KR102508931B1 - 홀로그래픽 hud - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 레이저 광원을 포함하고, HUD(Head Up Display)에 투영될 영상을 생성하는 PGU(Picture Generation Unit); PGU로부터의 광 이미지를 반사하는 제1미러; 제1미러에서 반사된 광 이미지를 반사하는 제2미러; 및 제2미러로부터 반사되어 제1입사각으로 입사된 광 이미지를 운전자를 향해 제1회절각을 가지고 출사하도록 회절시키는 HOE를 포함하되, 제1미러는, PGU로부터의 광 이미지를 제2회절각으로 회절(diffract)시키는 반사형 보상 HOE(Reflective Compensatory Holographic Optical Element)로 형성되고, 레이저 광원의 파장이 변화된 경우, 제2회절각과 다른 제3회절각을 가지고 반사형 보상 HOE로부터 출사되는 광 이미지가, HOE에서 제1회절각의 방향과 동일한 방향으로 회절되도록 반사형 보상 HOE가 형성되는 홀로그래픽 HUD에 관한 것이다.

Description

홀로그래픽 HUD{Holographic HUD}
본 개시는 홀로그래픽 HUD에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 광원 파장변화의 자가보상을 위한 추가 HOE를 포함하는 홀로그래픽 HUD에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
홀로그래픽 HUD(Head Up Display)는 홀로그래픽 광학 소자(HOE: Holographic Optical Element)를 포함하여 구성된다.
차량용 HUD의 경우 HOE필름은 윈드쉴드에 포함되어 HUD로부터 특정 각도 및 특정 파장을 가지고 입사되는 광에 선택적으로 반응하여 의도된 형태의 회절을 일으키도록 사전에 형성된 간섭패턴(interference pattern)을 포함한다. 간섭패턴은 HOE필름이 입사광에 대해 Bragg조건(Bragg matching condition)을 만족하도록 형성되어 특정 조건에서 높은 효율로 광을 회절시킬 수 있다.
HOE는 빛의 회절(diffraction) 특성을 이용한 광학소자로서, HUD 시스템이 차지하는 부피를 줄이면서도 대면적 스크린을 운전자에게 제공할 수 있는 장점이 있다. 반면, HOE는 입사광의 파장에 민감한 소자이기 때문에 홀로그래픽 HUD에는 주로 레이저 광원이 이용된다. 또한, HOE에 입사되는 광의 경로가 동일하더라도 파장이 달라지면 회절되는 광의 출사 각도가 달라진다. 단일 광이 사용되는 경우에는 운전자 위치에서 관찰되는 영상이 원래 의도된 위치로부터 이동하게 된다. 도 1을 참조하면, 일반적인 홀로그래픽 HUD(10)의 구성은 HUD에 투영될 영상이 생성되는 PGU(Picture Generation Unit, 100), 제1미러(200), 제2미러(300) 및 HOE(400)를 포함한다. 도 2를 참조하면, 특히 컬러 홀로그래픽 HUD의 경우에는 R/G/B(Red, Green, Blue) 레이저 각각이 동일한 온도 변화에도 서로 다른 정도의 파장 변화가 발생할 수 있어, 운전자 위치에서 관찰되는 영상은 색상 별로 서로 다른 크기로 원래 의도된 위치로부터 이동되므로 영상의 색분리(color separation)가 발생하는 문제가 있다.
레이저의 파장이 온도 변화에 의해 광원인 변화하면, 파장에 민감하게 동작하는 HOE(400)로부터 반사되는 회절광(diffracted light)은 원래 파장이 가지는 경로와 다른 각도로 출사된다. 이에 따라 운전자 위치에서 관찰되는 영상은 원래 의도된 위치로부터 이동된다. 도 1은 레이저의 파장이 변하여 운전자를 향하는 광이 광 진행방향의 우측으로 회전된 경우를 예시한다.
본 개시의 실시예들은, HOE소자를 포함하는 홀로그래픽 HUD에 있어서, 레이저 광원이 예컨대 온도 변화에 의해 파장 변화가 발생하는 경우에도 운전자 위치에서 관찰되는 영상의 색분리가 발생하지 않는 홀로그래픽 HUD를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 개시의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 HUD는, 적어도 하나의 레이저 광원을 포함하고, HUD(Head Up Display)에 투영될 광 이미지를 생성하는 PGU(Picture Generation Unit); PGU로부터의 광 이미지를 반사하는 제1미러; 제1미러로부터 반사된 광 이미지를 반사하는 제2미러; 및 제2미러로부터 반사되어 제1입사각으로 입사된 광 이미지를 운전자를 향해 제1회절각을 가지고 출사하도록 회절시키는 HOE를 포함하되, 제1미러는, PGU로부터의 광 이미지를 제2회절각으로 회절(diffract)시키는 반사형 보상 HOE(Reflective Compensatory Holographic Optical Element)로 형성되고, 레이저 광원의 파장이 변화된 경우, 제2회절각과 다른 제3회절각을 가지고 반사형 보상 HOE로부터 출사되는 광 이미지가, HOE에서 제1회절각의 방향과 동일한 방향으로 회절되도록 반사형 보상 HOE가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2미러는 자유곡면, 비구면, 평면 및 오목면 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 반사형 보상 HOE 및 HOE에 입사되는 각각의 광 이미지 경로 상의 영역은 동일한 온도 범위 내에 있도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 온도 범위는 10 ℃ 이내인 것을 특징으로 한다.
또한, HOE가 컬러 홀로그래픽 HUD용 구조로 형성된 경우, 반사형 보상 HOE는 HOE와 동일한 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, HOE가 곡면인 경우, 반사형 보상 HOE는 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 곡률을 가지는 곡면으로 것을 특징으로 한다.
또한, 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 홀로그래픽 HUD는, 적어도 하나의 레이저 광원을 포함하고, HUD(Head Up Display)에 투영될 광 이미지를 생성하는 PGU(Picture Generation Unit); PGU로부터의 광 이미지를 반사하는 제1미러; 제1미러로부터 반사된 광 이미지를 반사하는 제2미러; 및 제2미러로부터 반사되어 제1입사각으로 입사된 광 이미지를 운전자를 향해 제1회절각을 가지고 출사하도록 회절시키는 HOE를 포함하되, PGU로부터의 광 이미지를 제2회절각으로 회절(diffract)시키는 투과형 보상 HOE(Transmissive Compensatory Holographic Optical Element)를 PGU와 제1미러 사이에 더 포함하고, 레이저 광원의 파장이 변화된 경우, 제2회절각과 다른 제3회절각을 가지고 반사형 보상 HOE로부터 출사되는 광 이미지가, HOE에서 제1회절각의 방향과 동일한 방향으로 회절되도록 반사형 보상 HOE가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 투과형 보상 HOE 및 HOE에 입사되는 각각의 광 이미지 경로 상의 영역은 동일한 온도 범위 내에 있도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, HOE가 컬러 홀로그래픽 HUD용 구조로 형성된 경우, 투과형 보상 HOE는 홀로그래픽 HUD용으로 구성되는 상기HOE와 동일한 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, HOE가 곡면인 경우, 제1미러는 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 곡률을 가지는 곡면으로 형성되고, 투과형 보상 HOE의 간섭패턴은 제1미러 및 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 온도 변화에 따른 광원의 파장 변화를 자가보상하도록 형성되는 추가 HOE를 포함함으로써, 별도의 온도 측정이나 광원의 파장 변화를 보상하기 위한 기구부 및 제어부를 포함하지 않으면서도, 영상의 색분리가 방지될 수 있는 홀로그래픽 HUD를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 홀로그래픽 HUD의 개념을 나타낸다.
도 2는 일반적인 홀로그래픽 HUD에 있어서, 두 색상의 레이저가 사용되고 온도 변화가 발생한 경우, 광원의 파장 변화에 의해 색분리가 발생된 HUD 영상을 예시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 HOE를 사용한 자가보상 홀로그래픽 HUD의 개념을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 HOE를 더 포함하는 자가보상 홀로그래픽 HUD의 개념을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 HOE 및 투과형 HOE의 특성을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 HOE를 사용한 자가보상 홀로그래픽 HUD의 개념을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 자가보상 홀로그래픽 HUD(20)는 제1미러(200) 대신에 반사형 보상HOE(210)를 포함한다.
제1 및 제2미러(200, 300)는 광학계 설계에 따라 다른 형태, 예컨대 자유곡면(free form surface), 비구면(aspherical surface), 평면(flat surface), 오목면(concave surface) 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형태일 수 있다.
일 실시예에 따른 반사형 보상HOE(210)는 레이저 파장의 변화에 따라 회절각(diffraction angle)이 변화하는 각도를 고려하여 전체 홀로그래픽 HUD(20)의 광경로가 자가보상(self-compensation) 되도록 형성된다. 온도 변화에 의해 레이저의 파장이 변하는 경우, 반사형 보상 HOE(210)에서 회절된 광은 온도 변화 이전과는 다른 각도로 출사된다. 도시한 예에서는 반사형 보상 HOE(210)로부터 출사되는 광은 온도 변화 이후 광 진행 방향의 좌측으로 회전하도록 형성된다. 반사형 보상 HOE(210)에서 출사된 광은 제2미러(300)에서 반사되어 HOE(400)에 변화된 입사각도를 가지고 입사됨으로써 최종적으로 운전자를 향해 출사되는 광의 위치가 온도 변화와 무관하게 일정하게 유지되도록 형성될 수 있다. 반사형 보상 HOE(210)의 파장에 대한 회절각 특성은 자가보상 홀로그래픽 HUD(20)의 광학계 구조를 고려하여 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 HOE를 더 포함하는 자가보상 홀로그래픽 HUD의 개념을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 개시의 다른 일 실시예에 따른 자가보상 홀로그래픽 HUD(30)는 제1미러(200)와 PGU(Picture Generation Unit, 100) 사이에 투과형 보상HOE(600)을 더 포함한다.
일 실시예에 따른 투과형 보상HOE(210)는 레이저 파장의 변화에 따라 회절각이 변화하는 각도를 고려하여 전체 홀로그래픽 HUD(30)의 광경로가 자가보상 되도록 형성된다. 온도 변화에 의해 레이저의 파장이 변하는 경우, 투과형 보상 HOE(600)에서 회절된 광은 온도 변화 이전과는 다른 각도로 출사된다. 도시한 예에서는 투과형 보상 HOE(600)을 투과하여 굴절되는 광은 온도 변화 이후 광 진행 방향의 우측으로 회전하도록 형성된다. 투과형 보상 HOE(600)에서 출사된 광은 제1미러(200)에서 반사되고, 다음으로 제2미러(300)에서 반사되어 HOE(400)에 변화된 입사각도를 가지고 입사됨으로써 최종적으로 운전자를 향해 출사되는 광의 위치가 온도 변화와 무관하게 동일하도록 형성될 수 있다. 투과형 보상 HOE(600)의 파장에 대한 회절각 특성은 자가보상 홀로그래픽 HUD(30)의 광학계 구조를 고려하여 설계될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 보상 HOE 및 투과형 보상 HOE의 특성을 나타낸다.
HOE는 특정 각도 및 특정 파장을 가지고 입사되는 광에 선택적으로 반응하여 의도된 형태의 회절을 일으키도록 사전에 간섭패턴(interference pattern)이 형성된다. 간섭패턴은 특정 파장에서 높은 회절 효율을 가지고 광이 회절되도록 Bragg조건(Bragg matching condition)을 만족하도록 형성된다.
도 5의 (a)를 참조하면, 반사형 보상 HOE(210)의 경우, 수학식 1과 같은 관계를 가지고 광의 회절이 일어난다.
Figure 112020077061401-pat00001
여기서, λ는 입사광의 파장이고, Λ는 HOE에 형성된 간섭패턴의 입체격자(volume grating)의 주기이고, θi는 광의 입사각(incident angle)이고, θtilt는 회절각(diffraction angle)이며, θout은 광의 출사각(output angle)이다.
입체격자 주기 Λ는 HOE제작 시에 사전에 선정되어 고정된 값이다. 수학식 1을 참조하면, 입사각 θi는 일정하다고 볼 수 있고, 따라서 HOE의 간섭패턴에 의한 회절각 θtilt는 입사광의 파장 λ가 온도에 의해 변화하게 되면 수학식 1의 관계에 따라 변화하게 된다.
도 5의 (b)를 참조하면, 투과형 보상 HOE(600)의 경우, 수학식 2와 같은 관계를 가지고 광의 회절이 일어나며, 입사광의 파장 λ가 온도에 의해 변화하게 되면 회절각 θtilt는 수학식 2의 관계에 따라 변화하게 된다.
Figure 112020077061401-pat00002
일 실시예에 따른 반사형 보상 HOE(210) 또는 투과형 보상 HOE(600)은 각각이 포함된 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조 및 수학식 1 또는 수학식 2의 관계를 이용하여 설계 및 제작될 수 있다.
한편, 컬러 홀로그래픽 HUD의 경우, R/G/B(Red, Green, Blue) 광원이 사용될 수 있고, 각각의 컬러에 대응되는 HOE필름이 적층된 복층(multilayered) 형태의 HOE가 사용될 수 있다. 또는, 두 가지 색상에 대해 하나의 HOE필름에 두 가지 간섭패턴이 중첩 형성된 HOE필름과 단일 색상에 대한 HOE필름이 적층된 형태의 HOE가 사용될 수도 있다. 예컨대, 컬러 홀로그래픽 HUD용 HOE는 RG/B, R/GB 또는 RB/G의 구성일 수 있다. 또는, 세가지 색상에 대해 하나의 HOE필름에 세가지 간섭패턴이 중첩 형성될 수도 있다.
일 실시예에 따른 반사형 보상 HOE(210) 및 투과형 보상 HOE(600)는 컬러 홀로그래픽 HUD에 적용되는 경우, HOE필름의 구성과 대응되는 구조로 형성될 수 있다.
또한, HOE(400)가 곡면으로 형성된 경우, 반사형 보상 HOE(210)는 홀로그래픽 HUD(20)의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 곡률을 가지는 곡면으로 형성되는 것이 바람직할 것이다. 투과형 보상 HOE(600)의 경우에는, 제1미러(200)를 홀로그래픽 HUD(30)의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 곡률을 가지는 곡면으로 형성하고, 투과형 보상 HOE(600)의 간섭패턴은 제1미러(200) 및 홀로그래픽 HUD(30)의 광학계 구조를 고려하여 설계할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 자가보상 홀로그래픽 HUD는 서로 대응되도록 쌍으로 배치되는 두 개의 HOE 소자를 이용하는 것을 특징으로 한다. HOE 소자에 입사되는 레이저의 파장이 온도에 따라 변화하더라도 쌍으로 배치되는 두 개의 HOE소자에서 각각 변화된 회절각이 최종 출사되는 광 이미지의 출사 방향이 동일하도록 형성된다. 윈드스크린의 영역에 배치되는 HOE소자와 보상 HOE가 동일한 온도 조건을 가지는 것이 이상적이다. 실제로는 광 경로가 지나는 영역이 짧기 때문에 그 영향이 작을 수는 있으나, 윈드스크린에 가까운 영역과 HUD 광학계 내부는 온도가 다를 수 있다.
일 실시예에 따른 자가보상 홀로그래픽 HUD의 품질을 보장하기 위해서, HOE(400)과 보상용 HOE소자(210, 600) 사이의 광 경로의 온도는 전체적으로 균일한 것이 바람직하다. 이를 위해, 일 실시예에 따른 자가보상 홀로그래픽 HUD(20, 30)는 HOE(400)와 보상용 HOE 소자(210, 600) 사이의 영역이 공기 대류가 허용되는 연통된 구조를 가지도록 형성될 수 있다. 또는 HOE(400)에 입사되는 광 경로 구간의 온도에 대응하여 보상용 소자(210, 600)가 배치된 영역의 온도가 일정 범위 내에 유지되도록 HUD 광학계의 내부 온도를 제어하도록 형성될 수 있다. HOE(400)과 보상용 HOE소자(210, 600) 사이의 광 경로의 온도는 실용적으로 10 ℃ 이내, 바람직하게는 5 ℃ 이내의 편차가 유지되도록 제어함으로써 일 실시예에 따른 보상 HOE 소자(210, 600)에 의한 자가보상의 품질이 향상될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
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  6. 삭제
  7. 적어도 하나의 레이저 광원을 포함하고, HUD(Head Up Display)에 투영될 광 이미지를 생성하는 PGU(Picture Generation Unit);
    상기 PGU로부터의 광 이미지를 반사하는 제1미러;
    상기 제1미러로부터 반사된 광 이미지를 반사하는 제2미러; 및
    상기 제2미러로부터 반사되어 제1입사각으로 입사된 광 이미지를 운전자를 향해 제1회절각을 가지고 출사하도록 회절시키는 HOE;
    를 포함하되,
    상기 PGU로부터의 광 이미지를 제2회절각으로 회절(diffract)시키는 투과형 보상 HOE(Transmissive Compensatory Holographic Optical Element)를 상기 PGU와 상기 제1미러 사이에 더 포함하고,
    상기 레이저 광원의 파장이 변화된 경우, 상기 제2회절각과 다른 제3회절각을 가지고 상기 투과형 보상 HOE로부터 출사되는 광 이미지가, 상기 HOE에서 상기 제1회절각의 방향과 동일한 방향으로 회절되도록 상기 투과형 보상 HOE는 수학식
    Figure 112022141505071-pat00008
    를 기초로 설계되는 홀로그래픽 HUD.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2미러는 자유곡면, 비구면, 평면 및 오목면 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형태인 홀로그래픽 HUD.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 투과형 보상 HOE 및 상기 HOE에 입사되는 각각의 광 이미지 경로 상의 영역은 동일한 온도 범위 내에 있도록 제어되는 홀로그래픽 HUD.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도 범위는 10 ℃ 이내인 홀로그래픽 HUD.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 HOE가 컬러 홀로그래픽 HUD용 구조로 형성된 경우,
    상기 투과형 보상 HOE는 상기 홀로그래픽 HUD용으로 구성되는 상기HOE와 동일한 구조로 형성되는 홀로그래픽 HUD.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 HOE가 곡면인 경우,
    상기 제1미러는 상기 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 곡률을 가지는 곡면으로 형성되고,
    상기 투과형 보상 HOE의 간섭패턴은 상기 제1미러 및 상기 홀로그래픽 HUD의 광학계 구조를 고려하여 선정되는 홀로그래픽 HUD.
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