KR20170136807A - 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학적 효율 저하를 개선할 수 있는 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것으로, 차량의 윈드쉴드에 주행정보를 출력하는 LCD(Liquid Crystal display)와 광원인 LED(Light Emitting Diode)를 구비하고, 운전자의 눈부심을 저감시키도록, 상기 LCD와 함께 틸트 각도로 틸트되어 있는 화상 생성 장치; 상기 LCD의 출사면 위에 배치되고, 상기 LCD를 투과한 상기 LED의 빛을 상기 LCD의 출사면의 법선 방향으로 출사시키는 비대칭 프리즘; 상기 비대칭 프리즘을 경유한 빛을 반사시키도록 상기 비대칭 프리즘의 전방 위치에 이격 배치된 반사미러; 및 상기 반사미러에서 반사된 광에 대응하는 허상이미지의 배율을 결정하도록, 상기 반사미러의 전방 위치에 이격 배치된 비구면미러를 포함한다.

Description

비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치{Head-up displays having asymmetric prism for automobile}

본 발명은 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화상 생성 장치(Picture Generate Unit; PGU)의 이미지 생성부인 LCD(Liquid Crystal display)의 출사면 위에 특정 Ÿ‡지각을 갖는 비대칭 프리즘(asymmetric prism)을 배치하여, 광학적 성능저하를 보상할 수 있음과 함께, 증강현실(Augmented Reality; AR) 헤드업 디스플레이 장치(Head-Up Displays; HUD) 구조에서 디스플레이 부품인 LCD를 태양광으로부터 보호할 수 있게 한 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.

일반적으로 헤드업 디스플레이 장치(HUD)는 운전자 시야 전방에 차량의 주행 정보 등을 가상 이미지(picture)로 시각화하여 보여주는 장치로서, 운전자의 전방 주시에 대한 집중도를 향상시킴으로써 안전 운전을 보조하고 있다.

헤드 업 디스플레이 장치는 화상 생성 장치(PGU)에 LCD(Liquid Crystal Display)를 이용하고 있는 바, 이 LCD는 화상 생성 장치로부터 출력되어 화상으로 변환되는 광 신호의 광학적인 제어를 위해서 입사면과 출사면를 갖는다.

예컨대, 종래 기술의 윈드쉴드형(windshield type) HUD는 LCD를 이용해 이미지를 생성하여 운전자에게 여러 가지 차량정보 이미지(예: 속도, 지도, 계기정보 등)을 제공하고 있다.

도 1을 참조하면, 윈드쉴드(1)을 통해 운전자의 눈(E)으로 이미지를 전달하기 위해서, 종래 기술의 HUD는 주요 광학부품으로서, 더스트커버(10), 비구면미러(20), 반사미러(30), 광원인 LED(41)와 디스플레이 소자인 LCD(42)를 구비한 화상 생성 장치(40)를 구비하고 있다.

또한, 위의 광학부품들을 통한 광경로의 설계시에는 허상이미지(virtual image)를 구현하기 위한 허상광학계로 구성될 수 있으며, 일반적으로 상향투사방식의 비축광학계(Off-axis optical system)로 설계가 이루어지고 있다.

비축광학계는 광학부품들의 주광축(On-axis)방식 설계보다 광학적 성능(예: 왜곡, 초점거리, 밝기, 균질도 등)의 구현이 어려우며, 이를 보상하기 위한 방법으로 인해 시스템의 난이도가 높아지는 단점이 있다.

종래 기술의 윈드쉴드형 HUD는 허상광학계의 구조를 가지며, 그의 세부 구성 요소로서, 1차 미러인 비구면미러(20)와, 2차 미러인 반사미러(30)와, 화상 생성 장치(40)의 광학부품들로 구성되어 있다.

1차 미러인 비구면미러(20)는 비축구면렌즈로서 비축광학계이며 전체적인 허상이미지의 배율(Magnification) 및 허상이미지의 거리를 결정한다.

2차 미러인 반사미러(30)는 비구면미러(20)와 화상 생성 장치(40)간 초점거리를 유지하며, 광축 길이를 폴딩(folding)하여 윈드쉴드형 HUD 제품의 전체 패키지 사이즈를 줄이는 역할을 수행한다. 즉, 반사미러(30)는 화상 생성 장치(40)로부터 빛 또는 광 신호를 전달 받아 반사 또는 굴절시켜 비구면미러(20)로 전달하는 광학부품이다.

화상 생성 장치(40)는 여러 가지 표시정보를 디스플레이 소자(예: DLP, LCD, LCoS 등)를 이용하여 이미지를 만들어 제공하는 역할을 담당한다.

종래 기술의 윈드쉴드형 HUD는 앞서 언급하였듯이 허상광학계의 구조를 통해서 운전자에게 여러 가지 안전운행 정보 또는 상기 안전운행 정보에 대응한 광 신호를 보여준다.

그러나, 종래 기술의 윈드쉴드형 HUD가 설치된 자동차 또는 차량은 운행 도중 태양광에 노출되어 태양광의 영향을 받는 특성이 있고, 상기 허상광학계의 구조에 따라서 하기와 같은 문제점으로 인해 기술적 한계 및 화질이 저하되는 단점이 있다.

예컨대, 종래 기술의 윈드쉴드형 HUD의 시스템 구성을 위한 허상광학계의 구조는 상향투사방식의 비축광학계(Off-Axis)로서, 태양광의 빛이 윈드쉴드(1) 및 광경로를 따라서 내부전반사되어 전달된다. 즉, 태양광의 입사 빛(L1)은 광학부품의 광경로인 윈드쉴드(1), 더스트커버(10)를 지나고 비구면미러(20) 및 반사미러(30)를 경유한 후 화상 생성 장치(40)의 LCD(42)에서 반사되어 반사 빛(L2)이 된다. 이러한 태양광의 반사 빛(L2)은 다시 LCD(42)로부터 반사미러(30), 비구면미러(20), 더스트커버(10), 윈드쉴드(1)를 통해 운전자의 눈(E)으로 유입되게 되어 운전자의 눈부심 문제를 야기시킨다.

이런 연유로 종래 기술의 윈드쉴드형 HUD의 광학부품들은 주광축에서 오프셋(offset) 및 틸트(tilt)되어 있다.

예컨대, 종래 기술의 화상 생성 장치(40)는 그의 내부에 위치한 광원인 LED(41)의 배치 방향(Q)이 LCD(42)의 주광축의 방향[예: LCD(42)의 출사면의 법선 방향)과 일치되지 않게 됨으로써, LED(41)의 작동 효율이 저하된다.

도 2를 참조하면, 한편 차량의 구조상 허상이미지를 구현하기 위해 윈드쉴드를 하나의 광학부품으로 포함하여 시스템을 구성함에 있어서, 비대칭성 구성을 갖게 되고, 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 상향투사방식에서 이미지왜곡(Keystone)이 발생하는 구조이므로, LCD(42)의 패널 대비 주광축(S)은 틸트 각도(t1, t2)로 틸트되어 있음에 따라 상기 이미지왜곡을 보상하게 된다. 여기서, 주광축(S)은 LED(41)의 배치 방향(Q)과 일치할 수 있다.

종래 기술에서는 틸트 각도(t1, t2)를 결정할 때 외부 광, 즉 태양광을 고려한다. 외부 광은 허상광학계 내부 광경로를 통해서 앞서 언급한 바와 같이 전달된 빛이 다시 반사되어 운전자 눈으로 유입되기 때문에, 운전자의 눈부심 방지를 해결하기 위해, 화상 생성 장치(40)의 결상면, 즉 LCD(42) 평면 자체를 주광축(S)기준으로 상기 틸트 각도(t1, t2)로 틸트시키는 구성이 필수적일 수 있다. 즉, LED(41)의 빛은 LCD(42)를 투과하여 도 2의 LCD(42)의 XY면(예: 출사면)의 법선(normal) 방향이 아닌 주광축(S) 방향으로 출사되고 있다.

그러나, 종래 기술의 윈드쉴드형 HUD는 상기와 같이 비축광학계에 의한 광학부품들의 오프셋(offset) 및 틸트 배치구조, 및 외부 태양광에 의한 운전자의 눈부심 방지를 위한 LCD(42)의 틸트 각도(t1, t2)에 의해서, LCD(42)의 투과특성 및 명암비(C/R, Contrast Ratio)는 현저히 저하되고 있는 문제점이 있다.

즉, 일반적인 차량용 HUD에 90%이상 적용되고 있는 디스플레이 소자인 LCD(42)는 액정의 특성상 투과율과 명암비(C/R)가 LCD(42)의 주광축(S)기준으로 많은 차이가 발생하고, 이러한 특성으로 인해 HUD의 허상광학계를 구성할 때 실제 광효율 100%대비 70%이하의 성능만을 사용하며, 이로 인해 화상 생성 장치(40)의 LED(41) 밝기의 경우 100% 기준대비 130%이상을 더 증가하여 사용함으로 소비전력이 늘어나며, 그만큼의 열이 더 발생하는 문제가 있다.

본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 구성하는데 있어서, 비축광학계(off-axis)로 인한 광학부품들의 오프셋(offset) 및 틸트(tilt) 배치구조와 외부 태양광에 의한 내부전반사로 인한 운전자의 눈부심을 저감시키기 위해서 화상 생성 장치(PGU) 자체가 틸트되어 있음에 따라 발생되는 광학적 효율(밝기, 균일도, 명암비) 저하를 개선할 수 있는 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치는, 차량의 윈드쉴드에 주행정보를 출력하는 LCD(Liquid Crystal display)와 광원인 LED(Light Emitting Diode)를 구비하고, 운전자의 눈부심을 저감시키도록, 상기 LCD와 함께 틸트 각도로 틸트되어 있는 화상 생성 장치; 상기 LCD의 출사면 위에 배치되고, 상기 LCD를 투과한 상기 LED의 빛을 상기 LCD의 출사면의 법선 방향으로 출사시키는 비대칭 프리즘; 상기 비대칭 프리즘을 경유한 빛을 반사시키도록 상기 비대칭 프리즘의 전방 위치에 이격 배치된 반사미러; 및 상기 반사미러에서 반사된 광에 대응하는 허상이미지의 배율을 결정하도록, 상기 반사미러의 전방 위치에 이격 배치된 비구면미러;를 포함한다.

상기 비대칭 프리즘은, 상기 LCD의 출사면 전역을 덮을 수 있는 면적을 가지고 있고, 상기 LCD의 출사면으로부터 출사된 광이 입사되며, 상기 LCD의 출사면과 평행한 프리즘 저면; 상기 비대칭 프리즘의 내부로 입사된 광을 상기 LCD의 출사면의 법선 방향으로 출사시키도록, 상기 비대칭 프리즘의 일측 상부 코너부로부터 대각선 방향의 타측 상부 코너부까지 Ÿ‡지각에 대응하게 하향 경사져 있는 프리즘 상면; 및 상기 프리즘 저면과 상기 프리즘 상면의 사이에 형성된 프리즘 측면;을 포함한다.

상기 Ÿ‡지각은, 상기 비대칭 프리즘의 입사각과 상기 비대칭 프리즘의 굴절률의 상관관계에 대응하게 정의된 하기의 [수학식 1]에 의해 정해진다.

상기 Ÿ‡지각은, 상기 프리즘 측면의 각 측변 중 상대적으로 낮은 높이를 갖는 기준 측변 상단에 해당하는 타측 상부 코너부의 모서리 지점을 기준으로 하되, 상기 모서리 지점을 지나고 상기 LCD의 출사면과 평행한 X축기준 장축 방향과 이루는 각도인 제 1 Ÿ‡지각; 및 상기 모서리 지점을 지나고, 상기 LCD의 출사면과 평행한 Y축기준 단축 방향과 이루는 각도인 제 2 Ÿ‡지각;을 포함한다.

상기 제 1 Ÿ‡지각과 상기 제 2 Ÿ‡지각은, 하기의 [수학식 2]의 관계를 갖도록 정의된다.

상기 LED는, 상기 LCD의 주광축 방향인 상기 LCD의 출사면의 법선 방향과 동일한 방향으로 상기 화상 생성 장치의 내부에 배치되어 있다.

상기 화상 생성 장치는, 상기 비대칭 프리즘을 보호하도록, 화상 생성 장치의 케이싱과 결합되는 모듈 커버를 더 포함한다.

상기 화상 생성 장치는, 상기 LED의 발열량에 대응하게 소형화되어 상기 케이싱의 내부에 마련된 히트싱크를 더 포함한다.

상기 비대칭 프리즘은, 상기 프리즘 상면에 무반사 코팅층이 마련되어 있다.

상기 비대칭 프리즘의 프리즘 저면과 상기 LCD의 출사면의 사이에는, 에어갭(air gap)을 제거하도록, 프리즘 접착용 본드 또는 접착 시트가 결합되어 있다.

본 발명에 의한 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치는, 화상 생성 장치(PGU)의 LCD의 출사면 위에 특정 Ÿ‡지각을 갖는 비대칭 프리즘이 배치됨으로써, 종래 기술에서 언급한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 광학손실 문제를 해결할 수 있다.

즉, 본 발명은 LCD에서 나온 빛이 각종 미러를 통해서 전반사되고 있을 때, LED 및 LCD의 주광축이 본 발명의 특정 Ÿ‡지각을 갖는 비대칭 프리즘에 의해서, LCD의 출사면의 법선 방향으로 향하도록 보정되고, 그 결과 LED 및 LCD의 광이 LCD의 법선 방향으로 출사되게 함으로써, 광효율 저하를 미연에 방지할 수 있고, 화면의 밝기 및 균일도, 명암비가 상대적으로 향상된 고휘도의 화상표시장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 윈드쉴드형 헤드업 디스플레이 장치(HUD)의 구성을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 HUD의 LCD의 틸트 각도를 설명하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 배치도.
도 4는 도 3에 도시된 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 확대 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 비대칭 프리즘에 입사각과 비대칭 프리즘의 Ÿ‡지각 및 비대칭 프리즘의 굴절률의 관계를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 5에 도시된 비대칭 프리즘의 입사각과 Ÿ‡지각의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 7은 도 5에 도시된 비대칭 프리즘 및 LCD를 확대 도시한 사시도.
도 8은 도 4에 도시된 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 작동 성능을 비교예와 비교하기 위한 비교 그래프들.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 배치도이고, 도 4는 도 3에 도시된 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 확대 사시도이다.

도 2 또는 도 3을 참조하면, 본 실시예는 화상 생성 장치(100), 비대칭 프리즘(200), 반사미러(300), 비구면미러(400), 더스트커버(500)를 포함한다.

화상 생성 장치(100)는 차량의 위치, 속도 및 연료량, 네비게이션 정보, 타차량 접근 경고 등과 같이 차량의 주행에 필요한 각종 주행정보를 가상 이미지로 표시하기 위한 화상에 대응하는 광 신호를 생성하는 장치이다.

이런 화상 생성 장치(100)는 차량의 윈드쉴드(1)에 주행정보를 출력하는 LCD(110)와, 광원인 LED(120)를 구비한다.

이런 화상 생성 장치(100) 자체는 운전자의 눈부심을 저감시키도록, 상기 LCD(110)와 함께 틸트 각도로 틸트되어 설치 위치(예: 차량 내부)에 설치 되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 화상 생성 장치(100)는 모듈 방식으로 조립 및 설치가 가능한 케이싱(102)을 구비한다. 케이싱(102)은 볼트(미 도시)를 이용하여 모듈 커버(130)와 분해 조립 가능하게 결합되어 있다. 여기서, 모듈 커버(130)는 비대칭 프리즘(200)의 측면을 감싸면서 보호하도록 형성되어 있다. 예컨대, 모듈 커버(130)에는 비대칭 프리즘(200)을 노출시킬 수 있는 결합공과, 그 결합공의 주변에 마련되어 비대칭 프리즘(200)의 측면을 보호하는 베젤 부위로 이루어져 있을 수 있다.

또한, 화상 생성 장치(100)는 그의 케이싱(102)의 내부에는 LED(120)로부터 발열되는 열을 케이싱(102) 외부로 배출시키기 위해 상대적으로 소형화 구조로 제작된 히트싱크(140)(heatsink)가 더 마련되어 있다.

화상 생성 장치(100)의 케이싱(102)의 내부에 마련된 LED(120)는 단수 또는 복수로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 LED(120)의 용량 또는 개수를 후술되는 비대칭 프리즘(200)에 의해서 줄일 수 있기 때문에, LED(120)의 발열량에 대응하게 소형화된 히트싱크(140)가 본 실시예에 적용될 수 있고, 그로 인하여, 화상 생성 장치(100)의 크기 및 중량을 상대적으로 축소시킬 수 있는 장점이 있다.

비대칭 프리즘(200)의 프리즘 상면에는 태양광으로부터 비대칭 프리즘(200)을 보호하기 위한 무반사 코팅층(229)(antireflection coating layer)이 마련되어 있다.

화상 생성 장치(100)의 케이싱(102)의 외부에는 장착 위치에 고정되기 위해 1개 이상의 볼트 구멍을 갖는 설치 브래킷(101)이 더 마련되어 있을 수 있다. 설치 브래킷(101)은 화상 생성 장치(100)의 케이싱(102)에 일체형으로 형성되어 있다.

즉, 후술되는 비대칭 프리즘(200)에 의해서, 화상 생성 장치(100)의 LED(120) 소자의 설치 개수 또는 용량을 줄일 수 있고, 역시 화상 생성 장치(100)의 내부의 히트싱크(140)도 가볍고 작은 사이즈로 설계될 수 있다.

비대칭 프리즘(200)은 LCD(110)의 출사면 위에 배치되고, 상기 LCD(110)를 투과한 상기 LED(120)의 빛을 상기 LCD(110)의 출사면의 법선 방향으로 출사시키는 역할을 담당한다. 일반적인 전반사 프리즘 또는 이와 유사한 전반사 광학 소자는 직각 이등변 삼각형으로 형성되어 있어서, 빛을 약화시키지 않고 광로 방향만을 각도 90도 또는 180도로 전환하는 용도로 사용된다.

이러한 일반적인 전반사 프리즘과 다른 본 실시예의 비대칭 프리즘(200)은 상기 LED(120)의 빛을 상기 LCD(110)의 출사면의 법선 방향으로 출사시키도록 도 7에 도시된 각 축(예: X축 또는 Y축)별 성분으로 정의되는 Ÿ‡지각(θ1, θ2)에 의해 양쪽이 비대칭 형상으로 형성되어 있다.

비대칭 프리즘(200)은 유리와 대등한 투과율을 갖는 재질의 프리즘 접착용 본드 또는 상기 재질과 대등한 성능을 갖는 접착 시트(115)에 의해서 상기 LCD(110)의 출사면에 밀착되도록 결합됨으로써, 비대칭 프리즘(200)과 LDC(110)의 출사면 사이의 에어갭(air gap)을 제거할 수 있다.

반사미러(300)는 비대칭 프리즘(200)을 경유한 빛(예: 광 신호)을 비구면미러(400) 쪽으로 반사시키도록 상기 비대칭 프리즘(200)의 전방 위치에 이격 배치된다. 반사미러(300)는 차량의 헤드업 디스플레이 장치 설치 공간에 고정되거나, 설치 각도를 조절 가능하게 결합되어 있을 수 있다.

비구면미러(400)는 반사미러(300)로부터 입사되는 광을 더스트커버(500) 쪽으로 반사시키는 역할을 담당한다. 이때, 비구면미러(400)는 반사미러(300)에서 반사된 광에 대응하는 허상이미지의 배율을 결정하도록, 상기 반사미러(300)의 전방 위치에 이격 배치되어 있다. 비구면미러(400)는 차량의 헤드업 디스플레이 장치 설치 공간의 브래킷(미 도시)에 고정된 고정식 구조물이거나, 별도의 틸트장치(미 도시)에 의해 각도가 조절될 수 있는 각도 가변형 구조물일 수 있다.

더스트커버(500)는 비구면미러(400)와 윈드쉴드(1)의 사이에 배치되고, 상기 비구면미러(400)를 통해 반사되는 광을 투과시킨다.

특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비대칭 프리즘(200)을 적용하지 않을 경우의 일반적인 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 주광축(S1)은 일반 허상광학계의 구조로서, 관련 광학부품들이 틸트되어 구성되어 있으므로, 앞서 종래 기술에서 설명한 바와 같이 광효율 저하가 발생된다.

반면, 본 발명에서는 비대칭 프리즘(200)이 LCD(110)의 출사면에 배치되어서, 기존 주광축(S1)을 보정량(dθ)만큼 보정함으로써, 보정된 주광축(S2)을 따라 LCD(110)의 법선 방향(N)으로 빛이 출사될 수 있게 됨으로써, 광효율 저하를 미연에 방지할 수 있다. 여기서, 빛은 광 신호를 의미할 수 있고, 상기 LCD(110)를 투과한 상기 LED(120)의 빛에 해당할 수 있으며, 비대칭 프리즘(200)를 통과하면서, 반사거울(300) 쪽으로 전달될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 비대칭 프리즘(200)이 본 설명에서 언급한 광학적 성능 또는 월등한 효과를 발휘하기 위해서는, 후술되는 비대칭 프리즘(200)의 프리즘 형상 또는 비대칭 프리즘(200)에 관련된 수학식에 정의될 수 있는 조건을 만족해야만 성취될 수 있다. 즉, 후술되는 비대칭 프리즘(200)의 조건 및 프리즘 형상이 확보되고, 이를 수학식들을 통해 용이하게 적용함으로써, 기존 대비 향상되는 효과가 발휘될 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 비대칭 프리즘에 입사각과 비대칭 프리즘의 Ÿ‡지각 및 비대칭 프리즘의 굴절률의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 비대칭 프리즘(200)에 입사 혹은 출사되는 각도, 예컨대 입사각(α)과 비대칭 프리즘(200)의 Ÿ‡지각(θ)(wedge angle)은 비대칭 프리즘(200)의 굴절률(n)과 상관관계를 갖고, 이러한 상관관계는 [수학식 1]을 통해 정의되거나 산출될 수 있다.

여기서, α는 상기 LCD의 출사면으로부터 출사된 광의 입사각, θ는 상기 비대칭 프리즘의 Ÿ‡지각, n은 상기 비대칭 프리즘(200)의 굴절률이다. 아울러, Ÿ‡지각(θ)은 도 7에 도시된 각 축(X축 또는 Y축)별로 정의될 수도 있다.

도 6은 도 5에 도시된 비대칭 프리즘의 입사각과 Ÿ‡지각의 상관관계를 보여주는 그래프이다.

비대칭 프리즘(200)의 굴절율(n)이 1.51일 경우에는 상기 [수학식 1]을 이용하여 도 6과 같은 그래프를 얻을 수 있다.

이와 같이, 엔지니어 입장에서는, 상기 [수학식 1]을 적용함으로써, 최적의 헤드업 디스플레이 장치용 비대칭 프리즘(200)을 용이하게 설계할 수 있기 때문에, 적용광학적 성능저하 방지하면서, 태양광으로부터 LCD를 보호할 수 있고, 증강현실(Augmented Reality; AR) 헤드업 디스플레이 장치(Head-Up Displays; HUD)의 성능을 월등하게 업그레이드시킬 수 있다.

비대칭 프리즘(200)은 도 7에 도시된 바와 같은 프리즘 형상 또는 Ÿ‡지 형상을 갖거나, 다면 입체 구조물로서의 특정 Ÿ‡지각(θ1, θ2)을 갖도록 설계되어 있을 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 비대칭 프리즘 및 LCD를 확대 도시한 사시도이다.

도 7을 참조하면, LCD(110)의 출사면에는 하기와 같은 [수학식 2]에 상응하는 조건과 형상을 만족하는 비대칭 프리즘(200)이 배치되어 있다.

비대칭 프리즘(200)은 LCD(110)의 출사면 전역을 덮을 수 있는 면적을 가지고 있고, 상기 LCD(110)의 출사면으로부터 출사된 광이 입사되며, 상기 LCD(110)의 출사면과 평행한 프리즘 저면(210)을 포함한다.

또한, 비대칭 프리즘(200)은 비대칭 프리즘(200)의 내부로 입사된 광을 상기 LCD(110)의 출사면의 법선 방향으로 출사시키도록, 상기 비대칭 프리즘(100)의 일측 상부 코너부(221)로부터 대각선 방향의 타측 상부 코너부(222)까지 Ÿ‡지각(θ1, θ2)에 대응하게 하향 경사져 있는 프리즘 상면(220)을 포함한다. 여기서, 일측 상부 코너부(221)는 타측 상부 코너부(222)보다 상대적으로 높게 형성되어 있다.

또한, 비대칭 프리즘(200)은 프리즘 저면(210)과 프리즘 상면(220)의 사이에 형성된 프리즘 측면(230)을 포함할 수 있다.

이때, 비대칭 프리즘(200)에 따르면, LCD(110) 대비 비대칭 프리즘(200)의 프리즘 상면(220)이 X축기준 하향으로 경사지도록 장축 방향(223)과 단축 방향(224)을 기준으로 각각 미리 정한 특정 각도, 즉 Ÿ‡지각(θ1, θ2)을 갖는 프리즘 형상을 만들기 위한 각도 조건이 정의될 수 있다.

이때, 비대칭 프리즘(200)의 수평 길이(X축) 기준 장축 방향(223)과 이루는 각도를 θ1라 정의하고, 비대칭 프리즘(200)의 수평 폭(Y축) 기준 단축 방향(224)과 이루는 각도를 θ2라고 가정될 수 있다.

즉, 도 7에 보이듯이, Ÿ‡지각(θ1, θ2)은 프리즘 측면(230)의 각 측변(231,232,233,234) 중 상대적으로 낮은 높이를 갖는 기준 측변(231) 상단에 해당하는 타측 상부 코너부(222)의 모서리 지점을 기준으로 하되, 상기 모서리 지점을 지나고 상기 LCD(110)의 출사면과 평행한 X축기준 장축 방향(223)과 이루는 각도인 제 1 Ÿ‡지각(θ1)과, 상기 모서리 지점을 지나고, 상기 LCD(110)의 출사면과 평행한 Y축기준 단축 방향(224)과 이루는 각도인 제 2 Ÿ‡지각(θ1)으로 이루어질 수 있다.

이러한 제 1 Ÿ‡지각(θ1)과 제 2 Ÿ‡지각(θ2)은 하기의 [수학식 2]의 관계를 갖도록 정의된 것이다.

이때, 제 2 Ÿ‡지각(θ2)은 LCD(110)의 출사면이 미리 정한 틸트 각도로 정해져 있는 것에 대응되도록, 제 1 Ÿ‡지각(θ1)에 비하여 반드시 큰 조건으로 정해질 수 있다. 또한, 위의 [수학식 2]와 같이 정의된 비대칭 프리즘(200)의 Ÿ‡지각(θ1, θ2) 미만의 각도에서는 주광축에 대한 보정량이 작아서 고휘도 광학 특성을 나타내기 어렵고, 반대로 Ÿ‡지각(θ1, θ2) 초과의 각도에서는 LCD(110)의 출사면의 법선 방향을 벗어나기 때문에 명암비가 낮아질 수 있으므로, 상기 Ÿ‡지각(θ1, θ2)의 각도 범위는 본 실시예의 월등한 효과를 발휘할 수 있는 임계적 의미를 갖는다.

도 8은 도 4에 도시된 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치의 작동 성능을 비교예와 비교하기 위한 비교 그래프들이다.

도 8의 (a)는 비교예(일반적인 HUD)이고, (b)는 본 실시예에 따른 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치이다.

도 8의 (a)는 앞서 상세히 설명한 조건 및 형상을 갖는 비대칭 프리즘(200)을 적용하지 않은 일반적인 광학계이고, 도 8의 (b)는 비대칭 프리즘(200)을 적용한 광학계로서, 광효율(밝기) 차이를 보여준다.

도 8의 (a)를 참조하면, LCD(42)가 LED(41) 대비 미리 정한 틸트 각도로 경사져 있기 때문에, 광학손실 문제가 발생된다. 즉, LCD(42)의 평면이 주광축 대비 틸트되어 있기 때문에 앞서 종래기술에서 언급하였듯이, 광학적 성능저하로 인한 광효율이 떨어지는 문제점이 있다.

반면, 도 8의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 화상 생성 장치의 LED(120)는 LCD(110)의 주광축 방향인 LCD(110)의 출사면의 법선 방향과 동일한 방향으로 상기 화상 생성 장치의 내부에 배치되어 있기 때문에, 광학손실 문제를 해결하면서, 고휘도의 화상표시장치의 구현이 가능하고, 화면의 밝기 및 균일도, 명암비를 향상시킬 수 있고, 전체적인 밝기가 향상되는 효과가 있다.

이러한 본 실시예는 이를 통해서 LED(120)를 기존대비 70% 소비전력으로 구동이 가능하여 소비효율 및 방열측면에서 유리한 장점이 있다. 여기서, 도 8의 (b)에서 'nit'는 휘도(Luminance)의 단위로서, 한 방향에서 본 물체의 밝기를 의미할 수 있고, 주로 디스플레이 화질 평가에 사용되는 요소 중 하나이며, 단위 면적 당 얼마만큼의 빛이 도달하는가를 표시하는 조도에 비교하여, 휘도는 어느 방향에서 얼마만큼 밝게 보이는가를 나타낸다. 즉, 휘도가 높다는 것은 태양광 등과 같은 외부 환경의 광원에서도 화상을 상대적으로 더 명확하게 식별할 수 있다는 의미일 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치는 성능향상 측면에서, 일반적인 차량용 헤드업 디스플레이 장치에 비하여 허상광학계의 구조상 광학성능 저하(예: 밝기 및 균질도, 명암비)를 보완한 구조특허로 30%이상의 광학성능 향상을 가져올 수 있다.

또한, 본 실시예는 에너지 향상 측면에서, 헤드업 디스플레이 장치의 광학성능 향상으로 인하여 LED 광원의 소비전력을 30% 절감가능하며, 이로 인한 소비효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예는 원가절감 측면에서, LED 광원의 밝기절감이 가능하여, 방열소자인 히트싱크(heatsink)의 중량저감에 의한 원가절감 및 LED 소자 개수를 상대적으로 줄임으로써 원가절감 효과가 있다.

또한, 본 실시예는 환경친화 측면에서, 운전자의 안전 운전 및 편의성 향상을 위한 운전자 중심의 기술을 제공하는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 윈드쉴드 100 : 화상 생성 장치
110 : LCD 120 : LED
130 : 모듈 커버 140 : 히트싱크
200 : 비대칭 프리즘 300 : 반사미러
400 : 비구면미러 500 : 더스트커버

Claims (10)

1. 차량의 윈드쉴드에 주행정보를 출력하는 LCD(Liquid Crystal display)와 광원인 LED(Light Emitting Diode)를 구비하고, 운전자의 눈부심을 저감시키도록, 상기 LCD와 함께 틸트 각도로 틸트되어 있는 화상 생성 장치;
   상기 LCD의 출사면 위에 배치되고, 상기 LCD를 투과한 상기 LED의 빛을 상기 LCD의 출사면의 법선 방향으로 출사시키는 비대칭 프리즘;
   상기 비대칭 프리즘을 경유한 빛을 반사시키도록 상기 비대칭 프리즘의 전방 위치에 이격 배치된 반사미러; 및
   상기 반사미러에서 반사된 광에 대응하는 허상이미지의 배율을 결정하도록, 상기 반사미러의 전방 위치에 이격 배치된 비구면미러;를 포함하는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 비대칭 프리즘은,
   상기 LCD의 출사면 전역을 덮을 수 있는 면적을 가지고 있고, 상기 LCD의 출사면으로부터 출사된 광이 입사되며, 상기 LCD의 출사면과 평행한 프리즘 저면;
   상기 비대칭 프리즘의 내부로 입사된 광을 상기 LCD의 출사면의 법선 방향으로 출사시키도록, 상기 비대칭 프리즘의 일측 상부 코너부로부터 대각선 방향의 타측 상부 코너부까지 Ÿ‡지각에 대응하게 하향 경사져 있는 프리즘 상면; 및
   상기 프리즘 저면과 상기 프리즘 상면의 사이에 형성된 프리즘 측면;을 포함하는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 Ÿ‡지각은,
   상기 비대칭 프리즘의 입사각과 상기 비대칭 프리즘의 굴절률의 상관관계에 대응하게 정의된 하기의 [수학식 1]에 의해 정해지는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   [수학식 1]
   

   

   
   여기서, α는 상기 LCD의 출사면으로부터 출사된 광의 입사각, θ는 상기 비대칭 프리즘의 Ÿ‡지각, n은 상기 비대칭 프리즘의 굴절률 임.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 Ÿ‡지각은,
   상기 프리즘 측면의 각 측변 중 상대적으로 낮은 높이를 갖는 기준 측변 상단에 해당하는 타측 상부 코너부의 모서리 지점을 기준으로 하되,
   상기 모서리 지점을 지나고 상기 LCD의 출사면과 평행한 X축기준 장축 방향과 이루는 각도인 제 1 Ÿ‡지각; 및
   상기 모서리 지점을 지나고, 상기 LCD의 출사면과 평행한 Y축기준 단축 방향과 이루는 각도인 제 2 Ÿ‡지각;을 포함하는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 Ÿ‡지각과 상기 제 2 Ÿ‡지각은,
   하기의 [수학식 2]의 관계를 갖도록 정의되어 있는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   [수학식 2]
   

   

   
   여기서, 상기 θ1은 상기 제 1 Ÿ‡지각, θ2는 상기 제 2 Ÿ‡지각 임.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 LED는,
   상기 LCD의 주광축 방향인 상기 LCD의 출사면의 법선 방향과 동일한 방향으로 상기 화상 생성 장치의 내부에 배치되어 있는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 화상 생성 장치는,
   상기 비대칭 프리즘을 보호하도록, 화상 생성 장치의 케이싱과 결합되는 모듈 커버를 더 포함하는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 화상 생성 장치는,
   상기 LED의 발열량에 대응하게 소형화되어 상기 케이싱의 내부에 마련된 히트싱크를 더 포함하는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 비대칭 프리즘은,
   상기 프리즘 상면에 무반사 코팅층이 마련되어 있는 것
   인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 비대칭 프리즘의 프리즘 저면과 상기 LCD의 출사면의 사이에는, 에어갭(air gap)을 제거하도록, 프리즘 접착용 본드 또는 접착 시트가 결합되어 있는 것
    인 비대칭 프리즘을 구비한 차량용 헤드업 디스플레이 장치.

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