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KR101762063B1 - 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

헤드업 디스플레이 장치 Download PDF

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KR101762063B1
KR101762063B1 KR1020160009506A KR20160009506A KR101762063B1 KR 101762063 B1 KR101762063 B1 KR 101762063B1 KR 1020160009506 A KR1020160009506 A KR 1020160009506A KR 20160009506 A KR20160009506 A KR 20160009506A KR 101762063 B1 KR101762063 B1 KR 101762063B1
Authority
KR
South Korea
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laser beam
unit
light
driving
head
Prior art date
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Application number
KR1020160009506A
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Inventor
한영근
황주일
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

헤드업 디스플레이 장치가 제공한다. 레이저 빔을 차량의 윈드 실드에 투영시키는 상기 헤드업 디스플레이 장치는 상기 레이저 빔을 제공하는 레이저 투영 모듈 및 상기 레이저 투영 모듈에서 제공된 상기 레이저 빔을 상기 윈드 실드으로 반사하는 광학부를 포함하고, 그 중, 상기 레이저 투영 모듈은 상기 레이저 빔을 발생시키는 광원부, 상기 광원부에서 제공된 상기 레이저 빔이 지나는 경로 상에 제공되며, 상기 레이저 빔이 지나는 면에 요철이 형성된 광 발산부, 상기 광 발산부를 진동시키는 구동부 및 상기 광 발산부로부터 발산된 상기 레이저 빔의 경로를 평행하게 조정하는 시준기를 포함함으로써, 소형화 된 고효율의 헤드업 디스플레이 장치를 기대할 수 있다.

Description

헤드업 디스플레이 장치{Head-Up Display Device}
본 발명은 헤드업 디스플레이 장치에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 소형화가 가능한 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.
항공분야 특히 전투기에서 요구되는 시각적 한계의 극복을 위해 도입된 HUD(전방시현장치) 기술은 최근 들어 주행 중 정보 습득을 위한 운전자의 시각적 간섭을 최소화하기 위해 자동차 산업에도 HUD 기술을 적용하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 이미 HUD 기술이 탑재된 수입 자동차가 출시되고 있으며 국내 주요 자동차제조사, 전장품 개발사 등 산업계와 관련 연구기관에서 기술개발과 연구를 수행해오고 있다.
HUD는 운전자의 시각적 주의 분산을 최소화하고 빠른 정보 획득을 가능케 하는 장점이 있으나 아직까지 자동차의 전면 유리창에 다양한 정보를 왜곡 없이 출력하기 위한 기술적 한계와 자동차 안전 관련 법제도적인 문제 등으로 인하여 본격적인 산업 활성화는 아직 미진한 상황이다. 하지만 차세대 정보출력 기술 및 운전자 인터페이스 기술로써 HUD의 가능성이 중요하게 인식되고 있기에 관련 기술개발 및 상용화를 위한 체계적인 고찰과 전략마련이 필요하다 할 것이다.
현재 일반적인 HUD는 LED 광원을 사용하거나 레이저 광원을 사용한다. LED 광원 대비 레이저 광원은 높은 광효율, 넓은 색 영역, 빛의 직진성 등 다양한 장점을 갖고 있다. 그러나 스펙클이 발생하는 단점을 가진다.
스펙클은 스크린과 같은 거친 표면으로부터 간섭성 광이 산란되었을 때, 한정된 구경을 갖는 광도 검출기에 의해 검출된다. 한정된 구경은 검출기의 공간 레졸루션을 정의하고 공간 레졸루션에 의해 정의되는 크기를 갖는 스팟(spot)들의 모자이크로 검출된 이미지를 양자화한다. 이에 따라, 이미지의 선명함이 열화되어, 레이저 광원이 HUD에 적용될 경우 운전자가 불쾌감을 느낄 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 스펙클이 억제된 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 소형화가 가능한 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 헤드업 디스플레이 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 레이저 빔을 차량의 윈드 실드에 투영시키는 헤드업 디스플레이 장치는 상기 레이저 빔을 제공하는 레이저 투영 모듈 및 상기 레이저 투영 모듈에서 제공된 상기 레이저 빔을 상기 윈드 실드로 반사하는 광학부를 포함하되, 상기 레이저 투영 모듈은 상기 레이저 빔을 발생시키는 광원, 상기 광원에서 제공된 상기 레이저 빔이 지나는 경로 상에 제공되며, 상기 레이저 빔이 지나는 면에 요철이 형성된 광 발산부, 상기 광 발산부를 진동시키는 구동부 및 상기 광 발산부로부터 발산된 상기 레이저 빔의 경로를 평행하게 조정하는 시준기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 광 발산부는 상기 레이저 빔이 입사되는 수광면과, 투과된 상기 레이저 빔이 출광되는 출광면을 포함하되, 상기 출광면에 상기 요철이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 광 발산부는 상기 레이저 빔을 상기 시준기 측으로 반사하는 반사면을 포함하되, 상기 반사면에 상기 요철이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 광 발산부는 상기 레이저 빔이 투과되고, 투과된 상기 레이저 빔이 출광되는 출광면이 상기 시준기에 대항하여 배치되며, 상기 출광면에 상기 요철이 형성된 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 요철은 규칙 또는 불규칙 형상을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 요철은 상기 면의 식각으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 요철은 상기 면에 미세 입자를 증착하여 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 미세 입자는 상기 광 발산부와 굴절률이 동일한 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 광 발산부의 둘레를 감싸는 고정부를 더 포함하고, 상기 구동부는 상기 고정부에 진동을 인가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 구동부는 제1 내지 제4 구동부를 포함하되, 상기 제1 내지 제4 구동부는 각각 상기 고정부의 외주연과 결합하며, 상기 고정부의 둘레를 따라 90° 간격으로 배치되는 것을 포함될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 헤드업 디스플레이 장치의 상기 구동부는 회전 로드를 갖는 구동 모터, 상기 회전 로드와 상기 고정부를 연결하는 벨트를 더 포함하되, 상기 구동 모터의 구동으로 상기 광 발산부가 회전할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치는 구동부에 의해 위상이 변조된 다중 경로의 레이저 빔을 제공함으로써, 스펙클 현상이 방지된 영상을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치는 기존의 헤드업 디스플레이 장치 대비 구성이 간단하여, 소형화 된 헤드업 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치는 광학부에 의해 배율 및 수차가 조절됨으로써 고해상도의 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구성들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 광학부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광학부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈의 구성들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스펙클 억제부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 통과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 통과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스펙클 억제부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 광 발산부의 정면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 스펙클 억제부의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 광 발산부의 정면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 스펙클 억제부의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 상기 광 발산부를 통과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 단면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 상기 광 발산부를 통과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구성들을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 헤드업 디스플레이 장치(1000)는 차량에 장착되며, 차량의 윈드 실드(300) 상에 영상 정보를 제공한다.
상기 헤드업 디스플레이 장치(1000)는 레이저 투영 모듈(100) 및 광학부(200)를 포함한다.
상기 레이저 투영 모듈(100)은 광학부(200) 측으로 레이저 빔 영상을 제공한다.
상기 광학부(200)는 상기 레이저 빔 영상의 크기 또는 위치를 조정하여, 상기 윈드 실드(300)로 전달한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 상기 광학부(200)는 상기 레이저 투영 모듈(100)로부터 입사된 상기 레이저 빔 영상을 반사시켜 상기 윈드 실드(300)로 전달한다.
상기 광학부(200)는 제1 거울(230a), 제2 거울(230b) 및 제3 거울(230c)을 포함한다. 상기 레이저 빔 영상은 상기 제1 거울(230a)로 입사된다. 상기 제1 거울(230a)은 상기 레이저 빔 영상을 상기 제2 거울(230b)로 반사하고, 상기 제2 거울(230b)은 상기 레이저 빔 영상을 상기 제3 거울(230c)로 반사하며, 상기 제3 거울(230c)은 상기 레이저 빔 영상을 상기 윈드 실드(300)로 반사한다.
상기 제1 및 제2 거울(230a, 230b)은 평면 거울, 또는 오목 거울 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 거울(230a, 230b)을 종류에 따라 적절히 선택함으로써, 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(1000)의 사이즈가 조정될 수 있다.
상기 제3 거울(230c)은 곡률을 가진 상기 윈드 실드(300)에 왜곡 없는 영상을 전달하기 위해, 오목 거울로 제공될 수 있다.
상기 제3 거울(230c)의 각도 및 위치를 조절하여 상기 레이저 빔 영상의 위치 및 크기가 조절될 수 있다. 또한, 상기 레이저 빔 영상의 배율이 조정되고, 상면만곡 수차와 비점 수차가 보완될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광학부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 광학부(200)는 상기 레이저 투영 모듈(100)로부터 입사된 상기 레이저 빔 영상을 투과시켜 상기 윈드 실드(300)로 전달한다.
상기 광학부(200)는 제1 렌즈부(253), 제2 렌즈(255), 제3 렌즈(258)를 포함한다. 상기 레이저 빔 영상은 상기 제1 렌즈부(253)로 입사된다. 상기 레이저 빔 영상은 상기 제1 렌즈부(253)를 거처, 상기 제2 렌즈(255)와 상기 제3 렌즈(258)를 투과하여 상기 윈드 실드(300)에 전달된다.
상기 제1 렌즈부(253)는 제1 볼록 렌즈(253a), 제2 볼록 렌즈(253c) 및 오목 렌즈(253b)를 포함한다. 상기 제1 렌즈부(253)는 상기 제1 볼록 렌즈(253a)와 상기 제2 볼록 렌즈(253c) 사이에 상기 오목 렌즈(253b)가 제공된 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 볼록 렌즈(253a, 253c)는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 렌즈부(253)는 줌(Zoom) 기능에 의해 상기 레이저 빔 영상의 크기를 조정할 수 있다.
상기 제2 및 제3 렌즈(255, 258)는 상기 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 제2 및 제3 렌즈(255, 258)를 종류에 따라 적절히 선택함으로써, 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치(1000)의 사이즈가 조정될 수 있으며, 구면 수차, 코마, 비점 수차가 보완된다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 윈드 실드(300)에 전달된 상기 레이저 빔 영상은 운전자를 기준으로 상기 윈드 실드(300)의 후면에 허상(400)을 맺을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈의 구성들을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 레이저 투영 모듈(100)은 광원부(10), 통합 미러(20), 스펙클 억제부(30) 및 이미징 패널(70)을 포함한다.
상기 광원부(10)는 후술될 상기 통합 미러(20)에 레이저 빔을 제공한다. 실시 예에 따르면, 상기 광원부(10)는 제1 광원(10a), 제2 광원(10b) 및 제3 광원(10c)을 포함한다. 상기 제1 광원(10a)은 Red 레이저 빔을 제공하고, 상기 제2 광원(10b)는 Green 레이저 빔을 제공하며, 상기 제3 광원(10c)는 Blue 레이저 빔을 제공한다. 상기 레이저 빔은 반도체 레이저 또는 Nd:YAG 레이저일 수 있다.
상기 통합 미러(20)는 상기 레이저 빔들의 입사각을 조절함으로써, 개별적인 광 경로를 하나로 통합하는 역할을 수행한다. 상기 통합 미러(20)는 제1 통합 미러(20a), 제2 통합 미러(20b), 제3 통합 미러(20c)를 포함한다. 예를 들어, 제1 통합 미러(20a)는 상기 제1 광원(10a)으로부터 방출되는 Red 레이저 빔을 반사시키고, 제2 통합 미러(20b)는 상기 제2 광원(10b)으로부터 방출되는 Green 레이저 빔을 반사시키며, 제3 통합 미러(20c)는 상기 제3 광원(10c)로부터 방출되는 Blue 레이저 빔을 반사시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제3 통합 미러(20a, 20b, 20c)들은 동일 수평선 상에 위치된다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 통합 미러(20a, 20b, 20c)들은 상기 레이저 빔들의 경로가 하나로 통합된 통합 레이저 빔을 제공할 수 있다.
상기 통합 레이저 빔은 상기 스펙클 억제부(30)로 조사된다. 상기 스펙클 억제부(30)는 상기 통합 레이저 빔으로부터 발생되는 스펙클을 억제한다. 스펙클이 억제된 상기 통합 레이저 빔은 상기 이미징 패널(70)에 의해 영상화되어, 상기 광학부(200)에 조사된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스펙클 억제부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 스펙클 억제부(30)는 광 발산부(31)와 고정부(33) 및 시준기(38)를 포함한다.
상기 광 발산부(31)는 상기 통합 레이저 빔을 다중 분할하여 굴절시킨다.
상기 광 발산부(31)는 상기 통합 레이저 빔이 입사되는 수광면(32a)과, 투과된 상기 통합 레이저 빔이 출광되는 출광면(32b)을 포함한다. 상기 출광면(32b)에는 요철이 형성된다.
상기 광 발산부(31)는 유리, 아크릴, PMMA, 폴리프로필렌 또는 PET 중 적어도 어느 하나의 재질일 수 있다.
상기 고정부(33)는 상기 광 발산부(31)의 외주연을 둘러싼 형태로 제공되어 상기 광 발산부(31)를 안정적으로 지지한다. 예를 들어, 상기 고정부(33)는 링 형상을 가질 수 있다.
상기 시준기(38)는 상기 광 발산부(31)로부터 발산된 상기 레이저 빔의 경로를 평행하게 조정한다. 상기 시준기(38)는 상기 광 발산부(31)의 상기 출광면(32b)과 마주하여 위치된다.
도 6 및 도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면들이다. 도 6의 (A)는 상기 광 발산부와 고정부를 나타낸 정면도이고, (B)는 상기 광 발산부와 고정부의 단면도이며, 도 7는 상기 광 발산부를 투과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 광 발산부(31)의 상기 출광면(32b)에는 불규칙한 형상의 요철(40a)이 형성된다.
불규칙한 형상의 상기 요철(40a)은 식각 공정에 의해 형성된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 식각 공정은 Sandblast 공정을 포함한다. Sandblast 공정은 상기 출광면(32b)에 불균일한 크기의 입자들이 고압으로 분사되어, 상기 출광면(32b)을 식각한다. 이 외에도 식각 공정은 폴리싱 패드에 의한 연마 방법, 반도체 노광 공정에 의한 패턴 형성 방법이 제공될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 광 발산부(31)로 입사되는 상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40a)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 출광된다.
도 8 및 도 9은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 8의 (A)는 상기 광 발산부와 고정부를 나타낸 정면도이고, (B)는 상기 광 발산부와 고정부를 나타낸 단면도이며, 도 9는 상기 광 발산부를 통과하는 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 광 발산부(31)는 상기 출광면(32b)에 규칙적인 형상의 요철(40b)이 형성된다. 상기 요철(40b)의 형상은 동일 크기의 반구 형상일 수 있다.
상기 요철(40b)은 상기 출광면(32b)에 전체적으로 균일하게 형성될 수 있다. 규칙적인 상기 요철(40b)은 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 요철(40b)은 동일한 크기의 미세 입자들을 상기 광 발산부(31)의 상기 출광면(32b)에 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 이때, 상기 미세 입자들은 상기 광 발산부(31)와 동일한 굴절률을 갖는 재질로 사용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 광 발산부(31)로 입사되는 상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40b)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 출광된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스펙클 억제부를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 스펙클 억제부(30)는 광 발산부(31)와 고정부(33) 및 시준기(38)를 포함한다.
상기 광 발산부(31)는 소정의 길이를 갖는 광 케이블의 형태일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 광 발산부(31)는 광섬유, 실리콘 기반 광 도파로 또는 폴리머 광 도파로 중 적어도 어느 하나의 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 광 발산부(31)가 광섬유일 경우, 상기 광섬유는 단일모드 광섬유, 다중모드 광섬유, 광자 결정 광섬유, 광섬유 번들, 단일모드 다중코어 광섬유, 다중모드 다중코어 광섬유, 폴리머 기반 광섬유 또는 실리콘 기반 광섬유 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 광 발산부(31)는 코어(31a)와 클래딩(31b)을 포함한다. 상기 코어(31a)는 상기 통합 레이저 빔이 전달되는 매질로, 상기 클래딩(31b)에 의해 둘러싸인 형태로 제공될 수 있다.
상기 코어(31a)는 상기 클래딩(31b) 대비 굴절률이 큰 물질일 수 있다. 이에 따라, 상기 코어(31a)는 전반사를 통해 상기 통합 레이저 빔을 손실 없이 상기 시준기(38)로 전달할 수 있다.
상기 코어(31a)의 출광면(32b)에는 상기 요철(40)이 형성된다. 상기 요철(40)은 규칙 또는 불규칙 형상으로 제공될 수 있다.
상기 고정부(33)는 상기 클래딩(31b)의 적어도 일정 부분의 외주연을 둘러싼 형태로 제공된다. 상기 고정부(33)는 상기 출광면(32b)에 인접하여 위치될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정부(33)는 링 형상을 가질 수 있다.
상기 시준기(38)는 상기 광 발산부(31)로부터 발산된 상기 레이저 빔의 경로를 평행하게 조정한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 11의(a)는 광 발산부와 고정부를 나타낸 정면도이며, (b)는 광 발산부와 고정부를 나타낸 측면도이다.
도 11을 참조하면, 상기 코어(31a)의 상기 출광면(32b)에 불규칙한 형상의 요철(40a)을 포함한다.
상기 요철(40a)은 도 7에서 설명된 바와 같이, 식각 공정에 의해 형성될 수 있으며, 상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40a)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 상기 코어(31a)에서 출광된다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 12의 광 발산부와 고정부를 나타낸 정면도이고, (b)는 광 발산부와 고정부를 나타낸 측면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 코어(31a)는 상기 출광면(32b)에 규칙적인 형상의 요철(40b)을 포함한다.
상기 요철(40b)은 도 9를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 미세 입자들을 증착하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 미세 입자들은 상기 코어(31a)와 동일한 굴절률을 갖는 재질일 수 있다.
상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40b)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 상기 코어(31a)에서 출광된다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 13은 상기 고정부 상에 상기 구동부가 설치된 상기 광 발산부의 정면도이며, 도 14는 상기 구동부가 설치된 스펙클 억제부의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 상기 스펙클 억제부(30)는 구동부(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 구동부(50)는 상기 고정부(33)의 외주연을 따라 배치된다.
상기 구동부(50)는 제1 구동부(50a), 제2 구동부(50b), 제3 구동부(50c) 및 제4 구동부(50d)를 포함한다. 상기 제1 내지 제4 구동부들(50a, 50b, 50c, 50d)은 고정부(33)의 둘레를 따라 순차적으로 90° 간격으로 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 구동부들(50a, 50b, 50c, 50d)은 상기 고정부(33)에 진동을 제공한다. 예를 들어, 상기 구동부(50)는 linear stage, linear actuator 또는 진동자 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 고정부(33)는 외주면에 부착된 상기 제1 및 제3 구동부(50a, 50c)들에 의해 상하 진동하며, 상기 제2 및 제4 구동부들(50b, 50d)에 의해 좌우로 진동될 수 있다. 이에 따라, 상기 고정부(33)에 의해 둘러싸인 상기 광 발산부(31)는 상하좌우로 진동될 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 제1 내지 제4 구동부들(50a, 50b, 50c, 50d)의 진동에 의해 상기 광 발산부(31)를 통과하는 상기 통합 레이저 빔의 위상이 변조된다. 위상이 변조된 상기 통합 레이저 빔이 상기 시준기(38)에 입사될 수 있다.
도 15 및 도 16는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 구동부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 15은 상기 구동부가 설치된 상기 광 발산부의 정면도이며, 도 16는 상기 구동부가 설치된 스펙클 억제부의 단면도이다.
도 15을 참조하면, 상기 구동부(60)는 회전 동력을 제공하는 구동 모터(63)와, 회전 동력을 상기 고정부(33) 에 전달하는 벨트(65)를 포함한다.
상기 구동 모터(63)는 회전 로드(63a)를 포함한다. 상기 회전 로드(63a)는 상기 구동 모터(63)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 구동 모터(63)는 DC 모터, Step 모터 또는 BLDC 모터 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 벨트(65)는 상기 회전 로드(63a)와 상기 고정부(33)에 감긴다. 이에 따라, 상기 벨트(65)는 상기 구동 모터(63)으로부터 제공되는 회전 동력을 상기 고정부(33)에 전달한다. 예를 들어, 상기 벨트(65)는 밴드 또는 기어의 형태로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 회전 로드(63a)가 시계 방향으로 회전할 경우, 상기 회전 로드(63a)와 적어도 일부분이 접촉된 상기 벨트(65)는 시계 방향으로 회전한다. 이에 따라, 상기 벨트와 적어도 일부분이 접촉된 상기 고정부(33) 또한 시계 방향으로 회전함으로써, 상기 고정부(33)에 의해 고정된 상기 광 발산부(31)도 시계 방향으로 회전한다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 회전 로드(63)가 반시계 방향으로 회전할 경우, 상기 회전 로드(63a)와 적어도 일부분이 접촉된 상기 벨트(65)는 반시계 방향으로 회전하며, 이에 결과적으로 상기 고정부(33)에 의해 고정된 상기 광 발산부(31) 또한 반시계 방향으로 회전한다.
도 16를 참조하면, 상기 구동부(60)에 의해 상기 광 발산부(33)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전함으로써, 상기 통합 레이저 빔의 위상이 변조된다. 따라서, 위상이 변조된 상기 통합 레이저 빔이 상기 시준기(38)에 입사될 수 있다.
도 17는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 17를 참조하면, 상기 레이저 투영 장치(100A)는, 광원부(10), 통합 미러(25), 스펙클 억제부(30) 및 이미징 패널(70)을 포함할 수 있다.
상기 광원부(10)는 도 4에서 설명된 상기 광원부(10)와 동일한 구성일 수 있다.
상기 제1 광원(10a), 상기 제2 광원(10b), 그리고 상기 제3 광원(10c)은 후술될 상기 통합 미러(25)를 기준으로 90°의 사이각으로 순차적으로 배치될 수 있다.
상기 광원부(10)에서 제공된 상기 레이저 빔들은 상기 통합 미러(25)에 의해 통합될 수 있다.
상기 통합 미러(25)는 상기 Red 레이저 빔이 입사되는 제1 면(25a), 상기 Green 레이저 빔이 입사되는 제2 면(25b), 상기 Blue 레이저 빔이 입사되는 제3 면(25c) 및 상기 Red 레이저 빔과 Green 레이저 빔 및 Blue 레이저 빔이 통합된 상기 통합 여기 레이저 빔이 출광되는 제4 면(25d)을 포함한다. 예를 들어, 상기 통합 미러(25)는 상기 제1 면 내지 상기 제4 면(25a, 25b, 25c, 25d)을 갖는 육면체일 수 있다.
상기 통합 미러(25)의 제4 면(25d)으로부터 출광되는 상기 통합 레이저 빔은 상기 스펙클 억제부(30)에 입사된다. 이때, 상기 스펙클 억제부(30)는 도 5 내지 도 16에서 설명된 상기 광 발산부(31)들 중 어느 하나를 포함한 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 상기 통합 레이저 빔에 의한 스펙클 발생이 억제될 수 있다.
스펙클이 억제된 상기 통합 레이저 빔은 상기 이미징 패널(70)에 의해 영상화되어 상기 광학부(200)에 조사된다.
도 18는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 상기 레이저 투영 장치(120)는, 광원부(10), 제1 광 도파로(80), 광 결합부(85), 제2 광 도파로(87), 시준기부(90), 스펙클 억제부(30) 및 이미징 패널(70)을 포함할 수 있다.
상기 광원부(10)는 도 2에서 설명된 상기 광원부(10)와 동일한 구성으로 제공된다.
상기 제1 광 도파로(80)는 일단이 상기 제1 내지 제3 광원들(10a, 10b, 10c)과 각각 연결되고 타단이 상기 광 결합부(85)와 연결된다. 이에 따라, 상기 광 도파로(80)는 상기 제1 내지 제3 광원들(10a, 10b, 10c)로부터 출광된 Red 레이저 빔, Green 레이저 빔, Blue 레이저 빔을 각각 상기 광 결합부(85)에 전송한다.
상기 광 결합부(85)는 상기 광원(10a, 10b, 10c)들로부터 조사된 파장이 다른 레이저 빔들을 하나의 경로로 통합한다.
상기 제2 광 도파로(87)는 일단이 상기 광 결합부(85)와 연결되고, 타단이 상기 시준기부(90)와 연결되어, 상기 광 결합부(85)로부터 입사된 통합된 상기 레이저 빔을 상기 시준기부(90)에 전달한다.
상기 시준기부(90)는 입사된 상기 통합 레이저 빔을 평행광으로 도파시킨다.
평행광은 상기 스펙클 억제부(30)로 입사된다. 이때, 상기 스펙클 억제부(30)는 도 5 내지 도 16에서 상술된 상기 광 발산부(31)들 중 어느 하나를 포함한 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 상기 통합 레이저 빔은 다중 경로로 굴절되고 위상이 변조된다.
상기 통합 레이저 빔은 상기 이미징 패널(70)에 의해 영상화되어 상기 광학부(200)에 조사된다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레이저 투영 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 19을 참조하면, 상기 레이저 투영 모듈(100)은 광원부(10), 통합 미러(20), 스펙클 억제부(30) 및 이미징 패널(70)을 포함한다. 상기 광원부(10)와 통합 미러(20)는 도 4에서 설명한 상기 광원부(10)와 상기 통합 미러(20)와 동일한 구성으로 제공되므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 스펙클 억제부(30)는 상기 통합 미러(20)에서 반사된 통합 레이저 빔의 경로를 이미지 패널(70) 측으로 변경한다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스펙클 억제부를 설명하기 위한 도면이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 상기 스펙클 억제부(30)는 광 발산부(31)와 고정부(33), 구동부(미도시) 및 시준기(38)를 포함한다.
상기 광 발산부(31)는 상기 통합 레이저 빔이 입사되는 방향에 대해 소정 각도만큼 기울어져여 위치된다. 상기 광 발산부(31)는 상기 고정부(33)에 의해 고정된다.
상기 광 발산부(31)는 반사면(45)을 포함한다. 상기 반사면(45)은 상기 통합 레이저 빔을 시준기(38) 측으로 반사한다. 상기 반사면(45)은 알루미늄, 금, 은 또는 유전체 중 적어도 하나의 재질로 코팅될 수 있다.
상기 반사면(45)에는 규칙 또는 불규칙한 형상의 요철(40)이 형성된다.
상기 고정부(33) 및 상기 시준기(38)는 도 5에서 설명한 구성과 동일하게 제공된다.
상기 구동부는 상기 고정부(33)를 진동시켜, 상기 통합 레이저 빔의 위상을 변조한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 구동부는 도 13를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 고정부(33)에 진동을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 구동부(50)는 linear stage, linear actuator 또는 진동자 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 구동부는 도 15을 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 고정부(33)에 회전 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 구동 모터(63)는 DC 모터, Step 모터 또는 BLDC 모터 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 상기 벨트(65)는 밴드 또는 기어의 형태로 제공될 수 있다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 불규칙한 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 21의 (a)는 광 발산부와 상기 고정부를 나타낸 정면도이고, (b)는 광 발산부와 상기 고정부를 나타낸 측면도이며, 도 22은 상기 광 발산부에 의한 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 단면도이다.
도 21를 참조하면, 상기 고정부(33)에 의해 고정된 상기 광 발산부(31)는 상기 반사면(45)에 불규칙한 형상의 요철(40a)이 형성된다. 상기 요철(40a)은 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 요철(40a)의 표면에는 알루미늄, 금, 은 또는 유전체 중 적어도 하나의 재질로 코팅되어 반사면으로 제공될 수 있다
도 22을 참조하면, 상기 반사면(45)으로 입사되는 상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 반사된다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 규칙적인 형상의 요철이 형성된 광 발산부를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 23의 (a)는 상기 광 발산부와 고정부를 나타낸 정면도이고, (b)는 상기 광 발산부와 고정부를 나타낸 측면도이며, 도 24는 상기 광 발산부에 의한 통합 레이저 빔을 설명하기 위한 단면도이다.
도 23을 참조하면, 상기 고정부(33)에 의해 고정된 상기 광 발산부(31)는 상기 반사면(45)에 규칙적인 형상의 요철(40b)이 형성된다.
상기 요철(40b)은 상기 미세 입자들을 증착하여 형성될 수 있다. 상기 요철(40b)의 표면에는 알루미늄, 금, 은 또는 유전체 중 적어도 하나의 재질로 코팅되어 반사면으로 제공될 수 있다
도 24를 참조하면, 상기 광 발산부(31)의 상기 반사면(45)으로 입사되는 상기 통합 레이저 빔(A)은 상기 요철(40b)에 의해 여러 방향으로 광 분할(A')되어 반사된다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치를 설명하였다.
종래의 헤드업 디스플레이 장치의 레이저 투영 모듈은 간섭(coherent) 광원인 일반적인 레이저 빔을 사용함으로써 상기 레이저 빔의 파장의 4분의 1보다 큰 거칠기(roughness)를 갖는 외부 스크린에 입사되는 경우, 반사 또는 투과에 의해 레이저 빔이 서로 다른 위상을 갖게 됨으로써, 상기 레이저 빔의 파장과 스크린(900)의 거칠기의 차이로 인해 스펙클이 발생된다. 상기 스펙클은 상기 스크린 상에 나타나는 검은 반점으로, 관찰자의 영상 정보 획득을 방해할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예들 및 변형 예에 따른 헤드업 디스플레이 장치는 요철부가 형성된 광 발산부 및 구동부에 의해 관찰자가 인식하지 못하는 빠른 속도로 위상이 변조되는 다중 경로의 레이저 빔을 제공하는 레이저 투영 모듈을 탑재함으로써, 스펙클 현상이 방지된 헤드업 디스플레이 장치를 제공한다.
스펙클 현상의 억제를 위한 상기 헤드업 디스플레이 장치의 위상 변조 특징은 하기 서술되는 식에 의해 증명될 수 있다.
스펙클 형상을 변조시키기 위한 크기(v)와 스펙클 형상을 변조시키기 위한 주파수(f)가 있다. 사람 눈의 반응 속도보다 빠른 주파수로 스펙클 형상을 변조시킬 때 누적된 스펙클(I(x,y))은 다음의 식 1과 같다.
Figure 112016008623415-pat00001
......식 1
여기서, u0m, u0n는 초기 상태에서 전계들의 모드들이며, 총 M개의 모드가 있다. J는 베셀 함수(Bessel function)이며, Ψm, Ψn는 각 모드들의 초기 위상이다. 각 모드의 위상은 랜덤하며, 각각의 모드가 상호간에 영향을 주지 않는다는 가정 하에 스펙클 세기의 평균은 다음의 식 2와 같다.
Figure 112016008623415-pat00002
......식 2
식 2에서, A는 각 전계의 진폭이다. 스펙클의 이차 모멘트는 식 1을 이용하여 다음의 식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016008623415-pat00003
......식 3
한편, 식 2 및 식 3을 통해 스펙클 크기를 나타내는 스펙클 명암비(c)는 다음의 식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016008623415-pat00004
......식 4
상기 식 4를 통해 스펙클 형상을 변조시키는 크기(v)가 증가함에 따라 스펙클 명암비가 감소됨을 예측할 수 있다. 또한 변조시키는 주파수에는 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 따라서 변조시키는 크기를 최대로 하는 동시에 사람 눈의 반응 속도보다 빠른 속도로 주파수를 변조시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들 및 변형 예에 따라 위상을 변조시키면 상기 스펙클 형상의 억제가 가능하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
1000; 헤드업 디스플레이 장치
100, 100A, 100B, 110; 레이저 투영 모듈
10; 광원부
10a; Red 광원
10b; Blue 광원
10c; Green 광원
20, 25; 통합 미러
20a; 제1 통합 미러
20b; 제2 통합 미러
20c; 제3 통합 미러
25a; 제 1면
25b; 제 2면
25c; 제 3면
25d; 제 4면
30; 스펙클 억제부
31; 광 발산부
31a; 코어
31b; 클래딩
32a; 수광면
32b; 출광면
33; 고정부
38; 시준기
40; 요철
40a; 불규칙한 형상의 요철
40b; 규칙적인 형상의 요철
45; 반사면
50, 60; 구동부
50a; 제1 구동부
50b; 제2 구동부
50c; 제3 구동부
50d; 제4 구동부
63; 구동 모터
63a; 회전 로드
65; 벨트
60; 영상구현소자
70; 이미징 패널
80; 제1 광 도파로
85; 광 결합부
87; 제2 광 도파로
90; 시준기부
100; 헤드업 디스플레이 장치
200; 스크린
250; 광학부
300; 윈드 실드
400; 허상

Claims (11)

  1. 레이저 빔을 차량의 윈드 실드에 투영시키는 헤드업 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 레이저 빔을 제공하는 레이저 투영 모듈; 및
    상기 레이저 투영 모듈에서 제공된 상기 레이저 빔을 상기 윈드 실드로 반사하는 광학부;를 포함하되,
    상기 레이저 투영 모듈은
    상기 레이저 빔을 발생시키는 광원부;
    상기 광원부에서 제공된 상기 레이저 빔이 지나는 경로 상에 제공되며, 상기 레이저 빔이 지나는 면에 요철이 형성된 광 발산부;
    상기 광 발산부를 진동시키는 구동부; 및
    상기 광 발산부로부터 발산된 상기 레이저 빔의 경로를 평행하게 조정하는 시준기;를 포함하고,
    상기 광 발산부는 광 섬유 형태로,
    전반사를 통해 상기 레이저 빔이 이동하는 경로를 제공하며, 상기 레이저 빔이 출광되는 출광면에 반구 형상의 상기 요철이 규칙적 형상으로 균일하게 형성된 코어; 및
    상기 코어를 둘러싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율을 갖는 클래딩을 포함하고,
    상기 요철은,
    상기 출광면에 상기 코어와 동일한 굴절률을 갖는 미세 입자를 증착하여 형성되는 헤드업 디스플레이 장치.
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  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광 발산부의 둘레를 감싸는 고정부를 더 포함하고,
    상기 구동부는 상기 고정부에 진동을 인가하는 것을 포함하는 헤드업 디스플레이 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 구동부는 제1 내지 제4 구동부;를 포함하되,
    상기 제1 내지 제4 구동부는 각각 상기 고정부의 외주면과 결합하며, 상기 고정부의 둘레를 따라 90° 간격으로 배치되는 헤드업 디스플레이 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 구동부는
    회전 로드를 갖는 구동 모터;
    상기 회전 로드와 상기 고정부를 연결하는 벨트;를 더 포함하되,
    상기 구동 모터의 구동으로 상기 광 발산부가 회전하는 것을 포함하는 헤드업 디스플레이 장치.
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