KR102367734B1 - 헤드 업 디스플레이를 위한 홀로그래픽 광학 소자 기록 방법 - Google Patents

헤드 업 디스플레이를 위한 홀로그래픽 광학 소자 기록 방법 Download PDF

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Abstract

HOE(Holographic Optical Element : 홀로그래픽 광학 소자)를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성할 때, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상할 수 있는 HOE를 제작하고, 이를 통해 HUD 영상의 품질을 향상시키는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 HUD용 HOE 제작 방법은 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하는 단계; 측정된 수차를 마스터 HOE(Holographic Optical Element)에 기록하는 단계; 마스터 HOE를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하, 광학계의 aberrated wavefront를 재현하는 단계; 재현된 aberrated wavefront와 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 HUD 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 HOE에 기록하는 단계;를 포함한다.
이에 의해, HOE를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성할 때, 프로젝션 광학계의 수차를 측정하고, 측정된 수차를 재현하는 마스터 HOE를 만들고, 이를 통해 수차를 보상하는 HOE를 제작하여, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상하여 HUD 영상의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

헤드 업 디스플레이를 위한 홀로그래픽 광학 소자 기록 방법{Holographic Optical Element Recording Method for Head Up Display}
본 발명은 홀로그래픽 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 HUD(Head Up Display : 헤드 업 디스플레이)에 사용되는 홀로그래픽 광학 소자를 제작하는 방법 및 이를 적용한 HUD 시스템에 관한 것이다.
HUD는 운전자의 안전과 편의성을 높여 주기 위해 개발 및 상용화된 차량용 전자 장비로, 차량 상태나 교통 정보 등이 나타난 영상을 차량 전방의 공간 상에 띄워준다.
사용자의 편의성을 극대화하기 위해서는, HUD에 의한 영상 표출 위치가 원거리일 것이 요구되는 바. 이를 위한 방안이 필요하다.
한편, 이를 해결하는 과정에서 영상의 품질 저하 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 원거리에 있는 HUD 이미지 평면에서 고품질의 영상을 확보하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, HOE(Holographic Optical Element : 홀로그래픽 광학 소자)를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성할 때, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상할 수 있는 HOE를 제작하고, 이를 통해 HUD 영상의 품질을 향상시키는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, HUD용 HOE 제작 방법은 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하는 단계; 측정된 수차를 마스터 HOE(Holographic Optical Element)에 기록하는 단계; 마스터 HOE를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하, 광학계의 aberrated wavefront를 재현하는 단계; 재현된 aberrated wavefront와 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 HUD 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 HOE에 기록하는 단계;를 포함한다.
측정 단계는, 디스플레이 디바이스의 중심에 있는 포인트 소스가 광학계를 통과할 때 발생하는 수차를 측정할 수 있다.
측정 단계는, collimated beam을 생성하는 제1 생성단계; 생성된 collimated beam을 이용하여 광학계의 aberrated wavefront를 생성하는 제2 생성단계: collimated beam을 이용하여 디스플레이 평면에서 전파되는 구면파를 생성하는 제3 생성단계; 생성된 aberrated wavefront 및 생성된 구면파를 생성된 collimated beam과 간섭시켜 기록하는 단계; 및 기록된 파면으로부터 디스플레이 평면에서의 수차를 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
제2 생성 단계는, 생성된 collimated beam을 디스플레이 디바이스를 위치시킬 디스플레이 디바이스 평면의 중심에 포커싱 시킨 후 광학계를 통과시켜, aberrated wavefront를 생성하는 것일 수 있다.
제3 생성단계는 collimated beam을 렌즈로 디스플레이 평면의 중심에 포커싱 시켜, 구면파를 생성하는 것일 수 있다.
측정 단계는, 촬상된 파면으로부터 angular spectrum domain에서 유효한 complex field 만을 취해, 디스플레이 평면까지 계산적으로 전파시켜 디스플레이 평면에서의 수차를 측정하는 것일 수 있다.
기록 단계는, 홀로그래픽 파면 프린터로 측정된 수차를 마스터 HOE에 기록하는 것일 수 있다.
HOE는, 광학계에 의해 발생된 수차를 보상할 수 있다.
HOE는, 광학계에 의해 발생된 aberrated wavefront를 반사하고, HUD 이미지 평면으로 구면파를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 영상을 표출하는 디스플레이 디바이스; 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계; 광학계에서 프로젝션되는 디스플레이 디바이스의 영상을 원거리의 이미지 평면에 맺히게 하는 HOE(Holographic Optical Element);를 포함하고, HOE는, 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하고, 측정된 수차를 마스터 HOE에 기록한 후, 마스터 HOE를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하여 광학계의 aberrated wavefront를 재현하고, 재현된 aberrated wavefront와 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 기록하여 제작되는 것을 특징으로 하는 HUD(Head Up Display)가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차가 기록된 마스터 HOE(Holographic Optical Element)를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하여, 광학계의 aberrated wavefront를 재현하는 단계; 및 재현된 aberrated wavefront와 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 HUD(Head Up Display) 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 HOE에 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HUD용 HOE 제작 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차가 기록된 마스터 HOE(Holographic Optical Element); 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생되는 마스터 HOE에 의해 재현된 광학계의 aberrated wavefront와 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 HUD(Head Up Display) 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 기록하는 HOE;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HUD용 HOE 제작 시스템이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, HOE를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성할 때, 프로젝션 광학계의 수차를 측정하고, 측정된 수차를 재현하는 마스터 HOE를 만들고, 이를 통해 수차를 보상하는 HOE를 제작하여, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상하여 HUD 영상의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 HUD를 위한 HOE를 기록하는 방법,
도 2는 HOE를 이용하여 HUD를 구성하는 방법,
도 3은 프로젝션 광학계를 이용하여 HUD를 구성하는 방법,
도 4는 프로젝션 광학계의 수차 측정 방법,
도 5는 측정된 수차를 이용한 HUD용 HOE 기록 방법.
도 6은 수차가 보상된 HUD 영상의 디스플레이 방법이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
원거리에 영상을 띄워주기 위한 HUD(Head Up Display : 헤드 업 디스플레이)를 구현하기 위한 방법은, 렌즈 기능을 하는 반사형 HOE(Holographic Optical Element : 홀로그래픽 광학 소자)를 광 결합기(Optical Combiner)로 이용하는 것이다.
이렇게 함으로써 디스플레이에 표시된 영상은 HOE에 의해 반사시키고, HOE의 렌즈 기능에 의해 원거리에 디스플레이의 이미지가 상을 맺도록 함으로써, 외부 풍경에 디스플레이의 원거리 이미지가 합쳐지는 형태로 HUD를 구현할 수 있다.
이러한 목적의 HOE를 기록하는 방법은, 도 1과 같은 구성으로 홀로그래픽 필름에 아날로그 홀로그래피의 방법으로 기록을 하는 것이다.
HUD로 구성을 하였을 때 디스플레이로 영상을 표시하는 위치를 디스플레이 평면(Display Plane), 그 영상이 원거리에 상을 맺기를 원하는 위치를 HUD 이미지 평면(HUD Image Plane) 이라고 하였을 때, 하나의 레이저 소스(Laser Source)를 이용하여, 디스플레이 평면의 중심과 HUD 이미지 평면의 중심에 각각 서로 간섭이 가능한 포인트 소스(point source)들을 만들어주고, 그 포인트 소스들에서 발산하는 구면파들이 홀로그래픽 필름 상에서 간섭을 일으키도록 하여 렌즈 기능을 갖는 반사형 HOE를 기록해 준다.
도 2는 이 HOE를 이용하여 HUD를 구성하는 방법을 보여준다. 도 1의 HOE를 기록할 때 디스플레이 평면으로 가정하였던 평면에 디스플레이 디바이스(Display Device)를 위치시키게 되면, 디스플레이 디바이스의 각 픽셀이 HOE의 렌즈 기능으로 인해 HUD 이미지 평면에 상을 맺게 되고, 관찰자가 이를 바라볼 때 디스플레이의 영상이 원거리에 있는 HUD 이미지 평면에 상을 맺어 보이게 된다.
하지만, 보통 실제로는 디스플레이 평면에 원하는 크기 및 해상도의 디스플레이 디바이스를 구비하는 것이 어렵고, 따라서 도 3과 같이 디스플레이 디바이스의 영상을 별도의 프로젝션 광학계(Projection Optics)를 통해 디스플레이 평면에 원하는 크기 및 해상도를 갖는 프로젝션 이미지를 형성하도록 하게 된다.
이 경우 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차(aberration)가 있게 되고, 디스플레이 디바이스의 각 픽셀이 디스플레이 평면에서 aberrated wavefront를 만들어내게 된다. 이는 HOE에 의해서 반사되었을 때 원거리에 있는 HUD 이미지 평면의 영상의 품질을 떨어뜨리게 된다.
이하에서는, HOE를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성하였을 때, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상할 수 있는 HOE를 기록하기 위해, 프로젝션 광학계의 수차를 측정하고, 이 수차를 재현하는 master HOE를 만들어 이를 통해 수차를 보상하는 HOE를 기록하는 방법을 제시한다.
도 4는 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하기 위한 방법을 보여준다.
프로젝션 광학계(125)의 NA가 크지 않아 수차가 공간적으로 불변(spatially invariant) 하다고 가정할 때, 디스플레이 디바이스의 중심에 있는 포인트 소스가 프로젝션 광학계(125)를 통과하며 발생하는 수차를 프로젝션 광학계(125)의 전체 수차로 대표할 수 있다.
따라서, 도 3과 같이 HUD를 구성할 때, 디스플레이 디바이스를 위치시킬 평면을 디스플레이 디바이스 평면(120)이라고 할 때, 이 )디스플레이 디바이스 평면(120))의 중심에 포인트 소스를 위치시켜 이를 가이드 스타(guide star)라고 생각할 수 있다.
그러면, 이 가이드 스타가 프로젝션 광학계(125)를 통과하여 aberrated wavefront를 만들어내는데, 이 aberrated wavefront를 기록한 가이드 스타 홀로그램을 이용하여 수차를 측정할 수 있다.
이를 위해 레이저 모듈(미도시)로 collimated laser beam을 생성하여, 도 4와 같이 2개의 빔 스플리터(beam splitter)들(105,110)를 통과시켜 3개의 광경로로 나눈다.
먼저, 빔 스플리터들(105,110)을 모두 투과하여 진행하는 가운데 광경로를 통해서는, collimated laser beam을 lens(115)를 통해 )디스플레이 디바이스 평면(120))에 포커싱하여 프로젝션 광학계(125)에 대한 포인트 소스로 사용하고, 이를 프로젝션 광학계(125)를 통과시켜 aberrated wavefront를 발생시킨다.
상단의 광경로를 통해서는, 빔 스플리터-1(105)에서 분기되어 미러(130)를 통해 반사된 collimated laser beam을 HUD 디스플레이 평면(145), 즉, 프로젝션 광학계(125)가 디스플레이 디바이스를 이미징하는 평면에 lens(135)로 포커싱하여, 이로부터 발생된 구면파도 기록하여, 추후 얻어진 가이드 스타 홀로그램을 HUD 디스플레이 평면에 전파시키는 reference로 사용하게 된다.
이에 따라, 상단의 광경로와 가운데 광경로를 광 결합기(optical combiner)(150)를 통해 합쳐서 CCD(160)에 입사를 시키게 된다. 이렇게 합쳐진 파면을 홀로그램으로써 기록을 하기 위해, 하단의 광경로를 통해, 미러들(155,160)을 이용하여 collimated laser beam을 reference beam으로 입사시키고, 간섭을 통해 프로젝션 광학계(125)로부터의 aberrated wavefront 및 HUD 디스플레이 평면(145)으로부터의 구면파에 대한 홀로그램을 기록하게 된다.
이렇게 기록된 파면은 amplitude-type으로 기록된 off-axis 홀로그램이기 때문에, angular spectrum domain에서 유효한 complex field 만을 취하고, 이 complex field를 디스플레이 평면(120)까지 계산적으로 전파시켜 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정할 수 있다.
도 5는 이렇게 측정된 수차를 HUD용 HOE에 반영하기 위한 기록 방법을 보여준다.
측정된 수차를 마스터 HOE(220)로써 기록을 하고 이를 HUD 디스플레이 평면(210)에 놓아 재생을 하면 전술한 프로젝션 광학계(125)가 만들어내는 aberrated wavefront를 그대로 재현할 수 있다.
이렇게 재현된 aberrated wavefront와 HUD 이미지 평면(240)에서 출발하는 구면파를 HOE의 일종인 홀로그래픽 필름(230)에서 간섭시켜 기록함으로써, aberrated wavefront가 입사광으로 들어왔을 때, HUD 이미지 평면(240)의 위치에서 출발하는 구면파를 반사시키는 HUD용 HOE를 기록할 수 있다.
이 때 수차를 기록하는 HOE(220)를 생성하는 방법은 측정된 수차에 맞는 광학소자를 실제로 제작하여 Master HOE(220)로써 기록할 수도 있고, 홀로그래픽 파면 프린터(holographic wavefront printer)를 이용하여 프린팅을 통해 제작을 할 수도 있다.
도 5의 방법을 통해 기록된 HUD용 홀로그래픽 필름(230)을 활용하면, 도 6과 같이 프로젝션 광학계(125)가 디스플레이 디바이스(310)를 HUD 이미지 평면(330)에 이미징을 하도록 배치시켰을 때, 프로젝션 광학계(125)에 의해 발생된 aberrated wavefront가 HUD용 홀로그래픽 필름(230)에 의해 반사되며 HUD 이미지 평면(330)로 구면파를 발생시키게 되고, 결과적으로 수차가 보상이 이루어진 HUD 영상이 관찰자에게 보여지게 된다.
지금까지, 헤드 업 디스플레이를 위한 홀로그래픽 광학 소자 기록 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 홀로그래픽 필름과 같은 HOE를 이용하여 원거리에 영상을 맺는 HUD를 구성하였을 때, 프로젝션 광학계에 의해 발생하는 수차를 보상할 수 있는 HOE를 기록하기 위해, 프로젝션 광학계의 수차를 측정하고, 이 수차를 재현하는 master HOE를 만들어 이를 통해 수차를 보상하여 HUD 영상의 품질을 향상시킬 수 있는 HOE를 기록하는 방법 및 이 HOE를 이용한 HUD를 제시하였다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
105 : 빔 스플리터-1
110 : 빔 스플리터-2
115 : lens
120 : 디스플레이 디바이스 평면
125 : 프로젝션 광학계
130 : 미러
135 : lens
140 : 미러
145 : HUD 디스플레이 평면
150 : 광 결합기
155, 160 : 미러
165 : CCD
210 : 디스플레이 평면
220 : 마스터 HOE
230 : 홀로그래픽 필름
240 : HUD 이미지 평면
310 : 디스플레이 디바이스
320 : 디스플레이 평면
330 : HUD 이미지 평면

Claims (12)

  1. 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하는 단계;
    측정된 수차를 마스터 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)에 기록하는 단계;
    마스터 홀로그래픽 광학 소자를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하여, 광학계의 수차 파면(aberrated wavefront)을 재현하는 단계;
    재현된 수차 파면과 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 헤드 업 디스플레이(Head Up Display) 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 홀로그래픽 광학 소자에 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    측정 단계는,
    디스플레이 디바이스의 중심에 있는 포인트 소스가 광학계를 통과할 때 발생하는 수차를 측정하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    측정 단계는,
    평행 빔(collimated beam)을 생성하는 제1 생성단계;
    생성된 평행 빔을 이용하여 광학계의 수차 파면을 생성하는 제2 생성단계:
    평행 빔을 이용하여 헤드 업 디스플레이 이미지 평면에서 전파되는 구면파를 생성하는 제3 생성단계; 및
    생성된 수차 파면 및 생성된 구면파를 생성된 평행 빔과 간섭시켜, 디스플레이 평면에서의 수차를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제2 생성 단계는,
    생성된 평행 빔을 디스플레이 디바이스를 위치시킬 디스플레이 디바이스 평면의 중심에 포커싱 시킨 후 광학계를 통과시켜, 수차 파면을 생성하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    제3 생성단계는,
    평행 빔을 렌즈로 헤드 업 디스플레이 이미지 평면의 중심에 포커싱 시켜, 구면파를 생성하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    측정 단계는,
    촬상된 파면으로부터 각 스펙트럼 도메인(angular spectrum domain)에서 유효한 복소 필드(complex field) 만을 취해, 디스플레이 평면까지 계산적으로 전파시켜 디스플레이 평면에서의 수차를 측정하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    기록 단계는,
    홀로그래픽 파면 프린터로 측정된 수차를 마스터 홀로그래픽 광학 소자에 기록하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    홀로그래픽 광학 소자는,
    광학계에 의해 발생된 수차를 보상하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    홀로그래픽 광학 소자는,
    광학계에 의해 발생된 수차 파면을 반사하고, 헤드 업 디스플레이 이미지 평면으로 구면파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  10. 영상을 표출하는 디스플레이 디바이스;
    디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계;
    광학계에서 프로젝션되는 디스플레이 디바이스의 영상을 원거리의 이미지 평면에 맺히게 하는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element);를 포함하고,
    홀로그래픽 광학 소자는,
    광학계에 의해 발생하는 수차를 측정하고, 측정된 수차를 마스터 홀로그래픽 광학 소자에 기록한 후, 마스터 홀로그래픽 광학 소자를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하여 광학계의 수차 파면을 재현하고, 재현된 수차 파면과 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 기록하여 제작되는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이(Head Up Display).
  11. 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차가 기록된 마스터 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element)를 디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생하여, 광학계의 수차 파면을 재현하는 단계; 및
    재현된 수차 파면과 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 헤드 업 디스플레이(Head Up Display) 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 홀로그래픽 광학 소자에 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 방법.
  12. 디스플레이 디바이스의 영상을 프로젝션하는 광학계에 의해 발생하는 수차가 기록된 마스터 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element);
    디스플레이 디바이스의 영상이 표출되는 디스플레이 평면에서 재생되는 마스터 홀로그래픽 광학 소자에 의해 재현된 광학계의 수차 파면과 디스플레이 디바이스의 영상이 맺히는 헤드 업 디스플레이(Head Up Display) 이미지 평면에서 조사되는 구면파를 간섭시켜 기록하는 홀로그래픽 광학 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 업 디스플레이용 홀로그래픽 광학 소자 제작 시스템.
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