KR20020021091A - 헤드업 디스플레이 - Google Patents

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KR20020021091A
KR20020021091A KR1020017013850A KR20017013850A KR20020021091A KR 20020021091 A KR20020021091 A KR 20020021091A KR 1020017013850 A KR1020017013850 A KR 1020017013850A KR 20017013850 A KR20017013850 A KR 20017013850A KR 20020021091 A KR20020021091 A KR 20020021091A
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KR1020017013850A
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더글라스 더블유. 앤더슨
러셀 이. 멀딘
패트릭 에이. 트로타
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추후제출
레이던 컴퍼니
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Abstract

차량의 운전자를 위한 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템은 적외선 에너지를 수집하기 위한 수집 장치와 수집 장치에 연결된 이미지 소스를 포함한다. 이미지 소스는 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성할 수 있다. 본 시스템은 또한 차량의 운전자에게 나타내어지기 전에 시각 이미지를 통과시키기 위한 렌즈와 차량의 운전자에게 나타내어지기 전에 시각 이미지를 반사시킬 수 있는 반사기를 포함한다.

Description

헤드업 디스플레이{Head-Up Display}
적외선 이미징 시스템은 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지(visual image)를 생성한다. 그러한 시스템은 생성되는 시각 이미지의 헤드업 디스플레이(HUD)를 차량 운전자에게 제공함으로써 상기 운전자의 시각 능력의 향상을 제공한다.
현존하는 HUD 시스템들은 여러 가지 결함을 구비하고 있다. 첫째, 많은 시스템에 의해 디스플레이되는 시각 이미지는 차량 전방에 대한 좁은 시계(Field Of View)를 나타낸다. 또한, 현존하는 HUD 시스템은 HUD에서의 전체 시각 이미지를 차량의 임의의 위치에서 볼 수 없는 것을 의미하는 네거티브 아이박스(negative eyebox)를 야기한다. 이러한 HUD 시스템들은 또한 시각 이미지의 큰 수차(aberrations) 및 열등한 수직 불균형도(vertical disparity)의 문제점을 갖는다.
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.
본 발명에 대한 보다 완전한 이해 그리고 보다 나은 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참고하여 설명되어질 것이며, 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 차량의 운전자를 위한 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템의 평면도,
도 2는 차량의 운전자를 위한 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템의 측면도,
도 3은 렌즈 및 이미지 소스가 차량의 계기판 내에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타내는 도면,
도 4는 추가적인 반사기가 차량의 계기판 내에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타내는 도면,
도 5는 렌즈가 차량의 계기판 상에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타내는 도면,
도 6은 렌즈 및 이미지 소스가 차량의 계기판 상에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타내는 도면,
도 7은 빔 분할기 및 추가적인 반사기가 차량의 계기판 내에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 종래의 헤드업 디스플레이(HUD)와 관련된 문제점과 단점을 감소 또는 제거한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 본 발명은 넓은 시계(FOV)를 디스플레이하고 아이박스, 왜곡 및 수직 불균형도면에서 우수한 특성을 갖는 조밀하고 저가인 HUD 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 적외선을 수집할 수 있는 수집 장치와 상기 수집 장치에 연결된 이미지 소스를 포함하는 차량의 운전자를 위한 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 이미지 소스는 상기 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 상기 시스템은 또한 상기 차량의 운전자에게 나타내지기 전에 상기 시각 이미지가 통과하는 렌즈와 상기 차량의 운전자에게 나타내지기 전에 상기 시각 이미지를 반사시키기 위한 반사기를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 차량의 운전자를 위한 헤드업 디스플레이를 제공하는 시스템은 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성하기 위한 수집 장치와 상기 수집 장치에 연결된 이미지 소스를 포함한다. 상기 이미지 소스는 상기 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 상기 시스템은 또한 첫 번째 및 두 번째로 시각 이미지를 통과시키기 위한 빔 분할기를 포함한다. 상기 시스템은 추가로 상기 빔 분할기에서 첫 번째로 반사된 후에 상기 시각 이미지를 반사하기 위한 제 1반사기와 상기 빔 분할기를 통해 두 번째로 전파된후에 상기 시각 이미지를 반사하기 위한 제 2반사기를 포함한다.
본 발명은 여러 중요한 기술적 특징 및 장점을 구비한다. 첫 번째로, 차량의 방풍유리가 반사기로 작용하는 경우조차도 렌즈를 광학 경로 내에 위치시키는 것에 의해 단순한 반사 소자 시스템에 비해 시각 이미지의 왜곡 및 다른 광수차(optical aberrations)를 감소시킬 수 있다. 상기 수차를 감소시키는 것에 의해 운전자는 시각 이미지를 보다 뚜렷하게 볼 수 있다. 추가적으로, 감소된 수차에 의해 상기 시스템은 차량 전방의 12도 이상의 FOV를 디스플레이할 수 있다. 넓은 FOV를 제공하는 것은 운전자로 하여금 곡선 도로에 잘 적응할 수 있게 하고 도로 측면, 특별히 차량 경로로 진입할 때의 사물을 보는데 도움을 줄 수 있다. 추가로, 상기 시스템은 운전자가 전체 시각 이미지를 보면서 머리를 이동할 수 있게 하는 포지티브 아이박스(positive eyebox)와 운전자의 눈의 피로를 감소시킬 수 있는 작은 수직 불균형도를 제공할 수 있다. 또한, 렌즈의 굴절성은 단순한 반사 소자 시스템보다 더 조밀한 광학 시스템을 제공할 수 있게 하고, 보다 작은 이미지 소스를 사용할 수 있게 하며, 이는 시스템의 가격을 절감시킨다. 게다가, 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 상기 이미지 소스 및 렌즈는 상기 차량의 계기판 내부에 장착될 수 있어 매우 인간공학적이고 심미적인 요소를 부여한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, HUD 시스템은 추가적인 반사기를 포함할 수 있다. 상기 추가적인 반사기는 왜곡의 추가적 보정을 위한 여유분의 자유도를 제공한다. 그러한 시스템은 추가적인 반사기가 상기 이미지 소스 및 렌즈와 함께 계기판 내부에 장착될 수 있기에 충분히 조밀하다.
추가적인 반사기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 빔 분할기가 렌즈를 대체할 수 있다. 빔 분할기를 사용하는 것은 상기 추가적인 반사기가 상기 반사기 및 상기 추가적인 반사기 사이에서 광학축과 실질적으로 대칭적이게 정렬할 수 있도록 하고, 이는 종래의 단순한 반사 소자 시스템에 비해 광학적인 성능을 향상시킨다. 그러나, 상기 시스템은 최소한의 광학 소자를 사용하고 상기 차량의 계기판 내부에 장착되기에 충분히 조밀하게 될 수 있다. 또한, 이러한 실시예들은 상기 이미지 소스가 다색광을 사용할 수 있게 한다.
기타 기술적 특징 및 장점들은 후술하는 도면, 발명의 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 당업자에게 명확해 질 것이다.
도 1은 차량(20)의 운전자(30)를 위한 헤드업 디스플레이(HUD, 30)를 제공하기 위한 시스템(10)의 평면도이다. 상기 시스템(10)은 차량(20)의 계기판(22) 내에 위치하는 이미지 소스(60)를 포함한다. 이미지 소스(60)는 다음에서 기술되는 선택된 광학 소자들에 도달한 후에 HUD가 되는 시각 이미지를 생성한다. 시각 이미지를 생성하기 위해, 이미지 소스(60)는 차량(20) 전방에서의 적외선 에너지를 나타내는 전기적 신호를 수집 장치(50)로부터 수신한다. 이미지 소스(60)는 통신 링크(54)에 의해 수집 장치(50)에 연결된다. 수집 장치(50)는 차량(20) 전방중 화살표(52)에 의해 지시되는 수집 장치(50)의 시계 이내에서 발산되는 적외선 에너지를 수집한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 수집 장치(50)는 원적외선(LWIR) 예를 들면, 7.5-13.5 미크론의 대역에서 적외선 에너지를 수집한다.
동작을 보면, 수집 장치(50)는 시계(FOV, 52) 내의 사물에 의해 발산되는 적외선 에너지를 수집한다. 이어서 수집 장치(50)는 통신 링크(54)를 이용하여 수집된 적외선 에너지를 나타내는 전기적 신호를 이미지 소스(60)로 전달한다. 이미지 소스(60)는 수집된 에너지를 나타내는 전기적 신호를 시각 이미지로 처리한다. 그리고 이미지 소스(60)는 시각 이미지를 생성하고 이러한 시각 이미지는 선택된 광학 소자에 도달하여 HUD(63)가 된다.
운전자(30)는 그의 눈이 아이박스(32) 내부에 있는 경우 HUD(63)에서 전체 시각 이미지를 볼 수 있다. 비록 도 1에서는 아이박스(32)의 표현을 2차원적으로 나타내었지만, 일반적으로 아이박스(32)는 3차원의 용적을 가지며, 그 안에서 운전자(30)가 그의 머리를 움직이고 HUD(63)에서 전체 시각 이미지를 볼 수 있다. 운전자(30)가 그의 머리를 아이박스(32)의 외부로 이동함에 따라, 존재한다 하더라도 단지 일부분의 HUD(63)에서의 시각 이미지가 남겨져서 보일 수 있을 것이다.
수집 장치(50)의 FOV(52)를 넓히게 되면, 시스템(10)은 HUD(63)에서 운전자(30)에게 보다 넓은 영역의 차량(20) 전방을 디스플레이한다. 보다 넓은 영역의 차량(20) 전방을 디스플레이하면, 운전자(30)는 곡선 도로를 주행할 때 더 많은 도로를 볼 수 있고 도로 측면의 물체를 볼 수 있다. 아래에서 기술되는 바와 같이, 특정 광학 소자는 시스템(10)으로 하여금 HUD(63)에서 보다 넓은 영역의 차량(20) 전방을 디스플레이할 수 있게 한다.
도 2는 차량(20)의 운전자(30)를 위한 HUD(63)를 제공하기 위한 시스템(10)의 측면도이다. 도 1에서와 같이 시스템(10)은 통신 링크(54)에 의해 계기판(22)내의 이미지 소스(60)에 연결된 수집 장치(50)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 광학 경로(36)내에 하나 또는 하나 이상의 광학 소자(69)를 포함한다. 광학 경로(36)는 이미지 소스(60)로부터 운전자(30)의 눈까지 전파되는 광선(64)에 의해 정의된다. 설명한 바와 같이, 각각의 광선(64)은 시각 이미지의 중심점을 나타내나, 실제로는 시각 이미지의 각각의 점에 대해 많은 수의 광선(64)이 존재한다. 광학 경로(36)는 광학 소자(69)를 마주칠 때 방향을 변경할 수 있다. 광학 소자(69)는 렌즈, 빔 결합기, 빔 분할기 또는 임의의 형태의 광을 조작하거나 처리하는 소자를 포함한다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 통신 링크(54)를 이용하여 수집 장치(50)에 의해 수집된 적외선 에너지를 나타내는 전기적 신호를 수신한다. 이어서 이미지 소스(60)는 시각 이미지를 생성하고, 시각 이미지는 차량(20)을 통해 광선(64)으로서 전파된다. 광선(64)은 운전자(30)에게 HUD(63)로 표현되기에 앞서 광학 소자(69)에 도달한다. 광선(64)은 운전자(30)가 HUD(63)에서 시각 이미지를 볼 수 있도록 후드(63)로부터 운전자(30)의 눈으로 전파된다. 시스템(10)은 HUD(63)가 통상의 운전을 위한 시야를 방해하지 않도록 하기 위해 운전자(30)의 조준선(LOS) 아래, 예를 들어, 5-15도 아래에서 HUD(63)를 디스플레이한다. HUD(63)에서의 전체 시각 이미지는 아이박스(32) 내의 어느 위치에서도 볼 수 있다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, HUD(63)에서의 시각 이미지는 운전자(30)로부터 대략 3미터의 상거리(image distance)를 갖는 허상이다.
도 3은 렌즈(70) 및 이미지 소스(60)가 차량의 계기판(22) 내에 위치한 경우의 시스템의 일실시예를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 시스템(10)은 또한 반사기(80)를 포함한다. 렌즈(70)는 반사기(80)와 이미지 소스(60) 사이에서 광학축(34)과 실질적으로 일렬로 정렬되는 국부 기계축(72)을 갖는다. 광학축(34)은 운전자(30)와 이미지 소스(60) 사이에서 광학 경로(36)의 중심으로서 정의된다. 광학 경로(36)는 광선(64)이 선택되는 광학 소자에 도달할 때 진행 방향이 변하게 된다. 이미지 소스(60)의 국부 기계축(62)도 또한 반사기(80)와 이미지 소스(60) 사이에서 광학축(34)과 실질적으로 일렬로 정렬된다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 반사기(80)는 차량(20)의 방풍유리(24)이고 렌즈(70)는 프레넬(Fresnel) 렌즈와 같은 콜리메이팅(collimating) 렌즈이다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 수집 장치(50)에 의해 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 시각 이미지는 차량(20)을 통해 광선(64)으로서 전파된다. 광선(64)은 우선 렌즈(70)에 도달하고, 렌즈(70)는 광선이 통과할 때 굴절시킨다. 이어서 광선(64)은 반사기(80)에 도달하고, 반사기(80)는 광선(64)을 반사시켜 HUD(63)를 발생시킨다. 광선(64)은 반사된 후에 차량(20) 내부를 진행하여 운전자(30)에게 도달한다.
설명한 바와 같이, 각각의 광선(64)은 이미지 소스(60)에 의해 생성된 시각 이미지의 동일점을 나타낸다. 그러므로 운전자(30)는 점 66, 67, 68과 같이 아이박스(32) 내의 많은 점들에서의 시각 이미지의 동일점을 볼 수 있다. 운전자(30)가 양 눈으로 동시에 시각 이미지의 동일점을 보고 시각 이미지의 동일점을 보면서 3차원 상에서 그의 머리를 움직일 수 있도록 아이박스(32) 내에 점 66, 67, 68과같은 많은 점들이 존재한다. 게다가, 이미지 소스(60)에 의해 생성되는 시각 이미지의 모든 점을 위해 광선 64와 같은 많은 광선들이 존재한다. 그러므로, 운전자(30)는 아이박스(32) 내의 많은 점들에서 HUD(63)의 전체 시각 이미지를 볼 수 있다.
반사기(80)는 은으로 입혀진(silver-backed) 유리, 연마된 금속, 유리, 플라스틱, 코팅 또는 비코팅된 방풍유리(24), 빔 결합기 또는 반사성을 갖는 임의의 물질일 수 있다. 반사기(80)가 방풍유리(24)인 실시예에 있어서, 방풍유리(24)는 광선(64)을 반사 및 굴절시킬 수 있다. 그러므로, 방풍유리(24)를 반사기(80)로 사용하지 않는 것은 방풍유리(24)가 방풍유리(24)의 내면 및 외면으로부터 반사되는 시각 이미지에 기인하여 초래할 수 있는 시각 이미지의 고스트 이미지(ghost image)를 제거할 수 있다.
이미지 소스(60)는 액정 디스플레이, 브라운관(CRT) 또는 시각 이미지를 생성할 수 있는 임의의 다른 장치일 수 있다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 이미지 소스(60)는 시각 이미지를 생성하기 위해 단색광을 사용함으로써 다색광에 의해 초래될 수 있는 색수차(chromatic aberrations)를 감소시킨다. 본 발명의 다른 특별한 실시예에 있어서, 필터가 시스템(10)을 위해 가성단색광(psuedomonochromatic)을 발생할 수 있도록 이미지 소스(60)로부터 다색광을 여과할 수 있다.
렌즈(70)를 반사기(80)와 이미지 소스(60) 사이에서 광학축(34) 상에서 실질적으로 대칭으로 정렬하는 것은 단순한 반사 소자 시스템에 비해, 심지어는반사기(80)가 방풍유리(24)인 경우에도, 왜곡(distortion)의 상당한 감소를 가져온다. 또한, 렌즈(70)를 광학축(34)상에서 실질적으로 대칭으로 정렬하는 것은 왜곡을 대칭적으로 만들어 다른 색수차를 감소시킨다. 렌즈(70)가 제공하는 수차의 감소 때문에 시스템(10)의 HUD(63)는 단순한 반사 소자 시스템보다 HUD(63)에서 차량(20) 전방의 FOV(52)를 더 크게 디스플레이할 수 있다. 시스템(10)은 또한 통상 5밀리 라디안 미만의 낮은 수직 불균형도를 제공한다. 수직 불균형도는 광선(64)이 운전자(30)의 각각의 눈으로 입사될 때 동일한 앙각(elevation angle)을 갖지 못하는 경우 발생한다. 방풍유리(24)의 비대칭성은 수직 불균형도의 주요한 원인이다. 운전자(30)의 각각의 눈이 다른 눈에 대해서 서로 다른 방향으로 바라보는 것에 의해 수직 불균형도를 보상하기 때문에, 수직 불균형도를 감소시키는 것은 운전자(30)의 눈의 피로를 감소시킨다. 게다가, 렌즈(70)의 굴절성은 시스템(10)으로 하여금 상대적으로 작은 이미지 소스(60)를 사용할 수 있게 하기 때문에 비용이 절감된다. 또한, 특히 방풍유리(24)가 반사기(80)로서 역할하는 경우 렌즈(70)는 이미지 소스(60)를 구비한 계기판(22) 내에 위치하여 인간공학적이고 심미적인 디자인을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 렌즈(70)는 프레넬 렌즈이다. 프레넬 렌즈는 일반적인 콜리메이팅 렌즈와 유사한 동작 특성을 가지고 있으나 더 작은 부피 및 무게를 가진다. 프레넬 렌즈는 일반적인 콜리메이팅 렌즈의 동작 특성에 근접하는 반면에 외부 굴곡을 콜리메이팅 렌즈의 이산 섹션(discrete section)에 매칭되게 하고 콜리메이팅 렌즈의 내부 물질의 많은 부분을 제거함으로써 보다 작은 부피를차지한다. 그러므로, 프레넬 렌즈를 계기판(22)의 조밀한 환경에서 사용하는 것은 시스템(10)을 장착하고 구성하는 데 있어서 상당한 개선점을 제공한다. 프레넬 렌즈는 유리, 플라스틱, 아크릴 또는 광이 통과할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 프레넬 렌즈가 플라스틱으로 만들어진 경우, 주입 몰딩 가공(injection molded process)에 의해 형성될 수 있다.
도 4는 추가적인 반사기(84)가 차량(20)의 계기판(22) 내에 위치한 경우의 시스템(10)의 일실시예를 나타낸다. 반사기(84)는 은으로 입혀진 유리, 연마된 금속, 유리, 플라스틱, 빔 결합기 또는 반사성을 갖는 임의의 물질일 수 있다. 상기 실시예에 있어서, 렌즈(70)는 표준 렌즈의 1/2이고 다른 1/2은 음영선(71)으로 나타내었다. 렌즈(70)의 국부 기계축(72)은 반사기(84)와 렌즈(70) 사이에서 반드시 광학축(34)과 일렬로 정렬될 필요는 없고, 반사기(84)의 국부 기계축(86)도 반사기(80)와 반사기(84) 사이에서 반드시 광학축(34)과 일렬로 정렬될 필요는 없다. 국부 기계축(86)과 국부 기계축(72)은 일렬로 정렬되거나 정렬되지 않을 수 있다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 반사기(84)는 곡면 거울이고, 반사기(80)는 차량(20)의 방풍유리(24)이며, 렌즈(70)는 프레넬 렌즈이다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 시각 이미지를 생성하고, 시각 이미지는 이미지 소스(60)로부터 광으로서 전파되고 먼저 렌즈(70)에 도달한다. 렌즈(70)는 광선(64)을 굴절시키고, 상기 광선(64)은 반사기(84)에 도달한다. 반사기(84)는 광선(64)을 굴절시키고, 상기 광선(64)은 반사기(80)에 도달한다. 반사기(80)는 또한 광선(64)을 굴절시키고 HUD(63)를 생성한다. 반사기(80)로부터 광선(64)은차량(20)의 내부를 통과하여 운전자(30)의 눈에 전파된다.
비록 렌즈(70)와 반사기(84)가 광학축에 실질적으로 일렬로 정렬되지는 않을 수 있지만, 반사기(84)를 광학 경로(36) 내에 위치시키는 것은 시스템(10)에 추가적인 자유도(degree of freedom)를 제공하며, 이는 방풍유리(24)에 의해 초래되는 왜곡 및 다른 광학적 수차(optical aberration)에 대해 추가적인 보정을 할 수 있게 한다.
도 5는 렌즈(70)가 차량(20)의 계기판(22) 상에 위치한 경우의 시스템(10)의 일실시예를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 렌즈(70)는 운전자(30)와 반사기(80) 사이에서 광학축(34) 상에 위치한다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 반사기(80)는 평면 거울이고 계기판(22) 상에 장착되며, 렌즈(70)는 프레넬 렌즈이고, 렌즈(70)의 국부 기계축(72)은 운전자(30)와 반사기(80) 사이에서 광학축(34)과 실질적으로 일렬로 정렬한다. 반사기(80)의 국부 기계축(82)은 운전자(30)와 반사기(80) 사이에서 광학축(34)과 일렬로 정렬되지 않는다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 수집 장치(50)에 의해 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 시각 이미지가 광선(64)으로서 이미지 소스(60)로부터 전파되면, 이어서 렌즈(70)가 광선(64)을 굴절시키고 HUD(63)를 발생시킨다. 렌즈(70)로부터 광선(64)은 차량(20) 내부를 진행하여 운전자(30)의 눈에 도달한다.
본 실시예는 향상된 디스플레이 명도, 그리고 반사기(80)가 방풍유리(24)가 아닌 경우에 HUD(63)에서 대폭 감소된 수차를 제공한다. 게다가, 방풍유리(24)를반사기(80)로 사용하지 않는 것 또는 불투명한 반사코팅제로 방풍유리(24)를 코팅하는 것에 의해 방풍유리(24)가 방풍유리(24)의 내면 및 외면으로부터 반사되는 시각 이미지에 기인하여 초래할 수 있는 시각 이미지의 고스트 이미지를 제거할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 반사기(80)는 계기판(22) 상에 독립적으로 장착될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 반사기(80)는 일체로 된 유닛(integral unit)의 일부일 수 있다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 반사기(80)는 사용하지 않을 때 계기판(22) 상이나 내부로 접혀질 수 있어 방풍유리(24)를 통한 운전자(30)의 시야에 장애가 되지 않도록 한다.
도 6은 렌즈(70) 및 이미지 소스(60)가 차량(20)의 계기판(22) 상에 장착된 경우의 시스템(10)의 일실시예를 나타내다. 본 실시예에 있어서, 렌즈(70)의 국부 기계축(72)은 운전자(30) 및 이미지 소스(60) 사이에서 광학축(34)과 실질적으로 일렬로 정렬한다. 이전과 같이, HUD(63)가 방풍유리(24)를 통과하는 운전자(30)의 조준선(LOS) 아래에 위치하도록 렌즈(70)를 장착한다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 렌즈(70)는 프레넬 렌즈이다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 수집 장치(50)에 의해 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 시각 이미지가 광선(64)으로서 이미지 소스(60)로부터 전파된 후에, 렌즈(70)가 광선(64)을 굴절시키고 HUD(63)를 발생시킨다. 렌즈(70)로부터 광선(64)은 차량(20) 내부를 진행하여 운전자(30)의 눈에 도달한다. 본 실시예는 HUD(63)에서 대폭 감소된 수차와 향상된 디스플레이 명도를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 이미지 소스(60)는 계기판(22) 상에 독립적으로 장착될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 이미지 소스(60)는 일체로 된 유닛(integral unit)의 일부일 수 있다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 렌즈(70) 및 이미지 소스(60)는 사용하지 않을 때 계기판(22) 상이나 내부로 접혀질 수 있어 방풍유리(24)를 통한 운전자(30)의 시야에 장애가 되지 않도록 한다.
도 7은 빔 분할기(90) 및 반사기(84)가 차량(20)의 계기판(22) 내에 위치한 경우의 시스템(10)의 일실시예를 나타낸다. 빔 분할기(90)는 광선 에너지의 일부는 통과시키고 나머지 일부는 반사시킨다. 빔 분할기(90)가 통과시키는 광선 에너지의 양과 빔 분할기(90)가 반사하는 광선의 에너지 양의 비율은 조정 가능하다. 광학 경로(36) 내에 빔 분할기(90)를 위치시킴으로써 반사기(84)의 국부 기계축(86)이 반사기(80)와 반사기(84) 사이에서 광학축(34)과 실질적으로 일렬로 정렬될 수 있다.
동작에 있어서, 이미지 소스(60)는 수집 장치(50)에 의해 수집된 적외선 에너지에 기초하여 시각 이미지를 생성한다. 시각 이미지가 광선(64)으로서 이미지 소스(60)로부터 전파되어 빔 분할기(90)에 먼저 도달하고, 빔 분할기(90)는 광선(64) 에너지의 일부는 통과시키고 나머지 일부는 반사시킨다. 빔 분할기(90)가 통과시킨 광선(64) 부분은 도시되지 않았다. 빔 분할기(90)로부터 반사된 광선(64)은 이어서 반사기(84)에 도달하고 상기 반사기(84)는 광선(64)을 반사시킨다. 그러면 광선(64)은 다시 빔 분할기(90)에 도달하고, 빔 분할기(90)는 재차 광선(64) 에너지의 일부는 통과시키고 나머지 일부는 반사시킨다. 빔 분할기(90)에서 반사시킨 광선(64) 부분은 도시되지 않았다. 상기 두 번째로 빔 분할기(90)에 도달하여 빔 분할기(90)를 통과한 광선(64) 부분은 이어서 반사기(80)에 도달하고, 반사기(80)는 광선(64)을 반사시켜 HUD(63)를 발생시킨다. 반사기(80)로부터 광선(64)은 차량(20) 내부를 진행하여 운전자(30)의 눈에 도달한다.
빔 분할기(90)에 의해, 반사기(80)에 도달하는 광선(64)은 이미지 소스(60)에서 구비했던 에너지의 일부만을 구비하게 된다. 본 발명의 특별한 실시예에 있어서, 빔 분할기(90)는 광선(64) 에너지의 약 1/2을 통과시키고 나머지는 반사시킨다. 그러므로, 반사기(80)에 도달하는 광선(64)은 이미지 소스(60)에서 구비했던 에너지의 1/4만을 구비하게 된다. 본 발명의 특별한 일실시예에 있어서, 반사기(80)는 차량(20)의 방풍유리(24)이고 반사기(84)는 곡면 거울이다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 반사기(80)는 평면 거울이다.
반사기(84)를 반사기(80)와 반사기(84) 사이에서 광학축(34)과 실적으로 대칭적이게 정렬시킴으로써 시스템(10)의 본 실시예는 단순한 반사 소자 시스템에 비해 광학적 성능을 향상시키고 광학 경로(36) 내에서 최소수의 광학 소자(69)를 사용한다. 게다가, 색수차는 중요한 관심거리가 아니게 된다.
상기에서 언급한 모든 실시예들을 위해 광학 소자가 계기판(22) 상 또는 내부에 장착되던 간에 광학 소자는 표준의 광학 장착용 브래킷(optical mountingbracket)에 의해 계기판(22)에 장착될 수 있다. 계기판(22) 내에 위치되는 소자를 위해, 광학 장착용 브래킷은 이미지 소스(60)와 함께 계기판(22) 내에 위치하는 모든 광학 소자를 수용할 수 있는 광학 박스 내측에 위치할 수 있다. 운전자(30)는 광학 박스의 높이 또는 방위각을 조정함으로써 HUD(63)를 수직 또는 수평으로 변경할 수 있다.
시스템(10)은 차량(20)으로서 자동차를 예를 들어 설명하였다. 그러나, 시스템(10)은 트럭, 기차, 항공기, 탱크 및 보트와 같은 다른 차량들에도 유용하다. 그러므로, 차량(20)은 운전자(30)가 있는 임의의 형태의 동력장비가 설치된 운송 장치이다. 추가로, 시스템(10)은 HUD(63)에서 차량의 스피드, 상태, 방향, 위치와 같은 다른 정보를 포함할 수 있다.
비록 본 발명에서 여러 실시예를 기술하였지만, 다양한 변형, 변경, 수정이 가능하다는 것은 당업자에게 자명할 것이며 후술되는 본 발명의 청구의 범위는 그러한 변형, 변경 및 수정을 포함한다.

Claims (23)

  1. 차량의 운전자를 위한 3차원 아이박스 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템으로서,
    적외선 에너지를 수집하기 위한 수집 장치;
    상기 수집된 적외선에 기초하여 시각 이미지를 나타내는 광선을 생성하며, 상기 수집 장치에 연결된 이미지 소스;
    상기 차량의 운전자와 상기 이미지 소스 사이에서 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬되는 기계축을 구비하며, 상기 운전자에게 나타내기 위해 상기 이미지 소스로부터 상기 운전자에게 광선을 전파하기 위한 굴절 렌즈; 및
    상기 차량의 운전자에게 나타내기 위해 시각 이미지를 반사시키기 위한 반사기로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈의 기계축은 상기 반사기와 상기 이미지 소스 사이에서 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 반사기는 상기 차량의 방풍유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈의 기계축은 상기 운전자와 상기 반사기 사이에서 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬되고, 상기 반사기는 거울로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 시각 이미지를 나타내는 상기 광선을 상기 렌즈를 통과한 후에 상기 반사기로 보내기 위한 추가적인 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈는 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 이미지 소스는 액정 디스플레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 수집 장치는 12도 이상의 차량 전방의 시계에서의 적외선 에너지에 반응하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 차량의 운전자를 위한 3차원 아이박스 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 방법으로서,
    차량 전방의 시계에서 적외선 에너지를 수집하는 단계;
    이미지 소스를 이용하여 상기 수집된 적외선에 기초하여 시각 이미지를 나타내는 광선을 생성하는 단계;
    상기 차량의 운전자와 상기 이미지 소스 사이에서 굴절 렌즈의 기계축을 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬하는 단계;
    상기 운전자에게 나타내기 위해 상기 렌즈를 통해 상기 운전자에게 상기 시각 이미지를 전파하는 단계; 및
    상기 차량의 운전자에게 나타내기 위해 상기 시각 이미지를 반사시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 렌즈의 기계축을 반사기와 상기 이미지 소스 사이의 광학축 상에서 실질적으로 대칭적이게 정렬하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 반사기는 상기 차량의 방풍유리로 구성되며,
    상기 렌즈의 기계축을 반사기와 상기 이미지 소스 사이의 광학축 상에서 실질적으로 대칭적이게 정렬하는 단계; 및
    상기 차량의 내부에 상기 이미지 소스와 상기 렌즈를 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 렌즈의 기계축을 상기 운전자와 반사기 사이의 광학축 상에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 시각 이미지를 나타내는 상기 광선을 상기 렌즈를 통과한 후에 반사기로 반사시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 3차원 아이박스 헤드업 디스플레이는 12도 이상의 차량 전방의 시계를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 차량의 운전자를 위한 3차원 아이박스 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템으로서,
    적외선 에너지를 수집하기 위한 수집 장치;
    상기 수집된 적외선에 기초하여 시각 이미지를 나타내는 광선을 생성하며, 상기 수집 장치에 연결되고 상기 차량의 계기판 상에 장착되는 이미지 소스; 및
    상기 차량의 계기판 상에 장착되고, 상기 차량의 운전자와 상기 이미지 소스 사이에서 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬되는 기계축을 구비하며, 상기 운전자에게 나타내기 위해 상기 이미지 소스로부터 상기 운전자에게 광선을 전파하기 위한 굴절 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 렌즈의 기계축은 상기 운전자와 상기 이미지 소스 사이의 광학축 상에서 실질적으로 대칭적이게 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 이미지 소스와 상기 렌즈는 사용하지 않는 경우에 상기 운전자의 시야의 장애를 감소시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 렌즈는 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 이미지 소스는 액정 디스플레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 차량의 운전자를 위한 3차원 아이박스 헤드업 디스플레이를 제공하기 위한 시스템으로서,
    적외선 에너지를 수집하기 위한 수집 장치;
    상기 수집된 적외선에 기초하여 시각 이미지를 나타내는 광선을 생성하며, 상기 수집 장치에 연결된 이미지 소스;
    첫 번째로 상기 시각 이미지를 나타내는 상기 광선을 반사시키고 두 번째로 상기 광선을 전파하기 위한 빔 분할기;
    상기 빔 분할기에서 첫 번째로 반사된 후에 상기 시각 이미지를 나타내는 상기 광선을 반사하기 위한 제 1반사기;
    상기 빔 분할기를 통해 두 번째로 전파된 후에 상기 시각 이미지를 나타내는 상기 광선을 반사하기 위한 제 2반사기로 구성되고, 상기 제 1반사기의 기계축은 상기 제 1반사기와 상기 제 2반사기 사이에서 광학축과 실질적으로 일렬로 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 이미지 소스, 상기 빔 분할기 및 상기 제 1 반사기는 상기 차량의 계기판 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 시스템은 12도 이상의 차량 전방의 시계를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 이미지 소스는 액정 디스플레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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