KR101572132B1 - Optical System for Focus Adjustable Head Up Display - Google Patents
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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, 2매 이하의 곡면거울을 이용하여 광학계를 구성하는 경우에 이를 제외하고는 광학계의 굴절능에 영향을 주는 추가 광학부품을 사용하지 않음으로써 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있으며, 곡면거울을 평행이동과 동시에 기울이지 않고도 전방 상향 시현 장치의 제작오착에 따른 초점 보정 및 시도 조절을 효율적으로 수행함으로써 추가부품을 최소화하여 적절한 배치구조를 용이하게 구현할 수 있고, 추가부품 및 이들의 정확한 구동을 위한 복잡한 제어가 필요치 않는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계를 제공한다. The present invention provides a head up display (HUD) composed of a curved glass such as a wind shield and a minimum additional optical part for preventing wind from entering the driver's seat when moving vehicles such as automobiles, airplanes, ships, The present invention relates to an optical system for frontward upward visualization for use in an optical system for upward upward visual observation, and more particularly, in the case of constructing an optical system using two or less curved mirrors, It is possible to reduce the alignment difficulty of the curved mirror and simultaneously adjust the focus correction and the diopter adjustment according to the manufacturing mistake of the front upward visibility device without the inclination of the curved mirror at the same time. , Additional components and complex controls for their exact drive are not required And provides a forward upward visualization optical system capable of adjusting the diopter.
Description
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)의 광학계의 제작 오차에 따른 초점 보정 및 운전자의 시도 조절이 가능하도록 하는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
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. The Head Up Display (HUD), which was first introduced to provide the pilot's front view, is designed to appear on the windshield of the airplane, and has recently been introduced to reduce accidents in automobiles .
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.The front upward visibility device is a state of the art display technology that improves the convenience and stability of driving by displaying various information on the windshield of the driver's seat of the car and it becomes a necessity of automobiles more than navigation or black box in the future. It is expected to form a big market.
전방 상향 시현 장치는 디스플레이유닛(Micro Display)에서 출발한 영상을 허상으로 만들어서, 원래 영상보다 크고 운전자의 시야 조절이 필요 없는 편안한 영상을 만드는 것을 목적으로 하는데, 가장 간단하게는 디스플레이유닛의 영상을 운송수단의 바람막이창과 같은 곡면 유리에 직접 반사시켜 영상을 만들게 된다. The forward upward visibility device aims at making a video image from a display unit as a virtual image so as to make a comfortable image that is larger than the original image and does not require the driver's view adjustment. It is reflected directly on a curved glass such as a windshield of Sudan to produce an image.
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. However, since the distance between the driver and the image is shorter than the distance of the object in front of the vehicle, the conventional forward upward visibility apparatus such as this method is inconvenient to adjust the driver's visual field, In many drivers, particularly, there is a problem that they feel more inconvenience.
따라서 바람막이창과 같은 곡면유리 외에 추가적인 광학부품을 사용해서 운송수단 앞쪽 물체의 관찰 거리 정도의 위치에 허상을 만들어 준다면 시야 조절이 필요 없어 운전에 매우 편리할 수 있다. 그러나 이러한 추가적인 광학부품을 많이 사용할수록 해상력이 높아지고, 왜곡을 개선하는 데 장점이 있지만, 추가되는 광학부품들의 제작 정밀도를 각각 개별적으로 높여야 하고, 각 광학부품들 사이 정렬을 잘 해야 하는 문제점이 있다. 특히 추가로 사용하는 광학부품은 일반적인 렌즈와는 달리 회전 비대칭일 수 있으며, 곡면 자체가 상당히 넓기 때문에 가공에 많은 비용이 발생하는 문제점이 있다.Therefore, if a virtual image is made at a position near the observation distance of an object in front of the transportation means by using an optical component in addition to a curved glass such as a windshield window, it is very convenient to operate because there is no need to adjust the visual field. However, the use of such additional optical parts increases the resolution and improves the distortion. However, there is a problem that the manufacturing accuracy of the optical components to be added must be increased individually, and the alignment between the optical components must be performed well. Particularly, the optical component to be used additionally may be rotationally asymmetric unlike a general lens, and the curved surface itself is quite wide, which causes a problem in that a large cost is incurred in processing.
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 광학부품의 제작 비용이 많이 소요되고, 광학부품들을 정렬하는데 어려움이 있다. For example, in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2011-133633 (published on 07. 07., 2011), a time display device for displaying an image at an eye-point using two reflection surfaces to improve optical performance is disclosed Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-241100 discloses an eccentric optical system that creates a virtual image at a viewpoint by using only one reflecting component. These techniques include two reflecting surfaces or refracting surfaces Further use of an aspherical prism including a lens makes it more expensive to manufacture an optical component due to use of more optical surfaces in order to improve optical performance, and it is difficult to align the optical components.
또한, 종래의 전방 상향 시현 장치는 곡면을 시점면에 대해 기울여야 하므로 광학계 조립 자체가 상당히 어려워진다. 따라서 추가 광학부품이 생길수록 가공 비용 외에도 직접적인 조립 비용이 발생하며, 조립에 필요한 시간이 소요되어 생산 시간도 늘어나는 단점이 있다.Further, since the conventional frontward upward vision device tilts the curved surface with respect to the viewpoint surface, the optical assembly itself is considerably difficult. Therefore, as additional optical parts are generated, direct assembly costs are incurred in addition to the processing cost, and it takes a long time to assemble to increase the production time.
일례로, 일본 공개특허공보 제2006-065234호(2006. 03. 09. 공개)에는 한 개의 광학부품만을 이용하여 시점에 허상을 만드는 편심광학계와 그것을 이용한 광학시스템이 개시되어 있는데, 이는 한 개의 광학부품만을 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 광학부품들을 정렬하는데 매우 어려운 문제점이 있다.For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-065234 (published on Mar. 03, 2006) discloses an eccentric optical system for making a virtual image at a viewpoint using only one optical component and an optical system using the same. Although it is an optical system that makes a virtual image at the viewpoint using only a part, since two reflections and two reflections occur in one part, the plane that changes the refracting power is a total of three surfaces (reflection and refraction There is then a very difficult problem in aligning the optical components.
또한, 추가 광학부품의 사용을 최소화하여 광학부품들을 정렬하는데 따른 어려움을 극복하더라도 2매 이하의 곡면거울을 이용하여 광학계를 구성하는 경우에 곡면거울은 편심이 있는 광학부품이므로, 도 1과 같이 시도 조절 및 초점 보정을 위해 제2곡면거울(2nd Mirror) 이동 시에 약간 거울을 기울여야 곡면거울(2nd Mirror)과 소형 디스플레이소자(Display Unit) 사이의 정렬 오차가 발생하지 않는다. 도 1은 종래기술에 따른 전방 상향 시현용 광학계에서의 시도 조절 및 초점 보정 방식을 나타낸 도면이다.Even if the difficulty in aligning the optical components is overcome by minimizing the use of the additional optical component, in the case of constructing the optical system using two or less curved mirrors, the curved mirror is an eccentric optical component, When moving the 2nd curved mirror (2 nd Mirror) for adjustment and focus correction, it is necessary to tilt a little mirror to prevent misalignment between the 2 nd Mirror and the small display unit. FIG. 1 is a view showing a trial adjustment and a focus correction method in a forward upward visualization optical system according to the related art.
즉, 제2곡면거울(2nd Mirror)의 평행이동과 기울임을 동시에 적용하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이, 제2곡면거울(2nd Mirror)의 이동량(Δl)에 대해 회전각(Δθ)을 함께 고려되어야 하므로 제어적으로 이동량과 회전각이 연동되도록 프로그래밍(Programming)이 되어야 한다. That is, the second curved mirror (2 nd Mirror) translation and each of (Δθ) rotates about the shift amount (Δl) in order to apply a tilting at the same time as shown in Figure 1, the second curved mirror (2 nd Mirror) of Therefore, programming should be done so that the movement amount and the rotation angle are linked with each other in a controllable manner.
이를 위해서는 제2곡면거울(2nd Mirror)의 평행이동과 기울임을 각각 수행하는 별도의 모터와 같은 구동원이 필요하게 되고, 이때 이동량과 회전각이 정확히 연동되도록 이 두 개의 구동원들은 각각 별도의 전기신호로 제어되어야 하는 문제가 발생한다. 또한, 이러한 이유로 필요한 부품의 추가와 이로 인한 적절한 배치구조를 고려할 시 곤란성이 증가하며, 정확한 프로그래밍에 필요한 각종 원가가 상승하게 되는 문제점이 있다.
To this end, a driving source such as a separate motor for performing the parallel movement and the tilting of the second curved mirror (2 nd Mirror) is required. At this time, the two driving sources are provided with separate electric signals A problem that needs to be controlled is caused. For this reason, difficulties arise in consideration of the addition of required components and proper layout structure thereof, and various costs required for accurate programming are increased.
따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 디스플레이유닛에서 출발한 영상을 크게, 그리고 운전자의 시야 조절 없이 편안한 영상을 운전자에게 제공할 수 있는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems and provide an optical system for front upward visibility capable of enlarging an image starting from a display unit and adjusting a diopter to provide a comfortable image to a driver without adjusting a driver's vision .
또한, 본 발명의 다른 목적은 디스플레이유닛에서 출발한 영상을 운전자에게 크고 편안하게 제공할 시, 광학부품의 제작 비용을 줄이고 광학부품들의 정렬이 용이하며, 전방 상향 시현 장치의 시도 조절 및 초점 보정을 간편하게 수행할 수 있는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계를 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide an image display apparatus and a display apparatus which are capable of reducing the manufacturing cost of optical components and facilitating alignment of optical components, And it is an object of the present invention to provide an optical system for front upward visibility which can be easily adjusted.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계는, 운송수단에 장착되는 전방 상향 시현 장치의 광학계에 있어서, LCos(Liquid Crystal on Silicon) 또는 LCD(Liquid Crystal Display), DMD(Digital Micro-mirror Device) 등 작은 화면에 영상을 표시하는 디스플레이유닛; 상기 디스플레이유닛에서 발산된 빛을 반사시켜 상기 영상을 1차 확대시키는 제2곡면거울; 상기 제2곡면거울로부터 입사되는 상기 영상을 2차 확대시키는 제1곡면거울; 및 상기 전방 상향 시현 장치의 광학계로의 이물질의 유입을 방지하며, 빛을 통과시키는 평판 형태의 보호유리;로 구성되어, 상기 운송수단의 전방 곡면유리(Wind Shield)에 반사되어, 상기 운송수단의 탑승자 눈이 위치하는 조리개 면에 상기 디스플레이유닛이 표시하는 영상의 허상을 맺히게 할 시, 상기 디스플레이유닛 및 제2곡면거울을 동시에 평행 시동시켜 시도를 조절하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical system for a front upward visibility apparatus mounted on a transportation means, the optical system including a liquid crystal on silicon (LCoS) or a liquid crystal display (LCD) , A display unit for displaying an image on a small screen such as a DMD (Digital Micro-mirror Device) A second curved mirror for primarily expanding the image by reflecting light emitted from the display unit; A first curved mirror for secondarily magnifying the image incident from the second curved mirror; And a protective plate of a flat plate type for preventing light from being introduced into the optical system of the front upward visibility device and allowing light to pass therethrough and being reflected by a front windshield of the transportation means, When the virtual image of the image displayed by the display unit is formed on the iris surface on which the passenger's eyes are located, the display unit and the second curved mirror are simultaneously started in parallel to control the attempt.
이때, 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 제2곡면거울의 굴절능과 상기 광학계 전체 굴절능의 비율이 하기의 수학식 4의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.In this case, the front upward visualization optical system according to the present invention is characterized in that the ratio of the refractive power of the second curved mirror to the total refractive power of the optical system satisfies the following expression (4).
(수학식 4)(4)
여기서 R 1st 와 C 1st , 6 는 상기 제1곡면거울의 곡률과 xy 다항식의 y 2항 계수, R 2nd 와 C 2nd , 6 는 상기 제2곡면거울의 곡률과 xy 다항식의 y 2항 계수, d는 상기 제1곡면거울과 상기 제2곡면거울 사이의 중심거리, k 1은 상기 제1곡면거울의 굴절능, k 2는 상기 제2곡면거울의 굴절능이다.Where R 1st and C 1st , 6 are the curvatures of the first curved mirror, the y 2 term coefficients of the xy polynomial, R 2nd and C 2nd , 6 are the curvatures of the second curved mirror and the y 2 term coefficients of the xy polynomial, d Is the center distance between the first curved mirror and the second curved mirror, k 1 is the refractive power of the first curved mirror, and k 2 is the refractive power of the second curved mirror.
또한, 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계는, 상기 제1곡면거울 및 제2곡면거울 중 적어도 어느 하나는 xy 다항식으로 나타내지는 자유 곡면 비구면이거나, 상기 제1곡면거울 및 제2곡면거울 중 적어도 어느 하나는 회전 대칭 곡면인 것을 바람직하다.
Further, in the optical system for upward facing visual observation according to the present invention, at least one of the first curved mirror and the second curved mirror may be a free curved aspherical surface represented by xy polynomial, At least one of the curved mirrors is preferably a rotationally symmetrical curved surface.
본 발명은 전방 상향 시현 장치의 시도 조절 및 초점 보정을 효율적으로 수행함으로써 추가부품을 최소화하여 적절한 배치구조를 용이하게 구현할 수 있다.The present invention efficiently implements trial adjustment and focus correction of the forward upward vision device, thereby minimizing the additional components and facilitating an appropriate layout structure.
또한, 본 발명은 곡면거울을 평행이동과 동시에 기울이지 않고도 전방 상향 시현 장치의 시도 조절 및 초점 보정을 수행함으로써 추가부품 및 이들의 정확한 구동을 위한 복잡한 제어가 필요치 않으므로 각종 원가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
Further, the present invention performs diopter adjustment and focus correction of the front upward visibility device without inclining the curved mirror at the same time as parallel movement, so that it is possible to lower various costs because additional components and complicated control for accurate driving thereof are not required .
도 1은 종래기술에 따른 전방 상향 시현용 광학계에서의 시도 조절 및 초점 보정 방식을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 부품 배치도,
도 3a 및 도 3b는 종래기술과 본 발명에 따른 시도 조절 방법의 비교도,
도 4a 내지 도 4c는 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 실시예에 따른 광로도,
도 5는 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 성능을 나타낸 스팟다이어그램(Spot diagram).FIG. 1 is a view showing a trial adjustment and a focus correction method in a forward upward visualization optical system according to the related art,
FIG. 2 is a component layout diagram of a front upward visibility optical system capable of adjusting the diopter according to the present invention,
Figures 3a and 3b show a comparison of the prior art and the trial control method according to the present invention,
FIGS. 4A to 4C are optical paths according to an embodiment of a forward upward visualization optical system capable of adjusting a diopter according to the present invention;
FIG. 5 is a spot diagram illustrating the performance of a forward upward visualization optical system capable of trial adjustment according to the present invention. FIG.
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. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the same configurations of the drawings denote the same reference numerals as much as possible. Specific details are set forth in the following description, which is provided to provide a more thorough understanding of the present invention. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
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 제공함과 아울러 광학계의 제작 오차에 따른 초점 보정 및 운전자의 시도 조절을 용이하게 수행할 수 있는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계를 제공한다.The present invention provides a head up display (HUD) composed of a curved glass such as a windshield window and a minimum additional optical component for preventing wind from entering the inside of a driver's seat when a vehicle such as an automobile, an airplane, a ship, etc. is moved, Provided is an optical system for front upward visibility which is capable of adjusting the focus according to a manufacturing error and adjusting the diopter to easily perform driver's diopter adjustment.
본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는 2매의 곡면거울(Curved Mirror)만을 사용해서 광학계를 구성한다. 이때, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계에서 2매의 곡면거울만을 구비한다는 의미는 곡면거울에 먼지가 쌓여 반사율이 떨어지는 것을 방지하기 위한 평면 보호커버(Protection Cover)와 바람을 막아주는 바람막이창(Wind shield)과 같은 곡면유리(Curved Glass) 등은 광학계의 구성 방법에 관계없이 사용되는 광학부품들이므로, 이들을 제외하고 광학계의 실질적인 굴절능을 부여하는 곡면거울의 사용 매수를 최소화했다는 의미이다.
The optical system for frontward upward visualization according to the present invention constitutes an optical system using only two curved mirrors. Here, the provision of only two curved mirrors in the optical system for frontward upward visualization according to the present invention means that a protection cover for preventing dust from accumulating on the curved mirror to reduce the reflectance and a windshield window Curved glass such as a wind shield is an optical component to be used regardless of the construction method of the optical system. Therefore, it means that the number of use of the curved mirror, which gives the substantial refractive power of the optical system, is minimized.
도 2는 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 부품 배치도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현 광학계는 디스플레이유닛(10), 제1곡면거울(30), 제2곡면거울(20) 및 보호커버(40)로 구성된다.2, the forward upward facing optical system capable of adjusting the diopter according to the present invention comprises a
도 2를 참조하면, 디스플레이유닛(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 디스플레이유닛(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 디스플레이유닛(10)에서 발산된 빛은 광학적으로 굴절능을 갖는 제2곡면거울(20) 및 제1곡면거울(30)에 반사되어 영상이 확대된다. 2, the
이러한 제1곡면거울(30) 및 제2곡면거울(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 제1곡면거울(30) 및 제2곡면거울(20)에 유입되어 반사율이 떨어지는 것을 막기 위해 보호커버(40)를 위치시킨다. 보호커버(40)는 보호면(Protection Cover)으로서, 광학계에 먼지가 쌓이는 것을 방지하기 위해 사용되는 부품이기는 하나, 앞뒷면 곡률이 같고 그 두께가 전체 광학계의 크기에 비해 상당히 얇기 때문에 광학적 굴절능이 거의 없으므로, 광학 설계적으로 크게 의미가 있는 부품은 아니다. The first
제1곡면거울(30)에 반사된 빛이 보호커버(40)를 거쳐 운전석 앞면 유리에 해당하는 곡면유리(50)에 반사되어 조리개 면(60)으로 광축과 거의 평행하게 광선이 들어온다. 조리개 면(60)은 운전자의 눈이 위치하게 되는 위치로서, 운전자는 최종적으로 곡면유리(50)에 반사되어 확대된 영상을 보게 된다.The light reflected by the first
이때, 추가 광학부품의 사용을 최소화하여 2매 이하의 곡면거울을 이용하여 광학계를 구성하되, 도 3b와 같이 일부 광학부품을 광선의 진행 방향으로 움직임으로써 광학계의 제작 오차에 따른 초점 보정 및 운전자의 시도 조절이 가능하다.
In this case, the use of additional optical components is minimized to construct an optical system using less than two pieces of curved mirrors. By moving some optical components in the traveling direction of light as shown in FIG. 3B, focus correction according to manufacturing errors of the optical system, It is possible to control the trial.
도 3a 및 도 3b는 종래기술과 본 발명에 따른 시도 조절 방법의 비교도로서, 종래의 광학계의 경우, 곡면거울(2)은 편심이 있는 광학부품이므로, 도 3a와 같이 시도 조절 및 초점 보정을 위해 곡면거울(2) 이동 시 에 약간 거울을 기울여야 곡면거울(2)과 디스플레이유닛(1) 사이의 정렬 오차가 발생하지 않는다. 그러나 곡면거울(2)을 평행이동과 기울임을 동시에 적용하기에는 매우 어려우므로, 도 3b의 본 발명과 같이 디스플레이유닛(10)과 인접에 위치한 제2곡면거울(20)을 동시에 이동하여 이러한 부품의 이동과 기울임에 따른 정렬 오차를 최소화할 수 있다. 이것은 곡면거울(2)을 평행이동과 동시에 기울이기 위해 각각 별도의 구동과 제어가 필요한 종래기술과는 달리, 디스플레이유닛(10)과 제2곡면거울(20)을 하나의 구동수단을 통해 동시에 평행이동만 시킴으로써 용이하게 달성할 수 있다.
3A and 3B show a comparison between the prior art and the trial adjustment method according to the present invention. In the case of the conventional optical system, since the
도 2에 도시된 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계에서 제1곡면거울(30), 제2곡면거울(20) 및 곡면유리(50)는 하기의 수학식 1과 같은 xy-다항식으로 표현될 수 있다.
2, the first
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. 만약 x 또는 y 방향에 대해 2차 계수 값(C4 또는 C6)이 0이 아니면, 이들 계수는 광학계의 EFL 또는 BFL에 영향을 준다. 이때, 제2곡면거울(20)이 상기 수학식 1과 같이 표현된다면, 제2곡면거울(20)의 y축 방향 굴절능은 하기의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.Where c is the curvature and k is the conic coefficient. In this case, the Talyor equation of the spherical surface is expanded to obtain the parabolic equation by taking the first term, so the coefficient of x 2 is the curvature in the x direction of the curved surface, and the coefficient of y 2 is the curvature in the y direction of the curved surface. If the second-order coefficient value (C 4 or C 6 ) for the x or y direction is not zero, these coefficients affect the EFL or BFL of the optical system. In this case, if the second
하기의 수학식 2에서 나타낸 바와 같이, 곡률반경이 R인 거울의 굴절능은 2/R로 주어지며, 만약 비구면의 2차항이 존재하면 이 값에 따라 굴절능이 달라지게 되므로, 수학식 2는 곡률 반경이 R이고, 2차항의 계수가 C6인 비구면의 굴절능을 의미한다.
As shown in the following equation (2), the refractivity of a mirror having a radius of curvature R is given by 2 / R, and if a quadratic term of an aspherical surface exists, Means the refracting power of an aspherical surface having a radius R and a second-order coefficient C 6 .
결과적으로, 상기 수학식 1은 제2곡면거울(20)과 광학계 전체 굴절능의 비가 되며, 이 값이 지나치게 작으면 두 번째 곡면 거울의 굴절능이 매우 작아, 광학계의 수차 보정이 효과적이지 않음을 의미하고, 반대로 두 번째 곡면 거울의 굴절능이 지나치게 크면, 곡면 거울의 민감도가 커지게 된다. As a result, Equation (1) becomes the ratio of the total curvature of the second
따라서 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계는 제2곡면거울(20)의 굴절능과 광학계 전체 굴절능의 비율이 하기의 수학식 3의 범위에서 뛰어난 성능을 제공한다. Therefore, the forward upward visualization optical system capable of adjusting the diopter according to the present invention provides excellent performance in the range of the following equation (3) as the ratio of the refractive power of the second
하기의 수학식 3은 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계가 효율적으로 초점을 가지기 위한 조건을 나타낸 것으로, k 2는 제2곡면거울(20)에 대한 굴절능(초점거리의 역수)이며, 분모는 광학계 전체의 초점거리이다. 제2곡면거울(20)의 굴절능 k 2가 전체 굴절능에 비해 그 비율이 작으면, 제2곡면거울(20)과 디스플레이유닛(10)의 이동량이 커지고, 반대로 그 비율이 너무 크면 초점 조절이 너무 민감하게 이동하기 때문에, 제2곡면거울(20)의 굴절능과 광학계 전체 굴절능의 비율이 수학식 1의 범위에 위치해야 한다.
K 2 is a refractive index (inverse of the focal length) of the second
여기서 R 1st 와 C 1st , 6 는 보호유리(40)에 가장 가까이 위치한 제1곡면거울(30)의 곡률과 xy 다항식의 y 2항 계수를 각각 의미하고, R 2nd 와 C 2nd , 6 는 디스플레이유닛(10)에 가장 가까이 위치한 제2곡면거울(2)의 곡률과 xy 다항식의 y 2항 계수를 각각 나타내며, d는 제1곡면거울(30)과 제2곡면거울(20) 사이의 중심거리를 의미한다. 또한 k 1은 제1곡면거울(30)의 굴절능, k 2는 제2곡면거울(20)의 굴절능을 의미한다.
Wherein R 1st and C 1st, 6 is a protective glass (40) closest to the mean curvature and xy y 2, wherein coefficients of the polynomial of the first curved mirror (30), respectively, R 2nd and C 2nd, and 6 on the display unit Represents the curvature of the second
도 4는 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 실시예에 따른 광로도로서, 제2곡면거울(20)과 디스플레이유닛(10)이 움직여서 시도 조절을 하는 경우를 나타낸 것으로서, 첫 번째 광로도는 시도가 -8.5D일 때의 광로도이고, 두 번째 광로도는 표준 시도인 -7.5D일 때이며, 세 번째 광로도는 시도가 -6.5D일 때를 나타낸다.
FIG. 4 is a view showing an optical path diagram according to an embodiment of a forward upward visualization optical system capable of adjusting the diopter according to the present invention, in which the second
도 4에 도시된 바와 같이 비축 비대칭 수차의 보정을 위해서는 대칭성이 없는 상기 수학식 2와 같은 xy 다항식 형태의 곡면이 반드시 필요하다. 그러나 이러한 xy 다항식 형태의 곡면은 가공 및 정렬이 매우 어렵기 때문에 사용을 최소화하는 것이 좋으며, 본 발명에서와 같이 2개의 반사 곡면이 필요한 전방 상향 시현용 광학계에서 나머지 한 면은 회전대칭성 곡면을 이용하는 것이 제작비용 절감에도 유리하다.
As shown in FIG. 4, in order to correct the asymmetric asymmetric aberration, a curved surface of the xy polynomial form like the equation (2) without symmetry is necessarily required. However, since the curved surface of the xy polynomial shape is very difficult to process and align, it is desirable to minimize the use of the curved surface, and in the optical system for frontward upward vision requiring two reflective curved surfaces as in the present invention, It is also advantageous in reducing the production cost.
본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계에서는 디스플레이유닛(10)에서 발산된 빛이 제2곡면거울(20), 제1곡면거울(30) 및 곡면유리(50)를 거쳐 운전자의 눈동자에 도달하지만, 광학 설계단계에서는 이와 반대로 조리개 면(60)에서 광축에 대해 거의 평행한 광선을 보내서 디스플레이유닛(10)에 빛이 모여 결상이 되도록 설계를 하기도 한다. 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 각종 정보를 나타낸 하기의 표 1 내지 표 3은 조리개 면(60)으로부터 광축에 대해 평행하게 입사된 광선이 디스플레이유닛(10)에 결상된 것을 기준으로 작성된 것이다. 또한 디스플레이유닛(10)의 크기는 67.3mm x 33.6mm이고, 장변 반화각은 ±5°, 단변 반화각은 ±2.5°이다.
The light emitted from the
하기의 표 1은 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 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 디스플레이유닛(10)이다. “Stop”은 사람의 눈이 위치하는 면으로서 두 눈의 간격, 운전자 간의 키 차이를 고려하여 정하는 값으로서, 이 면을 Eye-box라고도 하며, 도 2의 조리개 면(60)에 해당한다. “No.2”는 곡면유리(50)의 면이고, “No.3”은 더미(Dummy)면 이다. 조리개 면(60)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, 광축 만을 기울이기 위한 기준면이 필요하며, “No.3”는 그러한 역할을 하는 가상적인 면을 의미한다. 일반적으로 본 발명과 같이 편심이 복잡한 광학계에서는 이러한 가상면이 반드시 필요하다. Table 1 below shows the parameters of the respective components constituting the optical system for forward upward viewing capable of adjusting the diopter according to the present invention. The information of the curvature, the lens thickness, the distance between the lenses, the lens material, . In Table 1, " OBJ " denotes the virtual image of the present optical system, and " IMG " The " Stop " is a face on which a human's eye is located, and is a value determined by taking into account the distance between two eyes and the key difference between drivers. This face is also referred to as an eye-box and corresponds to the
“No.4” 및 “No.5”는 보호커버(40)의 상면 및 하면에 해당한다. “No.6”은 ”No.3”과 보호커버(40)에 의해 축상 중심 광선의 굴절에 따른 광축 시프트(shift)를 보정하여 축상 중심 광선과 광축을 일치시키기 위한 더미면이다. “No.6”은 제1곡면거울(30) 면이고, “No.7”은 제2곡면거울(20) 면에 해당한다.
"No. 4" and "No. 5" correspond to the upper and lower surfaces of the
하기의 표 2는 시도 조절을 위해 제2곡면거울(20)과 디스플레이유닛(10)의 이동에 따라, 도 4와 같은 각 시도에 따른 광학 부품 사이의 간격을 의미한다.
Table 2 below shows the distance between the optical components according to each trial as shown in Fig. 4, according to the movement of the second
하기의 표 3은 각 면의 편심 정보를 나타낸 것으로서, 이때 표 2에서 제외된 곡면유리(50)의 면에 해당하는 “No.2”는 광학계의 성능 보정에 사용하는 설계 변수가 아니므로, 상황에 관계없이 모두 동일한 형상을 갖는다. 표 3의 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.
Table 2 below shows the eccentricity information of each surface. Since " No. 2 " corresponding to the surface of the
표 3에서 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(60)에 대해 기울어진 양을 계산할 수 있다.In Table 3, X represents the parallel movement amount in the x-axis direction, Y represents the parallel movement amount in the y-axis direction,? Represents the rotation amount with respect to the x-axis,? Represents the rotation amount with respect to the y- . It is possible to calculate the amount of inclination with respect to the
또한, 하기의 표 4에 곡면유리(50)와 제2곡면거울(20) 형상계수를 나타내었다.
In addition, the shape coefficients of the
도 5는 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계의 성능을 나타낸 스팟다이어그램(Spot diagram)으로서, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계는 회전 대칭성이 없으므로 스폿 다이어그램에 의해 그 성능을 평가한다. 도 5에 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. FIG. 5 is a spot diagram showing the performance of a front upward visibility optical system capable of adjusting the diopter according to the present invention. The optical system for frontward upward vision according to the present invention has no rotational symmetry, do. The square size of each spot shown in Fig. 5 is 1 mm in width and 1 mm in height. Such a spot diagram is a geometric optical point spread function, which means that the performance is improved as it is gathered at one point. Since the forward upward visualization optical system according to the present invention is not symmetrical, the field is calculated for a total of nine, and the center spot diagram is a spot diagram of a zero field.
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 5의 스폿 다이어그램에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전방 상향 시현용 광학계의 결상 특성은 상당히 양호한 것을 알 수 있다.A y-axis angle of -3 degrees with respect to the zero field takes into account that the driver usually looks slightly downward. At this time, when the viewing angle in the short side direction of the optical system is ± 2.5 degrees, the center upper side is -0.5 degrees and the lower center side angle is 5.5 degrees. If the viewing angle in the long side direction is ± 5.0 degrees, the upper left side of the spot diagram is -5 degrees in the x axis direction and -0.5 degrees in the y axis direction. DG in each spot diagram means the angle, RMS means the rms spot size of each spot, 100% is the minimum circle size at which all rays passing through the
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계는 2매 이하의 곡면거울을 이용하여 광학계를 구성하는 경우에 이를 제외하고는 광학계의 굴절능에 영향을 주는 추가 광학부품을 사용하지 않음으로써 제작 비용과 반사면의 정렬 난이도를 낮출 수 있으며, 곡면거울을 평행이동과 동시에 기울이지 않고도 곡면거울을 평행이동과 동시에 기울이지 않고도 전방 상향 시현 장치의 제작오착에 따른 초점 보정 및 시도 조절을 효율적으로 수행함으로써 추가부품을 최소화하여 적절한 배치구조를 용이하게 구현할 수 있고, 추가부품 및 이들의 정확한 구동을 위한 복잡한 제어가 필요치 않는 고성능 전방 상향 시현 장치를 제공할 수 있다.As described above, the optical system for forward upward viewing, which is capable of adjusting the diopter according to the present invention, uses an additional optical component that affects the refracting power of the optical system except for the case where the optical system is composed of two or less curved mirrors It is possible to reduce the manufacturing cost and difficulty of aligning the reflecting surface. It is also possible to efficiently perform the focus correction and the trial control according to the manufacturing mistake of the forward upward vision device without inclining the curved mirror at the same time with the parallel movement without inclining the curved mirror simultaneously with the parallel movement , It is possible to minimize the number of additional parts to easily implement a proper arrangement structure and to provide a high performance forward facing view device in which additional components and complicated control for precise driving thereof are not required.
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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
Claims (4)
작은 화면을 갖는 LCos(Liquid Crystal on Silicon), LCD(Liquid Crystal Display) 또는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 포함하는 디스플레이유닛;
상기 디스플레이유닛에서 발산된 빛을 반사시켜 영상을 1차 확대시키는 제2곡면거울;
상기 제2곡면거울로부터 입사되는 상기 영상을 2차 확대시키는 제1곡면거울;
상기 전방 상향 시현 장치의 광학계로의 이물질의 유입을 방지하며, 빛을 통과시키는 평판 형태의 보호유리; 및
상기 디스플레이유닛과 상기 제2곡면거울을 각각 동일한 거리와 방향으로 평행 이동시켜 시도를 조절하는 구동수단;으로 구성되어,
상기 운송수단의 전방 곡면유리(Wind Shield)에 반사되어, 상기 운송수단의 탑승자 눈이 위치하는 조리개 면에 상기 디스플레이유닛이 표시하는 영상의 허상을 맺히게 할 시, 상기 구동수단을 구동하여 상기 디스플레이유닛 및 상기 제2곡면거울만을 동시에 평행 이동시켜 시도를 조절하는 것을 특징으로 하는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계.
An optical system of a front upward visibility device mounted on a vehicle,
A display unit including a liquid crystal on silicon (LCos) having a small screen, a liquid crystal display (LCD) or a digital micro-mirror device (DMD);
A second curved mirror for primarily expanding the image by reflecting light emitted from the display unit;
A first curved mirror for secondarily magnifying the image incident from the second curved mirror;
A flat plate-shaped protective glass for preventing the entry of foreign substances into the optical system of the frontward upward visibility device and allowing light to pass therethrough; And
And driving means for moving the display unit and the second curved mirror in parallel to each other by the same distance and direction,
When the virtual image of the image displayed by the display unit is formed on the diaphragm surface on which the passenger's eye of the transportation means is reflected by the front windshield of the transportation means, And the second curved mirror are simultaneously moved in parallel to each other to control the attempt.
상기 제2곡면거울의 굴절능과 상기 광학계 전체 굴절능의 비율이 하기의 수학식 4의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 4)
여기서 R1st 와 C1st,6 는 각각 상기 제1곡면거울의 곡률과 하기의 수학식 5로 표현되는 xy 다항식의 y 2항 계수, R2nd 와 C2nd,6 는 각각 상기 제2곡면거울의 곡률과 하기의 수학식 5로 표현되는 xy 다항식의 y 2항 계수, d는 상기 제1곡면거울과 상기 제2곡면거울 사이의 중심거리, k 1은 상기 제1곡면거울의 굴절능, k 2는 상기 제2곡면거울의 굴절능이다.
(수학식 5)
여기서, c는 곡률, Cl 는 xy 다항식의 계수, k는 원추계수, z는 상기 곡면유리 및 상기 곡면거울의 광축에서부터 광학면의 임의의 지점까지 광축 방향 높이이다.
The method according to claim 1,
And the ratio of the refractive power of the second curved mirror to the total refractive power of the optical system satisfies the following expression (4).
(4)
Here, R 1st and C 1st, 6 are the y 2 term coefficients of the xy polynomial expressed by the following equation (5), R 2 nd and C 2nd, 6 are curvatures of the first curved mirror, and the xy polynomial represented by equation (5) below y 2 wherein coefficient, d is the first surface to-center distance between mirror and the second curved mirror, k 1 is the first curved mirror refractive power, k 2 is the And the refractivity of the second curved mirror.
(5)
Here, c is the curvature, C l is the coefficient of the xy polynomial, k is the cone coefficient, and z is the optical axis height from the curved glass and the optical axis of the curved mirror to any point on the optical surface.
상기 제1곡면거울 및 제2곡면거울 중 적어도 어느 하나는 하기의 수학식 6으로 표현되는 xy 다항식으로 나타내지는 자유 곡면 비구면인 것을 특징으로 하는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계.
(수학식 6)
여기서, c는 곡률, Cl 는 xy 다항식의 계수, k는 원추계수, z는 상기 곡면유리 및 상기 곡면거울의 광축에서부터 광학면의 임의의 지점까지 광축 방향 높이이다.
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the first curved mirror and the second curved mirror is a free curved aspherical surface expressed by an xy polynomial expressed by Equation (6) below.
(6)
Here, c is the curvature, C l is the coefficient of the xy polynomial, k is the cone coefficient, and z is the optical axis height from the curved glass and the optical axis of the curved mirror to any point on the optical surface.
상기 제1곡면거울 및 제2곡면거울 중 적어도 어느 하나는 회전 대칭 곡면인 것을 특징으로 하는 시도 조절이 가능한 전방 상향 시현용 광학계.The method according to claim 1,
Wherein at least one of the first curved mirror and the second curved mirror is a rotationally symmetric curved surface.
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