KR102085538B1 - 홀로그램 광학소자를 이용한 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 헤드업 디스플레이 장치는 영상신호를 표출하기 위한 디스플레이부, 상기 디스플레이부에 영상신호가 표출되도록 제어하는 컨트롤러 및 미리 정해진 거리에 가상 스크린이 위치되도록 상기 디스플레이부에서 표출되는 영상을 반사시키기 위한 홀로그램 광학소자 렌즈를 포함한다.
본 발명에 의하면, 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용하여 결상 위치를 제어할 수 있는 헤드업 디스플레이 장치를 제안함으로써, 운전자의 주시점에 따라 가상 이미지가 재생되는 가상 스크린 면을 제어할 수 있으며, 이에 따라 운전시 사고의 위험을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

홀로그램 광학소자를 이용한 헤드업 디스플레이 장치 {Head-up display apparatus using holographic optical element}

본 발명은 차량의 운전석 전면 유리창(Windshield)에 다양한 차량 정보를 가상 이미지(Virtual Image)로 표시하는 차량용 헤드업 디스플레이(HUD: Head Up Display) 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 홀로그램 광학소자를 이용한 헤드업 디스플레이 장치에 관한 것이다.

21세기의 인간의 생활 공간을 살펴보면 크게 집, 일터, 그리고 이동공간, 세가지로 구분할 수 있다. 특히, 대부분의 이동공간을 차지하고 있는 것이 차량이다. 그래서, 차량에 있는 시간이 증가함에 따라 주거 공간에서 이용되는 전자제품들이 차량 안에서도 사용할 수 있도록 개발되고 있다.

예를 들어, 오디오 비디오 시스템 설치, 간이 냉장고 등이 들 수가 있다. 또한, 전자제품들이 발달됨에 따라 운전에 도움을 주는 분야에도 적용되어 편리를 도모 하고 있다. 대표적인 예로, 자동차 네비게이션이 있다. 그런데, 운전자는 시야에 있는 사물들을 확인해야 하며 차량이 주행상태도 확인하면서 운전해야 한다. 운전 중 운전자의 안전을 제공하고 차량 주행정보와 주변상황 정보를 효과적으로 운전자에게 전달해주는 매체로 개발중인 여러 시스템이 있는데, 그 중 HUD(Head Up Display)가 주요 관심사가 되고 있다.

이처럼 최근 차량의 운전석 전면(Front) 유리창(Windshield)에 다양한 차량 정보를 가상 이미지로 표시하여, 운전자가 차량 운전 중 전방을 계속 주시하면서 동시에, 차량 정보를 확인할 수 있도록 하기 위한 헤드업 디스플레이(HUD: Head Up Display) 시스템이 개발되어 차량에 탑재되고 있다.

헤드업 디스플레이란 차량이나 항공기 주행 중 운전자 정면 즉, 운전자의 주 시야선을 벗어나지 않는 범위에서 차량주행정보나 기타 정보를 제공하는 시스템이다.

보통 시속 약 100m/h 운전 중에 시야를 계기판에 두었다가 도로로 시야를 고정시키는 시간(약 2초)에 약 55m 이동하기 때문에 위험은 존재한다. 이러한 위험을 줄이는 방법의 하나로 차량용 HUD를 개발하여 사용하고 있다. 차량용 HUD는 앞 유리창의 운전자의 주시야 선에 계기판의 정보(속력, 주행거리, RPM 등)를 나타나게 하여 운전자가 운전 중에도 쉽게 주행정보를 파약할 수 있도록 한다. 이로써 운전자는 도로로부터 눈을 떼지 않고도 중요한 주행정보를 인지함으로써 안전 운행을 할 수 있는 것이다.

일반적으로, 헤드업 디스플레이 시스템은 표시부, 광학계, 홀로그래픽 컴바이너(holographic combiner) 등으로 구성되어 차량 전방의 허공에 주행과 관련된 각종 정보를 운전자에게 보여주는 시스템이다.

도 1은 헤드업 디스플레이가 장착된 차량의 윈드실드에 맺히는 가상 이미지를 나타낸 것이다.

도 1에서 윈드실드에 차량 정보가 표시된 가상 이미지(10)가 표시되어 있는 것을 확인할 수 있다.

즉, 헤드업 디스플레이 장치는 현재 차량의 속도, 위치 등의 주행정보를 표시부 통해 소정의 이미지로 만들고, 그 이미지를 광학계를 사용하여 차량의 전면 유리창인 윈드실드(windshield)에 부착된 홀로그래픽 컴바이너에 투사시키게 되면, 차량 전방의 허공에 소정의 허상이 결상되어, 운전자는 그를 통해 시야를 돌려 계기판을 확인하지 않고도 현재 차량의 위치나 속도 등의 주행과 관련된 정보 등을 볼 수 있도록 하는 것이다.

이처럼, 차량용 헤드업 디스플레이는 운전자에게 내비게이션을 포함한 다양한 정보를 제공해준다. 그러나, 종래의 헤드업 디스플레이의 경우 대부분 고정된 위치에 영상정보가 재생되므로, 전방 주시가 필수적인 운전자들에게 시야의 주시 영역에 있어서 혼돈을 준다. 따라서, 차량용 헤드업 디스플레이의 연구 초점은 운전자의 시선 분산을 최소화함으로써, 안전한 시각적 정보를 제공할 수 있어야 한다.

이러한 점을 개선하기 위하여, 종래 운전자의 눈동자를 감지하여 주의를 줄 수 있는 장치가 제안되었으나 주시영역을 일치시키는 기능은 없었다. 따라서, 운전자의 주시 영역과 헤드업 디스플레이의 재생 영상 면을 일치시켜주는 기술이 요구된다.

대한민국 공개특허 10-2018-0093583

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 운전자의 주시 영역과 헤드업 디스플레이의 재생 영상 면을 일치시키는 헤드업 디스플레이 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치는 영상신호를 표출하기 위한 디스플레이부, 상기 디스플레이부에 영상신호가 표출되도록 제어하는 컨트롤러 및 미리 정해진 거리에 가상 스크린이 위치되도록 상기 디스플레이부에서 표출되는 영상을 반사시키기 위한 홀로그램 광학소자 렌즈를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 헤드업 디스플레이 장치는 전방을 촬영하여 3차원의 거리 정보를 획득하기 위한 깊이 카메라 및 상기 홀로그램 광학소자 렌즈에 대하여 상기 디스플레이부를 전후로 이동시키기 위한 모터 스테이지를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 깊이 카메라로부터 획득한 거리 정보를 기반으로 운전자의 주시점의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산하고, 계산한 위치 정보에 가상 스크린이 위치되도록 상기 모터 스테이지를 구동시킬 수 있다.

상기 가상 스크린이 재생되는 위치정보를 기반으로 계산된 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 상기 디스플레이부 사이의 거리 정보가 룩업 테이블에 미리 저장되어 있고, 상기 컨트롤러는 상기 룩업 테이블을 참조하여, 상기 가상스크린의 위치 정보에 따라 상기 디스플레이부가 위치되도록 상기 모터 스테이지를 구동시킬 수 있다.

상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 상기 디스플레이부 사이의 거리를 a라 하고, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 운전자의 눈 사이의 거리를 b라 하면, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와의 거리가 b인 지점에 가상 스크린이 위치하도록, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈가 광학 특성을 갖는다.

본 발명에 의하면, 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용하여 결상 위치를 제어할 수 있는 헤드업 디스플레이 장치를 제안함으로써, 운전자의 주시점에 따라 가상 이미지가 재생되는 가상 스크린 면을 제어할 수 있으며, 이에 따라 운전시 사고의 위험을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 헤드업 디스플레이가 장착된 차량의 윈드실드에 맺히는 가상 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 기존 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 재생 형태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 재생면의 등가구조도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운전자의 시점에서 바라 본 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

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 명세서 상에 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 기존 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.

도 2에서 (a)는 볼록 렌즈를 이용한 헤드업 디스플레이 장치이고, (b)는 미러(mirror)를 이용한 헤드업 디스플레이 장치이고, (c)는 미러와 오목 렌즈를 이용한 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.

도 2의 (a)의 경우, 운전자의 눈의 위치가 디스플레이 및 볼록 렌즈의 반대쪽에 위치하며, 운전자의 시점은 영상 정보를 확인하기 위해 볼록 렌즈 방향에 두기 때문에, 운전 중 부주의를 유발할 가능성이 있다.

도 2의 (b)의 경우, 디스플레이와 미러 사이의 광경로만큼 가상면이 생성되기 때문에 대부분 짧은 위치의 가상면을 제공하게 된다. 따라서 가상면의 위치를 더 넓히기 위해서는 디스플레이와 미러 사이에 광학계를 추가해야 한다.

도 2의 (c)의 경우, 도 2의 (b)의 구조에서 광학계로 오목렌즈가 추가된 구조이다. 그러나, 이러한 구조 역시 차량의 대시보드 근처에 많은 공간을 차지하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치는 깊이 카메라(depth camera)(110), 컨트롤러(120), 모터 스테이지(motor stage)(130), 디스플레이(140), 홀로그램 광학소자(Hologram Optical Element, HOE) 렌즈(150)를 포함한다.

깊이 카메라(110)는 전방을 촬영하여 3차원의 거리 정보를 획득한다. 보다 구체적으로, 본 발명에서 깊이 카메라(110)는 전방 도로의 원근 거리 정보를 획득하거나, 지평선(horizon)을 기준으로 차량과의 거리를 계산하여 3차원 정보 정보를 획득할 수 있다.

컨트롤러(120)는 헤드업 디스플레이 장치의 전반적인 동작을 제어하는 구성요소로서, 디스플레이부(140)에 영상신호가 표출되도록 제어한다.

모터 스테이지(130)는 홀로그램 광학소자 렌즈(150)에 대하여 디스플레이부(140)를 전후로 이동시키는 역할을 한다.

디스플레이부(140)는 컨트롤러(120)의 제어에 따라 영상신호를 표출하는 역할을 한다.

홀로그램 광학소자 렌즈(150)는 미리 정해진 거리에 가상 스크린이 위치되도록 디스플레이부(140)에서 표출되는 영상을 반사시키는 소자이다.

본 발명의 일 실시예에서 컨트롤러(120)는 깊이 카메라(110)로부터 획득한 거리 정보를 기반으로 운전자의 주시점의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산하고, 계산한 위치 정보에 가상 스크린이 위치되도록 모터 스테이지(130)를 구동시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 가상 스크린이 재생되는 위치정보를 기반으로 계산된 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 디스플레이부(140) 사이의 거리 정보가 룩업 테이블(Look-Up Table)에 미리 저장되어 있을 수 있다. 이때, 컨트롤러(120)는 룩업 테이블을 참조하여, 가상 스크린의 위치 정보에 따라 디스플레이부(140)가 위치되도록 모터 스테이지(130)를 구동시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 재생 형태를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 재생면의 등가구조도를 나타낸 것이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 렌즈 특성이 기록된 홀로그램 광학소자 렌즈(150)에 디스플레이부(140)로부터 영상을 입사시키면, 사람의 눈으로 영상의 정보가 전달된다.

본 발명의 헤드업 디스플레이 장치에서 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 디스플레이부 사이의 거리를 a라 하고, 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 운전자의 눈 사이의 거리를 b라 하면, 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와의 거리가 b인 지점에 가상 스크린이 위치하도록하는 광학 특성을 갖는다.

즉, 도 4에서 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치에서 홀로그램 광학소자 렌즈(150)를 기준으로 디스플레이부(140)까지의 거리를 a라 하고, 운전자의 눈까지의 거리를 b라 할 때, 본 발명의 홀로그램 광학소자 렌즈(150)는 도 5에 도시된 것과 같은 특성을 갖는다.

도 5에서 (a)의 경우, 대물렌즈를 기록할 때, a 만큼의 초점거리를 설정하여 기록하면 재생 시 최대 거리인 b에서 가상 스크린(510)면이 형성된다. 이때, 영상 품질은 홀로그램 광학소자로 제작된 렌즈의 특성에 따라 조금씩 변하며 최대 초점 거리 a보다, 디스플레이부(140)와 홀로그램 광학소자 렌즈(150) 렌즈 사이의 거리가 5~10% 정도 짧은 거리에서 깨끗한 품질의 영상이 생성된다. 이는 홀로그램 광학소자 렌즈를 기록할 때 대칭 또는 비대칭의 각도를 형성해야 하기 때문에 중심축에 대한 각도의 오차가 발생하기 때문이다.

도 5에서 (b)의 경우, (a)의 경우에 비해 디스플레이부(140)와 홀로그램 광학소자 렌즈(150) 렌즈 사이와의 거리가 좁혀질 때의 영상이 결상되는 구조를 나타낸 것이다. 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 렌즈의 경우, 가상 스크린(510)까지의 거리가 줄어들며, 그에 해당하는 스크린의 폭 또한 줄어들 뿐, 왜곡의 문제나 결상의 가부에 대한 문제는 발생하지 않는다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운전자의 시점에서 바라 본 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 운전자의 시점에서, 윈드실드(Windshield)(620)에 가상 스크린 면(610)이 위치한 것을 확인할 수 있다. 그리고, 도로(630)와 지평선(Road horizon)(640)이 표시되어 있다.

깊이 카메라(110)는 도로 전방의 원근법을 사용하거나 또는 지평선(Road horizon(640)을 기준으로 차량과의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산한다.

그리고, 컨트롤러(120)는 깊이 카메라(110)에서 계산된 정보를 토대로 미리 계산된 룩업 테이블을 참조하여 디스플레이부(140) 위치를 이동시킨다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작하는 방법은, 피사계 심도가 크거나 NA(Numerical Aperture)가 큰 제1렌즈(710)에 633nm, 532nm, 473nm의 파장을 갖는 레이저가 혼합된 신호빔(Signal beam)을 입사시키면, 제1렌즈(710)의 초점거리(720)에 신호빔이 수렴된 후, 초점면을 지나면 발산 형태로 변하여 홀로그램 기록 매질(750)에 입사된다. 일반적으로 높은 NA 값을 갖는 렌즈를 이용하면 짧은 초점거리를 갖는 대신 초점면으로 수렴되는 각도가 크다.

제1렌즈(710)의 초점면을 지나는 신호빔으로부터 원하는 면적과 초점거리만큼 홀로그램 기록 매질(750)을 이격시킨 후, 참조빔(Reference beam)을 이용하여 홀로그램 기록 매질(750)에 기록하면, 원하는 홀로그램 기록면의 면적과 초점 거리를 갖는 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작할 수 있다.

도 1에서, 홀로그램을 대칭으로 기록하기 위해서 홀로그램 기록매질(750)을 제1렌즈(710)의 수평 방향에 수직인 수직축을 기준으로 θ° 만큼 기울인다. 그리고, 633nm, 532nm, 473nm의 레이저가 혼합된 참조빔(Reference beam)을 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ° 만큼 기울여 홀로그램 기록매질(750)에 입사시킨다. 포토폴리머의 경우, 홀로그램 광학소자 렌즈의 면적이 약 4인치 수준이고, 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ°의 각도가 15~30° 로 참조빔을 입사시킬 때, 재생 시 왜곡이 적고 회절효율이 높은 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작할 수 있다. 특히, 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ°의 각도가 15° 일 경우 왜곡면이 최소화되고, 25~30°에서는 회절효율이 가장 높다. 만약 30° 이상일 경우, 홀로그램 광학소자 렌즈의 면적이 4인치에서는 양쪽 눈에 매칭되는 영상이 하나만 재생되는 경우가 발생하므로, 2θ°의 각도가 30° 이상을 구현하기 위해서는 4인치보다 큰 홀로그램 기록 매질을 사용해야 한다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 깊이 카메라 120 컨트롤러
130 모터 스테이지 140 디스플레이부
150 홀로그램 광학소자 렌즈

Claims (4)

1. 영상신호를 표출하기 위한 디스플레이부;
   상기 디스플레이부에 영상신호가 표출되도록 제어하는 컨트롤러;
   전방을 촬영하여 3차원의 거리 정보를 획득하되, 지평선을 기준으로 차량과의 거리를 계산하는 방식으로 3차원의 거리 정보를 획득하는 깊이 카메라;
   홀로그램 광학소자 렌즈에 대하여 상기 디스플레이부를 전후로 이동시키기 위한 모터 스테이지; 및
   미리 정해진 거리에 가상 스크린이 위치되도록 상기 디스플레이부에서 표출되는 영상을 반사시키기 위한 홀로그램 광학소자 렌즈를 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 깊이 카메라로부터 획득한 거리 정보를 기반으로 운전자의 주시점의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산하고, 계산한 위치 정보에 가상 스크린이 위치되도록 상기 모터 스테이지를 구동시키며,
   상기 가상 스크린이 재생되는 위치정보를 기반으로 계산된 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 상기 디스플레이부 사이의 거리 정보가 룩업 테이블에 미리 저장되어 있고,
   상기 컨트롤러는 상기 룩업 테이블을 참조하여, 상기 가상스크린의 위치 정보에 따라 상기 디스플레이부가 위치되도록 상기 모터 스테이지를 구동시키고,
   상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 상기 디스플레이부 사이의 거리를 a라 하고, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와 운전자의 눈 사이의 거리를 b라 하면, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈와의 거리가 b인 지점에 가상 스크린이 위치하도록, 상기 홀로그램 광학소자 렌즈가 광학 특성을 갖도록 구현되며,
   상기 홀로그램 광학소자 렌즈는, 각기 다른 파장을 갖는 다수의 레이저가 혼합된 신호빔을 제1렌즈에 입사시키고, 입사된 신호빔이 상기 제1렌즈의 초점거리의 초점면에 수렴된 후, 발산 형태로 홀로그램 기록 매질에 입사되도록 하고, 참조빔을 이용하여 상기 홀로그램 기록 매질에 기록하는 방식으로 제작되고,
   이때, 상기 홀로그램 기록 매질이 상기 제1렌즈의 수평 방향에 수직인 수직축을 기준으로 θ°만큼 기울어져 있는 경우, 상기 제1렌즈의 수평축을 기준으로 2θ°의 각도로 상기 참조빔을 상기 홀로그램 기록 매질에 입사시켜서 기록하는 방식으로 상기 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 장치.
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