KR20170034792A - 디퓨져를 구비한 헤드업 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

공간적으로 변하는 광 파워를 갖는 윈드스크린용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 이미지를 표시하도록 배열된 디퓨져를 포함한다. 디퓨져는 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하도록 형성된다.

Description

디퓨져를 구비한 헤드업 디스플레이{head-up display with diffuser}
본 발명은 헤드-업 디스플레이 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 디퓨져 분야 및 헤드-업 디스플레이용 윈드스크린에 대한 보상을 위한 디퓨져들에 관한 것이다.
물체에서 산란된 빛은 진폭과 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭과 위상 정보는 예컨대, 홀로그래픽 기록을 형성하기 위해, 공지된 간섭 기술에 의한 감광성 플레이트 또는 간섭 무늬(Interference Fringes)를 포함하는 "홀로그램"에서 캡쳐될 수 있다. "홀로그램"은 원 객체를 나타내는 홀로그래픽 구성(Reconstruction) 또는 재생(replay) 이미지를 형성하기 위한 적절한 광을 조사함으로써 구성될 수 있다.
적절한 품질의 홀로그래픽 구성이 원 객체에 관한 위상 정보만을 포함하는 “홀로그램”으로부터 형성될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상한정(Phase-only) 홀로그램이라 말할 수 있다. 컴퓨터로 형성한 홀로그라피는 예컨대, 컴퓨터로 형성한 위상한정 홀로그램을 생성하기 위해 예컨대 푸리에 기법을 이용하여, 수치적으로 간섭 프로세스(Interference Process)를 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터로 형성한 위상한정 홀로그램은 객체를 표시하는 홀로그래픽 구성을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
"홀로그램"이란 용어는 객체에 관한 정보를 포함하고 객체를 나타내는 구성을 형성하기 위해 사용될 수 있는 기록(Recording)에 관련된다. 홀로그램은 주파수, 즉 푸리에 도메인에서의 객체에 관한 정보를 포함할 수 있다.
2차원 이미지 프로젝션 시스템에서 홀로그래픽 기법을 사용하는 것이 제안되어 왔다. 위상한정 홀로그램을 사용하여 이미지를 투사(Projection)하는 것의 장점은, 예컨대 투사된 이미지의 종횡비(Aspect Ratio), 해상도(Resolution), 대비(Contrast) 및 다이나믹 레인지(Dynamic Range)와 같은 계산방법을 통해 다수의 이미지 속성을 제어할 수 있다는 것이다. 위상한정 홀로그램의 추가적인 장점은 광 에너지가 진폭변조 방식에 의해 손실되지 않는 것이다.
컴퓨터로 형성한 위상한정 홀로그램은 "픽셀화(pixellated)"될 수 있다. 즉, 위상한정 홀로그램은 이산적인(Discrete) 위상 소자의 어레이 상에 표시될 수 있다. 각각의 이산 소자는 "픽셀(Pixel)"로 표시될 수 있다. 각각의 픽셀은 위상 변조 소자처럼 광 변조 소자로 동작할 수 있다. 따라서, 컴퓨터로 형성한 위상한정 홀로그램은 액정(Liquid Crystal) 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)와 같은 위상 변조 소자의 어레이 상에 표시될 수 있다. SLM은 변조된 광이 반사에 의해 SLM으로부터 출력된다는 의미에서 반사적(Reflective)이라 할 수 있다.
각 위상 변조 소자 또는 픽셀은 위상 변조 소자에 입사되는 광에 제어 가능한 위상지연을 제공하기 위하여 상태가 변할 수 있다. 따라서, 실리콘 액정(LCOS: Liquid Crystal On Silicon) SLM 과 같은 위상 변조 소자의 어레이는 계산으로 결정된 위상지연 분포로 표시(또는 "디스플레이")될 수 있다. 위상 변조 소자의 어레이 상에 입사되는 광이 코히런트(Coherent)하면, 광은 홀로그래픽 정보, 또는 홀로그램으로 변조될 것이다. 홀로그래픽 정보는 주파수 또는 푸리에 도메인에 있을 수 있다.
대안적으로, 위상지연 분포는 키노폼(Kinoform) 상에 기록될 수 있다. "키노폼"이라는 용어는 위상한정 홀로그래픽 기록 또는 홀로그램을 지칭하는 것으로 일반적으로 사용될 수 있다.
위상 지연은 양자화될 수 있다. 즉, 각 픽셀은 위상레벨의 이산적인 숫자 중 하나로 설정될 수 있다.
위상지연 분포는 입사광 파(예를 들어, LCOS SLM를 조사함으로써)에 적용될 수 있고, 또한 구성(Reconstruct)될 수 있다. 공간 상 구성의 위치는, 공간영역(Spatial Domain)에서 홀로그래픽 구성 즉 "이미지"를 형성하기 위해, 광 푸리에 변환 렌즈를 사용함으로써 제어될 수 있다. 또는, 구성이 파필드(Far-Field)에서 발생한다면 푸리에 변환 렌즈는 필요 없을 것이다.
컴퓨터로 형성한 홀로그램은 거치버그-색스턴(Gerchberg-Saxton)과 같은 알고리즘을 사용하는 것을 포함하여 다양한 방법으로 계산될 수 있다. 거치버그-색스턴 알고리즘은 공간영역(예컨대, 2차원 이미지)의 진폭정보로부터 푸리에 도메인의 위상 정보를 도출하는 데 사용될 수 있다. 즉, 객체에 관한 위상 정보는 공간영역에서의 유일한 정보인 강도(Intensity) 내지는 진폭으로부터 "얻어질(Retrieved)" 수 있다. 따라서, 푸리에 도메인에서 객체를 나타내는 위상한정 홀로그래픽은 계산될 수 있다.
홀로그래픽 구성은 예컨대, 화면과 같은 응답필드(Reply Field)에서의 이미지(홀로그래픽 구성)를 형성하기 위해 푸리에 변환 렌즈를 사용하여 푸리에 도메인 홀로그램을 조사하거나 광학적 푸리에 변환을 수행함으로써 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라, 재생필드(Replay Field) 위치에서 홀로그래픽 구성을 생성하기 위해 LCOS-SLM 와 같은 반사형 SLM을 사용하는 예를 도시한다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅렌즈(Collimating Lens)(111)를 통해 SLM을 조사하기 위해 배치된다. 콜리메이팅렌즈는 SLM 상에 입사되도록 전체적으로 광을 평면 파면으로 만든다. 파면의 방향은 (예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2˚ 또는 3˚정도 떨어진) 약간 오프노멀(Off-Normal)하다. 이런 배치는 광원으로부터 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되고, 출사파면(Exiting Wavefront)(112)을 형성하기 위해 위상 변조층과 상호작용하게 한다. 출사파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다.
푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM으로부터 출사되는 위상 변조된 광의 빔을 수신하고, 공간영역의 스크린(125)에 홀로그래픽 구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.
이 과정에서, 광원으로부터의 광-, 이미지 프로젝션 시스템의 경우에는, 가시광-이 SLM과 위상변조층(즉, 위상 변조 소자의 어레이)에 걸쳐 분포된다. 위상 변조층에서 출사된 광은 재생필드에 걸쳐 분포될 수 있다. 홀로그램의 각 픽셀은 전체적으로 재생 이미지에 기여한다. 즉, 재싱 이미지의 특정 지점과 특정 위상 변조 소자 사이에 일대일 상관관계는 없다.
거치버그-색스턴 알고리즘은 각각 면 A와 B 상의 광 빔의 강도 단면인 IA(x,y)와 IB(x,y)가 알려져 있고 IA(x,y)와 IB(x,y)가 단일 푸리에 변환에 의해 관련될 때, 위상을 구하는 문제를 고려한다. 주어진 강도 단면을 이용해, 평면 A와 B에서의 각각의 위상분포인, ΦA(x,y)와 ΦB(x,y)의 근사치가 구해진다. 거치버그-색스턴 알고리즘은 반복(Iterative) 과정을 수행함으로써 이 문제의 해결책을 찾아낸다.
거치버그-색스턴 알고리즘은 공간영역과 푸리에(스펙트럼) 도메인 사이에서 IA(x,y)와 IB(x,y)로 나타나는 데이터 세트(진폭과 위상)를 반복적으로 전달(transfer)하는 동안, 반복적으로 공간과 스펙트럼 제약(Constraint)을 적용한다. 공간과 스펙트럼 제약은 각각 IA(x,y)와 IB(x,y) 이다. 공간 또는 스펙트럼 도메인에서의 제약은 데이터 세트의 진폭에 부과된다. 이에 해당하는 위상 정보는 일련의 반복을 통해 얻어진다.
홀로그래픽 프로젝터는 이러한 기술을 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 차량 헤드업 디스플레이에 응용되고 있다.
자동차에서의 헤드업 디스플레이 사용은 인기가 더해가고 있다. 헤드업 디스플레이는 합성기(Combiner, 프리 스탠딩 유리 스크린의 목적이 운전자의 시선에 가상 이미지를 반영하기 위한)를 사용하는 것과 동일한 목적 달성을 위해 차량의 앞유리 스크린을 활용하는 것, 두 가지 주요 카테고리로 분류된다.
헤드업 디스플레이 이미지를 생성하기 위해 사용되는 주요 기술은 LED 백라이트 액정 디스플레이들이다. 충분히 개발되었음에도, 이러한 디스프렐이들은 저조한 대조비(contrast), 제한된 색 영역(color gamut) 및 제한된 밝기라는 어려움을 겪는다.
오직 홀로그램들만의 위상을 사용하여 매우 광범위한 색영역을 가지면서 고품질의 매우 밝은 디스플레이를 랜더링하는 새로운 디스플레이 기술이 또한 시현되고 있다. 이러한 종류의 홀로그래픽 디스플레이는 이상적으로 헤드업 디스플레이들에 적합하다.
일부 디스플레이 시스템들은, 홀로그래픽-기반(holographic-based) 시스템들을 포함하고, 고정된 디퓨져 또는 시야각(viewing angle)을 증가시키기 위한 유사한 구성요소들의 사용을 필요로 한다. 이러한 디퓨져들은 이미징 시스템 내의 중요 구성요소로 작용하며; 그 투사 광학체(projection optic)(보통 프리폼 미러)로부터의 거리가 관찰자(viewers)의 눈으로부터의 가상 이미지 거리(virtual image distance)를 결정한다.
도 2는 광원(206), 프로젝션되는 이미지를 나타내는 홀로그램 데이터로 광원으로부터의 광을 공간적으로 변조하기 위해 구비된 공간 광 변조기(204), 푸리에 변환 광학체(Optic, 205), 디퓨져(Diffuser, 203), 프리폼(Freeform) 미러(201), 윈드스크린(202) 및 관찰위치(207)를 포함하는 헤드업 디스플레이의 예를 나타낸다. 도 2는 홀로그래픽 구성의 실제 이미지가 디퓨져(203)의 재생 필드에 형성되는 소위 "인다이렉트 뷰" 시스템을 도시한다. 따라서, 홀로그래픽 구성은 디퓨져(203)에 투사되고 디퓨져(203)에 초점을 맞춤으로써 관찰위치로부터 볼 수 있을 것이다. 투사된 이미지는 프리폼 미러(201)에서의 첫번째 반사와 윈드스크린(202)에서의 두번째 반사를 통해 보여진다. 디퓨져는 예컨대, 홀로그래픽 시스템의 개구 수치를 증가시키는 역할을 함으로써, 프리폼 미러를 완전히 조사하여 운전자에게 가상 이미지가 보여지게 한다.
오직 완성도를 위해, 홀로그래픽한 구성은 대안적으로 직접 보여질 수 있다. “다이렉트 뷰” 홀로그래픽을 사용하는 것은 정보를 3D로 보여질 수 있게 하나, 이름이 시사하듯이, 다이렉트 뷰는 관찰자(viewer)가 관찰자와 광원(light source) 사이의 디퓨져 없이 홀로그램을 직접보는 것을 요구한다. 이러한 종류의 3D 디스플레이는 많은 문제를 가지며, 첫째로 현 세대의 위상 변조기들(phase modulators)은 상대적으로 작은 회절각(diffraction angle)을 가지며 이로써 충분히 큰 시야 영역(viewing area)(아이 박스(eye-box))을 생성하기 위해 복잡하고 고비용인 광학체 부품들이 사용될 필요가 있다. 둘째로 더 중요하게, 이러한 종류의 구성은 관찰자가 레이저 조사선(laser radiation)에 직접적으로 노출될 것을 필요로 한다. 레이져 사용을 둘러싼 매우 엄격한 규정들이 있으며, 눈이 위험한 수준인 레이저 조사선에 절대 노출되지 않는 것을 보장할 만큼 충분하게 강건한 안전 시스템을 제공하는 것은 시스템 복잡성을 상당히 증가시킨다. 관찰자와 프로젝션 엔진(projection engine) 사이에서 디퓨져를 사용하는 것은 앞서 강조된 두 문제를 모두 완화시킨다.
본 발명은 사용자가 윈드스크린에 반사된 가상의 이미지를 보는 인다렉트 뷰(indirect view)를 사용하는 시스템에 관한 것이다.
도 3은 이미지 표시 매체로서 백라이트(back-lit) LCD를 사용한 종래의 헤드업 디스플레이의 구조를 도시한다. 더 상세하게, 도 3은 이미지를 표시하도록 배열된 백라이트 LCD(501)을 도시한다. 백라이트 LCD(501)로부터 오는 광은 광 파워(503)을 갖는 미러(mirror)에 의해 모아지며, 광 파워를 가진 채로, 윈드스크린(505)의 영역을 향해 반사된다. 적은 비율의 광이 윈드스크린(505)을 떠나 관찰자(507)로 반사된다. 이로써, 가상 이미지(509)가 관찰자(507)에게 보여진다. 도 3의 윈드스크린(505)은 평평(flat)하고 이는 평탄하며 비왜곡된 가상 이미지(509)를 발생시킨다.
그러나 모든 윈드스크린은 그와 연관된 일정 양의 곡률을 갖고, 이러한 곡률은 그 자신이 투사된 이미지 품질을 떨어뜨리는 광 파워로 나타납니다. 이미지 저하는 이미지를 구성하는 개별 픽셀의 비점 수차(astigmatis)와 함께 가상 이미지 투사의 변화로 볼 수 있다.
도 4는 이미지 표시 매체로서 백라이트 LCD 및 곡선형 윈드 스크린(405)을 사용한 종래의 헤드업 디스플레이의 구조를 도시한다. 더 상세히, 도 4는 이미지를 표시하도록 배치된 백라이트 LCD(401)를 도시한다. 백라이트 LCD(401)로부터 오는 광은 광 파워를 갖는 거울에 의해(예를 들어, 포물선 미러에 의해) 모아지며, 광 파워를 가진 채로, 윈드스크린(405)의 영역을 향해 반사된다. 적은 비율의 광이 윈드스크린(405)를 떠나 관찰자(407)를 향해 반사된다. 따라서, 가상 이미지(409)는 관찰자(407)에 의해 보여진다. 도 5의 윈드스크린(405)은 곡선형이며 이는 왜곡된 가상 이미지(409)를 야기한다. 구체적으로, 가상 이미지는 윈드스크린의 광 파워에 의해 왜곡된다.
일반적으로, 이러한 왜곡들은 포물선형 미러의 표면 특성을 변경함으로써 가능한 많이 교정되고, 이는 미러의 표면이 단지 하나의 윈드스크린에서만 작동하도록 설계되는 프리폼(free-form) 형상이 되는 것을 의미한다. 매우 정교한 프리폼 형상 및 각각의 윈드스크린에 대해 특유한 하나의 미러를 갖는 것에 연관된 낮은 생산량의 조합은 이러한 부품들이 극히 고비용으로 제조된 다는 것을 의미한다.
본 발명은 비-평면 윈드스크린에 대한 개선된 헤드업 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.
본 발명은 곡선형 또는 비평면형 윈드스크린과 같은 공간적으로 변하는 광 파워를 갖는 윈드스크린용 헤드업 디스플레이에 관한 것이다. 헤드업 디스플레이는 프리폼 디퓨져와 같은 변형된 또는 형상을 갖는 디퓨져를 사용한다. 구체적으로, 디퓨져는 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워에 의해 야기된 이미지 왜곡을 보상하기 위한 형상을 갖는다. 디퓨져는 이에 윈드스크린에 맞게 조정된다. 그러나, 이는 현대의 헤드업 디스플레이에 일반적으로 사용되는 미러를 최적화시키는 것에도 매우 유리하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 재생 필드 위치에서 홀로그래픽 구성을 생성하도록 배치된, LCOS와 같은 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2는 차량의 헤드업 디스플레이를 위한 소위 "간접 뷰" 홀로 그래픽 프로젝터를 도시한다.
도 3은 이상적인 평평한 윈드스크린과 함께 사용되는 종래의 헤드업 디스플레이를 도시한다.
도 4는 현실적인 곡선형 윈드스크린과 함께 사용되는 종래의 헤드업 디스플레이를 도시한다.
도 5는 위상한정 홀로그램을 컴퓨터에서 생성하기 위한 알고리즘의 예를 도시한다.
도 6은 도 5의 예시적인 알고리즘에 대한 예시적인 랜덤 위상 시드를 도시한다.
도 7은 가상의 이미지 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 공간적으로 변하는 광 파워를 갖는 디퓨져를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비평면 디퓨져의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 10은 LCOS SLM의 개략도이다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 지칭한다.
본 발명은 시청자가 홀로그래픽 구성의 가상 이미지를 보는 개선된 소위 "간접 뷰(indirect view)" 시스템에 관한 것이다. 그러나, 개시된 간접 뷰 시스템은 디퓨져 상에서 볼 수 있는 임의의 유형의 이미지를 간접적으로 보는 것에도 동일하게 적합하다. 즉, 홀로그래픽 구성의 간접뷰에 대해 기술하고 있지만, 간적접으로 보여지는 이미지는 반드시 홀로그래픽 구성일 것을 요구하지 않는다. 다시 말해, 본 발명은 더 종래의 LED 백라이트 액정 표시 투사기들 등과 같은 다른 표시 시스템들에도 동일하게 적용가능하다. 실시예들은 단지 예시로서 홀로그램을 컴퓨터에서 생성하는 방법을 기술한다.
홀로그래픽으로 생성된 2차원 이미지는 유사한 종래 프로젝션 방식에 비해 해상도 및 효율성 측면에서 상당한 장점을 갖는 것으로 알려져 있다.
거치버그-색스턴에 기반한 수정 알고리즘이 개발되었다. - 예를 들면, 본 발명에 참조로 포함되는 PCT출원 공개 WO 2007/131650를 참조한다.
도 5는 공지된 진폭정보 T[x,y] (362)를 생성하는 데이터세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u,v]를 추출하는 수정된 알고리즘을 도시한다. 진폭정보 T[x,y] (362)는 타겟 이미지(예를 들면, 사진)를 나타낸다. 위상 정보 Ψ[u,v]는 이미지 평면에서 타겟 이미지를 나타내는 홀로그래픽을 생성하기 위해 사용된다.
크기와 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되어 있기 때문에, 변형된 크기(및 위상)는 계산된 데이터 세트의 정확성에 관해 유용한 정보를 포함한다. 따라서, 이 알고리즘은 진폭과 위상 정보 모두에 대한 피드백을 제공할 수 있다.
도 5에 도시된 알고리즘은 복합파(Complex Wave)의 (진폭정보(301) 및 위상 정보(303)를 갖는) 입력과 복합파의 (또한 진폭정보(311)와 위상 정보(313)를 갖는) 출력을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 설명의 편의상, 진폭과 위상 정보는 비록 데이터 세트를 형성하기 위해 본질적으로 결합되지만, 개별적으로 고려된다. 진폭 및 위상 정보 모두 그 자체가 파필드(Farfield) 이미지에 대해서는 공간좌표(x, y)의 함수, 홀로그램에 대해서는 (u, v)의 함수이고, 둘 다 진폭 및 위상 분포인 것을 기억해야 한다.
도 5를 참조하면, 프로세싱 블록(350)은 크기정보(301)와 위상 정보(303)를 갖는 제 1 데이터 세트로부터 푸리에 변환을 생성한다. 그 결과는 크기정보와 위상 정보 Ψn[u,v] (305)를 갖는 제 2 데이터 세트이다. 프로세싱 블록(350)의 진폭정보는 광원(Light Source)을 대표되는 분포로 설정되나, 위상 정보 Ψn[u,v] (305)는 유지된다. 위상 정보(305)는 프로세싱 블록(354)에 의해 양자화되고, 위상 정보 Ψ[u, v](309)로서 출력된다. 위상 정보(309)는 프로세싱 블록(356)에 전달되고, 프로세싱 블록(352)에 의해 새로운 크기와 결합된다. 제 3 데이터 세트(307, 309)는 역 푸리에 변환을 수행하는 프로세싱 블록(356)에 입력된다. 이렇게 하므로 공간 도메인에서 진폭정보(311)와 위상 정보(313)를 갖는 제 4 데이터 세트 Rn[x,y]가 생성된다.
제 4 데이터 세트를 시작으로, 제 4 데이터 세트의 위상 정보(313)는 다음 반복과정(Iteration, 303')의 제 1 데이터 세트로서 입력되는 제 5 데이터 세트의 위상 정보를 형성한다. 이의 진폭정보 Rn[x,y] (311)는 진폭정보(315) 세트를 생성하기 위하여 타겟 이미지로부터의 진폭정보 T[x,y] (362)를 감산함으로써 수정된다. 크기가 조정된(Scaled) 진폭정보(315)(α만큼 조정)는 다음 반복과정에 제 1 데이터 세트로 입력되는 제 5 데이터 세트의 입력 진폭정보 η[x,y](301)를 생성하기 위해 타겟 진폭정보 T[x,y](362)로부터 감산된다. 이는 다음의 식으로 수학적으로 표현된다:
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이다.
F는 푸리에 변환이다.
R은 재생필드이다.
T는 타겟이미지다.
∠ 는 각도 정보이다.
Ψ는 각도 정보의 양자화된 버전이다.
ε 는 새로운 타겟 크기이고, ε≥ 0이다.
α는 이득요소로서 ~1이다.
이득요소 α는 수신된 타겟 이미지 데이터의 속도와 크기에 기초하여 예측될 수 있다.
선행하는 반복과정으로부터 위상 정보가 없는 경우, 알고리즘의 첫번째 반복과정은 출발점으로서 랜덤 위상 정보를 제공하기 위해 랜덤 위상 생성기를 사용한다. 도 4는 랜덤 위상 시드(Seed)의 예를 도시한 것이다.
발명의 변형 예에서, 프로세싱 블록(350)으로부터 수신된 결과적인 진폭정보는 삭제되지 않는다. 타겟 진폭정보(362)는 새로운 진폭정보를 생성하기 위해 진폭정보로부터 감산된다. 다중 진폭정보는 프로세싱 블록(356)을 위한 입력 진폭정보를 생성하기 위해 진폭정보(362)로부터 감산된다. 다른 대안으로서, 위상은 전체가 피드백되지 않고, 마지막 두 반복과정을 통해 변경된 일부만 피드백된다. 이렇게 하여, 관심 이미지를 나타내는 푸리에 도메인 데이터를 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예를 도시하며 여기서 가상 프로젝션 광학체(virtual projectio optic)(705)가 객체(703)의 가상 이미지(701)를 형성한다. 객체(703)은 디퓨져 상에서 시인가능(visable)하다. 가상 이미지(701)는 관찰 평면(707)으로부터 보여진다.
가상 이미지 거리가 객체를 이미징 광학체의 초점 거리 내에 위치시킴으로써 설정되며, 이에, 명확한 가상 거리가 계산된다.
위에 도시된 광학적 도식에 대하여, 가상 이미지 거리(i)가 아래의 방적식으로써 결정된다.
Figure pct00004
객체 거리의 선형적인 변화는 가상 거리의 비-선형적인 변화를 야기한다.
가상 이미지는 눈으로부터 충분히 떨어져야 하며 이로써, 작동 시 정상 초점 거리인 무한대로부터 표시 정보까지 눈의 재초점 시간이 작게되어 시각 장애 시간을 줄일 수 있다. 그러나, 가상 이미지 거리는 또한 작동기(driver)에 표시되는 정보가 명확하게 읽을 수 있을 수 있도록 충분히 가까워야 한다. 이러한 두 개의 경쟁 요인들(competing factors)은 일반적으로 필수적인 작동 정보가 작동자의 눈으로부터 1.5 내지 3.5m에, 선택적으로 2.5m에, 표시되도록, 가상 이미지 거리가 구성되게 한다.
발명자는, 가상 이미지로부터 다시 객체(또는 이미지 소스)로 광 파워를 갖는 표준 미러(standard mirror)를 통해 역으로 광학 시스템을 시뮬레이션 함으로써, 시스템을 다루기 위해 요구될 변형의 수준을 알 수 있다는 것을 인식하였다.
본 발명에 따르면, 비-평면 디퓨져를 사용하여 윈드스크린에 대해 보상하는 윈드스크린용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 따라서, (예를 들어, 포물형) 광 파워를 갖는 종래의 미러가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 형상을 갖는 디퓨져는 LCD 기반 시스템들 및 실시예들에서 단지 예시로서 기술되는 홀로그래픽 프로젝터와 같은 프로젝션 기반 시스템들에 동등하게 적합하다.
이에, 공간적으로 변하는 광 파워(optical power)를 갖는 윈드스크린용 헤드업 디스플레이가 제공되며, 헤드업 디스플레이는 이미지를 표시하도록 배열된 디퓨져를 포함하고, 디퓨져는 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하는 형상을 가진다.
유사하게, 헤드업 디스플레이의 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하는 상응하는 방법이 제공되고, 이 방법은: 디퓨져 상이 이미지를 표시하는 단계; 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하도록 디퓨져를 형성하는 단계; 및 윈드스크린을 사용하여 이미지의 가상 이미지를 형성하는 단계를 포함한다.
발명자는, 공간적 이미지 변동에 따라 디퓨져의 형상을 형성함으로써, 표준의 포물선형 미러를 사용하여 높은 품질의 가상 이미지를 얻는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 이에 미러는 광범위한 차량들에 대한 사용이 가능할 수 있고 제조 비용을 크게 감소시키는 더 단순한 표면 특성을 가질 수 있다. 디퓨져는 단위 윈드스크린 기준으로 설계될 수 있으며, 그럼에도, 그 작은 크기로 인해, 시스템에 대한 큰 비용적 영향을 주지 않을 수 있다.
그러므로, 실시예들에서, 헤드업 디스플레이는 디퓨져로부터 광을 수신하며 수신된 광을 윈드스크린 상으로 재지향시키는 미러를 더 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 실시예들에서, 미러, 예컨대 표준의 포물선형 미러는, 광 파워를 가진다. 특히, 광 파워를 갖는 미러는 특정한 윈드스크린에 대해 맞춤제작된 것일 필요가 없다. 다시 말해, 포물선형 미러는 표준형의 상용 포물선형 미러일 수 있다.
실시예들에서, 윈드스크린은 디퓨져에 의해 표시되는 이미지에 대한 가상 이미지를 형성하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 사용자는 윈드스크린 내 디퓨져의 반사상(reflection)을 보게 된다.
실시예들에서, 헤드업 디스플레이는 디스플레이용 이미지를 디퓨져 상에 투사(project)하도록 배열된 프로젝터를 더 포함한다. 이에, 이미지를 디퓨져 상에 투사하는 단계를 포함하는 상응하는 방법이 또한 제공된다. 그러나, 전술한 내용으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 이미지는 임의의 수단으로도 디퓨져 상에 표시될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 프로젝터는: 입사 광에 위상지연 분포를 적용하도록 배열된 공간적 광 변조기; 및 공간적 광 변조기로부터 수신된 위상 변조된 광의 푸리에 변환을 수행하며 디퓨져 상에 이미지를 형성하도록 구성된 푸리에 변환 수단을 포함하는 홀로그래픽 프로젝터이다. 이에, 상응하는 방법이 또한 제공되며, 여기서, 디퓨져 상에 이미지를 투사하는 단계는: 입사광에 위상 지연 분포를 적용하도록 공간적 광 변조기에 입사광을 조사하는 단계, 여기서, 위상 지연 분포는 객체를 나타내는 위상한정 데이터를 포함함; 및 공간적 광 변조기로부터 수신된 위상 변조된 광의 푸리에 변환을 수행하며 디퓨져 상에 이미지를 형성하는 단계를 더 포함한다. 홀로그래픽 시스템은, 개개의 픽셀들이 디퓨져의 복잡한 표면 상의 모든 지점들에 완벽한 초점들을 형성하도록 계산될 수 있는, 이점을 갖게 된다.
일 실시예에서, 푸리에 변환 수단은 광학적인 푸리에 변환을 수행하도록 배열된 물리 렌즈(physical lens)이다. 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 프로젝터에 의해 이용되는 푸리에 변환 수단은 물리적인 광학체가 아니며, 다만, 대신에, 홀로그래픽 기술을 사용하여 구현되는 추가적인 위상한정 렌즈(phase only lens)이다.
본 기술 분야에서, 위상한정 프로그래머블 렌즈(phase-only programmable lens)의 데이터, 즉, 렌즈 효과를 제공하는 데이터를 어떻게 계산하는 지는 알려져 있다. 또한, 본 기술 분양에서, 위상한정 프로그래머블 렌즈의 데이터가 객체의 위상만을 나타내는 위상한정 데이터와 어떻게 결합될 수 있는 지는 알려져 있다. 실시예들에서, 그 데이터는 단순한 백터 가산(vector addition)에 의해 결합된다.
일 실시예에서, 디퓨져 상에 표시되는 이미지는 미리결정된 객체의 홀로그래픽한 구성이다.
위상 지연 분포("홀로그래픽 레코딩")가 이미지를 비평면 초점(non-planar focus)으로 가져오도록 쉽게 변형될 수 있기 때문에, 기술된 홀로그래픽 프로젝터를 사용하는 실시예들이 이점을 갖는다. 예를 들어, 위상 지연 분포는 광학적 왜곡을 제공하도록 컴퓨터로 계산될 수 있고, 이는 윈드스크린의 광학적 왜곡을 보상한다. 이는 도 8에 도시된다. 더욱 상세하게, 도 8은 이미지 표시 매체(image display medium)로서 비평면 디퓨져(901)를 사용하는 헤드업 디스플레이를 도시한다. 디퓨져(901)는 이미지를 표시하도록 배열된다. 실시예에서, 이미지는 디퓨져(901) 상에 투사된다. 디퓨져(901)로부터의 광은 포물선형 미러(903)에 의해 모아지며 윈드스크린(905)의 영역을 향해 반사된다. 그 광 중 적은 비율이 윈드스크린(905)를 떠나 관찰자(907)를 향해 반사된다. 따라서, 가상 이미지(909)가 관찰자(907)에 의해 시인된다. 비평면 디퓨져(901)에 의해 생성된 제1 광학 왜곡(911)이 윈드스크린(905)에 의해 생성된 제2 광학 왜곡(915)과 혼합되어 비왜곡된(undistroted) 가상 이미지(919)를 형성한다는 것이 분명할 것이다.
실시예들에서, 헤드업 디스플레이는 공간적 광 변조기에 대한 입사광을 생성하도록 배열되는 레이저를 더 포함한다. 본 발명은, 그 필드의 큰 깊이(large depth of field)가 비평면 디퓨져를 사용하는 것에 연관되는 임의의 초점 이슈들을 극복할 수 있는, 레이져 투사 기반 시스템(laser projection-based system)에 더 적합하다.
예시적으로, 가상 이미지를 형성하기 위해 사용되는 종래의 렌즈 및 X 및 Y 방향들로 크게 상이한 곡률을 갖는 윈드스크린을 사용하는 것에 기반하여 디퓨져가 설계된다.
디퓨져 특성

높이		 폭
-15mm 0 +15mm
+5mm -0.15mm 1.22mm 2.7mm
0 -1.34mm 0 1.49mm
-5mm -2.5mm -1.21mm 0.24mm
헤드업 디스플레이는 당업계에서 공지된 다양한 정보를 표시할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 모든 가능한 디스플레이들에 대응하는 홀로그램들은 미리 계산되고, 저장소에 저장되거나, 실시간으로 계산될 것이다. 일 실시예에서, 프로젝터는 복수의 2차원 이미지를 나타내는 푸리에 도메인 데이터 저장소를 추가로 포함한다.
푸리에 홀로그램과 관련하여 본 명세서에 기재된 실시예는 단순한 예시에 불과하다. 본 발명은 홀로그램 계산시에 프레넬(Fresnel) 렌즈 함수에 적용되는 프레넬(Fresnel) 홀로그래피에도 동일하게 적용될 수 있다.
구성된 홀로그램의 질(Quality)은 구성 회절 특성의 결과인 소위 0차 문제의 영향을 받을 수 있다. 이러한 0차 광은 “노이즈”로 간주될 수 있고, 예를 들면, 정반사된 빛과 SLM으로부터 기타 원치 않는 빛을 포함할 수 있다.
이러한 “노이즈”는 구성된 홀로그램의 중심에 명점(Bright Spot)으로 이어지기 위해 일반적으로 푸리에 렌즈의 초점(Focal Point)에 맞추어진다. 통상적으로 0차 광은 간단히 차단되나, 이는 밝은 지점(Bright Spot)으로 어두운 지점(Dark Spot)을 대체하는 것을 의미할 것이다.
각도 선택형 필터는 0차의 평행한 광선만을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 0차를 관리하는 다른 방법도 이용될 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 프레임당 하나의 홀로그램을 표시하는 반면, 본 발명은 이런 면으로 제한되지 않고, 하나 이상의 홀로그램이 한번에 SLM상에 표시될 수 있다.
예를 들어, 실시예는 “타일링(Tiling)”기술을 구현하는데, SLM의 표면 영역은 다수의 타일로 더 분할되고, 각각의 타일은 원래 타일과 유사하거나 동일한 위상분포에 따라 설정된다. 따라서, 각 타일은 하나의 큰 위상 패턴으로 사용되는 SLM의 전체 할당된 영역보다 작은 표면영역이다. 타일 내의 주파수 성분의 수가 더 작아질수록 이미지가 생성되었을 때 구성된 픽셀들이 더 이격되어 분리된다. 이미지는 0차 회절 차수로 생성되므로, 제 1 및 후속 차수들은 이미지와 겹치지 않도록 충분히 멀리 떨어지는 것이 바람직한데, 이는 공간 필터에 의해 차단될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 방법(타일링을 포함하든 안 하든)으로 생성된 이미지는 이미지 픽셀을 형성하는 지점을 포함한다. 사용되는 타일의 수가 많을수록 이러한 지점은 작아진다. 무한 사인파의 푸리에 변환을 예로 들자면, 단일 주파수가 생성된다. 이는 최적의 출력이다. 실제로는, 단 하나만의 타일이 사용되는 경우, 이는 사인파의 단일 사이클의 입력과 무한대 사인파의 엔드 노드들로부터 플러스, 마이너스 방향으로 연장된 제로 값에 대응한다. 그것의 푸리에 변환으로부터 생성된 단일 주파수 대신에, 주요 주파수 성분은 그것의 양측에 인접 일련의 주파수 성분이 생성된다. 타일링의 사용은 이러한 인접 주파수 성분의 크기를 감소시켜, 이것의 직접적인 결과로서, 인접한 이미지 픽셀간에 간섭(보강 또는 상쇄)을 감소시킴으로써 화질을 향상시킬 수 있다.
타일의 일부를 사용하는 것이 가능하지만, 바람직하게는 각각의 타일은 전체적인 타일이다.
실시예들은 오직 예시의 의미로서 거치버그-색스턴 알고리즘의 변형예들에 관한 것이다.
통상의 기술자라면 본 명세서에 개시된 개선된 방법이 객체의 3차원 구성을 형성하기 위해 사용된 홀로그램의 계산에 동일하게 응용될 수 있음을 이해할 것이다.
마찬가지로, 본 발명은 단색 이미지의 프로젝션에 한정되지 않는다.
2차원 컬러 홀로그래픽 구성도 생성될 수 있는데, 이를 달성하기 위한 2가지 주요 방법이 있다. 이 중 하나는 “프레임-순차 컬러(FSC)”로 알려져 있다. FSC시스템에서, 3개의 레이저(적색, 녹색 및 청색)가 사용되고, 각각의 레이저는 비디오의 각 프레임을 생성하기 위해 SLM에서 연속적으로 발사된다. 컬러는 세 레이저의 조합으로써, 보는 사람이 다색 이미지를 보는 것과 같이 충분히 빠른 속도로 순환(적색, 녹색, 청색, 적색, 녹색, 청색 등)된다. 따라서, 각각의 홀로그램은 색깔이 특정적이다. 예를 들어, 초당 25 프레임의 비디오에서, 제 1 프레임은 1/75초 동안 적색 레이저를 발사하고, 다음 1/75초 동안 녹색 레이저가 발사되며, 마지막으로 1/75초 동안 청색 레이저가 발사됨으로 생성될 수 있다. 이후, 다음 프레임은 예컨대 적색 레이저 시작으로 생성된다.
다른 방법으로, 이하에서 설명할 “공간적으로 분리된 색(SSC)”은 동시에 발사되는 모든 3개의 레이저를 포함하나, 예컨대, 다른 SLM 또는 단일 SLM의 다른 영역 각각을 사용하는 것과 같이 다른 광로를 취하게 되고, 이후 컬러 이미지를 형성하기 위해 결합된다.
프레임-순차 컬러(FSC) 방식의 장점은 각 컬러에 대해 전체 SLM이 사용된다는 것이다. 이는 SLM의 모든 픽셀이 각각의 컬러 이미지로 사용되기 때문에 생성된 세가지 색 이미지의 화질이 손상되지 않을 것을 의미한다. 반면, FSC방식의 단점은, 각 레이저가 단지 1/3시간을 사용하기 때문에 생성된 전반적인 이미지가 SSC방법에 의해 생성된 이미지보다 3배 정도로 어둡다는 것이다. 이러한 단점은 레이저를 오버드라이브(Overdriving)하거나 보다 강한 레이저를 사용함으로써 잠재적으로 해결될 수 있으나, 이는 더 많은 전력을 요구하므로, 고비용을 수반하고 콤팩트한 시스템을 만드는 것을 방해한다.
SSC(공간적으로 분리된 컬러) 방식의 장점은 3개의 레이저가 동시에 발사되기 때문에 이미지가 더 밝다는 점이다. 그러나, 공간의 제약 때문에 SLM을 하나만 사용해야 한다면, 3개의 별개의 SLM의 효과를 얻기 위해, SLM의 표면영역은 동일하게 3등분으로 분할될 수 있다. 그러나, 이것의 단점은 각 단색 이미지에 사용할 수 있는 SLM 표면 영역이 감소되기 때문에 각각의 단일 컬러 이미지의 화질이 감소한다는 것이다. 이에 따라, 다색 이미지의 화질은 감소된다. 가용한 SLM 표면 영역이 감소되면 SLM 상의 더 적은 픽셀만을 사용할 수 있기 때문에, 화질은 감소된다. 해상도가 감소되므로, 화질도 감소된다.
실시예에서, SLM은 실리콘 액정(LCOS: Liquid Crystal over silicon) 소자이다. LCOS SLM은 신호선, 게이트 선 및 트랜지스터들이 미러 표면 아래에 있다는 것인데, 이는 높은 충전율(Fill Factors, 전형적으로 90 % 이상)과 높은 해상도를 갖게 된다.
LCOS 소자는 현재 2.5μm 에서 15μm 사이의 픽셀로 사용할 수 있다.
LCOS 소자의 구조는 도 10에 도시된다.
LCOS 소자는 단결정 실리콘 기판(802)을 사용하여 형성된다. 간극(801a)에 의해 이격되고 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면 알루미늄 전극(801)의2차원 어레이를 가진다. 전극(801) 각각은 기판(802)에 매설된 회로(802a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 803)은 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(804)은 배향층(803)에 배치된다. 제 2 배향층(805)은 액정층(404)에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(806)은 제 2 배향층(805)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(807)은 투명층(806)과 제 2 배향층(805) 사이에 배치된다.
사각전극(801) 각각은, 투명전극(807) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조소자(808)를 규정한다. 유효 픽셀 영역, 즉 충전율은 픽셀(801a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 픽셀의 비율이다. 각각의 전극(801)에 인가된 투명전극(807)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조된 요소의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면에 위상한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭효과도 발생하지 않는다.
반사형 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 주요 장점은 투광장치가 사용될 때 필요한 것보다 액정층의 절반이 될 수 있다는 것이다. 이는 액정의 스위칭 속도(비디오 동영상의 프로젝션을 위한 핵심)를 크게 향상시킨다. LCOS 소자는 또한 독보적으로 소형 개구로도 위상 요소만의 큰 어레이들을 표시할 수 있다. 작은 요소(일반적으로 약 10 미크론(Microns) 이하)들은 실질적인 회절각도(몇도 정도)를 생기게 하므로, 광학 시스템이 매우 긴 광 경로를 요구하지 않는다.
큰 액정 장치의 개구보다 LCOS SLM의 소형 개구(수 Cm²)를 적절하게 조사하기 하기가 더 쉽다. LCOS SLM는 또한 큰 개구율을 가지므로, 픽셀(이의 구동회로가 미러 아래에 매설되어 있기 때문에) 사이에 매우 작은 데드 스페이스(Dead Space)가 있다. 이것은 재생 영역에서의 광학 노이즈의 저하와 관련하여 중요한 이슈이다.
실리콘 백플레인(Backplane)을 사용하면 광학적으로 평평하다는 장점을 갖는데, 이는 위상변조장치에 중요하다.
실시예들은 반사형(Reflective) LCOS SLM에 관한 것인 반면, 통상의 기술자라면 어떤 SLM라도 투과형(Transmissive) SLM을 포함하여 사용될 수 있는 것으로 이해할 것이다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 전체범위로 확장된다.

Claims (12)

  1. 공간적으로 변하는 광 파워를 갖는 윈드스크린용 헤드업 디스플레이에 있어서,
    이미지를 표시하도록 배치된 디퓨져(diffuser)를 포함하되, 상기 디퓨져가 상기 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하도록 형성되는, 헤드업 디스플레이.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 디퓨져로부터 광을 수신하여 수신된 광을 상기 윈드스크린 상으로 재지향하도록 배치된 미러(mirror)를 더 포함하는, 헤드업 디스플레이.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 미러는 광 파워를 갖는, 헤드업 디스플레이.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윈드스크린이 상기 디퓨져에 의해 표시되는 이미지의 가상 이미지를 형성하도록 배치된 광학 시스템의 일부를 형성하도록, 상기 헤드업 디스플레이가 배치되는, 헤드업 디스플레이.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디퓨져 상으로 이미지를 투사(project)하도록 배치된 프로젝터(projector)를 더 포함하는, 헤드업 디스플레이.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 프로젝터는,
    입사 광에 위상 지연 분포를 적용하도록 배치된 공간 광 변조기로서, 상기 위상 지연 분포는 객체를 나타내는 위상한정(phase-only) 데이터를 포함하는, 공간 광 변조기; 및
    상기 공간 광 변조기로부터 수신된 위상 변조된 광에 대한 푸리에 변환을 수행하며 상기 디퓨져 상의 이미지를 형성하도록 배치된 푸리에 변환 수단을 포함하는, 홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)인,
    헤드업 디스플레이.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 위상 지연 분포는 상기 이미지를 비평면 초점(non-planar focus)로 가져오도록 배열되는,
    헤드업 디스플레이.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기에 대한 입사 광을 생성하도록 배치된 레이저를 더 포함하는,
    헤드업 디스플레이.
  9. 헤드업 디스플레이용 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하는 방법에 있어서,
    디퓨져 상에 이미지를 표시하는 단계;
    상기 디퓨져를 상기 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하도록 형성하는 단계; 및
    상기 윈드스크린을 포함하는 광학 시스템을 사용하여 상기 이미지의 가상 이미지를 형성하는 단계를 포함하는,
    방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 이미지를 상기 디퓨져상에 투사하는(projecting) 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 이미지를 상기 디퓨져상에 투사하는 단계은,
    입사 광에 위상 지연 분포를 적용하도록 - 상기 위상 지연은 객체를 나타내는 위상한정(phase-only) 데이터를 포함함 - 입사 광을 공간 광 변조기에 조사하는(illuminating) 단계; 및
    상기 공간 광 변조기로부터 수신된 위상 변조된 광에 대한 푸리에 변환을 수행하며 상기 디퓨져 상에 이미지를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  12. 실질적으로 본 명세서에서 첨부된 도면들을 참조하여 기술된 바와 같은, 헤드업 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이용 윈드스크린의 공간적으로 변하는 광 파워를 보상하는 방법.
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