KR102341980B1 - 헤드-업 디스플레이 - Google Patents

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KR102341980B1
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크리스마스 제미슨
카르너 마떼
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엔비직스 엘티디
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Abstract

차량용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함한다. 제1 하우징은 화상 생성 유닛 및 광학 시스템을 포함한다. 제2 하우징은 실질적으로 편평한 커버글라스 및 층을 포함한다.화상 생성 유닛은 화상을 출력하도록 배치된다. 화상 생성 유닛은 광원 및 공간 광 변조기를 포함한다. 광원은 광을 방출하도록 배치된다. 공간 광 변조기는 광원으로부터 광을 수광하며 상기 공간 광 변조기 상에 표시된 컴퓨터 생성 광 변조 패턴들에 따라 상기 광을 공간 변조하여 각각의 화상에 대응하는 홀로그램 재구성을 형성하도록 배치된다. 광학 시스템은 화상 생성 유닛에 의해 출력된 화상을 수신하며 광학 컴바이너를 사용하여 각각의 화상의 가상 이미지를 형성하도록 상기 화상을 전달하도록 배치된다. 광학 컴바이너는 화상 생성 유닛에 의해 출력된 광을 실제 세상의 장면으로부터의 광과 조합하여 아이박스 내의 관찰자에게 결합된 이미지를 제공한다. 제2 하우징은 제1 하우징 및 광학 컴바이너 사이에 배치된다. 실질적으로 편평한 커버글라스가 상기 제 1 하우징을 보호하도록 배치된다. 층은 커버글라스에 의해 반사된 임의의 태양광이 상기 아이 박스로부터 편향되도록 광의 궤도를 변경하도록 배치된다.

Description

헤드-업 디스플레이{Head-up Display}
본 발명은 헤드 업 디스플레이 또는 헤즈 업 디스플레이에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 헤드 업 디스플레이의 상부 하우징에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 헤드 업 디스플레이의 커버글라스에 관한 것이다. 본 발명은 헤드 업 디스플레이 또는 가상 이미지를 생성하는 다른 시스템들을 위한 광 차폐부 또는 눈부심 방지에 관한 것이다. 광 차폐부는 태양광과 같이 입사되는 광에 대한 반사를 억제한다.
물체에서 산란된 빛은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 예컨대 잘 알려진 간섭 기술에 의해 감광성 플레이트 상에 캡쳐 되어 홀로그래픽 기록 또는 간섭 줄무늬를 포함하는 "홀로그램"을 형성할 수 있다. 홀로그램은 원 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성(reconstruction) 또는 재생(replay) 이미지를 형성하기에 적절한 광을 조사함으로써 구성될 수 있다.
컴퓨터 생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스(interference process)를 시뮬레이션 할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH)는 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬 또는 푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 표현 또는 객체의 주파수 도메인 표현으로 간주될 수 있다. CGH는 또한 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.
CGH는 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 형성된 공간 광변조기(SLM) 상에 인코딩 될 수 있다. 광 변조는 예컨대 전기적으로 어드레스 가능한 액정, 광학적으로 어드레스 가능한 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.
SLM은 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 픽셀들을 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속(continuous)일 수 있다. 대안적으로, 이 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. SLM은 변조 광이 SLM으로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. SLM은 변조 광이 SLM을 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
상기 기술을 이용하여 화상을 투영하는 홀로그래픽 프로젝터가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예컨대 헤드업 디스플레이(HUD) 및 근안 장치를 포함하는 헤드마운트 디스플레이(HMD)에 적용되고 있다. 본 명세서에서는 개선된 HUD를 기술한다.
원거리에 있는 가상 이미지를 생성하는 HUD는 일반적으로 화상 생성 유닛으로부터 유래된 화상을 전달(중계, relay)하는 광학 시스템을 포함한다. 구현 방식에 따라, 광학 시스템의 광학체는 유리/플라스틱 렌즈, 미러(mirror, 거울), 또는 이들의 조합으로 구성 될 수 있다. 태양광은 디스플레이 장치를 포함하여 HUD의 구성 요소를 손상시킬 수 있지만, 본 발명은 HUD 시스템의 구성 요소로부터 태양광을 반사하는 것과 연관되며, 이는 이러한 반사가 화질에 악영향을 줄 수 있기 때문이다. 태양광을 반사하는 것에 관한 문제는 HUD 시스템에서 특히 두드러지며, 예를 들어, 차량의 윈드스크린 상에의 플레어(flare)를 유발할 수 있다. 반사 방지 코팅이 없다면 불과 몇 퍼센트일지라도 유리 표면으로부터 태양광이 반사되어 운전자를 눈부시게 하기 충분할 수 있다.
태양의 위치들은 제한된 범위 내에 상이하게 위치될 수 있고 대시 보드 내 HUD 방향은 이 범위를 줄이도록 최적화 될 수 있다. 범위 내 모든 태양광을 차단할 필요는 없으나 윈드실드 상으로 반사될 수 있는 태양광은 차단되어야 한다. 예를 들어, 자동차의 내부 지붕 상에 반사되는 일부 태양광은 괜찮을 수 있다. 그러나 태양광 반사에 관한 문제는 전반적으로 매우 제한된 공간을 갖는 대시 보드 내에 HUD를 장착하는 것에 상당한 제약 요소가 된다.
이러한 태양 노출 문제를 완화하기 위한 다양한 해결책들이 시도되어 왔다. 예를 들어, 태양광이 시스템에 들어가는 것을 방지하기 위해 셔터(shutter) 또는 배플(baffle)이 사용되었다. 광학 요소(일반적으로 광학 릴레이 시스템의 미러 중 하나임)는 시스템 내 태양광의 강도를 줄이기 위해 코팅 될 수 있고, 특히 디스플레이 장치에 도달하는 유해한 파장의 강도를 줄일 수 있다. 공지된 예는 광학 릴레이 시스템에서 소위 "콜드(cold)" 미러를 사용하는 것이다. 열 배출 층(heat drain layer)은 홉 스폿(hop spot)을 줄이기 위해 디스플레이 장치에 사용될 수 있고 HUD는 시스템 내에서 집중된 태양광의 국부 영역의 크기를 증가시키기 위해 디- 콜리메이트(de-collimated) 될 수 있다.
본 명세서에, 시스템에 상당한 설계 복잡성 또는 부피를 추가하지 않으면서 태양광 노출의 영향을 감소시키는 특징을 포함하는 개선된 HUD가 개시된다.
본 발명의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.
본 발명은 디스플레이용 이미지를 생성하기 위해 레이저 기반 시스템을 사용하고, 특히, 이미지에 대한 홀로그램을 계산하고 SLM 상에 이를 표시하고 표시된 홀로그램을 코히어런트 광(coherent light)로 조명함(illuminating)으로써 이미지를 생성하는 이미지 생성기를 사용한다. 그러나, 당업자라면 설명된 기술이 자동차 HUD에 대해 특별한 이점을 가지면서도 모든 유형의 헤드업 디스플레이에 적용 가능하다는 점을 아래의 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
홀로그래픽 프로젝터를 기반으로 하는 설명된 HUD는 동적으로 재구성 가능하다. 복수의 표시된 홀로그램은, 관찰자의 눈으로부터 상이한 거리에서 있는 것처럼 보이는 것과 같이 상이한 초점 면 깊이(focal plane depths)에서 상응하는 복수의 2 차원 이미지를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 2D 이미지는 상이한 렌즈 파워를 갖는 홀로그램으로 인코딩 될 수 있다. 이러한 방식으로, HUD는 실질적으로 관찰자의 눈으로부터 상이한 유효 거리에 있는 2 차원 이미지를 표시 할 수 있다. 이미지 평면들은 상이한 색상들 또는 색상들의 조합을 가질 수 있는데, 이는 상이한 깊이인 상이한 색상의 이미지들을 인코딩하도록 2 개의 상이한 홀로그램들을 사용하고, 이들을 SLM 상에 연속적으로 표시하는 동시에 광원의 색상을 제어함으로써 이루어진다. 상이한 색상 및/또는 상이한 시각적 깊이(visual depth)의 이미지들을 표시하는 기능은, 더 중요한 이미지(기호)를 중요 위치에 배치하거나 색상을 사용하여 강조할 수 있으므로 유용하다.
차량용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 제1 하우징 및 제2 하우징을 포함한다. 제1 하우징은 화상 생성 유닛 및 광학 시스템을 포함한다. 제2 하우징은 실질적으로 편평한 커버글라스 및 층을 포함한다.화상 생성 유닛은 화상을 출력하도록 배치된다. 화상 생성 유닛은 광원 및 공간 광 변조기를 포함한다. 광원은 광을 방출하도록 배치된다. 공간 광 변조기는 광원으로부터 광을 수광하며 상기 공간 광 변조기 상에 표시된 컴퓨터 생성 광 변조 패턴들에 따라 상기 광을 공간 변조하여 각각의 화상에 대응하는 홀로그램 재구성을 형성하도록 배치된다. 광학 시스템은 화상 생성 유닛에 의해 출력된 화상을 수신하며 광학 컴바이너를 사용하여 각각의 화상의 가상 이미지를 형성하도록 상기 화상을 전달하도록 배치된다. 광학 컴바이너는 화상 생성 유닛에 의해 출력된 광을 실제 세상의 장면으로부터의 광과 조합하여 아이박스 내의 관찰자에게 결합된 이미지를 제공한다. 제2 하우징은 제1 하우징 및 광학 컴바이너 사이에 배치된다. 실질적으로 편평한 커버글라스가 상기 제 1 하우징을 보호하도록 배치된다. 층은 커버글라스에 의해 반사된 임의의 태양광이 상기 아이 박스로부터 편향되도록 광의 궤도를 변경하도록 배치된다.
상기 층은 커버 글라스에 의해 반사된 태양광이 직접 또는 간접적으로 아이 박스에 도달하지 않게 광의 궤적을 변경시키도록 배열된 요소의 일부 또는 실질적으로 편평한 광학 요소이다. 상기 층은 얇을 수 있으며, 예를 들어 5mm 미만 또는 2mm 미만과 같이 10mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 커버글라스에 의해 반사된 태양광이 아이박스에 도달할 수 있는 두 개의 임계 광 경로들이 존재한다. 제1 임계 광 경로는 커버 글라스에 의해 아이 박스로 직접적으로 반사되는 태양광에 대응된다. 용어 "직접적으로"는 제1 임계 광 경로가 커버글라스로부터 아이 박스까지의 경로 상에 어떠한 추가적인 또는 경유적인 반사가 이루어지지 않음을 나타내기 위한 것으로 사용된다. 제2 임계 광 경로는 커버 글라스로부터 아이 박스까지 간접적으로 반사되는 태양광에 대응된다. 보다 구체적으로, 제 2 임계 광 경로는 커버글라스에 의해 광학 컴바이너(예를 들어, 윈드스크린) 상으로 반사 된 다음, 광학 컴바이너에 의해 아이 박스 내로 반사되는 태양광에 대응한다. 용어 "간접적으로"는 제2 임계 광 경로가 광학 컴바이너에서 커버글라스로부터 아이 박스까지의 경로 상에 추가적인 또는 경유적인 반사가 이루어지는 것을 나타내기 위한 것으로 사용된다. 특히, 제 2 하우징은 제2 임계 광 경로 상에 존재하는 태양광이 없도록 광의 궤적을 변화시키도록 배열된 층을 포함한다. 구체적으로, 제 2 임계 광 경로 상에 있지 않은 임의의 태양광은 아이 박스와 교차하지 않는 상이한 광 경로 상으로 편향된다. 즉, 이 층은 커버글라스에 의해 반사된 임의의 태양광 광선들 및 광학 컴바이너가 아이 박스로부터 멀어지게 배향될 수 있게 한다. 이 층은 제2 하우징에 입사되는 태양광이 커버글라스 및 광학 컴바이너에서 아이 박스로 반사되지 않게 한다. 이 층은 커버글라스로부터 태양광이 반사되는 각도를 감소시킬 수 있고 이로써 커버 글라스로 및 광학 컴바이너로부터 반사된 태양광의 임의의 광선들이 아이 박스로부터 멀어지게 배향될 수 있다. 본 발명에 따르면, 커버글라스 및 광학 컴바이너에 의해 관찰자 쪽으로 반사되는 태양광의 광선은 아이 박스와 교차하지 않는다.
만곡된 커버글라스를 본 발명에 따른(실질적으로) 편평한 커버글라스 및 층으로 대체하는 것과 관련하여 적어도 두 가지 중요한 이점이 있다. 첫째, 헤드 업 디스플레이는 HUD의 용적을 적게 차지합니다. 특히, 커버글라스 아래의 용적(이는 자동차 산업에서 핵심 척도임)이 줄어 듭니다. 둘째, 편평한 표면을 처리하거나 편평한 표면 상에 레이어를 배치하는 것이 더 쉽다는 것이다. 구체적으로, 편평한 커버 글라스는 구조화된 표면층을 갖도록 가공 될 수 있거나 또는 그 위에 쉽게 증착되거나 코팅될 수 있는 층을 갖도록 가공될 수 있다.
이 층은 제1 범위의 각도로 입사하는 화상의 광에 대해 투과성이고 제 2 범위의 각도로 입사하는 다른 파장의 광을 실질적으로 반사한다.
실질적으로 편평한 커버 글라스를 제공하는 것은 층이 추적인 기능을 수행 할 수 있도록 한다. 이 층은 파장 선택적 및/또는 각도 선택적 일 수 있다. 이 층의 제 1(바닥)면은 적절히 정의된 제 1 각도 범위로 화상의 광을 수광하도록 배열된다. 상기 층은 제 1 각도 범위로 수광된 화상의 광에 대해 실질적으로 투과성이 있도록 설계 될 수 있다. 상기 층의 제 2(상부)면은 제 2 각도 범위에 걸쳐 태양광을 수광하도록 배열된다. 제2 각도 범위는 제1 각도 범위보다 클 수 있다. 제 1 각도 범위는 제 2 각도 범위의 부분 집합 일 수 있다. 상기 층은 제 2 각도 범위에서 수광된 다른 파장을 실질적으로 반사하도록 설계 될 수 있다. 상기 층은 상기 제 2 각도 범위에서 수광된 적외선을 실질적으로 반사 시킬 수 있다. 따라서, 커버글라스는, 미러 또는 화상 생성 유닛이 손상되는 것과 같은 문제를 야기할 수 있는, 수광된 태양광의 적어도 일부가 제 1 하우징으로 들어가는 것을 방지할 수 있다. HUD에서 나오는 유용한 각도 상에서 각도를 선택함으로써, 유입되는 태양광 광선들이 HUD로부터 반사될 수 있는 반면에 투사 된 이미지에는 거의 영향이 미치지 않는다. 예를 들어, 홀로그램 또는 다른 회절 광학 요소가 색상 세트 중 하나 이상에 대해 각도 범위를 통과하도록 용이하게 구성 될 수 있다.
상기 층은 커버글라스 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 층은 커버 글라스 상에 증착된 코팅 일 수 있고, 또는 상기 층에 접착 된 별도의 부품 일 수 있다. 대안적으로, 상기 층은 커버글라스 상에 비-고정식으로 배치 될 수 있다. 이미지가 가상이라는 속성은 상기 층이 이미지 평면으로부터 떨어진 평면에 배치됨으로써 보이지 않는 것을 가능케 한다.
대안적으로, 상기 층은 커버글라스의 구조화된 표면층 일 수 있다. 따라서, 커버글라스 및 층은 일체형 구조이며 이는 헤드업 디스플레이를 구성할 때 편리할 수 있다. 이러한 예시들에서, 커버글라스는 구조화된 표면층을 갖는다고 볼 수 있다.
상기 층은 홀로그램, 프레넬 구조, 메타 물질 또는 그레이디드 인덱스 층(graded-index layer)을 포함하는 그룹으로부터 적어도 하나가 선택된 것 일 수 있다. 홀로그램은 매체 내 고정 기록물 일 수 있다. 보다 구체적으로, 홀로그램은 기록 매체에 기록된 고정 회절 패턴일 수 있다. 홀로그램은, 파장 선택성 및/또는 각도 선택성과 같은 회절 패턴이 본질적으로 포함할 수 있는 추가 기능으로 인한 이점을 가질 수 있다. 홀로그램은, 예를 들어, 체적 홀로그램(volume hologram) 일 수 있다. 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램 일 수 있다. 이 경우, 각각의 광 변조 패턴은 화상의 컴퓨터 생성 푸리에 변환 홀로그램과 소프트웨어 렌즈 기능의 합해진 것을 포함한다. 홀로그램은 프레넬(Fresnel) 홀로그램 일 수 있다. 이 경우, 각각의 컴퓨터 생성 광 변조 패턴은 소프트웨어 렌즈 기능을 내장 한 컴퓨터 생성 프레넬 변환 홀로그램을 포함한다. 소프트웨어 렌즈 기능은 1 내지 20 디옵터, 예를 들어, 1 내지 10 디옵터인 광 출력을 가질 수 있다. 소프트웨어 렌즈 기능은 2 진 또는 다중 레벨, 진폭 또는 위상 프레넬 렌즈 기능과 같은 프레넬 렌즈 기능 일 수 있다. 대안적으로, 상기 층은 오목면에 대응하는 프레넬 구조 일 수 있다. 프레넬 구조는 파장 선택성 및/또는 각도 선택성을 제공하도록 코팅 될 수 있다. 그레이디드 인덱스 층은 그 중심으로부터의 거리에 따라 변하는 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제 2 하우징은 태양광으로부터 상기 커버글라스를 부분적으로 차폐하도록 구성된 광 트랩(light trap)을 더 포함 할 수 있다. 즉, 광 트랩은 그 위에 입사하는 태양광 광선을 차단하도록 배치된다. 따라서 커버글라스에서 직접적으로 및 간접적으로 반사된 태양광이 아이 박스에 도달하지 않는다. 바람직하게는, 실질적으로 편평한 커버 글라스를 갖는 광 트랩을 포함함으로써 층에 요구되는 것들을 감소시킬 수 있다. 특히, 층에 요구되는 복잡성 및 두께가 감소된다. 광 트랩은 실질적으로 커버글라스에 인접 할 수 있다.
상기 층은 포지티브 광 파워와 같은 광 파워를 가질 수 있다. 각각의 컴퓨터 생성 광 변조 패턴은 화상의 컴퓨터 생성 홀로그램 및 소프트웨어 렌즈 기능을 포함 할 수 있다. 소프트웨어 렌즈 기능은 층의 광 파워를 보상하는 광 파워를 가질 수 있다. 아이박스(eye-box)로부터 멀어지도록 조종하는데 필요한 편향의 정도를 감소시키기 위해, 커버글라스에 의해 반사되는 태양광에 상응하는 작은 설치영역(light footprint)의 크기가 감소되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상기 층에 부여되는 임의의 광 출력은 HUD 이미지에 영향을 미친다. 따라서, 소프트웨어 렌즈 기능은 상기 층의 광 파워를 보상하기 위해 컴퓨터 생성 홀로그램에 결합될, 예를 들어, 추가 될 수 있다. 상기 층은 양의 광 파워를 가질 수 있고 상기 소프트웨어 렌즈 기능은 음의 광 파워를 가질 수 있다. 상기 층의 광 파워는 소프트웨어 렌즈 기능의 광 파워와 동일하면서 반대 극성일 수 있다.
대안 적으로, 제 1 층을 보상하기 위해 제 2 층이 포함될 수 있다. 제 2 층은 제 1 층과 동일하며 제 1 층 및 제 2 층은 커버 글라스의 평행면과 같은 평행층들을 형성 할 수 있다. 평행층들은 어떠한 광 출력도 HUD 이미지에 전달되지 않으므로 HUD 이미지가 보정될 필요가 없게 한다. 즉, 광학 시스템에 의해 형성된 화상의 이미지는 층의 광 파워에 의한 영향을 받지 않는다. 제1 층은 커버글라스의 제 1 주요 표면상의 제 1 프레넬 구조 일 수 있고 제 2 층은 커버 글라스의 제 2 주요 표면상의 제 2 프레넬 구조 일 수 있으며, 제 1 및 제 2 프레넬 구조는 동일하며 평행하다.
광학 컴바이너는 차량의 윈드스크린 또는 윈드실드 일 수 있다. 이 경우, 헤드업 디스플레이 및 차량용 윈드스크린을 포함하는 헤드 업 디스플레이 시스템이 제공된다. 대안적으로, 광학 컴바이너는 헤드 업 디스플레이의 구성 요소 일 수 있다.
상이한 구성 및 구성의 그룹이 후술하는 상세한 설명에 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 구성 또는 구성의 그룹의 임의의 특징은 임의의 구성 또는 구성 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 고려된다.
파장 선택성 및 각도 선택성을 포함하는 광에 대한 다양한 유형의 "선택성(selectivity)"이 본 명세서 전반에 걸쳐 언급된다. 용어 "선택성"은 수광된 광을 특징 짓는 파장 또는 각도와 같은 적어도 하나의 파라미터에 의존하는 광에 대한 응답성을 포함하는 성분을 지칭하기 위해 사용된다. 용어 "레이저 라인"은 중심 파장 및 전체 파장 대 최대 반파장(full-wave half-maximum)이 30 nm 미만, 선택적으로 15 nm 미만, 추가로 임의로 5 nm 미만인 좁은 대역폭 광을 지칭하는데 사용된다.
본 명세서에서, "화상의 광(light of the picture)"이라는 용어는 화상을 형성하고 수광 표면으로부터 출사(예를 들어, 산란)되는 광을 지칭하는데 사용된다. 즉, "화상의 광 "은 화상을 형성하는 광이다. "화상의 광"은 광학 시스템 및 윈드스크린에 의해 이미징 된다. "화상의 광"은 단색 또는 다색 일 수 있다. "화상의 광"은 복합 색상 일 수 있다. 예를 들어, "화상의 광"은 적색, 녹색 및 청색 광을 포함 할 수 있다. "화상의 광"은 편광성을 가질 수 있다.
"코팅(coatings)"이 언급되나, 당해 기술 분야에서 각 코팅-예를 들어, 파장 선택성을 제공하는 코팅은 복수의 유전체층 또는 개별 유전체 코팅과 같은 복수의 층 또는 개별적인 코팅을 포함 할 수 있다.
"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 그들의 몇몇 조합들을 포함하는 기록물을 지칭하는 데 사용된다. "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"이란 용어는 홀로그램을 조사하여 형성되는 물체의 광학적 재구성을 가리키는 용어이다. "재생 평면(replay plane)"라는 용어는 본 명세서에서 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성된 공간 상의 평면을 가리키는데 사용된다. "재생 필드"라는 용어는 본 명세서에서 재생 평면의 서브 영역을 지칭하는 것으로 사용되며, 이는 공간 광 변조기로부터의 공간 변조된 광을 수신할 수 있다. "이미지" 및 "이미지 영역(image region)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광에 의해 조사된 재생 필드 영역을 가리킨다. 실시예들에서, "이미지"는 "이미지 픽셀들"로 지칭될 수 있는 불연속적인 지점들(discrete spots)를 포함할 수 있다.
"인코딩", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 개별적으로 결정하는 복수의 제어 값으로 SLM의 복수의 픽셀들을 제공하는 프로세스를 설명하는 데 사용된다. SLM의 픽셀들은 다수의 제어 값을 수신함에 대한 응답으로서 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성될 수 있다.
수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-한정 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관련되나 본 발명은 진폭-한정 홀로그래피에도 동등하게 적용가능하다.
본 발명은 또한 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시예에서, 이것은 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 불릴 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터 생성 홀로그램이 계산된다.
위상 값, 위상 성분, 위상 정보, 또는 간단히, 컴퓨터 생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상을 “위상-지연”의 약자로서 참조할 수 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 사실 그 픽셀에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자(예를 들어, 0 내지 2π 범위인)이다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 픽셀이 위상 값 π/2를 갖는 것으로 기술된다면, 이는 전달된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 변경할 것이다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 픽셀 각각은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들)에서 동작 가능하다. “그레이 레벨”이란 용어는 복수의 가용 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, “그레이 레벨”이란 용어는 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 정도를 제공하지 않더라도, 편의상 위상-한정 변조기의 복수의 가용 위상 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. “그레이 레벨”이란 용어는 또한 복소 변조기에서 복수의 가용 복소 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다.
상이한 구성 및 구성의 그룹이 후술하는 상세한 설명에 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 구성 또는 구성의 그룹의 임의의 특징은 임의의 구성 또는 구성 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 고려된다.
구체적인 실시예들은 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 제1 반복을 도시한다.
도 2b는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 2c는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 차량에 설치된 HUD를 도시한다.
도 5는 예시적인 "핫/콜드 미러"의 광학 성능을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 만곡된 커버글라스 및 그 커버글라스에 의해 반사된 태양광에 대한 2 개의 임계 광 경로를 도시한다.
도 7은 실질적으로 편평한 커버 글라스를 포함하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 일부 실시예에 따른 프레넬 구조의 예를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.
본 발명은 다음에 설명되는 구성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 확장된다. 즉, 본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며 설명을 위하여 제시된 기술 내용의 구성에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 “막(just)”“바로(immediate)”또는 “직접(direct)”라는 기재가 사용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1요소는 제2요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2요소는 첨부된 청구 범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.
상이한 구성의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 어떤 구성은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.
Optical configuration
광학 구조
도 1은 컴퓨터 생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에 인코딩 되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 말할 수 있다. 일 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 장치, "LCOS", 상의 반사형 액정이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩 되고, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨져와 같은 수광 표면 또는 스크린에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens, 111)를 통해 SLM(140)에 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2˚ 또는 3˚정도 떨어진) 약간 오프노멀(Off-Normal)하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로를 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 사용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되며 출사 파면(Exiting Wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 출사되는 변조된 광의 빔을 전달받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 기여한다. 재생 필드의 특정 지점(또는 이미지 픽셀)과 특정 광 변조 요소(또는 홀로그램 픽셀) 간에는 일대일 상관 관계가 없다. 다르게 표현하면, 광 변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 영역을 가로 질러 분배된다.
이 실시예들에서, 공간 상에서의 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱) 파워(dioptric(forcusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자는 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해한다.
Hologram calculation
홀로그램 계산
일부 실시예에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 양의 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 파-필드(far-field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생면의 원하는 광 필드를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 사용하여 계산될 수 있다.
푸리에 변환 홀로그램은 게르흐버그-색스톤(Gerchberg-Saxton)과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 또한, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간영역(예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체에 관한 위상 정보는 공간영역 내의 진폭-한정 정보로부터 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 게르흐버그-색스톤 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
게르흐버그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 광빔(light beam) IA(x, y) 및 IB(x, y)의 강도 단면(intensity cross-sections)이 각각 단일 푸리에 변환으로 상호 연관되어 있는 상황을 고려한다. 주어진 강도 단면에서, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y) 가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 더욱 상세하게, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서(repeatedly transferring) 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역 내 상응하는 컴퓨터 생성 홀로그램이 이 알고리즘의 1 회 이상의 반복을 통해 얻어진다. 이 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 구성되고 수렴된다. 홀로그램은 진폭-한정 홀로그램, 위상-한정 홀로그램 또는 완전-복소 홀로그램(fully-complex hologram)일 수 있다.
일부 실시예에서, 위상-한정 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170호 또는 제2,501,112호에 기술된 바와 같은 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이 특허들은 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 여기에 개시된 실시예는 단지 예시로서 위상-한정 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시예에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색하는데, 여기서 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예컨대, 사진)를 나타낸다. 진폭과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되므로, 변환된 크기와 위상에는 계산된 데이터 세트의 정확성에 대한 유용한 정보가 포함된다. 따라서, 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백을 반복적으로 사용할 수 있다. 그러나, 이들 실시예에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 홀로그램으로서 사용되어 이미지 평면에서 타겟 이미지의 홀로그래픽 표현을 형성한다. 홀로그램은 위상 값들의 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이다.
다른 실시예에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기초한 알고리즘은 완전-복소 홀로그램을 계산하는데 사용된다. 완전-복소 홀로그램은 크기 성분 및 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값들의 어레이를 포함하는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이고, 각각의 복소 데이터 값은 크기 성분 및 위상 성분을 포함한다.
일부 실시예에서, 알고리즘은 복소 데이터를 처리하고, 푸리에 변환은 복소 푸리에 변환이다. 복소 데이터는(i) 실수 성분 및 허수 성분 또는(ii) 크기 성분 및 위상 성분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 일부 실시예에서, 복소 데이터의 2개의 성분은 알고리즘의 다양한 단계에서 다르게 처리된다.
도 2A는 위상-한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예에 따른 알고리즘의 제1반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 픽셀 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 픽셀 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 픽셀 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기-한정 또는 진폭-한정 또는 세기-한정 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 비디오 또는 사진의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 사용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 픽셀에 랜덤 위상 값을 할당하는 단계를 포함하는 데이터 형성 단계(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제1프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하여 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시예에서, 홀로그램(280A)은 위상-한정 홀로그램이다. 이들 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상-한정 홀로그램을 "표시"하는데 사용될 공간 광 변조기의 픽셀 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 픽셀이 256 개의 상이한 위상 레벨을 제공하면, 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상-한정 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시예에서, 홀로그램(280A)은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값(각각 진폭 성분 및 위상 성분을 포함함)의 어레이를 포함하는 완전-복소 홀로그램이다. 일부 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한한다. 제한 단계는 복소수 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 복소수 변조 레벨로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.
그러나, 다른 실시예에서, 알고리즘은 도 2A의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2A의 점선 화살표를 따르는 단계는 선택적이다(즉, 모든 실시예에 필수적인 것은 아님).
제3프로세싱 블록(256)은 제2프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고, 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하기 위해 역 푸리에 변환을 수행한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고, 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 진폭 값들(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 진폭 값(211A)의 분포를, 당연히 진폭 값의 분포인, 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 진폭 값들(211A)과 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값들(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값들(211A) 및 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값 보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 단계는 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예에서, 수행된 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2B는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 임의의 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 처리 블록을 통해 피드백 된다. 최초의 반복에서, 데이터 형성 단계(202A)는 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 단계(202B)는(i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와(ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 단계를 포함한다.
도 2B의 데이터 형성 단계(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2A를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 여기에서 프로세스의 설명은 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나, 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3프로세싱 블록(256)은 제4프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 반복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것으로 이해될 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복마다 개선된다. 그러나 실제로는, 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나, 처리 시간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적 이점 보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.
도 2C는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백 된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 이전 반복의 진폭 값들(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 계수 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링 된 차분을 감산한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트 및 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.
Figure 112019074024067-pat00001
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
*R[x, y]는 제3프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;
T[x, y]는 입력 또는 대상 이미지이고;
∠는 위상 성분이고;
Ψ는 위상-한정 홀로그램 (280B)이고;
θ은 진폭 값(211B)의 새로운 분포이며;
α는 이득 계수이다.
이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.
도 2C의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2A 및 도 2B의 실시예와 동일하다. 위상 전용 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 말할 수 있다.
일부 실시예에서, 푸리에 변환은 공간 광 변조기를 사용하여 수행된다. 구체적으로, 홀로그램 데이터는 광 파워를 제공하는 제2데이터와 결합된다. 즉, 홀로그램은 객체를 나타내는 데이터 뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기에 표시되고 광이 조사되면 렌즈 데이터는 물리적인 렌즈를 모사(emulate)한다. 즉, 렌즈 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학 장치와 동일한 방식으로 광의 초점을 맞춘다. 따라서 렌즈 데이터는 광 파워 또는 포커싱(focusing)을 제공한다. 이러한 실시예에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략될 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 렌즈를 나타내는 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광 경로 길이로 인해 렌즈의 각각의 포인트에 의해 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중심에서의 광경로 길이는 렌즈 가장자리에서의 광경로 길이보다 길다. 진폭-한정 홀로그래픽 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 컴퓨터 생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 데이터를 홀로그램과 결합함으로써 그 홀로그램의 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈의 필요없이 수행될 수 있는 방법이 알려져 있다. 일부 실시예에서, 렌즈 효과 데이터는 간단한 벡터 합산과 같은 단순 합산에 의해 홀로그래픽 데이터와 결합된다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 물리적 렌즈가 사용된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성이 파-필드(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 그레이팅(grating) 데이터, 즉 빔 스티어링(beam steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 형성된 데이터를 포함할 수 있다. 다시, 컴퓨터 생성 홀로그래피의 분야에서 그러한 홀로그래픽 데이터를 계산하고 이것을 객체를 나타내는 홀로그래픽 데이터와 결합시키는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상-한정 홀로그래픽 그레이팅은 블레이즈된(brazed) 그레이팅의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 그레이팅은 진폭-한정 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그래픽 재구성의 각도 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 광 파워는 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고, 푸리에 변환에 기여하는 나머지 광 파워는 물리적 광학 또는 광학에 의해 제공된다.
일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.
실시예는 푸리에 홀로그래피 및 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘에 관한 것이다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 프레넬 홀로그래피 및 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 디스플레이 하는데 사용될 수 있다. 홀로그램이 위상-한정 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전-복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 사용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2공간 광 변조기가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 픽셀)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각 액정 셀은 어느 한 시점에서 복수의 가능한 광 변조 레벨들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨 중에서 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘(LCOS) 공간 광 변조기 상의 반사형 액정이지만, 본 발명은 이러한 유형의 공간 광 변조기에 한정하지 않는다.
LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 어레이의 광 변조 소자 또는 픽셀을 제공한다. 픽셀은 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트 할 수 있다는 것을 의미한다. LCOS SLM의 작은 개구를 적절하게 조광하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조광하는 것보다 용이하다. LCOS 장치는 통상 반사형이므로 LCOS SLM의 픽셀을 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 매설할 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 픽셀은 밀집되어 있어 픽셀 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 픽셀이 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면을 사용한다. 이 점은 위상 변조 장치에서 특히 중요하다.
단지 예시로서, 적합한 LCOS SLM이 도 3을 참조하여 아래와 같이 기술된다. LCOS 소자는 단결정 실리콘 기판(302)을 사용하여 형성된다. 이는 간극(301a)에 의해 이격되며 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면형 알루미늄 전극(301)의 2차원 어레이를 가진다. 전극(301) 각각은 기판(302)에 매설된 회로(302a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 303)이 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(304)은 배향층(303)에 배치된다. 제2배향층(305)은 액정층(304)에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)은 제2배향층(305)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2배향층(305) 사이에 배치된다.
사각 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 픽셀 영역, 즉 충전율은 픽셀(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 픽셀의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조된 요소의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면에 위상-한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.
전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 거울 면 아래에 있으며, 높은 충전율(일반적으로 90 % 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 또 다른 이점은 투과형 장치가 사용되는 경우에 필요한 것보다 요구되는 액정 층 두께가 절반일 수 있다는 것이다. 이것은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(움직이는 비디오 이미지의 투영을 위한 주요 이점). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.
헤드업 디스플레이
도 4는 자동차와 같은 차량의 HUD를 나타낸다. 차량의 윈드스크린(430) 및 보닛(또는 후드)(439)은 도 4에 도시된다. HUD는 화상 생성 유닛(Picture Generating Unit, "PGU", 410) 및 광학 시스템(420)을 포함한다. 도 4에 도시된 광학 시스템(420)은 단지 예시로서 2 개의 미러(mirror)들을 포함한다. 본 발명은 단지 1 개일 수도 있는 임의의 미러 개수를 갖는 광학 시스템들에 동등하게 적용될 수 있다.
PGU(410)는 광원, 수광 표면(light receiving surface) 및 화상의 화상 내용을 컴퓨터 제어하도록 프로세서(또는 컴퓨터)를 포함한다. PGU(410)는 수광 표면 상에 화상 또는 화상의 시퀀스(순열)를 생성하도록 배치된다. 수광 표면은 스크린 또는 디퓨져 일 수 있다. 일부 실시예에서, 수광 표면은 플라스틱(즉, 플라스틱으로 제조됨)이다.
광학 시스템(420)은 입력 포트, 출력 포트, 제1미러(421) 및 제2미러(422)를 포함한다. 제1미러(421) 및 제2미러(422)는 광학 시스템의 입력 포트로부터 광학 시스템의 출력 포트로 광을 가이드 하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 제2미러(422)는 PGU(410)로부터의 화상의 광을 수신하도록 구성되고, 제1미러(421)는 제2미러(422)로부터 화상의 광을 수신하도록 구성된다. 제1미러(421)는 화상의 수광된 광을 출력 포트로 반사시키도록 추가로 구성된다. 따라서, 입력 포트로부터 출력 포트로의 광경로는 입력으로부터 제2미러(422)까지의 제1광경로(423)(또는 제1광경로 성분) 및 제2미러(422)로부터 제1미러(421)까지의 제2광경로(424)(또는 제2광경로 성분)를 포함한다. 물론, 제1미러로부터 출력 포트까지의 제3광경로(또는 광경로 성분)가 있지만, 도 4에서 참조 부호는 할당되지 않는다. 도 4에 도시한 광학 구성은 광경로의 형태로 인해 "z-폴드(z-fold)" 구성으로 지칭될 수 있다.
HUD는 광학 시스템(420)의 출력 포트로부터의 화상의 광이 윈드스크린(430)에 입사하고 윈드스크린(430)에 의해 적어도 부분적으로 반사되어 HUD의 사용자(440)에게 향하도록 구성된다. 따라서, 일부 실시예에서, 광학 시스템은 공간 변조된 광을 윈드스크린으로부터 반사시킴으로써 윈드스크린상의 각 화상의 가상 이미지를 형성하도록 구성된다. HUD의 사용자(440)(예를 들어, 자동차의 운전자)는 윈드스크린(430)에서 화상의 가상 이미지(450)을 본다. 따라서, 실시예에서, 광학 시스템은 차량의 윈드스크린상에 각 화상의 가상 이미지를 형성하도록 구성된다. 가상 이미지(450)는 자동차의 보닛(435) 아래로 일정 거리 이격되어 형성된다. 예를 들어, 가상 이미지는 사용자(440)로부터 1 내지 2.5 미터 거리에 있을 수 있다. 광학 시스템(420)의 출력 포트는 광학 시스템(420)에 의한 화상의 광이 광학 시스템(420)과 윈드스크린(430)으로 지향되어 사용자(440)에게 향하도록 정렬된다. 이 구성에서, 윈드스크린(430)은 광 결합기로서 기능한다. 일부 실시예에서, 광학 시스템은 시스템에 포함된 추가 광학 결합기 상에 각각의 화상의 가상 이미지를 형성하도록 구성된다. 윈드스크린(430) 또는 추가 광학 결합기(혹시 포함된 경우라면)는 실제 장면으로부터의 광과 화상의 광을 결합한다. 따라서, HUD는 화상의 가상 이미지를 포함하는 증강 현실을 제공할 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 증강 현실 정보는 네비게이션 정보 또는 차량의 속도와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 화상을 형성하는 광은 실질적으로 브루스터 각도(Brewster's angle)(편광 각으로도 알려짐)로 또는 예컨대, 브루스터 각도의 2도 이내와 같이 브루스터 각도에 대해 5도 이내인 각도로 전면 유리에 입사함으로써 출력된다.
일부 실시예들에서, 제1미러 및 제2미러은 HUD의 물리적 크기를 과도하게 증가시키지 않으면서 광학 경로 길이를 증가시키기 위해 입력에서 출력으로의 광경로를 접도록 구성된다.
PGU(410)의 수광 표면 상에 형성된 화상은 폭 및 높이가 단지 수 센티미터 일 수 있다. 따라서, 제1미러(421) 및 제2미러(422)는 집합적으로 또는 개별적으로 배율을 제공할 수 있다. 즉, 제1미러 및/또는 제2미러는 광학 파워(즉, 굴절력 또는 포커싱 파워)를 가질 수 있다. 따라서, 사용자(440)는 PGU에 의해 형성된 화상의 확대 가상 이미지(450)를 본다. 제1미러(421) 및 제2미러(422)는 또한 통상 복잡한 굴곡 형상을 갖는 윈드스크린(430)에 의해 야기되는 것과 같은 광학 왜곡을 보정할 수 있다. 미러들에 의한 접힌 광경로 및 미러들의 광 파워에 의해 화상의 가상 이미지가 적절한 배율을 가지도록 설정될 수 있다.
본 발명의 PGU(410)는 홀로그래픽 프로젝터 및 스크린 또는 디퓨져와 같은 수광 표면의 일부일 수 있다. 상술한 개시에 따르면, 홀로그래픽 프로젝터는 광원, 공간 광 변조기 및 홀로그램 프로세서를 포함한다. 공간 광 변조기는 공간 광 변조기 상에 표시된 홀로그램에 따라 광을 공간 변조하도록 배치된다. 홀로그램 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 홀로그램 프로세서는 복수의 컴퓨터 생성 홀로그램을 포함하는 저장소(예를 들어, 메모리)로부터의 출력을 위해 컴퓨터 생성 홀로그램을 선택한다. 다른 실시예에서, 홀로그램 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 실시간으로 계산하여 출력한다. 일부 실시예에서, PGU(410)에 의해 형성된 각각의 화상은 수광 표표면 상의 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 화상은 수광 표면에서 공간 변조된 광의 간섭에 의해 형성된다.
차량의 대시 보드는 개구를 포함하는데, 그 이유는 HUD가 윈드스크린으로 향하는 광경로(바람직하게는 장애물이 없는 광경로)를 필요로 하기 때문이다. 그러나, 이러한 윈드 스크린과 HUD 사이의 광경로는 태양광(460)과 같은 주변 광 역시 HUD에 마찬가지로 들어갈 수 있게 한다. 이로 인해 본 명세서에서 기술되는 다양한 문제가 발생한다. 따라서, HUD는 통상적으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 이하에서 더 설명되는, 태양광 방어부재를 구비한 상부 하우징(470)을 더 포함한다. 실시예에서, 제 1 미러는 또한 적외선을 필터링하도록 배치된 콜드 미러(Cold mirror)이다. 콜드 미러는 가시 광선을 반사하지만 적외선("IR")은 투과시킨다. 다른 예에서, 제 1 미러(421)는 IR 및 자외선 "UV"를 적어도 부분적으로 걸러내는 소위 핫/콜드 미러(hot/cold mirror)이다. 도 5는 예시적인 핫/콜드 미러의 반사율(y-축)을 광학 파장(x- 축)의 함수로서 도시한다.
도 6a는 윈드 스크린(630) 및 대쉬보드(dashboard, 680)를 갖는 차량 내 헤드 업 디스플레이의 광학 시스템을 포함하는 하부(또는 제 1) 하우징(625)을 도시한다. 하부 하우징은 광학 시스템의 적어도 제 1 미러(621) 및 간략화를 위해 도면에 미도시된 다른 부품들을 포함한다. 헤드 업 디스플레이는 태양광 방어부재를 포함하는 상부(또는 제 2) 하우징(670)을 포함한다. 특히, 상부 하우징(670)은 광 트랩(674) 및 커버 글라스(672)를 포함한다. 커버 글라스(672)는 전반적으로 포물선 또는 타원형과 같은 반사형 및 만곡형이다. 태양광 방어부재의 기능은 도 6B를 참조하여 더 잘 이해 될 수 있다.
도 6b는, HUD 이미지(화상의 가상 이미지)가 보여 질 수 있는 공간의 영역인, 헤드 업 디스플레이의 소위 아이 박스(eye-box)(690)를 도시한다. 보는 사람(viewer)의 눈이 아이 박스 안에 있을 때 HUD 이미지가 표시된다. 보는 사람의 눈이 아이 박스 밖에 있으면 HUD 이미지는 보이지 않는다. 아이 박스(690)는 키가 큰 그리고 작은 운전자를 수용하면서 운전 중에 정상적인 머리 움직임을 허용할 수 있기에 충분해야 한다. 도 6b는 HUD 이미지를 형성하는 하부 하우징(625)으로부터 나온 광선을 갖는 용적부(volume)(685)를 도시한다. 도 6b는 또한, 커버 글라스(672)가 어떻게 만곡되어, 예컨대 태양광선 A와 같이 윈드스크린(630)을 통과하여 커버 글라스(672)에 도달하는 태양광의 광선들이 윈드스크린의 내부 표면에 반사되지 않고 운전자의 눈에 도달하는 지를 도시한다. 통상적으로, 커버 글라스(672)의 곡률은 예컨대 태양광선 A와 같은 태양광선이 커버 글라스(672) 및 윈드 스크린의 내부 표면에 반사되어 도 6B에 도시된 바와 같이 운전자의 가슴 영역 아래쪽을 향하도록 한다. 윈드 스크린의 내부 표면 반사의 정도가 4 % 미만(전방 유리가 코팅 된 경우 대략 0.1 %)일지라도, 태양광이 최대 강도라면 HUD에서 이러한 반사를 문제가 일어날 수 있다. 커버 글라스(672)를 만곡 시키는 것은 제조 복잡성을 증가시키며 HUD의 부피를 증가시킨다.
상부 하우징의 제2 구성 요소는 광 트랩(light trap)(674)이다. 광 트랩(674)은 HUD의 다른 구성 요소를 태양광으로부터 차폐하는 물리적 배플(baffle, 방해판)이다. 특히, 광 트랩(674)은 상대적으로 얕은 태양광(즉, 일몰과 같은 하늘에서 태양이 상대적으로 낮을 때의 태양광 - 예를 들어, 태양광 광선 B)을 전반적으로 차폐하여 그 태양광이 커버 글라스(672)에 도달하지 않게 한다.
도 7은 커버 글라스(772A)가 실질적으로 편평한 본 개시의 일 실시예를 도시하며 여기서 만곡된 커버 글라스의 곡률이 모사되거나 복제된 층(772B)이 제공된다. 즉, 층(772B)은 커버 글라스(672)와 같이 만곡된 커버 글라스의 균등하거나 또는 동일한 광학 기능을 제공한다. 층(772B)은 커버 글라스(772A) 상에 배치된 평탄층일 수 있거나 층(772B)은 커버 글라스(772A)의 구조화된 표면 층일 수 있다. 커버 글라스(772A)의 구조화된 표면 층은, 예를 들어, 기계 가공(machining), 프레싱(pressing), 에칭(etching) 등에 의해 커버 글라스(772A)의 표면을 가공함으로써 형성 될 수 있다. 커버 글라스(772A) 및 층(772B)은 일체형 일 수 있다. 커버 글라스(772A) 및 층(772B)은 일체로 형성 될 수 있다. 이들 실시예에서, 커버 글라스(772A)는 층(772B)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 대안적으로, 층(772B)은 커버 글라스(772A)와 일체가 아닐 수도 있다. 층(772B)은 커버 독립적으로 형성되어 글라스(772A)에 부착되거나 고정된 구성 요소 일 수 있다. 일부 실시예에서, 층(772B)은 커버 글라스(772A)상의 코팅된 것이다. 구조화된 표면 층은 육안으로 보이지 않는 특질을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 층(772B)은 수광된 태양광을 회절 시키거나 굴절시킴으로써 만곡된 커버글라스의 곡률적 기능을 제공한다. 즉, 층(772B)은 회절, 반사 및/ 또는 굴절 구조이다. 커버 글라스(672)는 글라스(유리, glass)인 것으로 언급되었으나, 반드시 유리로 만들어 질 필요는 없다고 이해될 것이다. 보다 일반적으로, 커버글라스(772A)는 광학 파장에 대해 실질적으로 투명한 광학 윈도우이다.
층(772B)은 주로 상대적으로 큰 앙각(elevation angle)을 갖는 태양광의 반사에 의해 유발될 수 있는 문제점들을 완화 시키도록 배열된다. 이러한 태양광은 커버 글라스에서 반사되어 광학 결합기의 내측 표면에서 아이 박스로 반사 될 수 있다. 이 앙각은 광선이 수평선과 이루는 각도이다. 층(772B)은 전반적으로 임계 앙각 보다 큰 앙각을 갖는 제 1 태양광선들을 처리하도록 배열된다. 보다 상세하게는, 층(772B)은 커버 글라스(772A) 및 그 이후의 광학 결합기(630)에서 반사된 임의의 태양광선이 아이 박스와 교차하지 않게 편향되도록 배치된다. 광 트랩(674)은 전반적으로 상대적으로 낮은 앙각을 갖는 태양광선에 의해 유발 될 수 있는 문제점을 완화 시키도록 배치된다. 보다 구체적으로는, 광 트랩(674)은 전반적으로 임계 앙각보다 낮은 앙각을 갖는 제 2 태양광선을 처리하도록 배열된다. 광 트랩(674)은 HUD 이미지를 형성하는 하부 하우징(625)으로부터 오는 광선을 포함하는 용적부(685)를 차단하지 않으면서 가능한 한 커버 글라스(772A)를 태양광에 대해 차폐한다. 반사된 태양광의 영향을 완화시키는 것에 관하여 층(772B)에 요구되는 것을 최소화하도록 광 트랩(674)의 크기가 최대화되는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 광 트랩(674) 및 커버 글라스(672)는 실질적으로 인접하거나 연결되거나 또는 실질적으로 연속적인 구조를 형성한다. 광 트랩(674) 및 커버 글라스(672)의 크기, 형상 및 위치는 대체로 차량, 대시 보드 및 아이 박스에 관해 결정되는 파라미터이다. 광선 추적(ray tracing)이, 실사용 조건들에 따라 커버 글라스(672), 광 트랩(674) 및 층(772B)의 임계적 파라미터를 결정하기 위해 사용된다. 실제로, 두 번째 하우징에 대한 상당한 요구가 있으며 넓은 각도 범위의 태양광선을 반사하는 것이 고려되어야 한다. 층(772B)은 커버 글라스(772A)에 의해 아이 박스로 반사 된 태양광에 대한 직접 또는 간접 광선 경로가 없음을 보장한다.
일부 실시예에서, 층(772B)은 홀로그램이다. 홀로그램은 매체(medium) 내에 기록된 고정 홀로그래픽 기록물(fixed holographic recording) 일 수 있고 이는 화상 생성 유닛의 공간 광 변조기 상에 디스플레이 되는 동적 재구성 가능한 홀로그램과 혼동되지 않아야 한다. 홀로그래픽 기록 매체(holographic recording medium)는 포토폴리머(photopolymer) 또는 할로겐화 은 에멀젼(silver halide emulsion) 일 수 있다. 할로겐화 은 에멀젼은 위상 홀로그래피(phase holography)를 위해 표백될(bleached) 수 있다. 홀로그래픽 기록 매체는 또한 중크롬산 젤라틴(dichromated gelatin) 일 수 있다. 홀로그램은 얇거나 두꺼운 홀로그램(thin or thick hologram) 일 수 있다. 대안적으로, 홀로그램은 스위칭 가능한 브래그 격자(Bragg grating) 또는 스위칭 가능한 볼륨 홀로그래픽 소자 일 수 있다. 홀로그램을 컴퓨터 생성 또는 광학적으로 기록하여 광의 궤적을 변경하거나 소정의 방식으로 광 빔을 조정하는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 일부 실시예에서, 홀로그램은, 전술한 바와 같이, 광을 조종하도록 공간 광 변조기 상에 표시 가능한 격자 기능(grating function)과 같은 빔 조종 기능을 포함한다. 격자의 파라미터들이, 예컨대 주기(period) 및 배향(orientation)이 어떻게 선택 될 수 있는지, 예를 들어, 어떻게 계산되거나 선택되어, 편향의 정도와 방향을 결정하는 지에 관해 컴퓨터 생성 홀로그래피 분야에서 널리 알려져 있다. 빔 조종 기능은 레귤러 격자(regular grating), 론치 격자(Ronchi grating) 또는 프리즘 일 수 있다. 보다 구체적으로, 빔 조종 기능은 레귤러 격자, 론치 격자 또는 프리즘에 상응하는 광 변조 레벨의 분포에 관한 것이다. 즉, 홀로그램은 레귤러 격자, 론치 격자 또는 프리즘의 광학 기능을 제공하는 빔 조정 기능이다.
일부 실시예에서, 층(772B)은 곡면에 대응하는 프레넬 구조이다. 일부 실시예에서, 프레넬 구조는 오목면에 상응한다. 프레넬 구조는 프레넬 회절 패턴 일 수 있다. 곡면에 대응하는(즉, 광학 기능을 제공하는) 프레넬 구조를 형성하는 방법은 당 업계에 공지되어 있다. 프레넬 구조는 필요한 편향의 크기를 기초로 계산된다. 프레넬 구조는 필요한 편향 방향을 제공하도록 배향된다. 프레넬 구조는 예를 들어, 몰딩 및 프레싱에 의해 플라스틱 커버글라스 상에 형성되는 구조화 된 표면 패턴 일 수 있다.
일부 실시예에서, 층(772B)은 서브-파장 유전체 구조(sub-wavelength dielectric structures) 및 서브 파장 금속 구조(sub-wavelength metallic structures)의 서브 파장주기 어레이를 포함하는 메타물질(metamaterial)이다. 소정의 방식으로 빛의 궤적을 변화시키는 메타물질을 설계하는 방법이 당업계에 공지되어 있다.
일부 실시 예에서, 층 (772B)은 그 굴절률이 그 중심으로부터의 거리에 따라 변하는 그레이디드 인덱스 층(graded-index layer)이다. 광학 설계 기술 분야의 당업자라면 소정의 양만큼 광을 편향시키기 위해 그레이디드 인덱스 층을 설계하는 방법을 알 수 있다.
일부 실시예에서, 공간 광 변조기 상에 디스플레이 되는 컴퓨터 생성 홀로그램은 층(772B)의 광학 효과를 보상하는 소프트웨어 렌즈와 결합된다. 일부 실시예에서, 층(772B)은 포지티브 또는 네거티브 광 파워와 같은 광 파워를 갖고, 소프트웨어 렌즈는 레이어(772B)의 광 파워를 보상하기 위한 광 파워를 갖는다.
일부 실시예에서, 2 개의 층이 제공된다. 예를 들어, 2 개의 층은 커버 글라스의 2 개의 표면층 일 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시예에서, 커버 글라스는 실질적으로 평탄하며, 각각이 본 명세서에서 설명 된 바와 같이 광을 편향시키도록 배열된 층을 포함하는 제 1 및 제 2 주요 표면(이는 가장 큰 표면적을 갖는 2 개의 표면/면임)을 갖는다. 일부 실시예에서, 2 개의 층은 동일한 오목면에 대응하는 프레넬 구조를 포함한다. 일부 실시예에서, 커버 글라스(772A)는 태양광을 수용하도록 배치된 제1 구조화 표면층 및 화상의 광을 수신하도록 배열 된 제2 구조화 표면층을 포함한다. 제1 구조화 표면층 및 제 2 구조 표면층은 동일한 오목면에 대응하는 프레넬 구조이다. 따라서, 커버 글라스(772A)는 평행하게 되어있다. 이것은 두 가지 이유의 장점을 가진다 : 첫째로, 커버 글라스(772A)의 양 표면은 아이 박스(690)쪽으로 태양광을 반사 할 수 있으므로, 양 표면 모두 광 출력을 갖는 점이 유리하다; 둘째, 두 개의 프레넬 표면은 동일하고 반대방향이기에, 제 1 프레넬 표면이 제 2 프레넬 표면에 의해 상쇄되기에 충분할 정도로 층이 얇기 때문에 커버글라스(772A)는 HUD 이미지에 영향을 주지 않는다. 즉, 커버 글라스(772A)는 얇고 평행한 면으로 인해서 광 파워를 갖지 않는다.
도 8a는 일부 실시예에 따른 2 개의 구조화 표면을 포함하는 제 1 예시적 프레넬 구조를 도시한다. 도 8a에 도시된 각 프레넬 표면(상부 및 하부)의 주기성(p)은 일정하지만, 수광 표면의 경사는 곡면을 모사하도록 좌측에서 우측으로 증가한다. 도 8b는 일부 실시예에 따른 2 개의 구조화 표면을 포함하는 제 2 예시적 프레넬 구조를 도시한다. 도 8b에 도시된 각 프레넬면(상부 및 하부)의 높이(h)는 일정하지만, 수광면의 경사도가 곡면을 모사하기 위해 좌측에서 우측으로 증가한다. 도 8a 및 도 8b에서, 태양광은 위로부터 수광되고, 각각의 구조화 표면들은 오목면에 대응한다. 각 프레넬 표면의 주기성은 0.1mm 정도일 수 있다. 각 프레넬 표면의 높이는 0.01mm 정도일 수 있다. 이러한 구조를 만드는 방법은 당업계에 공지되어 있으며, 당업자는 필요한 유효 곡률을 달성하기 위해 어떻게 각 프레넬 구조의 주기 및 높이를 설계해야 하는 지를 이해할 것이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 프레넬 구조는 커버 글라스(772A) 상에 배치된 층(772B) 일 수 있다. 그러나, 바람직한 구성에서, 커버 글라스(772A)는 두 개의 구조화 표면층을 갖도록 처리된다. 특히 인접한 간격을 두고 평행한 면들을 제공함으로써, HUD 이미지가 제공된 구조에 의해 왜곡되지 않는 것이 보장될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 층(772B)은 화상의 광의 파장에 대해 투명하고 다른 광 파장의 광에 대해 반사성을 갖도록 설계 될 수 있다. 본 기술 분야의 당업자라면 이것이, 예컨대, 화상의 광의 파장에서, 다른 방식 반사 구조인 투과형 노치와 같은, "노치(notch)"를 제공함으로써 달성될 수 있는 것으로 이해할 것이다. 특히, 일부 실시예에서, 화상의 광은 적색, 녹색 및/또는 청색 레이저 광을 포함한다. 이들 실시예에서, 층(772B)은 레이저 라인 선택형 필터를 포함한다고 볼 수 있다. 즉, 층(772B)은 레이저 라인 선택적 필터링을 제공하도록 배열된다. 대안적으로, 층(772B)은 레이저 라인 선택적 필터를 포함한다고 말할 수도 있다. 또한, 필터는 화상의 광이 수광되는 각도로 설계 될 수 있다. 즉, 레이저 라인 선택적 필터링은 제 1 범위의 입사각으로 수광된 레이저 라인 파장을 투과시키는 것을 포함한다. 레이저 선 선택적 필터링은 제 1 범위 외의 각도로 수광된 레이저 라인 파장을 반사 또는 흡수하는 것을 포함 할 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 라인 선택적 필터링은 제 2 범위의 각도로 수광된 다른 파장(비 레이저 라인 파장)의 광을 반사하는 것을 포함 할 수 있으며, 상기 제 2 각도 범위는 가능한 태양광 각도의 범위에 대응한다. 일부 실시예에서, 층은 파장 선택적 및 각도 선택적 필터링을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 층은 본 명세서에 기술된 기능을 혼입하는 볼륨 홀로그램(volume hologram)을 포함한다.
레이저 라인 선택적 필터는 화상 생성 유닛의 광원의 파장에서 선택을 가진다. 보다 상세하게는, 레이저 라인 선택 필터는 화상을 형성하는 광의 파장에서 커버글라스를 통과해 광이 전파되는 것을 가능케 하지만 다른 가시 파장을 포함해 다른 광학 파장을 걸러내도록(filter) 배치된다. 레이저 라인 선택적 필터의 광학 성능은, 예를 들어, 콜드 미러, 핫 미러 또는 핫/콜드 미러의 광학 성능과는 다르며, 이는 레이저 라인 선택 필터가 일부 가시 파장을 추가적으로 필터링한다는 점이다. 레이저 라인 선택 필터의 광학 성능은 레이저 라인 선택 필터가 투과성인 좁은 대역폭으로 인해 콜드 미러 또는 핫/콜드 미러의 광학 성능과 더 다르다. 일부 실시예에서, 레이저 라인 선택 필터는 중심 파장을 중심으로 30nm 미만, 예를 들어 15nm 미만 또는 5nm 미만의 전체 파장 반치폭을 갖는 파장 대역 내에서 투과성이다.
일부 실시예에서, 화상 생성 유닛은 제 1 파장으로 광을 방출하도록 배치된 광원을 포함한다. 화상 생성 유닛은 광원으로부터의 광을 수광하며 광 변조기 상에 표현된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 공간 변조 된 광을 출력하여 상응하는 화상을 수광 표면 상에 형성하도록 배치된 공간 광 변조기를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 층(772B)은, 제 1 파장에서 선택적인, 레이저 라인 선택적 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 레이저 라인 선택적 요소는 다른 성분인 층상의 코팅 또는 커버 글라스상의 코팅이다.
일부 실시예에서, 레이저 라인 선택적 필터는 제 1 파장에서 실질적으로 투과성이며, 다른 광학 파장에서는, 예컨대 반사성과 같은, 실질적으로 비 투과성이다. 일부 실시예에서, 레이저 라인 선택적 필터는 제 1 파장, 제 2 파장 및 제 3 파장에서 실질적으로 투과성이며, 다른 광학 파장에서, 예컨대 반사성과 같은, 실질적으로 비 투과성이며, 여기서 제 1, 제 2 및 제 3 파장은 화상의 광의 파장이다.
일부 실시예에서, HUD는 다색 디스플레이를 제공한다. 이들 실시예에서, 화상 생성 유닛은 제 2 광원, 제 2 공간 광 변조기, 제 3 광원 및 제 3 공간 광 변조기를 더 포함한다. 제 2 광원은 제 2 파장으로 광을 방출하도록 배치된다. 제 2 공간 광 변조기는 제 2 광원으로부터 제 2 파장의 광을 수광하고 제 2 공간 광 변조기 상에 표현된 제 2 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 제 2 공간 변조 광을 출력하여 상응하는 제 2 화상을 수광 표면 상에 형성하도록 배치된다. 제 3 광원은 제 3 파장으로 광을 방출하도록 배치된다. 제 3 공간 광 변조기는 제 3 광원으로부터 제 3 파장의 광을 수광하고 제 3 공간 광 변조기 상에 표현된 제 3 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 제 3 공간 변조 광을 출력하여 상응하는 제 3 화상을 수광 표면 상에 형성하도록 배치된다.
일부 실시예에서, HUD는 합성 컬러 디스플레이를 제공한다. 이들 실시예에서, 화상, 제 2 화상 및 제 3 화상은 실질적으로 일치하고 광학 시스템은 화상, 제 1 화상 및 제 2 화상을 이미지화 하도록 배열된다. 일부 실시예에서, 광학 시스템은 화상, 제 1 화상 및 제 2 화상을 동시에 이미지화 하도록 배열된다. 화상의 광은 복수의 파장의 광을 포함한다고 볼 수 있다.
일부 실시예에서, HUD는 제 1 파장이 425 ± 20nm이고, 제 2 파장이 525 ± 20nm이고, 제 3 파장이 640 ± 20nm 인 RGB 컬러 디스플레이를 제공한다.
일부 실시예에서, 각각의 광원은 실질적으로 단색인 광을 방출하고, 선택적으로, 각각의 광원은 레이저이다. 이 실시예들은 레이저 라인 선택적 필터링과 시너지를 제공할 것이라고 이해도리 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 레이저에 의해 방출되는 광의 중심 파장은 레이저 라인 선택적 필터의 중심 파장과 일치한다.
일부 실시예에서, 층(772B)은 편광-선택적 필터링을 더 포함한다. 즉, 층(772B)은 편광- 선택적 필터링을 제공하도록 배열된다. 대안적으로, 층(772B)은 편광-선택적 필터를 포함하는 것으로 볼 수 있다. 편광-선택적 필터는 레이저 라인 선택적 필터와 함께 또는 레이저 라인 선택 필터 대신에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 편광 선택적 필터는 와이어 그리드 편광기이다.
편광 선택적 필터는 광학 시스템을 통해, 화상의 광(즉, 화상을 형성하는 광)을 포함하여, 제 1 방향으로 편광된 광이 전파될 수 있도록 배치된다. 편광 선택적 필터는 제 2 방향으로 편광된 광을 필터링(즉, 광학 시스템으로부터 제거) 하거나 제 2 방향으로 편광된 비편광 광의 성분을 필터링하도록 배열되며, 제 1 방향은 제 2 방향에 수직이다 . 예를 들어, 편광 선택적 필터(801)는 제 2 방향으로 편광된 광을 흡수할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 제 1 하우징에 의해 출력되는 화상을 형성하는 광은 브루스터 각도(편광 각도(polarisation angle)로도 알려짐) 또는 예컨대 브루스터 각도의 이2 이내와 같이, 브루스터 각도의 5도 이내에서 윈드스크린에 입사 될 것이다 . 이들 실시예에서, 윈드스크린은 실질적으로 제 1 방향으로 편광된 모든 광을 반사하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 제 1 방향은 광학 시스템으로부터 유래된 화상을 형성하는 실질적으로 모든(편광된) 광이 윈드스크린에 의해 반사되도록 하는 방향이다. 여기서 용어 실질적으로는, 브루스터 각도에 가까운 각도로 윈드스크린에 광이 입사되는 것을 예시할 때, 완전한 편광 분리가 이루어 지지 않을 수 있게 반사하는 것에 관한 것으로 사용된다. 일부 실시예에서, 광은 55 내지 75도, 예컨대 60 내지 70 도의 각도로 윈드스크린에 입사한다. 이들 실시예에서, 광원은 제1 방향으로 편광된 광을, 선택적으로 제 1 파장으로 방출하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 편광 선택적 성분은 층의 다른 성분상의 코팅 또는 커버 글라스상의 코팅이다.
일부 실시예에서, 편광 선택적 필터는 제 1 방향으로 편광된 광에 대해 실질적으로 투과성이고 제 2 방향으로 편광된 광에 대해 실질적으로 비투과성이며, 제 1 방향은 제 2 방향에 수직이다.
편광 - 선택적 필터는 전술 한 바와 같이 단색 화상을 제공하는 디스플레이 또는 다색 화상을 제공하는 디스플레이에 통합 될 수 있다. 편광 - 선택 필터의 광학 성능은 파장 의존적 일 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 편광 선택적 필터는 파장의 범위 내 또는 복수의 파장 범위 내에서만 편광 선택성 일 수 있다. 실시예에서, 화상의 광은 상술 한 바와 같이 복수의 파장의 광을 포함한다. 편광 - 선택적 필터는 복수의 파장에서 편광 선택성이다. 일부 실시예들에서, 편광 - 선택적 필터는 제 1 파장, 제 2 파장 및 제 3 파장에서 편광 선택성이다. 레이저 라인 선택적 필터와 마찬가지로, 편광 선택적 필터는 필터링이 최적화되는 중심 파장 또는 파장을 가질 수 있음을 이해할 수 있다. 중심 파장 또는 파장은 상술 한 방식으로 대역폭을 포함 할 수 있다.
기술된 실시예들에 따르면 층은 광 선택적 필터를 제공 할 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 광 선택적 필터링은 레이저 라인 선택적 필터링 및/또는 편광 선택적 필터링을 포함 할 수 있다.
일부 실시예는 윈드스크린은 광학 컴바이너(combiner)로 사용되나 대안적으로 광학 컴바이너는 윈드스크린의 전방, 예컨대 대쉬보드 상에 있는 팝업 방식의 광학 컴바이너일 수 있다.
추가적인 특징들
실시예는 전기적으로 구동되는 LCOS 공간 광 변조기를 단지 예로서 지칭한다. 본 개시는, 임의의 전기적으로 구동되는 SLM, 광학적으로 구동되는 SLM, 디지털 마이크로 미러 디바이스 또는 마이크로전자기계적 디바이스와 같은 본 발명에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램을 디스플레이 할 수 있는 임의의 공간 광 변조기 상에서 동일하게 구현될 수 있다.

Claims (12)

  1. 제1 하우징을 포함하는 차량용 헤드업 디스플레이에 있어서, 상기 제1 하우징은,
    화상을 출력하도록 배치된 화상 생성 유닛으로서,
    광을 방출하도록 배치된 광원; 및
    상기 광원으로부터 광을 수광하는 공간 광 변조기를 포함하되, 상기 공간 광 변조기는 상기 공간 광 변조기 상에 표시된 컴퓨터 생성 광 변조 패턴들에 따라 상기 광을 공간 변조하여 각각의 화상에 대응하는 홀로그램 재구성을 형성하도록 배치되는, 화상 생성 유닛; 및
    상기 화상 생성 유닛에 의해 출력된 화상을 수신하며 광학 컴바이너를 사용하여 각각의 화상의 가상 이미지를 형성하도록 상기 화상을 전달하도록 배치된 광학 시스템으로서, 상기 광학 컴바이너는 상기 화상 생성 유닛에 의해 출력된 광을 실제 세상의 장면으로부터의 광과 조합하여 아이박스 내의 관찰자에게 결합된 이미지를 제공하는, 광학 시스템을 포함하되,
    상기 헤드업 디스플레이는 상기 제1 하우징 및 상기 광학 컴바이너 사이에 배치된 제2 하우징을 더 포함하고,
    상기 제2 하우징은,
    상기 제1 하우징을 보호하도록 배치된 실질적으로 편평한 커버글라스, 및,
    제1 층을 포함하되, 상기 제1 층은 실질적으로 편평한 광학 요소를 포함하고, 태양광을 수신하도록 배치되고, 상기 커버글라스에 의해 반사된 임의의 태양광이 상기 아이 박스로부터 편향되도록 광의 궤도를 변경하도록 배치된 층을 더 포함하며,
    상기 제1 층은 곡면 광학 윈도우의 곡률을 모사하도록 배치된,
    헤드업 디스플레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 층은 제 1 범위의 각도로 입사하는 화상의 광에 대해 투과성이고 제 2 범위의 각도로 입사하는 다른 파장의 광을 실질적으로 반사하는 헤드업 디스플레이.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 층은 상기 커버글라스 상에 배치되는 헤드업 디스플레이.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 층은 상기 커버글라스의 구조화된 표면층인 헤드업 디스플레이.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 홀로그램을 포함하는 헤드업 디스플레이.
  6. 제1 항 내지 제4 항에 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 오목면에 대응하는 프레넬 구조를 포함하는 헤드업 디스플레이.
  7. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 메타물질을 포함하는 헤드업 디스플레이.
  8. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 중심으로부터의 거리에 따라 굴절률이 변하는 그레이디드 인덱스 층(graded-index layer)을 포함하는 헤드업 디스플레이.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제2 하우징은 상기 커버글라스를 태양광으로부터 부분적으로 차폐하도록 배열된 광 트랩을 더 포함하는 헤드업 디스플레이.
  10. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 광 파워를 가지며 각각의 컴퓨터 생성 광 변조 패턴은 상기 화상의 컴퓨터 생성 홀로그램 및 상기 제1 층의 광 파워를 보상하는 광 파워를 갖는 소프트웨어 렌즈 기능을 포함하는 헤드업 디스플레이.
  11. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 하우징은 상기 제1 층과 동일한 제2 층을 포함하며, 상기 제1 층과 상기 제2 층은 평행한 면을 형성하는 헤드업 디스플레이.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 광학 컴바이너는 차량의 윈드스크린인 헤드업 디스플레이.
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