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KR101911488B1 - Hud용 윈드쉴드 부착형 컴바이너 - Google Patents

Hud용 윈드쉴드 부착형 컴바이너 Download PDF

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KR101911488B1
KR101911488B1 KR1020170058634A KR20170058634A KR101911488B1 KR 101911488 B1 KR101911488 B1 KR 101911488B1 KR 1020170058634 A KR1020170058634 A KR 1020170058634A KR 20170058634 A KR20170058634 A KR 20170058634A KR 101911488 B1 KR101911488 B1 KR 101911488B1
Authority
KR
South Korea
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layer
selective reflection
display light
windshield
wedge
Prior art date
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Active
Application number
KR1020170058634A
Other languages
English (en)
Inventor
김이종
김승현
현상원
이계승
허환
김건희
Original Assignee
한국기초과학지원연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
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Abstract

본 발명에 따른 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너는 차량의 윈드쉴드 내측면에 부착되어 영상 출력 장치로부터 출사되는 표시광을 운전자에게 향하도록 차량 내측으로 반사한다. 여기에서, 상기 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너는 상기 영상 출력 장치로부터 내측면으로 입사되는 표시광을 굴절시켜 외측면으로 투과시키는 투과층; 및 내측면이 상기 투과층의 외측면에 부착되고, 상기 투과되는 표시광에서 특정 편광 빔을 상기 투과층으로 반사시키는 선택 반사층;을 포함한다.

Description

HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너{COMBINER ATTACHED TO WINDSHIELD FOR HEAD-UP-DISPLAY}
본 발명은 HUD(HEAD-UP DISPLAY)용 광학 부재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이중상을 방지하고 외부광에 의한 시인성 저하 현상을 최소화할 수 있는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너에 관한 것이다.
최초 HUD 시스템은 전투기용으로 개발되었으며, 영상 표시광은 조종석 전방에 놓여진 컴바이너에서 반사되고 조종사측으로 입사되어 영상 표시광에 의한 각종 정보를 조종사가 인식하도록 할 수 있다. 최근, HUD 시스템은 자동차 산업 분야에 활발하게 적용되고 있으며, 차량 주행에 필요한 주변 환경 정보, 안전 정보 등을 운전자 시야 정면에 표시함으로써, 운전자는 주행 중에 시선을 옮길 필요가 없게 되어 운전 안전성을 대폭 향상시킬 수 있다.
컴바이너 타입의 HUD은, 반사 필름이 부착된 컴바이너를 차량 패널 위에 설치하여야 함에 따라 공간 효율성 측면에서 비효율적이며, 표시 영상에 대한 시인성 및 외부상에 대한 투과도가 낮아, 최근에는 윈드쉴드 타입의 HUD가 각광 받고 있다.
도 1 및 2는 종래 차량용 윈드쉴드 타입 HUD 시스템을 나타내는 참고도이다. 도 1을 참조하면, 차량용 HUD 시스템(10)은 영상 출력 장치(11) 및 반사 미러(12)를 포함하여 구성된다. 여기에서, 영상 출력 장치(11)는 각종 영상 정보를 포함하는 영상 표시광을 반사 미러(12) 측으로 출력하고, 영상 표시광은 반사 미러(12)에서 반사되어 차량의 윈드쉴드(13) 내면으로 입사한다. 여기에서, 윈드쉴드(13) 내면에서 반사된 영상 표시광은 운전자의 시선(아이박스)으로 입사되고, 영상 표시광은 운전자에게 윈드쉴드(13) 외면에서 일정거리 떨어진 지점에 위치하는 허상으로 인식되게 된다.
종래 윈드쉴드 타입 HUD 시스템에 있어서, 윈드쉴드(13) 외면에서 외부광(예 : 태양광 등)이 HUD 광학계로 입사하는 경우, 외부광은 HUD 광학계에서 반사 및 산란되어 영상 표시광과 함께 운전자의 시야로 입사하게 됨에 따라, 운전자의 눈에 피로감을 느끼게 하는 등 영상 표시광의 시인성이 저하될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서, 윈드쉴드(13) 외면에서 입사하는 태양광은 윈드쉴드(13)를 투과하고 반사 미러(12)에서 반사되어 다시 윈드쉴드(13) 내면으로 입사함으로써, 최종적으로 영상 표시 장치(11)에서 출력되는 영상 표시광과 함께 운전자의 시야로 도달하게 되며, 이에 따라 영상 표시광의 시인성이 저하될 수 있다.
또한, 종래 윈드쉴드 타입 HUD 시스템은, 윈드쉴드(13)의 내측면 및 외측면 각각에서 반사되는 광에 의하여 이중상이 발생됨에 따라 영상 표시광의 시인성이 저하될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 영상 출력 장치(11)에서 출력되는 영상 표시광은 윈드쉴드 내측면에서 반사되어 아이박스로 진행하는 제1 광경로와, 윈드쉴드 외측면에서 반사되어 아이박스로 진행하는 제2 광경로로 분할되어 진행됨에 따라, 운전자는 영상 정보를 미세하게 중첩된 상태로 인식하게 된다.
그러나, 윈드쉴드 타입의 HUD 시스템에 있어서, 의도치 않게 입사하는 외부광에 의한 시인성 저하 문제와 윈드쉴드의 양면에서 반사되는 영상 표시광에 의한 이중상 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술은 제공되고 있지 않은 실정이다.
일본등록특허 제5,081,953호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, HUD 시스템에 입사하여 아이박스(Eyebox)로 반사되는 외부광에 의한 시인성 저하 현상을 최소화함과 동시에, 윈드쉴드의 양면에서 반사되는 영상 표시광에 의한 이중상의 발생을 방지할 수 있는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너는 차량의 윈드쉴드 내측면에 부착되어 영상 출력 장치로부터 출사되는 표시광을 운전자에게 향하도록 차량 내측으로 반사한다. 여기에서, 상기 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너는 상기 영상 출력 장치로부터 내측면으로 입사되는 표시광을 굴절시켜 외측면으로 투과시키는 투과층; 및 내측면이 상기 투과층의 외측면에 부착되고, 상기 투과되는 표시광에서 특정 편광 빔을 상기 투과층으로 반사시키는 선택 반사층;을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 투과층은 제1 굴절률을 가지며, 내측면이 상기 선택 반사층과 경사지게 형성되는 쐐기형(wedge) 광학층;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 쐐기형 광학층은 상기 입사되는 표시광이 브루스터 각(Brewster angle)을 이루며 상기 선택 반사층의 내측면으로 입사하도록, 내측면이 상기 선택 반사층과 기정의된 각도를 이루며 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 투과층은 상기 쐐기형 광학층의 내측면에 형성되는 무반사(Anti Refletion) 코팅층;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 선택 반사층은 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 브루스터 각을 이루며 입사하는 표시광에서 S 편광 빔을 상기 투과층으로 반사시키는 선택 반사 필름;을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 선택 반사 필름은 상기 브루스터 각을 이루며 입사하는 표시광에서 P 편광 빔을 굴절시켜 외측면으로 투과시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 선택 반사층은 내측면이 상기 선택 반사 필름의 외측면에 부착되어, 상기 투과되는 P 편광 빔의적어도 일부를 흡수하는 S 편광 필름;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 S 편광 필름은 외측면이 상기 차량의 외측으로부터 입사하는 외부광을 차량의 외측으로 반사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 쐐기형 광학층은 SiO2 나노로드(nanoload)로 형성되고, 상기 선택 반사 필름은 SiO2, Si3N4 및 amorphous Si 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, HUD 시스템에 입사하여 아이박스(Eyebox)로 반사되는 외부광에 의한 시인성 저하 현상을 최소화함과 동시에, 윈드쉴드의 양면에서 반사되는 영상 표시광에 의한 이중상의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 윈드쉴드 형상에 대응하여 용이하게 설계 가능하고, 종래의 HUD용 컴바이너와 비교하여 설계 비용이 저렴하며 공간 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 윈드쉴드 타입의 HUD 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너를 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명에 따른 쐐기형 광학층을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너에 적용 가능한 소재를 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 HUD용 광학 부재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HUD 시스템에 입사하여 아이박스(Eyebox)로 반사되는 외부광에 의한 시인성 저하 현상을 최소화함과 동시에, 윈드쉴드의 양면에서 반사되는 영상 표시광에 의한 이중상의 발생을 방지할 수 있는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너에 관한 것이다.
본 발명자들은 상기에서 설명한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 윈드쉴드 내측면에 부착되는 컴바이너를 복수의 층으로 구성하되, 내측(영상 출력 장치 측)의 광학층은 입사되는 영상 표시광을 공간적으로 분리시키고, 외측(윈드쉴드 측)의 광학층은 내측 광학층을 투과하여 입사되는 광에서 특정 편광 빔을 선택적으로 반사시키도록 구성하면, 상기와 같은 효과를 나타낼 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에 따른 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너와 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 4는 본 발명에 따른 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너(이하, 부착형 컴바이너)를 설명하기 위한 참고도이다. 한편, 이하 설명하는 과정에서 사용되는 용어들 중, 내측면은 차량의 내부(또는 운전자)를 향하는 표면을 의미하고, 외측면은 차량의 외부(또는 윈드쉴드)를 향하는 표면을 의미한다.
도 3을 참조하면, 부착형 컴바이너는 윈드쉴드(110) 내측면에 부착되어 영상 출력 장치(미도시)로부터 출사되는 표시광을 운전자에게 향하도록 차량 내측으로 반사한다.
영상 출력 장치(미도시)는 기설정된 영상 표시광을 출력하는 장치로서, 도 3에 도시된 부착형 컴바이너의 하부 방향에 위치할 수 있으며, 영상 신호 제공 장치(미도시)와 연결되어 영상 신호와 대응되는 영상 표시광을 생성하여 외부로 출력하는 장치에 해당할 수 있다.
부착형 컴바이너는 투과층(120) 및 선택 반사층(130)을 포함한다.
투과층(120) 및 선택 반사층(130) 각각은 일정 면적을 가지는 박막(thin film)으로, 면적 및 두께에 한정되지 않으며, 설계 조건에 따라 다양한 면적 및 두께를 가질 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 명확한 이해를 위하여 차량의 전면에 형성된 윈드쉴드(110)의 일부 영역을 확대 도시한 것으로, 본 발명에 따른 부착형 컴바이너는 윈드쉴드(110)의 내측면 일정 영역에 부착되는 것으로 이해되어야 하며, 부착 면적에 한정 해석되어서는 안된다.
투과층(120) 및 선택 반사층(130) 각각은 내측면 및 외측면을 가진다. 여기에서, 투과층(120)의 내측면은 차량 내부를 향하고 외측면은 선택 반사층(130)의 내측면과 접착될 수 있으며, 선택 반사층(130)의 외측면은 윈드쉴드(110)의 내측면과 접착될 수 있다.
투과층(120) 및 선택 반사층(130) 각각은 소정의 굴절률을 가질 수 있으며, 투과층(120) 및 선택 반사층(130)은 상이한 굴절률을 가질 수 있다.
투과층(120)은 영상 출력 장치로부터 내측면으로 입사되는 표시광을 굴절시켜 외측면으로 투과시킨다.
일 실시예에서, 투과층(120)은 내측면이 선택 반사층(130)과 경사지게 형성되는 쐐기형(wedge) 광학층(121)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 투과층(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 쐐기형으로 형성되는 광학층(121)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 쐐기형 광학층(121)의 내측면은 선택 반사층(130)과 기정의된 각도를 이루도록 구성되어, 쐐기형 광학층(121)은 영상 출력 장치로부터 내측면으로 입사되는 표시광을 물성에 따라 소정의 각도로 굴절시켜 외측면으로 투과시킬 수 있다.
한편, 영상 출력 장치로부터 입사되는 표시광은, 쐐기형 광학층(121)의 내측면에서 차량 내부로 반사되는 제1 광경로(A)와, 쐐기형 광학층(121)의 내측면을 굴절 및 투과하여 외측면에서 반사된 후 내측면에서 굴절되어 차량 내부로 입사하는 제2 광경로(B)로 분할되어 진행될 수 있다. 여기에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 투과층(120)이 쐐기형으로 형성됨에 따라, 제1 광경로(A)를 따라 진행하는 표시광과 제2 광경로(B)를 따라 진행하는 표시광은 서로 평행하지 않고 소정의 각도를 이루며 진행될 수 있다. 여기에서, 쐐기형 광학층(121)은, 제2 광경로(B)를 따라 진행하는 표시광은 아이박스로 입사되고, 제1 광경로(A)를 따라 진행하는 표시광은 아이박스의 하부로 입사되도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 투과층(120)이 쐐기형으로 형성됨에 따라 표시 영상을 공간적으로 분리시킬 수 있으며, 이에 도 2의 종래 윈드타입 HUD에서 나타나는 이중상 문제를 해결할 수 있다.
한편, 제2 광경로(A)를 따라 진행하는 표시광은 운전자의 시선으로 입사되지 않는 광에 해당하므로, 본 발명의 명확한 이해를 위하여 이하 설명하는 과정에서는 생략한다.
일 실시예에서, 투과층(120)은 쐐기형 광학층(121)의 내측면에 형성되는 무반사(Anti Refletion) 코팅층(122)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 무반사 코팅층(122)은 도 4에 도시된 바와 같이 영상 출력 장치로부터 입사되는 표시광을 차량 내부로 반사시키지 않고 쐐기형 광학층(121) 내부로 투과시킬 수 있다. 이에, 무반사 코팅층(122)은 부착형 컴바이너의 전체 광효율을 증가시킬 수 있으며, 또한 제2 광경로(B)를 따라 진행하는 표시광이 발생되지 않도록 하여 이중상 문제를 해결할 수 있다.
일 실시예에서, 쐐기형 광학층(121)은 입사되는 표시광이 브루스터 각(Brewster angle)을 이루며 선택 반사층(130)의 내측면으로 입사하도록, 내측면이 선택 반사층(130)과 기정의된 각도를 이루며 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 쐐기형 광학층(121)을 투과한 표시광이 선택 반사층(130)의 내측면과 브루스터 각(
Figure 112017044799252-pat00001
)을 이루며 입사할 수 있도록 쐐기형 광학층(121)의 내측면은 선택 반사층(130)과 각도θ를 이루도록 형성될 수 있다. 한편, 쐐기형 광학층(121)의 경사 각도θ에 대한 설계 범위에 대하여는 후술한다.
선택 반사층(130)은 내측면이 투과층(120)의 외측면에 부착된다. 여기에서, 선택반사층(130)은 투과층(120)을 투과하는 표시광에서 특정 편광 빔을 투과층(120)으로 반사시킬 수 있다.
일 실시예에서, 선택 반사층(130)은 쐐기형 광학층(121)보다 큰 굴절률을 가지는 선택 반사 필름(131)을 포함할 수 있다. 즉, 선택 반사 필름(131)은 쐐기형 광학층(121)의 굴절률(n1, 제1 굴절률)보다 큰 굴절률(n2, 제2 굴절률)을 가지도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 선택 반사 필름(131)은 쐐기형 광학층(121)을 투과하여 브루스터 각을 이루며 입사하는 표시광에서 S 편광 빔을 쐐기형 광학층(121)으로 반사시킬 수 있다. 도 4를 참조하면, 영상 표시 장치에서 입사하는 표시광은, 쐐기형 광학층(121)을 투과하되, 쐐기형 광학층(121)의 물성 및 경사 각도 에 의하여 브루스터 각을 이루며 선택 반사 필름(131)의 내측면으로 입사될 수 있다. 여기에서, 표시광이 선택 반사 필름(131)의 내측면으로 브루스터 각을 이루며 입사됨에 따라 P 편광 빔은 선택 반사 필름(131)의 내부로 투과굴절되고, S 편광 빔은 선택 반사 필름(131)의 내측면에서 쐐기형 광학층(121)으로 반사될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따르면, 윈드쉴드(110) 외측에서 외부광(예 : 태양광 등)이 의도치않게 HUD 광학계로 입사되는 경우, 입사되는 외부광이 HUD 광학계에서 반사 및 산란되어 윈드쉴드(110) 내측면으로 입사되더라도, S 편광 빔만 선택적으로 아이박스로 도달하도록 할 수 있어 시인성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 선택 반사층(130)은 내측면이 선택 반사 필름(131)의 외측면에 부착되는 S 편광 필름(132)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, S 편광 필름(132)은 선택 반사 필름(131)을 투과되는 P 편광 빔의 적어도 일부를 흡수할 수 있다.
일 실시예에서, S 편광 필름(132)은 외측면이 윈드쉴드(110)의 외측으로부터 입사하는 외부광을 윈드쉴드(110)의 외측으로 반사시키도록 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, S 편광 필름(132)이 선택 반사 필름(131)을 투과하는 P 편광 빔을 흡수하여 P 편광 빔이 더 이상 반사되지 않도록 함과 동시에, 외부광이 부착형 컴바이너 내측으로 입사되지 않도록 함으로써 시인성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 부착형 컴바이너의 설계 조건에 대하여 도 4를참조하여 보다 상세하게 설명한다.
1. 쐐기형 광학층(121)의 경사 각도(θ)
쐐기형 광학층(121)의 경사 각도(θ)를 유도하기 위하여, 쐐기형 광학층(121)의 내측면(n0 -> n1)에서 스넬의 법칙을 적용하고, 선택 반사 필름(131)의 내측면(n1 -> n2)에서 브루스터의 법칙을 적용하면 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00002
Figure 112017044799252-pat00003
Figure 112017044799252-pat00004
여기에서, 삼각형 내각 공식을 이용하면 쐐기형 광학층(121)의 경사 각도(θ)는 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00005
Figure 112017044799252-pat00006
Figure 112017044799252-pat00007
즉, 쐐기형 광학층(121)의 경사 각도(θ)는 n1, n2 및 입사각
Figure 112017044799252-pat00008
에 의존한다.
2. 아이박스로 입사하는 표시광의 입사각도 (
Figure 112017044799252-pat00009
)
아이박스로 입사하는 표시광의 입사각도 (
Figure 112017044799252-pat00010
)를 유도하기 위하여, 쐐기형 광학층(121)의 내측면(n1 -> n0)에서 스넬의 법칙을 적용하면 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00011
Figure 112017044799252-pat00012
Figure 112017044799252-pat00013
Figure 112017044799252-pat00014
Figure 112017044799252-pat00015
즉, 아이박스로 입사하는 표시광의 입사각도 (
Figure 112017044799252-pat00016
)는 n1, n2 및 입사각
Figure 112017044799252-pat00017
에 의존한다.
단, 하기의 조건을 만족하여야 한다.
Figure 112017044799252-pat00018
Figure 112017044799252-pat00019
Figure 112017044799252-pat00020
상기 조건을 정리하면 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00021
또는,
Figure 112017044799252-pat00022
3. 부착형 컴바이너의 광효율(light efficiency) Leff
프레넬 방정식에 의하여, 경계면에서의 반사율 및 투과율은 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00023
Figure 112017044799252-pat00024
Figure 112017044799252-pat00025
Figure 112017044799252-pat00026
(Rs - pol : s 편광 빔의 반사율, Rp - pol ; p 편광 빔의 반사율, Ts - pol : s 편광 빔의 투과율, Tp - pol : p 편광 빔의 투과율)
여기에서, n0와 n1에서의 투과율, n1과 n2에서의 반사율 및 n1과 n0에서의 투과율을 각각 유도하면 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00027
Figure 112017044799252-pat00028
Figure 112017044799252-pat00029
부착형 컴바이너의 최종 광효율은 n0와 n1에서의 투과율, n1과 n2에서의 반사율, n1과 n0에서의 투과율 및 n1 매질의 투과도의 곱으로 주어진다.
Figure 112017044799252-pat00030
([T]n1 : n1 매질의 투과도)
즉, 부착형 컴바이너의 광효율(light efficiency) Leff 은 n1, n2 및 입사각
Figure 112017044799252-pat00031
에 의존한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 쐐기형 광학층(121)의 내측면에 무반사 코팅층(122)이 형성되는 경우, n0와 n1에서의 투과율과 n1과 n0에서의 투과율은 1이므로, n1과 n2에서의 반사율만을 고려하면 부착형 컴바이너의 광효율(light efficiency) Leff 은 다음과 같다.
Figure 112017044799252-pat00032
4. 부착형 컴바이너의 소재
상기 1 내지 3에서 설명한 본 발명에 따른 부착형 컴바이너의 설계 조건을 고려하여, 각 구성에 적용 가능한 소재의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 한편, 이하 설명하는 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 상기 조건을 만족하는 다양한 공지의 물질이 적용될 수 있음은 자명하다.
일 실시예에서, 쐐기형 광학층(121)은 SiO2 나노로드(nanoload)로 형성되고, 선택 반사 필름(131)은 SiO2, Si3N4 및 amorphous Si 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 6 내지 8을 참조하면, 632.8 nm 파장에서 SiO2 나노로드는 약 1.05의 굴절률을, SiO2는 약 1.45의 굴절률을, Si3N4는 약 2.04의 굴절률을, amorphous Si은 약 4.5의 굴절률을 나타낸다. 여기에서, SiO2, Si3N4 및 amorphous Si(n2)는 SiO2 나노로드(n1)와 비교하여 상대적으로 높은 굴절률을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, SiO2 나노로드(n1)는 가시영역에서 우수한 투과도를 나타내며, SiO2, Si3N4 및 amorphous Si(n2)는 얇은 코팅(약 수십 nm 수준)이 가능하므로 광의 투과에 문제가 발생되지 않는다.
도 9 내지 11은, 쐐기형 광학층(121)이 SiO2 나노로드(nanoload)로 형성되고 선택 반사 필름(131)이 SiO2, Si3N4 및 amorphous Si로 형성되는 경우, 상기 1 내지 2에서 설명한 부착형 컴바이너의 설계 조건에 따른 θi와 1/sin(θb+θ), θt2의 관계를 나타내는 참고도이다.
우선 도 9 내지 11을 참조하면, 상기 소재 각각을 적용하는 경우에 대한 θi, θt2 및 θ의 각도 범위를 확인할 수 있다.
우선, 도 9는 입사각 θi와 1/sin(θb+θ)의 관계를 나타내는 것이며, 도 10은 도 9에서 다음의 조건을 만족하는 θi의 범위에서의 θt2를 도시한 것이다.
Figure 112017044799252-pat00033
여기에서, 도 11을 참조하면, 도 10에 나타나는 입사각 θi 범위에서의 θi 와 θ(부착형 컴바이너의 경사 각도)의 관계를 확인할 수 있다. 예를 들어 n2가 SiO2로 형성되는 경우, 입사각 θi = 50°에서 부착형 컴바이너의 쐐기 각도 θ는 7°로 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, n2가 Si3N4로 형성되는 경우, 입사각 θi =60° 에서 부착형 컴바이너의 쐐기 각도 θ는 7°로 형성될 수 있다. 또 다른 예를 들어, n2가 amorphous Si으로 형성되는 경우, 입사각 θi = 45°에서 부착형 컴바이너의 쐐기 각도 θ는 34°로 형성될 수 있다.
도 12 내지 13은 쐐기형 광학층(121)이 SiO2 나노로드(nanoload)로 형성되고 선택 반사 필름(131)이 SiO2, Si3N4 및 amorphous Si로 형성되며, 쐐기형 광학층(121)의 내측면에 무반사 코팅층(122)이 형성된 경우의 반사율 및 최종 광효율을 나타내는 참고도이다.
도 12 내지 13을 참조하면, 무반사 코팅을 고려한 부착형 컴바이너의 최종 광효율 Leff는 가시 영역에서 SiO2의 경우 약 0.1, Si3N4의 경우 약 0.34, Amorphous silicon의 경우 약 0.8을 나타냄을 확인할 수 있다. 일반적인 윈드쉴드의 광효율은 0.1 미만임을 고려하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부착형 컴바이너의 광효율은 매우 우수한 수준임을 알 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 종래의 HUD 시스템
11 : 영상 출력 장치
12 : 반사 미러
13 : 윈드쉴드
110 : 윈드쉴드
120 : 투과층
121 : 쐐기형 광학층
122 : 무반사 코팅층
130 : 선택 반사층
131 : 선택 반사 필름
132 : S 편광 필름

Claims (9)

  1. 차량의 윈드쉴드 내측면에 부착되어 영상 출력 장치로부터 출사되는 표시광을 운전자에게 향하도록 차량 내측으로 반사하는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너에 있어서,
    상기 영상 출력 장치로부터 내측면으로 입사되는 표시광을 굴절시켜 외측면으로 투과시키는 투과층; 및
    내측면이 상기 투과층의 외측면에 부착되고, 상기 투과되는 표시광에서 특정 편광 빔을 상기 투과층으로 반사시키는 선택 반사층;
    을 포함하되,
    상기 투과층은
    제1 굴절률을 가지며, 내측면이 상기 선택 반사층과 경사지게 형성되는 쐐기형(wedge) 광학층;을 포함하고,
    상기 쐐기형 광학층은
    상기 입사되는 표시광이 브루스터 각(Brewster angle)을 이루며 상기 선택 반사층의 내측면으로 입사하도록, 내측면이 상기 선택 반사층과 기정의된 각도를 이루며 형성되며,
    상기 선택 반사층은
    상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 가지며, 브루스터 각을 이루며 입사하는 표시광에서 S 편광 빔을 상기 투과층으로 반사시키는 선택 반사 필름;을 포함하고,
    상기 쐐기형 광학층은 SiO2 나노로드(nanoload)로 형성되며, 상기 선택 반사 필름은 SiO2, Si3N4 및 amorphous Si 중 어느 하나로 형성되는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 투과층은
    상기 쐐기형 광학층의 내측면에 형성되는 무반사(Anti Refletion) 코팅층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 선택 반사 필름은
    상기 브루스터 각을 이루며 입사하는 표시광에서 P 편광 빔을 굴절시켜 외측면으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너.
  7. 제6항에 있어서, 상기 선택 반사층은
    내측면이 상기 선택 반사 필름의 외측면에 부착되어, 상기 투과되는 P 편광 빔의적어도 일부를 흡수하는 S 편광 필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너.
  8. 제7항에 있어서, 상기 S 편광 필름은
    외측면이 상기 차량의 외측으로부터 입사하는 외부광을 차량의 외측으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 HUD용 윈드쉴드 부착형 컴바이너.
  9. 삭제
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