 차량의 계기판에 수용되어 있다. 상기 호스트 차량은 "차량"으로만 불리울 수 있다. 헤드업 디스플레이 장치(100)는 차량의 윈드실드(90)와 같은 표시 부재에 표시 화상(71)을 투영하여, 미리 결정된 아이 박스(eye box)(60)로부터 표시 화상(71)의 허상(70)의 시각적 인식을 달성할 수 있다. 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)에 의해 윈드실드(90)의 차량실측의 투영면(91)에 표시 화상(71)이 투영된다. 상기 차량실로부터 오목하게 만곡된 투영면(91)에 상기 표시 화상(71)의 광이 투영된다. 그리고 나서, 상기 투영면(91)은 아이 박스(60)를 향해서 광을 반사시킨다. 상기 표시 화상의 광을 시각적으로 인식하는 운전자와 같은 시인자(viewer)의 안점(eye point)(61)에 상기 광이 도달한다. 상기 표시 화상(71)의 광을 인지하는 시인자는 윈드실드(90)의 전방 위치에 결상된 상기 표시 화상(71)의 허상(70)을 시인한다.

상기 투영면(91)에 투영된 표시 화상(71)은 차량의 수직 방향보다도 수평 방향으로 연장되는 장방형인 넓은 화상이다. 상기 수평 방향은 차량 폭 방향으로 불리울 수 있고; 상기 수직 방향은 차량 높이 방향으로 불리울 수 있다. 이는 시인자의 안점(61)이 수직 방향보다도 수평 방향으로 용이하게 이동할 수 있기 때문이다. 상기 표시 화상(71)은 호스트 차량의 주행 속도, 네비게이션 장치에 의한 주행 방향의 지시, 및 호스트 차량과 관련된 경고에 대한 화상을 포함한다.

도 1을 참조하면, 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)는 레이저 스캐너(10), 스크린(30), 및 오목경(40)을 포함한다.

상기 레이저 스캐너(10)는 수직 방향으로 스크린(30)을 통하여 상기 투영면(91)과는 정반대로 배치된다. 또한, 도 2를 참조하면, 상기 레이저 스캐너(10)는 광원(13), 광학부(20), MEMS(micro electro mechanical system; 미소 전기 기계 시스템) 미러부(26), 및 컨트롤러(11)를 포함한다.

상기 광원(13)은 3개의 레이저 투사부(14, 15, 16)를 포함한다. 상기 레이저 투사부(14, 15, 16)는 서로 상이한 주파수, 즉 상이한 색 위상의 레이저 광을 각각 투사한다. 구체적으로, 상기 레이저 투사부(14)는 적색의 레이저 광을 투사한다. 상기 레이저 투사부(15)는 청색의 레이저 광을 투사한다. 상기 레이저 투사부(16)는 녹색의 레이저 광을 투사한다. 이러한 상이한 색 위상의 레이저 광은 다양한 색상을 재현하기 위하여 혼합된다. 상기 레이저 투사부(14, 15, 16)는 컨트롤러(11)와 개별적으로 접속된다. 각 레이저 투사부(14, 15, 16)는 컨트롤러(11)로부터의 제어 신호에 기초하여 대응하는 색 위상의 레이저 광을 투사한다.

상기 광학부(20)는 3개의 콜리메이터 렌즈(collimating lens)(21), 다이크로익 필터(dichroic filter)(22, 23, 24), 및 집광 렌즈(25)를 포함한다. 상기 3개의 콜리메이터 렌즈(21)는 레이저 투사부(14, 15, 16)의 레이저 광의 투사 방향으로 각각 위치된다. 상기 콜리메이터 렌즈(21)는 레이저 광을 굴절시켜서 평행 광을 발생시킨다.

상기 다이크로익 필터(22, 23, 24)는 콜리메이터 렌즈(21)를 통하여 상기 레이저 투사부(14, 15, 16)의 투사 방향으로 각각 위치된다. 상기 레이저 투사부(14)의 투사 방향으로 위치된 다이크로익 필터(22)는 적색 위상을 제공하는 주파수의 광을 투과시키고, 상기 적색 위상을 제공하는 주파수 이외의 주파수의 광을 반사시킨다. 상기 레이저 투사부(15)의 투사 방향으로 위치된 다이크로익 필터(23)는 청색 위상을 제공하는 주파수의 광을 투과시키고, 상기 청색 위상을 제공하는 주파수 이외의 주파수의 광을 반사시킨다. 상기 레이저 투사부(16)의 투사 방향으로 위치된 다이크로익 필터(24)는 녹색 위상을 제공하는 주파수의 광을 투과시키고, 상기 녹색 위상을 제공하는 주파수 이외의 주파수의 광을 반사시킨다. 상기 다이크로익 필터(22, 23, 24)는 상기 레이저 투사부(14, 15, 16)에 의해 투사된 레이저 광이 상기 집광 렌즈(25)에 도달되게 한다.

상기 집광 렌즈(25)는 평면 입사면 및 볼록 출사면을 갖는 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)이다. 상기 집광 렌즈(25)는 입사면에 입사하는 레이저 광을 굴절시켜서 수렴한다. 상기 집광 렌즈(25)를 통과한 레이저 광은 스크린(30)의 결상면(31)에 포커싱된다.

상기 MEMS 미러부(26)는, 예를 들어 수평 스캐너 유닛(27) 및 수직 스캐너 유닛(28)을 포함한다. 상기 수평 스캐너 유닛(27)과 수직 스캐너 유닛(28)은 컨트롤러(11)와 접속된다. 상기 수평 스캐너 유닛(27)과 수직 스캐너 유닛(28)은 회전축(27a, 28a) 및 알루미늄과 같은 금속의 기상-증착된 박막으로 형성된 MEMS 반사면(27b, 28b)을 각각 포함한다.

상기 수평 스캐너 유닛(27)은 상기 MEMS 반사면(27b)이 광학부(20)와 수직 스캐너 유닛(28) 모두와 대향하도록 배치된다. 상기 MEMS 반사면(27b)은 수직 방향으로 연장되는 회전축(27a)에 의해 지지되고, 상기 회전축(27a)을 중심으로 회전가능하게 된다. 상기 수평 스캐너 유닛(27)은 컨트롤러(11)로부터의 구동 신호에 기초하여 회전축(27a)을 중심으로 상기 MEMS 반사면(27b)을 회전시키는 구동부를 갖는다.

이에 반해서, 상기 수직 스캐너 유닛(28)은 상기 MEMS 반사면(28b)이 수평 스캐너 유닛(27)의 MEMS 반사면(27b) 및 스크린(30)과 대향하도록 배치된다. 상기 MEMS 반사면(28b)은 수평 방향으로 연장되는 회전축(28a)에 의해 지지되고, 상기 회전축(28a)을 중심으로 회전가능하게 된다. 상기 수직 스캐너 유닛(28)은 컨트롤러(11)로부터의 구동 신호에 기초하여 회전축(28a)을 중심으로 상기 MEMS 반사면(28b)을 회전시키는 구동부를 갖는다.

상기 컨트롤러(11)는 프로세서를 포함하며, 상기 레이저 투사부(14, 15, 16) 및 스캐너 유닛(27, 28)과 접속된다. 상기 컨트롤러(11)는 제어 신호를 출력하여 상기 레이저 투사부(14, 15, 16)에 펄스 레이저 광을 간헐적으로 방출한다. 또한, 상기 컨트롤러(11)는 스캐너 유닛(27, 28)에 구동 신호를 출력하여 상기 MEMS 반사면(27b, 28b)이 도 2에 도시된 주사선(SL)을 달성하기 위하여 상기 레이저 광의 방향을 제어하게 한다.

상기 구성에 따르면, 상기 레이저 스캐너(10)는 컨트롤러(11)의 제어 하에 상기 스크린(30)의 결상면(31)에 표시 화상(71)로서 형성되거나 결상되는 광을 투사한다. 구체적으로, 상기 레이저 광은 스크린(30)의 결상면(31)에 표시 화상(71)을 그리기 위하여 화소에 대응하는 점(dot)으로 주사되거나 투사된다.

도 1 및 2를 참조하면, 상기 스크린(30)은 유리와 같은 기재의 전면에 알루미늄 등을 기상-증착시킴으로써 형성되는 반사형이다. 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 알루미늄과 같은 기상-증착된 금속의 박막으로 형성된다. 상기 결상면(31)은 레이저 스캐너(10)로부터 투사되는 레이저 광으로 상기 표시 화상(71)을 형성한다.

도 1을 참조하면, 상기 오목경(40)은 유리와 같은 기재의 전면에 알루미늄 등을 기상-증착시킴으로써 형성된다. 상기 오목경(40)은 스크린(30)의 수평 방향으로 위치된다. 상기 오목경(40)은 스크린(30)의 결상면(31)에 의해 반사되는 레이저 광을 상기 윈드실드(90)의 투영면(91)을 향해서 반사시키는 반사면(41)을 갖는다. 상기 반사면(41)은 매끄러운 만곡된 볼록면을 갖고, 상기 볼록면의 중앙부는 결상면(31) 및 투영면(91) 모두와 대향된다. 상기 반사면(41)은 결상면(31)에 의해 반사된 표시 화상(71)을 반사 및 확대시키고, 이에 의하여 상기 투영면(91)에 표시 화상(71)을 투영한다. 상기 반사면(41)은 수평 방향으로와 수직 방향으로의 사이에서 표시 화상(71)의 서로 상이한 두 확대율을 갖는 만곡부를 갖는다. 구체적으로, 상기 표시 화상(71)이 수직 방향보다도 수평 방향으로 더 크게 확대되도록 상기 수평 방향으로의 만곡부는 수직 방향으로의 만곡부보다 더 크게 이루어진다.

(특징적 구성)

다음에는 본 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(100)의 특징적 구성을 설명할 것이다. 도 3 내지 5를 참조하면, 상기 스크린(30)은 이른바 마이크로 미러 어레이(micro mirror array)이다. 상기 스크린(30)의 결상면(31)은 미리 결정된 개수의 미소한 볼록부(32) 및 미리 결정된 개수의 미소한 오목부(33)를 포함하고; 상기 볼록부(32)및 오목부(33)는 동시에 레이저 광을 확산시키면서 상기 반사면(41)으로 레이저 광을 반사시킨다. 도 3은 간단한 설명을 위해 스크링의 일부만을 도시하고 있다. 상기 볼록부(32)와 오목부(33)는 Px의 길이를 각각 갖고, 상기 결상면(31)의 가상 기준면(RF)의 x축을 따라 서로 반복적으로 교호되게 배열된다. 이에 반해서, 상기 볼록부(32)와 오목부(33)는 Py의 길이를 각각 갖고, 가상 기준면(RF)의 y축을 따라 서로 반복적으로 교호되게 배열된다. 여기서, 도 4 및 5를 참조하면, 상기 가상 기준면(RF)은 볼록부(32)와 오목부(33)를 서로 교호시킴으로써 형성되는 상하 파형을 상기 스크린(30)의 결상면(31) 내에서 상부와 하부로 구획하는 것으로 규정된다. 또한, 본 실시예에서, 상기 가상 기준면(RF)은 평면이고 x축과 y축에 의해 규정된 xy-좌표면과 평행하다. 상기 볼록부(32)는 결상면(31)에서 가상 기준면(RF)으로부터 돌출된 볼록한 형상이다. 상기 오목부(33)는 결상면(31)에서 가상 기준면(RF)으로부터 우묵하게 들어간 오목한 형상이다. 또한, 도 1을 참조하면, 상기 가상 기준면(RF)은 레이저 스캐너(10)부터 스크린(30)을 통하여 오목경(40)으로 진행하기 위한 광축을 명시하기 위하여 스크린(30)의 결상면(31)의 방위나 방향을 결정하기 위한 기준으로서 사용된다.

x축을 따르는 볼록부(32) 및 오목부(33) 각각의 길이(Px)는 y축을 따르는 볼록부(32) 및 오목부(33) 각각의 길이(Py)보다 크다. 상기 볼록부(32)와 오목부(33)의 zx 단면에서의 만곡부의 곡률은 상기 볼록부(32)와 오목부(33)의 yx 단면에서의 만곡부의 곡률보다 작다. 그러므로, 상기 결상면(31)에 의해 반사된 광의 zx-좌표면에서의 확산 각도(θdx)는 yz-좌표면에서의 확산 각도(θdy)보다 작다.

상기 zx 단면 및 yz 단면에서 상기 볼록부(32)와 오목부(33)의 만곡부는 중앙에 가상 기준면(RF)이 있는 정현파의 파형을 갖는다. 이러한 구성은 정현파 마이크로 렌즈 어레이로 불리울 수 있다. 상기 볼록부(32)와 오목부(33)는 동일한 만곡부를 갖고; 즉, 이들은 천이부(transition portion)(38)에 대하여 대칭되게 배치된다. 상기 정현파 마이크로 렌즈 어레이의 단면 형상은 인접하는 볼록부(32)와 오목부(33) 사이에 있는 천이부(38)가 난반사를 야기하지 않을 수 있는 원활하고 원만한 경사면이 되게 한다. 또한, 상기 천이부(38)는 가상 기준면(RF)에 대하여 최대 경사각을 갖는 최대 경사부(38)로 나타낼 수 있다. 상기 최대 경사부(38)의 경사각의 감소는 모든 오목부(33)와 볼록부(32)의 임의의 위치에서 가상 기준면(RF)에 대한 경사의 감소를 상기 결상면(31)의 전체에서 발생시킨다.

도 6 에 도시된 바와 같이, 상기 스크린(30)은 반사면(41)의 하부 에지 위치(Mb)보다 낮은 구역과 반대되게 x축을 중심으로 상기 결상면(31)의 가상 기준면(RF)을 회전시키기 위한 자세를 갖도록 헤드업 디스플레이 장치(100)의 하우징(80)에 수용된다. 즉, 상기 결상면(31) 내에서 가상 기준면(RF)에 수직한 임의의 수직선은 z축을 따르고 있고 상기 반사면(41)의 외측 구역과 반대되거나 이 구역을 향하고 있다. 설명의 편의상, 도 6에서의 결상면(31)은 y축을 따라 상부 에지 위치(St), 중앙 위치(Sc), 및 하부 에지 위치(Sb)를 갖는 것으로 상정된다. 또한, 수직선(Dzt)은 z축을 따라 있도록 규정되며 상기 상부 에지 위치(St)에서 가상 기준면(RF)과 수직하고; 수직선(Dzc)은 z축을 따라 있도록 규정되며 상기 중앙 위치(Sc)에서 가상 기준면(RF)과 수직하고; 수직선(Dzb)은 z축을 따라 있도록 규정되며 상기 하부 에지 위치(Sb)에서 가상 기준면(RF)과 수직하다. 모든 수직선(Dzt, Dzc, Dzb)은 상기 반사면(41)의 외측 구역을 향하고 있고, 즉 상기 반사면(41)의 임의의 표면부에 이르지 않는다.

전술한 바와 같이, 상기 최대 경사부(38)는 본 실시예에 따른 전술한 정현파 마이크로 렌즈 어레이를 채용함으로써 상기 가상 기준면(RF)에 대하여 상당히 작은 경사를 갖도록 제공된다.

따라서, 본 실시예는 상기 결상면(31)으로부터 반사면(41)으로 다시 반사된 외광(OL)이 상기 표시 화상(71)의 레이저 광과 함께 상기 투영면(91)으로 투사되는 것을 방지하는데 도움을 준다. 이는 마이크로 미러 어레이를 갖는 스크린(30)의 광 확산 기능을 이용하여 상기 허상(70)의 질을 향상시키면서 상기 아이 박스(60)로부터 시인되는 표시 화상(71)에 상기 외광(OL)의 반사를 억제한다.

또한, 본 실시예에 따른 선택적 특징적인 광학 구성이 다음과 같이 설명될 것이다. 여기에서, 상기 최대 경사부(38)를 전제로 한, 상기 결상면(31)의 상부 에지 위치(St)로부터 z축에서의 수직선(Dzt)은 다른 수직선(Dzc, Dzb)보다 상기 반사면(41)에 더 가깝다. 또한, 도 7을 참조하면, 법선(Dnt)은 상부 에지 위치(St)에서 결상면(31)에 수직한 법선으로서 규정된다. 상기 상부 에지 위치(St)가 최대 경사부(38)와 대응하므로 상기 법선(Dnt)은 결상면(31)에 수직한 다른 법선 중에서 상기 오목경(40)의 반사면(41) 내의 표면부에 이를 큰 가능성을 갖는다.

바람직하게, 본 실시예에 따른 정현파 마이크로 렌즈 어레이는 y축에서의 상부 에지 위치(St)에서의 최대 경사부(38)에서 상기 z축(Dzt)에 대하여 법선(Dnt)의 경사(θn_Max)를 더 고려하여 조정될 수 있다. 즉, 상기 법선(Dnt)은 반사면(41)의 외측 구역을 향하도록 설계되고, 즉 상기 반사면(41)의 임의의 표면부에 이르지 않는다. 따라서, 상기 결상면(31)에 수직한 모든 법선은 상기 반사면(41)의 외측 구역을 향하도록, 즉 상기 반사면(41)의 임의의 표면부에 이르지 않도록 제공된다.

도 6을 참조하여, 다음은 외광의 반사를 구체적으로 설명할 것이다. 상기 윈드실드(90)를 통과하는 외광(OL)은 하우징(80)의 투광성 아크릴 패널의 개구부(81)를 더 통과하여 상기 반사면(41)에 입사할 수 있다. 또한, 외광(OL)은 도 6에 도시된 방향과 다른 방향으로부터 상기 반사면(41)에 입사할 수 있다. 설명의 편의상, 상기 반사면(41)의 상부 에지 위치는 Mt로 나타내고; 중앙 위치는 Mc로 나타내고; 하부 에지 위치는 Mb로 나타낸다. 상기 외광(OL)은 반사면(41)의 위치(Mt, Mc, Mb)의 각각으로부터 상기 결상면(31)의 위치(St, Sc, Sb) 중 임의의 하나를 향해 나아간다.

도 8을 참조하면, (i) 입사광과 (ii) 상기 최대 경사부(38)를 전제로 한, 상기 결상면(31)의 상부 에지 위치(St)에 수직한 법선(Dnt) 사이에 형성된 각도로 입사각이 규정된다. 상기 반사면(41)의 하부 에지 위치(Mb)에서 반사된 외광(OLb)이 상기 결상면(31)의 상부 에지 위치(St)에 입사할 때 입사각(θib)이 형성되고; 상기 반사면(41)의 상부 에지 위치(Mt)에서 반사된 외광(OLb)이 상기 결상면(31)의 상부 에지 위치(St)에 입사할 때 (θit)이 형성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 외광(OLb)은 외광(OLt)보다 반사면(41)에 가까운 위치로 반사된다. 그러나, 상기 법선(Dnt)이 반사면(41)의 외측 위치를 향하므로, 상기 상부 에지 위치(St)에 입사하는 외광(OLb)도 수직선(Dnt)에 비해 상기 반사면(41)의 하부 위치(Mb)로부터 더 먼 위치를 향해 반사된다. 또한, yz-좌표면에서 최대 경사부(38)인 상부 에지 위치(St)에서의 각도(θrs)는 (i) 접선(dt)과 (ii) 상기 반사면(41)의 임의의 위치로부터의 직선 사이에 형성되는 것으로 규정된다. 이러한 각도(θrs)가 90도보다 큰 경우, 상기 오목경(40)의 반사면(41)에 의해 반사된 후에 상기 스크린(30)의 결상면(31)에 의해 반사되는 임의의 외광(OL)은 상기 반사면(41)의 외측 위치를 향할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 상기 결상면(31)에 도달하여 입사하는 외광(OL)은 상기 반사면(41)의 외측 위치를 향하거나 이로부터 출사되게 확실히 반사되어, 상기 외광(OL)이 표시 화상(71)의 광과 함께 투영면(91)에 투영되는 상황을 더 회피하며 상기 아이 박스(60)로부터 시인되는 허상(70)에 상기 외광(OL)의 반사를 더 억제한다.

또한, 광을 반사시키는 구성을 갖는 결상면(31)은 광을 굴절시키는 구성을 갖는 결상면에 비해, 상기 볼록부(32)와 오목부(33)의 곡률을 작게 유지하면서 넓은 확산 각도를 획득한다. 이는 가상 기준면(RF)에 대한 오목부(33)와 볼록부(32)의 경사를 감소시키고; 즉, 이는 (i) 상기 최대 경사부(38)에 수직한 법선(Dnt)과 (ii) 상기 최대 경사부(38)에서 가상 기준면(RF)에 수직한 수직선 또는 z축(Dzt) 사이의 경사(θn_Max)를 감소시킨다.

상기 레이저 스캐너(10)는 프로젝터로 나타낼 수 있다. 상기 스크린(30)은 스크린 부재로 나타낼 수 있다. 상기 오목경(40)은 광학 장치로 나타낼 수 있다. 상기 아이 박스(60)는 시인 영역으로 나타낼 수 있다. 상기 윈드실드(90)는 표시 부재로 나타낼 수 있다.

(다른 실시예)

지금까지, 본 발명에 일 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 구현될 수 있다.

상기 실시예는, 비제한적인 예로서, 상기 스크린(30)이 결상면(31)을 통하여 레이저 광을 확산시키면서 동시에 상기 반사면(41)으로 레이저 광을 반사시키는 반사형인 마이크로 미러 어레이를 설명하였다. 다른 예로는 상기 스크린(30)이 결상면(31)을 통하여 레이저 광을 굴절 및 동시에 확산시키고, 상기 반사면(41)으로 레이저 광을 향하게 하는 반사형인 마이크로 렌즈 어레이일 수 있다.

상기 실시예는, 프로젝터로서, 레이저 광의 주사에 의해 상기 결상면(31)에 표시 화상(71)을 결상시키는 레이저 스캐너(10)를 채용하였다. 상기 결상면에 표시 화상을 결상할 수 있는 한 임의의 프로젝터가 채용될 수 있다. 프로젝터의 다른 비제한적인 예로는 액정 표시 장치(LCOS; liquid crystal on silicon) 또는 디지털 미러 장치(DMD; digital mirror device)일 수 있고, 이는 광원 및 렌즈를 포함하고 상기 스크린(30)의 가상 기준면(RF)에 수직한 수직선에 대하여 상기 반사면(41)과 정반대인 위치로부터 상기 마이크로 미러 어레이의 결상면(31)에 광을 투사한다.

상기 LCOS는 실리콘 기판과 투광 기판 사이에 액정층을 개재함으로써 형성된다. 상기 액정층은 복수의 화소로 형성된다. 상기 실리콘 기판에 액정을 구동하는 회로 및 광을 반사하는 전극이 제공된다. 상기 광원으로부터의 광은 투광 기판 및 액정층을 통과한다. 그리고 나서, 상기 광은 실리콘 기판의 전극에 의해 반사되어, LCOS에서 출사한다. 상기 액정층이 표시 화상이 되는 원 화상(original image)을 형성하는 경우, 상기 LCOS는 결상면에 결상되는 광을 투사할 수 있다.

상기 DMD는 기판에 배열된 복수의 미소한 미러면(microscopic mirror face)으로 형성된다. 상기 각 미소한 미러면은 화소를 형성한다. 상기 각 미소한 미러면은 제어 신호에 기초하여 경사각을 변화시킬 수 있다. 상기 광원으로부터의 광은 각 미소한 미러면에 의해 반사된다. 상기 DMD는 각 미소한 미러면의 경사각을 제어함으로써 화상을 형성한다. 상기 DMD는 결상면에 결상되는 광을 투사할 수 있다.

상기 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 가상 기준면(RF)의 ｚ축은 상기 반사면(41)의 아래 위치를 향하고 있다. 그러나, z축이 반사면(41)의 외측 위치를 향할 수 있는 한, 상기 z축의 방향은 반사면(41)의 아래 위치로 제한될 필요가 없다. 예를 들면, 상기 레이저 스캐너(10)가 스크린(30)의 수평 방향으로 배치되는 경우를 상정할 수 있다. 이 경우, 상기 z축 또는 상기 결상면의 가상 기준면과 수직한 수직선은 (i) 상기 오목경(40)의 반사면(41)과 (ii) 상기 레이저 스캐너(10) 사이에서 수평 방향으로 향하는 것이 바람직하다. 상기 레이저 스캐너(10)로부터 가장 먼 결상면(31)의 에지 위치에 대한 zx-좌표면에서의 법선은 상기 오목경(40)과 레이저 스캐너(10) 사이에 있는 위치를 향한다.

상기 실시예에서, 상기 결상면(31)은 정현파의 단면 형상을 형성하는 볼록부(32)와 오목부를 포함한다. 그러나, 상기 볼록부와 오목부 사이의 천이부가 원활할 수 있는 한, 상기 결상면의 형상은 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 볼록부와 오목부는 포물선을 형성할 수 있다. 또한, 상기 볼록부(32)와 오목부(33)는 천이부(38)에 대하여 대칭이 아닐 수 있다. 또한, 상기 오목부의 길이는 볼록부의 길이와 약간 다를 수 있다. 또한, 상기 볼록부(32)와 오목부(33)의 각각의 x축을 따르는 길이(Px)는 y축을 따르는 길이(Py)와 같거나 작을 수 있다. 또한, 상기 Px와 Py는 광학 장치 및/또는 아이 박스의 구성의 형상이나 크기에 따라 적절하게 변화될 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 오목경(40)은 광학 장치의 단일 구성요소이다. 상기 광학 장치는, 예를 들어 반사경과 렌즈의 조합과 같이 하나의 렌즈보다 많은 요소로 형성될 수 있다. 또한, 상기 광학 장치에 포함된 반사경은 평면경 또는 볼록경일 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 결상면(31)의 가상 기준면(RF)은 평면이고, 즉 xy-좌표면과 평행하다. 그러나, 헤드업 디스플레이 장치는 허상의 3차원 왜곡을 보정하기 위한 만곡부를 결상면에 제공할 수 있다. 이러한 장치에서, 상기 결상면의 가상 기준면은 만곡될 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 윈드실드(90)는 표시 부재로서 사용된다. 그러나, 투영면을 형성하는 표시 부재는 윈드실드(90)로 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 표시 부재는 윈드실드(90)의 차량실측에 적층된 투광성 재료로 구성된 컴바이너(combiner)일 수 있다. 이러한 컴바이너는 대안적으로 윈드실드(90)와 분리된 다른 부품으로 제공될 수 있다.

상기 실시예에서, 두개의 스캐너 유닛(27, 28)이 구비된 MEMS 미러부(26)가 레이저 광을 주사하는데 사용된다. 대안적으로, MEMS 미러부는 수평 스캐너 유닛(27)과 수직 스캐너 유닛(28)을 대체하기 위하여 2차원 주사를 수행하도록 두개의 상이한 가동 샤프트에 대하여 이동되는 단일의 반사면을 갖도록 제공될 수 있다.

상기 실시예에서, 상기 헤드업 디스플레이 장치(100)는 차량에 장착되며 상기 차량의 윈드실드(90)에 표시 화상(71)을 투영한다. 본 발명은 수송 장치에 제공되게 그리고 상기 표시 화상(71)의 허상(70)을 시인자가 시인할 수 있게 달성되는 헤드업 디스플레이 장치에 적용할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

본 명세서에 기재된 발명의 관점이 이미 전술한 요약부에서 설명되었지만, 이에 대하여 추가적으로 선택적인 관점이 다음과 같이 부과될 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 선택적인 관점으로서, 상기 스크린 부재의 결상면에서 볼록부의 볼록면과 오목부의 오목면 상의 임의의 위치와 수직한 법선이 상기 광학 장치의 반사면의 외측을 통과하도록 상기 스크린 부재와 광학 장치가 배치될 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 상기 결상면에 입사하는 외광이 상기 반사면의 외측 위치를 향해 확실하게 반사되거나 상기 반사면으로부터 출사되도록 상기 결상면의 임의의 위치와 수직한 법선은 상기 반사면의 외측 위치를 향하게 된다. 상기 투영면으로 외광의 투사는 상기 외광이 시인 영역으로부터 시인되는 허상에 반사되는 상황의 발생을 더 억제하여 확실하게 회피될 수 있다.

다른 선택적인 관점으로서, 상기 결상면에 표시 화상으로서 형성되는 광을 투사하도록 프로젝터가 더 포함될 수 있다. 여기에서, 상기 결상면은 광을 확산시키면서 동시에 프로젝터로부터의 광을 상기 광학 장치의 반사면으로 반사시킬 수 있다.

일반적으로, 상기 결상면은 표시 화상의 광을 반사 또는 굴절시킴으로써 상기 반사면을 향해 표시 화상의 광을 출사시킬 수 있다. 상기 구성에 의하면, 상기 광이 볼록부와 오목부에 의해 반사되도록 상기 결상면은 반사하는 유형이다. 상기 반사하는 유형의 결상면은, 굴절하는 유형의 결상면에 비해, 상기 볼록부와 오목부의 곡률이 작게 되는 것을 가능하게 하면서 넓은 광 확산 각도를 획득할 수 있다. 그러므로, 상기 가상 기준면에 대한 볼록부와 오목부의 경사는 더 감소될 수 있고; 결국, 동일한 위치에서 상기 가상 기준면과 수직한 수직선에 대하여 상기 결상면의 임의의 위치와 수직한 법선의 경사는 더 감소된다.

상기 투영면으로 외광의 투사는 상기 외광이 시인 영역으로부터 시인되는 허상에 반사되는 상황의 발생을 더 억제하여 확실하게 회피될 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 바람직한 실시예 및 구성에 제한되는 것은 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경 및 동등한 배열을 커버하도록 의도된다. 또한, 다양한 조합 및 구성, 바람직하게는 많거나 적은 또는 단일의 요소만을 포함하는 다른 조합 및 구성이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있다.

Claims

표시 부재(90)의 투영면(91)에 표시 화상(71)을 투영하여 시인 영역(60)으로부터 허상(70)으로서 표시 화상(71)의 시각적 인식을 달성하기 위한 헤드업 디스플레이 장치(100)이며,
상기 표시 화상을 형성하는 결상면(31)을 포함하는 스크린 부재(30); 및
상기 스크린 부재와 분리되게 배치되는 광학 장치(40)로서, 상기 광학 장치는 결상면에 의해 형성되는 표시 화상을 받아서 반사시키는 반사면(41)을 포함하여 상기 표시 화상의 투영면으로 표시 화상을 투영하는, 광학 장치(40)를 포함하고,
상기 스크린 부재와 광학 장치는 서로 직각으로 교차하는 x축, y축, z축을 갖는 미리 결정된 3차원 공간에 배치되고,
상기 결상면은 x축과 y축을 따르는 복수의 볼록부(32) 및 복수의 오목부(33)를 포함하고,
상기 볼록부와 오목부의 각각은 x축을 따르는 미리 결정된 제1 길이 및 y축을 따르는 미리 결정된 제2 길이를 갖고,
상기 볼록부와 오목부는 상기 x축과 y축의 각각을 따라 하나의 볼록부가 하나의 오목부와 교호하도록 배치되는 격자 어레이로 배치되고,
상기 결상면의 가상 기준면(RF)은 상기 볼록부가 가상 기준면으로부터 볼록한 볼록면을 가지며 상기 오목부가 가상 기준면으로부터 오목한 오목면을 갖도록 규정되고,
상기 가상 기준면의 임의의 위치와 수직한 수직선이 상기 광학 장치의 반사면의 외측을 통과하도록 상기 스크린 부재와 광학 장치가 배치되는,
헤드업 디스플레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 스크린 부재의 결상면에서 상기 볼록부의 볼록면 및 상기 오목부의 오목면 상의 임의의 위치와 수직한 법선이 상기 광학 장치의 반사면의 외측을 통과하도록 상기 스크린 부재와 광학 장치가 배치되는
헤드업 디스플레이 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 결상면에서 표시 화상으로서 형성되는 광을 투사하기 위한 프로젝터(10)를 더 포함하고,
상기 결상면은 상기 프로젝터로부터의 광을 광학 장치의 반사면으로 반사시키면서 동시에 광을 확산시키는
헤드업 디스플레이 장치.