KR20210125071A

KR20210125071A - 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 디바이스

Info

Publication number: KR20210125071A
Application number: KR1020217029179A
Authority: KR
Inventors: 하칸 우레이; 죠지오스 스코리아노스; 에르뎀 우루소이; 고크센 쥐. 야라리오글루; 트레버 찬
Original assignee: 씨와이 비전 인크
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2021-10-15
Also published as: US20210373330A1; CN113424096A; WO2020167263A1; JP2022529402A; EP3924767A1

Abstract

본 발명은 차량 윈드쉴드(101)의 내부 표면과 같은 표면 상에 투영된 이미지들을 디스플레이하기 위해 사용되도록 의도된 헤드업 디스플레이 형태의 디바이스 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 디바이스(10), 변조되지 않은 빔들(14)이 광학 필터링 수단(15)을 사용하여 필터링된 후 컴퓨터 생성 홀로그램을 디스플레이하는 공간 광 변조기(13)와 함께, 광원(11)을 포함하는 광 모듈(12)에 관한 것이다. 상기 HUD 디바이스(10)는 동공 간 거리(24)의 측정 및 그에 따른 조절을 위한 머리 추적 시스템(19), 상기 조절 및 그에 관해 수행되어야 하는 프로세싱을 위한 프로세싱 수단(20)은 물론, 광학 조향 장치(18)를 더 포함한다.

Description

홀로그래픽 헤드업 디스플레이 디바이스

개시된 발명은 일반적으로 조향가능한(steerable) 출사동 평면(exit pupil plane)을 갖는 헤드업 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명, 및 다양한 실시예들과 함께 여기에 포함된 교시는 점 광원, 광학 조향 장치, 및 공간 광 변조기 요소들을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스들에 관한 것으로, 이들은 함께 모여 윈드쉴드들(windshields)과 같은 물체들의 표면들 상에 컴퓨터 생성 홀로그램들을 디스플레이하기 위한 수단을 형성한다.

가상 헤드업 디스플레이들(virtual head-up displays)(HUD)은 사람/사용자에게 바로 옆의 주변 환경에 오버레이된 정보를 제시하기 위해 항공기, 지상용 차량, 소매점 윈도우에서 사용된다. 다수의 차량 HUD는 전달될 임의의 관련 정보의 2D 또는 3D 입체 이미지를 사용자에게 제공하기 위해, 윈드쉴드의 내부 표면을 광학 결합기로서 사용한다.

기존 HUD들의 중요한 쟁점은 소프트웨어 기반 수차 보정 및 아이박스(eyebox) 조절들과 같은 능력들이 부족하다는 것이다. 수차 보정은 그 자체로 더 큰 시야각(FOV)이 더 큰 아이박스에 걸쳐 투사되는 것을 허용하지만, 디스플레이로부터 방사되는 정보가 차량의 윈드쉴드로부터 반사됨에 따라 디스플레이가 수차를 갖게 된다(aberrated)는 사실로 인해, 어떠한 단일의 광학 컴포넌트도 큰 FOV 수차 없는 이미지를 형성하도록 설계될 수 없다. 홀로그래픽 HUD 셋업은, 홀로그래픽 머리-착용 디바이스를 사용하여 넓은 시야(FOV)가 달성가능하고 수차 보정은 물론 동공 간 거리(interpupillary distance)가 동적으로 조절가능한 경우와 같이, 종래의 HUD 응용들에 비해 많은 이점을 갖는다.

동적 홀로그래피는 두 개의 공간 좌표와 시간의 함수인 2차원 복소 승산 광학 투명도들(2-dimensional complex multiplicative optical transparencies)을 구현하도록 동적으로 프로그래밍가능한 디바이스들인, 능동 광학 요소로서의 공간 광 변조기(SLM)를 포함한다. 홀로그래픽 디스플레이 응용들에서, SLM들은 일반적으로 컴퓨터 생성 홀로그램들(computer-generated holograms)(CGH)을 디스플레이하기 위해 배치된다. 본 기술분야의 기존 SLM 기술은 통상적으로, 몇몇 예를 들자면, 액정 기술, LCoS(liquid crystal on silicon) 기술, MEMS-기반 디지털 마이크로미러 어레이 기술에 기초한다. LCD SLM들은 투과형인 반면, LCoS SLM들은 원칙적으로 반사형이다. 액정을 기반으로 하는 투과형 SLM들은 그에 연관된 전기 회로가 필연적으로 픽셀 개구 내에 내장되어 있는 것으로 인해, 더 큰 픽셀 피치를 갖는다. 반면에, 반사형 LCoS SLM들은 해당 픽셀(들) 아래에 전자장치들을 매립할 수 있기 때문에 훨씬 더 작은 픽셀 피치를 갖도록 만들어질 수 있다. SLM들은 이상적으로 완전한 복소 변조(full complex modulation)를 제공할 것으로 예상되지만, 실제 SLM들은 위상 단독(phase-only), 진폭 단독(amplitude-only), 이진 변조 등과 같은 일부 제한된 유형의 변조만을 제공한다. 원하는 완전 복소 홀로그램을 제한된 형태의 홀로그램으로 인코딩하기 위해, Gerchberg-Saxton, 반복 푸리에, 및 에러 확산과 같은 다양한 알고리즘들이 설계된다. 이러한 절차들 및 애플리케이션들은 일반적으로 신호 빔들과 함께 노이즈의 발생을 야기한다. SLM의 또 다른 실제의 쟁점은 대부분의 SLM이 100% 변조 효율을 갖지 않는다는 것인데, 즉 입사 광의 일부만이 SLM에 의해 변조되고 나머지 광은 변조되지 않은 상태로 유지된다. 거의 모든 SLM은 픽셀화된 디바이스들이므로, 신호, 노이즈 및 변조되지 않은 빔의 더 높은 회절 차수의 복제본의 생성이 야기된다. 홀로그래픽 HUD 설계의 경우에서, 주 신호 빔만이 눈에 들어가 망막에 도달해야 하는 한편, 노이즈로부터의 빔들 및 변조되지 않은 빔들은 물론, 더 높은 회절 차수 복제본들은 차단되어야 한다. 이러한 요건은 추가 조치들을 필요로 한다.

본 발명의 기술 분야에서의 종래 기술의 공개공보 중 하나는 WO 2016105285로 지칭될 수 있으며, 이는 넓은 시야(FOV)를 갖는 저해상도 주변 디스플레이, 및 고해상도의 조향가능한 이미지를 생성할 수 있는 회전가능한 홀로그램 모듈과 결합된 선명한 중심 시각(foveal vision)을 교시한다. 다른 문서인 US US20180003981A1에는, SLM, 회전가능한 반사형 광학 요소, 및 동공 추적 디바이스를 포함하는 니어-투-아이 디스플레이 디바이스(near-to-eye display device)가 개시되어 있다. 동공 추적 디바이스는 사용자의 눈 동공 포지션을 추적하고, 상기 동공 추적 디바이스에 의해 제공된 데이터에 기초하여, 공간 광 변조기에 의해 변조된 광이 사용자의 눈의 동공을 향해 지향되도록 반사형 광학 요소가 회전된다.

DE 102011075884는 빔 경로를 형성하는 광학 요소들과 함께 발광 이미지 소스를 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스를 개시한다. 광학 요소들은 광학 이미징 기능을 갖는 홀로그래픽 광학 요소 및 반사기를 포함한다. 상기 반사기 및 홀로그래픽 광학 요소는 형성기에 의해 빔 경로의 제3 섹션 내로 방출된 빔들이 홀로그래픽 광학 요소를 적어도 부분적으로 투시조명(transilluminate)할 수 있도록 배열되며, 여기서 빔 경로의 제3 섹션에서의 투시조명 빔들의 조명 각도들은 홀로그래픽 광학 요소의 이미징 기능의 일부가 유효하게 되는 입사각들로부터 실질적으로 벗어난다.

GB 2554575 및 EP 3146377은 왜곡을 초래할 가능성이 있는, 공간적으로 변형된 광학 파워(optical power)를 갖는 윈드스크린을 개시하고, 여기서 디스플레이는 윈드스크린의 왜곡들을 보상하기 위한 성형된 확산기, 및 그 위에 이미지들을 투영하기 위한 홀로그래픽 프로젝터를 갖는다. 홀로그래픽 프로젝터는 이미지를 표현하는 홀로그램을 디스플레이하고 입사 광에 위상 지연 분포(phase delay distribution)를 적용하도록 배열된 SLM을 가지며, 여기서 위상 지연 분포는 이미지를 확산기 상의 비-평면 초점으로 가져가도록 배열된다. HUD는 확산기로부터의 광을 윈드스크린 상으로 재지향시키기 위해 광학 파워 또는 포물선 형상의 만곡부를 갖는 미러를 가질 수 있다. 출원의 다른 양태에서, 상기의 장치를 사용하여 윈드스크린의 공간 변형 광학 파워를 보상하기 위한 방법이 제공되고, 여기서 윈드스크린을 이용하여 가상 이미지가 형성된다.

본 발명의 주요 목적은 복수의 깊이에서 가상 이미지들을 제공할 수 있는 적어도 하나의 광 모듈로 구성된 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 출사동 평면에 걸쳐 조향가능한 출사동들을 갖는 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적어도 하나의 SLM을 갖는 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이며, 여기서 수차 및 동공 간 거리의 보정들(corrections)은 적어도 하나의 컴퓨팅 수단에서 계산되고 SLM 상에서 구현되어 이미지 품질을 증가시키고 큰 FOV를 달성한다.

본 발명의 또 다른 목적은 빔 조향을 동시에 이용하여 사용자의 양안에 광선들을 전달하는 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 조절가능한 동공 간 거리에 의해 분리된 두 개의 출사동 상에서 광학적 조향이 이용되는 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 입체 홀로그래피를 위한 부분적 실시간 렌더링(partially real-time rendering)을 이용하는 홀로그래픽 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명에서, 홀로그래픽 입체도들(holographic stereograms)은 3차원 효과를 생성하기 위한 수단임에 유의해야 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상이한 별개의 SLM 모듈들은 사용자의 각각의 아이 박스(eye box)로의 빔들의 조향을 담당한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량 윈드쉴드의 표면에 생성된 홀로그래픽 헤드업 디스플레이는 상이한 실시예들에서 투과형 및 반사형 요소들 및 이들의 조합을 구비하는 것뿐만 아니라, 수차 보정에 효과적이어서, 확산을 제한하여 그것의 제어를 향상시키는 것으로 인해 유리한 것으로 입증된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 카메라 시스템에 기반한 동공 추적 투영 어셈블리를 위한 눈 추적 시스템은 동공 포지션에 관한 정보를 동공 간 거리 계산을 목적으로 프로세싱 수단에 중계하고, 그에 후속하여 상기 IPD 결과가 사용자의 양안에 대한 동시 빔 조향을 통한 컴퓨터 생성 홀로그램 조절을 위해 사용된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 조향 미러를 공간적으로 이미징 렌즈 다음에 위치시키는 것은 광학 파워를 갖는 컴포넌트들과 그렇지 않은 컴포넌트들 사이에 계층 구조를 형성한다.

첨부 도면들은 객체 재구성 시스템을 예시하기 위한 목적으로만 제공되며, 종래 기술에 비교되는 그것의 이점들이 위에서 개략적으로 설명되었고 이하에서 간략하게 설명될 것이다.
도면들은 청구항들에서 식별된 보호 범위를 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 설명에서의 기술적인 개시에 의존하지 않고서 상기 청구항들에서 식별된 범위를 해석하는 데에 단독으로 참조되어서는 안 된다. 도면들은 임의의 시스템 또는 서브시스템의 각각의 컴포넌트들의 실제 치수들 및 상대적 비율들을 반드시 반영하지 않는다는 점에서 예시일 뿐이다.
도 1은 본 발명에 따라, 홀로그래픽 HUD, 및 차량 컴퓨터 및 센서들에 대한 인터페이스의 일반적인 개략도를 보여준다.
도 2는 윈드스크린 뒤에 가상 이미지를 형성하는 광 모듈 및 이미징 시스템을 보여준다.
도 3은 중간 이미지 평면에서 조향 미러를 사용하여 윈드스크린 뒤에 가상 이미지를 형성하는 광 모듈 및 이미징 시스템을 보여준다.
도 4는 본 발명에 따라, SLM에 의해 생성된 원하지 않는 빔들을 제거하기 위해 공간 필터를 사용하는 HUD 시스템 아키텍처를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따라, SLM들 뒤에 각도 선택 필터를 사용하고 SLM을 사용자의 동공에 투영하는 대안적인 HUD 시스템 아키텍처를 보여준다.
도 6은 본 발명에 따라, 뷰어가 볼 때 SLM들이 이미징 렌즈 뒤의 평면에 나타나는 광학 아키텍처를 보여준다.
도 7은 본 발명에 따라, 뷰어가 볼 때 SLM들이 이미징 렌즈와 뷰어 사이의 평면에 나타나는 광학 아키텍처를 보여준다.
도 8은 본 발명에 따라, 조향 미러의 틸팅 움직임에 응답한 아이 박스의 이동을 보여준다.
도 9a는 본 발명에 따라, 평면도에서, 조향 미러가 이미징 렌즈와 출사동 평면 사이의 평면에 배치되는 광학 아키텍처를 보여준다.
도 9b는 본 발명에 따라, 측면도에서, 조향 미러가 이미징 렌즈와 출사동 평면 사이에 형성되는 SLM 이미지의 위치에 배치되는 광학 아키텍처를 보여준다.
도 9c는 본 발명에 따라, 측면도에서, 조향 미러가 SLM들과 이미징 렌즈 사이에 배치되는 광학 아키텍처를 보여준다.
도 10a는 본 발명에 따라 HUD 상에 디스플레이될 대시보드 이미지 레이아웃의 예를 보여준다.
도 10b 및 도 10c는 본 발명에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram)(CGH) 계산을 위한 이미지 레이아웃-연관 절차를 보여준다.
도 11a는 본 발명에 따라, 평평한 윈드쉴드에 대해 회절 제한 출사동(diffraction-limited exit pupil)이 형성되도록 CGH가 계산되는 HUD 시스템을 보여준다.
도 11b는 본 발명에 따라, 실제 윈드쉴드가 만곡될 때, 평평한 윈드쉴드를 가정하여 계산된 CGH가 수차 있는 출사동(aberrated exit pupil)을 형성하는 HUD 시스템을 보여준다.
도 11c는 본 발명에 따라 CGH를 수정함으로써 출사동의 수차들이 보상되는 HUD 시스템을 보여준다.
도 12는 본 발명에 따라, 상이한 경우들에 대한 동공 간 거리(interpupillary distance)(IPD) 조정을 보여준다.
도 13a는 본 발명에 따라 공칭 동공 간 거리를 갖는 HUD 시스템을 예시한다.
도 13b는 본 발명에 따라, CGH 계산에서 회절 격자들로 보상된 더 넓은 동공 간 거리를 갖는 HUD 시스템을 보여준다.
도 14a는 본 발명에 따라, 각도들을 상이한 공간 방향들에 매핑하기 위한 공간 필터 및 매핑 렌즈를 보여준다.
도 14b는 본 발명에 따라, 상이한 공간 방향들로의 각도 조작을 위한 체적 홀로그래픽 격자(volume holographic grating)를 보여준다.
도 14c는 본 발명에 따라, 상이한 공간 방향들로의 각도 조작을 위한 n > 1인 프리즘을 보여준다.
도 15는 본 발명에 따라, 수직 및 수평 노이즈 빔들에 더하여, 변조되지 않은 빔들, 원하는 변조된 빔 윈도우와 함께, 그들의 더 높은 차수의 복제본들 사이의 공간적 관계를 보여준다.
도 16a는 본 발명에 따라, 원하는 변조된 빔 윈도우와 결합된 공간 필터의 사용을 보여준다.
도 16b는 본 발명에 따라 수평 대역 형태의 공간 필터를 보여준다.
도 16c는 본 발명에 따라, 수평 개구 내의 상이한 위치로 조향되는 원하는 변조된 빔 윈도우를 갖는 수평 대역 형태의 공간 필터 이용을 보여준다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명에 따라, 변조되지 않은 빔들을 차단하기 위한 불투명 도트들의 이용을 보여준다.
도 18은 본 발명에 따라 조향 미러의 상부 사시도를 보여준다.
도 19a는 1, 2, 3 또는 4개의 SLM을 사용하는 상이한 배향들에서의 다양한 타일링 옵션들을 보여준다.
도 19b는 빔 스플리터를 사용한 두 개의 SLM의 타일링을 보여준다.
도 20은 컬러 필터들 및 편광 컴포넌트들을 사용하는 양안 광학 모듈(two-eye optical module)을 보여준다.
도 21은 상이한 색상 콘텐츠 전용인 SLM의 다양한 하위 섹션들을 보여준다.
도 22a 및 도 22b는 광학 빔 조향을 위한 음향 광학 스캐너(acousto-optic scanner)의 사용, 및 음향 광학 스캐너가 처프 주파수 입력(chirped frequency input)으로 동작될 때의 편향 각도들의 확산을 보여준다.
도 23은 홀로그래픽 중앙 디스플레이, 및 중앙 디스플레이를 둘러싸는 주변 디스플레이의 사용을 보여준다.
도 24는 머리 기울기에 대한 소프트웨어 기반 보상을 보여준다.
도 25는 머리 기울기를 보상하기 위해 한쪽 눈에 대해 출사동을 수직으로 이동시키는 것을 보여준다.
도 26은 한 축에서 이미징 시스템의 배율을 변경하기 위한 프리즘들의 사용을 보여준다.

본 발명의 상세한 설명에서 이하의 번호들이 참조된다:

10) 헤드업 디스플레이 디바이스

101) 윈드쉴드

102) 머리 추적기 카메라

103) 차량 컴퓨터

104) 머리 추적 제어

105) 가상 이미지

106) 홀로그래픽 투영 모듈

107) 가상 SLM

11) 광원

111) 조명 렌즈

12) 광 모듈

13) 공간 광 변조기(SLM)

13R) 적색 콘텐츠 전용 SLM 픽셀들

13G) 녹색 콘텐츠 전용 SLM 픽셀들

13B) 청색 콘텐츠 전용 SLM 픽셀들

14) 원하는 변조된 빔

141) 원하지 않는 빔들

15) 광학 필터링 수단

151) 공간 필터

151c) 공간 필터 평면의 적색, 녹색, 청색 컬러 필터들

16) 출사동

17) 출사동 평면

18) 광학 조향 장치

19) 머리 추적 시스템

20) 프로세싱 수단

21) 사용자의 눈

22) 이미징 렌즈

23) 조향 미러

24) 동공 간 거리(IPD)

25) SLM 이미지

26) AR 스크린

27) 추적 스폿

28) 광원 어레이

29) 주변 디스플레이

30) 중앙 디스플레이

31) 포비티드 디스플레이

32) 중간 이미지 평면

33) 빔 스플리터(BS)

34) 편광기

35) 반파장판

36) 음향 광학 스캐너

37) 확대 프리즘 쌍

38) 미러 어셈블리

본 발명에 따르면, 컴퓨터 생성 홀로그래픽 투영 디스플레이 디바이스 형태의 디바이스 및 시스템과, 이를 포함하는 시스템이 제안된다. 보다 구체적으로, 차량 윈드스크린을 통해 보이는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이(HUD) 투영을 위한 디바이스 및 시스템이 제안된다.

도 1을 참조하면, 홀로그래픽 HUD(10)는 광학 시스템 및 전자장치들을 포함하는 홀로그래픽 투영 모듈(106), 운전자의 눈 앞에 조향가능한 아이박스를 생성하는 것을 목표로 하는 광학 조향 장치(18), 운전자의 머리 움직임, 얼굴, 및 동공들을 추적하기 위한 머리 추적기 카메라(102), 및 머리 추적 제어부(104) 시스템을 포함한다. 머리 추적 제어부(104)로부터의 입력뿐만 아니라 외부 센서들 및 차량의 센서들로부터의 다른 입력은 차량 컴퓨터(103)에서 분석되고, 적절한 콘텐츠가 계산되어 HUD(10) 시스템에서 보여진다. 운전자는 홀로그래픽 HUD(10)에 의해 결정된 거리에서 가상 이미지(105)를 본다. CGH는 사용자의 눈(21)에 상이한 깊이들로 나타나는 복수의 가상 이미지(105)를 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, HUD(10) 디바이스 광학장치는 출사동 평면(17)에서 출사동(들)(16)을 형성하고, 이미징 렌즈(22)에 의해 형성된 가상 SLM 이미지(25)는 윈드스크린(101) 뒤에 보인다. 광 모듈(12)은 다음의 컴포넌트들: SLM(13), 광원(11), 빔 성형을 위한 소스 렌즈(111), 및 접이식 미러(fold mirror) 각각으로부터의 적어도 하나로 구성된다. 도면은 단면도를 보여준다. 사용자의 각각의 눈에 하나의 광 모듈(12)이 필요하다. 본 실시예에서, 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22) 뒤에 있으며, 이는 조향 미러(23) 상의 빔에 대해 더 작은 풋프린트를 초래한다. 시스템의 시야(FOV)는 출사동 평면(17)으로부터 윈드스크린(101) 상의 풋프린트까지 측정될 수 있다. 고정된 FOV에 대해, 조향 미러(23)의 회전은 이미징 렌즈(22) 상의 광학 빔의 크기를 증가시키지 않고서 출사동(16) 위치를 이동시킨다.

도 3은 조향 미러(23)와 SLM(13)의 중간 이미지 평면(32)이 일치하는 다른 실시예를 도시한다. 이미징 렌즈(22)는 조향 미러(23) 뒤에 나타난다. 가상 SLM(107) 평면은 중간 이미지 평면(32)의 광학 켤레(optical conjugate)이다. 조향 미러(23) 평면이 중간 이미지 평면(32)과 일치할 때, 조향 미러(23)의 회전은 가상 SLM 평면(107)의 위치를 변경하지 않는다. 공간 필터(151) 평면은 출사동 평면(17)의 광학 켤레이다. 조향 미러(23)를 대신하여, SLM(13) 또는 전체 광 모듈(12)이 출사동 평면(17)에 걸쳐 출사동(16) 위치를 이동시키기 위해 회전될 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 적어도 하나의 실시예에 따라 차량 윈드쉴드(101)를 통해 보이는 컴퓨터 생성 홀로그램 디스플레이 디바이스의 형태로, SLM(13)과 함께 적어도 하나의 광원(11)을 각각 더 포함하는 적어도 두 개의 광 모듈(12)을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10)가 제공된다. 본 발명에 개시된 디바이스 및 시스템은 상기 적어도 하나의 광원(11)으로부터 입사하는 광을 공간적으로 변조하기 위해 상기 컴퓨터 생성 홀로그램들의 디스플레이에 의존한다. 컴퓨터 생성 홀로그램들은 해당 환경 및 차량에 관한 주변 상호작용 및 정보의 검색을 위한 수단(즉, 내비게이션/지도, 속도계와 같은 게이지, 및 다른 대시보드 요소들)으로서 차량 윈드쉴드(101)의 내부 표면에 디스플레이된다. 본 발명에 또한 개시된 HUD 디바이스를 포함하는, 본 발명에 개시된 시스템은 큰 시야(FOV)를 달성하고 해당 차량 윈드쉴드(들)(101)의 오목한 표면(들)에 순응(compliance)하는 것을 특징으로 하는 구성을 제안한다. 윈드쉴드(101)는 후면으로부터의 고스트 반사를 출사동(들)(16)으로부터 멀리 조향하기 위해, 전반적으로 다양한 두께를 갖는 쐐기 형상의 윈드쉴드일 수 있다.

도 4는 광원(11), 두 개의 광 모듈(12), 이미징 렌즈(들)(22) 및 공간 필터(151)를 포함하는 홀로그래픽 HUD 디바이스(10)의 일반적인 개략도를 보여준다. 광원(11)은, SLM(13)의 앞 또는 뒤에 위치될 수 있고 공간 필터(151) 평면에 광선을 전달할 수 있는 조명 렌즈들(111) 뒤에 있다.

도 4를 참조하면, HUD 기본 광학 시스템 아키텍처는 공간 필터(151)를 사용하여, SLM(13)에 의해 생성된 원하지 않는 빔들(도면에는 도시되지 않음)을 차단하고, 원하는 변조된 빔들(14)(출사동들(16) 내에서 뷰어에게 시각적 정보를 제공하는 빔들)이 출사동 평면(17)에 도달하게 한다. 두 개의 광 모듈(12) - 눈 당 하나씩 - 은 출사동들(16)의 초기 사본을 형성하는 데 사용된다. 시각적 정보는 SLM들(13) 상에 디스플레이되는 컴퓨터 생성 홀로그램들에 의해 생성된다. 각각의 광 모듈(12)은 적어도 하나의 점 광원(11)을 공간 필터(151) 평면에 이미징하고, 여기서 각각의 모듈에 대해 광 분포는 본질적으로 사소한 승산 위상 인자들(trivial multiplicative phase factors)과는 별개로, SLM 투과율 함수의 푸리에 변환에 의해 주어진다. 다른 실시예에서, HUD는 (각각의 눈에 하나씩) 두 개의 점 광원을 갖는, 양안을 위한 단일 광 모듈을 가질 수 있다. 원하지 않는 빔들(141) - 변조되지 않은 빔, 노이즈 빔, 및 더 높은 차수의 복제본 - 은 공간 필터(151) 평면에서 공간적으로 분리되고, 따라서 원하는 빔만이 영향을 받지 않고 통과하도록 하는 개구들로 필터링될 수 있다. 도 4에서, 광학 모듈은 간단한 4-f 망원경으로서 구현된다. 실제 설계에서, 이 모듈은 공간 필터 평면(151c)에 소스를 이미징하는 임의의 이미징 시스템일 수 있으며, 반사형, 굴절형, 다중 부품, 종래, 회절형, 자유형 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 이들 중 일부는 축에서 벗어나서 및/또는 접힌 부분들(folds)을 도입하기 위해 사용할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 마찬가지로, SLM(13)은 투과형 컴포넌트로서 도시되어 있지만 반사형 컴포넌트일 수 있다. 상이한 실시예에서, 광원(11) 또는 도파 판으로부터의 직접적인 축외 조명은 SLM(13)을 조명하기 위해 사용될 수 있다. 도파 판은 내부 전반사를 사용하여 광을 안내하는 도파관 안팎으로 광을 결합하기 위해 사용할 수 있다.

왼쪽 및 오른쪽 눈에 대한 신호 빔들만 통과시키는 개구들로 구성된 공간 필터(151) 평면은 뷰어의 눈들이 존재하는 실제 출사동 평면(17)에 이미징되게 된다. 그 이미징은 도면에서 이미징 렌즈(22)에 의해 수행된다. 이미징은 일반적으로 비-단위 확대(non-unity magnification)를 수행할 수 있다. 가장 가능성 있게는, 공간 필터 평면(151c) 상의 출사동들(16)의 사본들이 전형적인 인간 동공 간 거리들(24)보다 서로에 훨씬 더 가깝도록, 시스템의 후면에 있는 광학 모듈들이 가능한 최소한의 체적을 차지하는 것이 요구될 것이다. 이러한 경우들에서, 이미징 시스템의 배율은 단위(unity)보다 클 것이며, 이미징 시스템은 광학 왜곡들 및 수차들을 유발할 수 있다. 이 도면에서, 공간 필터(151)와 출사동 평면들(17) 사이의 이미징은 단일 이미징 렌즈(22)로 수행된다. 실제 설계에서, 이 렌즈는 반사형, 굴절형, 종래, 다중 부품, 회절형, 자유형 컴포넌트들을 포함할 수 있는 임의의 이미징 시스템으로 대체될 수 있으며, 그들 중 일부는 축에서 벗어나서 및/또는 접힌 부분들을 도입하기 위해 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 도면에서, 뷰어에 의해 관찰되는 가상 이미지(105)는 먼저 중간 이미지 평면(32) 상의 실제 또는 가상 이미지(105)로서 형성된다. 이 이미지는 이미징 렌즈(22)에 의해 최종 가상 이미지(105)에 매핑된다. 중간 이미지 평면(32)의 위치는 사용자로부터의 가상 객체 평면의 거리에 따라 의존한다는 점에 유의한다. 3D 가상 콘텐츠에 대해, 각각의 가상 객체 평면에 대한 중간 이미지 평면들(32)은 연속체(continuum)를 형성한다. 이 아키텍처에서, SLM들 상의 CGH들은 프레넬 홀로그램들이 아니다. 각각의 가상 객체 포인트에 대한 CGH는 SLM 개구의 하위 영역만을 점유한다. 일부 설계들에서, SLM은 가상 이미지(105) 평면에 켤레이다. 그 경우에, CGH는 출사동 평면(17) 상의 수차 보정을 위한 가능한 승산 위상 항들 및 왜곡들을 제외하고는, 본질적으로 이미지 자체와 유사하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 포인팅 레이저 빔, 바람직하게는 적외선 레이저 빔은 광 모듈(12)의 일부일 수 있고, 출사동 평면(17)에서 실질적으로 초점이 맞춰진 추적 스폿(27)을 제공할 수 있다. 추적 스폿(27) 또는 복수의 추적 스폿(27)은 머리 추적 시스템(19)에 의해 쉽게 검출될 수 있으며, 출사동(16)을 사용자의 눈들(21)에 지향시키기 위해 사용자의 눈(21)을 찾기 위한 자동 보정을 제공한다.

도 5를 참조하면, 대안적인 실시예에서, 두 개의 SLM(13)이 출사동 평면(17) 상에 직접 이미징된다. SLM(13)으로부터 나오는 광에 공간 필터링이 적용되지 않는 경우, 모든 원하지 않는 빔들(141) - 변조되지 않은 빔, 노이즈 빔, 더 높은 차수의 복제본들 - 이 출사동 평면(17) 상에 형성된 SLM 이미지들(25)에 기여할 것이고, 원하지 않는 고스트 이미지, 대비 감소, 배경의 밝은 스폿들로 이어질 것이다. SLM 뒤에 배치된 각도 선택 광학 필터링 수단(15)은 원하지 않는 빔들(141)을 제거하기 위해 사용될 수 있고, 그에 의해 출사동 평면(17) 상의 SLM 이미지들(25)은 정보를 포함하는 신호 빔들에 의해서만 형성된다.

각도 선택 광학 필터링 수단(15)은 고유 각도 및 파장 선택성을 갖는 홀로그래픽 광학 요소들(HOE)로 구현되거나, 프리즘들, 개구들 또는 조합을 사용하는 종래의 광학장치들로 구현될 수 있다. 본 실시예에서, SLM들 상의 CGH들은 푸리에 홀로그램들이다. 각각의 가상 객체 포인트에 대한 CGH는 전체 SLM 개구를 점유한다. 승산 위상 항들과는 별도로, CGH는 본질적으로 원하는 이미지의 푸리에 변환에 의해 주어진다.

도 6을 참조하면, 일부 실시예들에서, HUD 광학장치는 이미징 렌즈(22) 너머에 있는 SLM(13)의 가상 이미지들(105)을 형성한다. 도면에서, 가상 SLM 이미지들(25)은 왼쪽 및 오른쪽 가상 SLM 이미지들(25)의 중심들이 일치하도록 정렬된다. 다른 실시예들에서, 인지되는 시야를 또한 증가시키기 위해 그 사이에 오프셋이 있을 수 있다. 도시된 실시예에서, SLM들의 실제 이미지들은 또한 광 모듈들(12)과 이미징 렌즈들(22) 사이의 평면에 형성된다. 그 평면은 또한 중간 이미지 평면(32)에도 대응한다. 일부 실시예들에서, 조향 미러(23)가 그 위치에 배치될 수 있고, 따라서 조향 미러(23)가 회전할 때, 출사동 평면(17) 상의 출사동들(16, 왼쪽) 및 (16, 오른쪽)의 위치가 함께 이동될 수 있다.

도 7을 참조하면, HUD(10) 광학장치는 이미징 렌즈(22)의 뷰어 측 상에 SLM들(13)의 실제 이미지를 형성한다. 도면에서, SLM 이미지들(25)은 왼쪽 및 오른쪽 SLM 이미지들(25)의 중심들이 일치하도록 정렬된다. 다른 실시예들에서, 인지되는 시야를 또한 증가시키기 위해 그 사이에 오프셋이 있을 수 있다. 도시된 실시예에서, SLM들의 실제 이미지들은 또한 이미징 렌즈(22)와 출사동 평면(17) 사이의 평면에 형성된다. 일부 실시예들에서, 조향 미러(23)가 그 위치에 배치될 수 있고, 따라서 출사동 평면(17) 상의 출사동들(16)의 위치가 함께 이동될 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 실제 SLM 이미지들(25)은 또한 출사동 평면(17) 상에 또는 그 뒤에 형성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 홀로그래픽 투영 모듈(106)은 광학 조향 수단(15)에 조명을 제공하며, 이는 본 실시예에서 스캐닝 미러 또는 조향 미러(23)와 함께 도시된다. 사용자의 눈(21)이 21-A, 21-B, 21-C로서 도시된 상이한 위치들로 이동함에 따라, 머리 추적 시스템(19)은 사용자의 눈(21)의 새로운 포지션을 검출하고, 조향 미러(23)는 포지션들(23-A, 23-B 및 23-C)로 편향된다.

도 9a(평면도) 및 도 9b(측면도)를 참조하면, 조향 미러(23)는 그것의 회전축을 중심으로 그 뒤에 있는 가상 공간을 효과적으로 회전시킨다. 조향 미러(23)의 회전은 가상 객체들의 회전을 또한 야기할 수 있다. 따라서, 일반적으로, CGH들은 각각의 새로운 출사동(16) 포지션에 대해 계산되어야 한다. 사용자의 왼쪽 및 오른쪽 눈(21, 왼쪽) 및 (21, 오른쪽)의 위치, 및 그들의 포지션들에 따라 올바른 투시 이미지들이 렌더링될 필요가 있다. 조향 미러(23)가 (도 9b에 도시된 바와 같은) 객체 평면에 켤레인 특정 경우들에서, 가상 이미지(105) 평면 상에 배치된 가상 객체는 조향 미러(23)의 회전에 무관하게 정지상태로 유지된다. 도 9b에서, 공간 필터(151) 평면은 광원(11)과 출사동 평면(17)의 광학 켤레이다. 도 9b에 도시된 거리들이 주어지고, 이미징 렌즈(22)가 f의 유효 초점 거리를 갖는다고 가정하면, 본 실시예에서 이하의 관계들이 만족된다.

도 9a를 참조하면, 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22)와 출사동 평면(17) 사이의 평면에 배치된다. 이러한 경우들에서, 필요한 미러 클리어 애퍼쳐(clear aperture) 크기는 클 것이지만, 요구되는 기울기 각도들은 작을 것이다. 또한, 이미징 렌즈(22)는 작을 것이다.

도 9c에서, 조향 미러(23)는 공간 필터(151) 평면과 이미징 렌즈(22) 사이의 평면에 배치된다. 그러한 경우들에서, 조향 미러(23)의 요구되는 클리어 애퍼쳐는 더 작을 것이지만, 요구되는 기울기 각도들은 더 클 것이다. 동일한 시야에 대해, 도 9a의 이미징 렌즈(22)에 대해 요구되는 클리어 애퍼쳐 크기는 도 9c의 것에 비교하여 더 작다는 점에 유의한다. 더 작은 클리어 애퍼쳐는 이미징 렌즈(22) 또는 렌즈들에 의해 야기되는 수차들을 줄이고, HUD(10) 광학장치들의 전체 부피를 줄이기 때문에 중요한 추가 이점들을 제공한다.

도 10a는 HUD(10) 상에 디스플레이될 전형적인 대시보드 이미지를 도시하고, 도 10b는 CGH 계산을 위한 연관된 절차를 도시한다. 대시보드 데이터의 일부는 속도계, 엔진 RPM, 온도, 시간 판독값 및 로고들로 구성된다. 데이터의 이 부분은 제한된 유한한 가능성 세트로부터 생성된다. CGH 계산의 속도를 높이기 위해, 그러한 부분들에 대한 기본 CGH들(최종 위상 항 승산들을 제외한 CGH의 부분)는 미리 계산되어 홀로그램 계산 프로세서 또는 차량 컴퓨터(103)의 소정의 메모리에 저장될 수 있고, 순간 크루즈 데이터(instantaneous cruise data)에 기초하여 적절한 CGH가 검색될 수 있다. 내비게이션 지도, 사이드 뷰 미러, 후방 미러, 또는 백킹 카메라로부터의 비디오 피드, 또는 스마트폰 메인 화면의 미러 이미지와 같은 대시보드 데이터의 다른 부분들은 훨씬 더 큰 가능성 세트로부터 생성되어야 하며, 그들은 동적 부분들로 지칭된다. 동적 부분들에 대한 대응하는 CGH는 실시간으로 계산되어야 한다. 이 부분에 대해, 실시간 계산은 GPU, FPGA, ASIC과 같은 계산 자원들을 활용할 수 있다. 자유 공간 전파(free-space propagation)(FSP) 및 반복 푸리에 변환 알고리즘(iterative Fourier transform algorithms)(IFTA)과 같은 가능한 반복들을 포함하는 계산은 관련된 서브이미지들의 크기만을 커버하는 시뮬레이션 윈도우들로 수행될 수 있는데, 즉, 시뮬레이션 윈도우 픽셀 카운트는 SLM 픽셀 카운트만큼 클 필요가 없다. 기본 CGH들이 미리 계산된 부분들에 대해 검색되고 동적 부분들에 대해 계산되고 나면, 대시보드 이미지 크기 기본 CGH가 획득될 수 있다. 이것들은 적절하게 결합될 수 있고, 도 10c에 도시된 바와 같이 최종 CGH들을 얻기 위해 가능한 위상 항들과 곱해질 수 있다.

홀로그래픽 HUD(10)는 추가적인 하드웨어 변경 없이, 계산 절차의 변경만으로 시스템의 하드웨어 수정을 보상할 수 있다. 도 11a는 평평한 윈드쉴드(101)를 위해 설계된 HUD 시스템에 대한 경우 1을 보여준다. CGH는 회절 제한 출사동(16)이 출사동 평면(17) 상에 형성되도록 계산된다. 윈드쉴드(101)가 만곡된 경우 2(17)는 도 11b에 도시되어 있다. 경우 1에서와 동일한 CGH를 유지하면, 수차 있는 출사동(16)이 야기된다. 도 11c는 경우 3을 도시하고 있으며, 경우 2의 만곡된 윈드쉴드(101)로 인한 수차들은 경우 1의 CGH들을 적절하게 수정함으로써 보상된다. 도 11c에 도시된 바와 같이, Zernike 함수일 수 있는 추가 위상 항과의 승산은 수차들을 보상하고 수차 없는 출사동(16)을 얻기에 충분할 것이다. 일부 경우들에서, 대상 이미지에 사전 왜곡을 적용하는 것, 및 SLM 평면 상의 포인트 확산 함수의 수정들과 같은 더 진보된 절차들이 요구될 수 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 홀로그래픽 HUD(10) 시스템은 CGH 계산을 수정함으로써 소프트웨어 기반 IPD 조절을 제공할 수 있다. 도 13a는 미리 정의된 공칭 IPD(24)를 갖는 시스템을 도시한다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 공칭 IPD(24)를 생성하는 CGH들이 적절하게 변경되면, IPD 값이 변경될 수 있다. 출사동 평면(17) 상에서 출사동(16) 위치를 조향하는 가장 간단한 방법은 CGH에 선형 위상 항을 곱하는 것이고, 이는 SLM(13) 평면에서 추가적인 각도 편향을 유발할 것이다. 가상 이미지(105) 평면이 SLM(13) 평면에 켤레일 때와 같은 일부 경우들에서, 이러한 간단한 해법이 충분할 수 있다. 다른 경우들에서, 단순히 선형 위상 항들을 사용하면, 출사동 평면(17) 상에 형성되는 수차들, 및 관찰되는 가상 이미지(105) 상에 나타나는 왜곡을 초래할 수 있다. 그러한 경우들에서, 선형 위상 항들 외에 추가 Zernike 다항식 항들이 포함될 수 있다.

도 14는 이미지 정보를 운반하는 원하는 변조된 빔(14)을 허용하면서 원하지 않는 빔들(141)을 제거하기 위한 다양한 광학 필터링 수단(15)을 도시한다. 원하지 않는 빔들(141)은 변조되지 않은 0차 빔, SLM의 픽셀화된 특성으로 인한 더 높은 회절 차수들, 및 SLM(13)의 픽셀화되고 불완전한 특성에 의해 생성된 원하는 변조된 빔(14)의 원하지 않는 켤레 빔 및 원하지 않는 복제본일 수 있다. 도 14a는 공간 필터(151) 기반의 제거 방법을 도시한다. 도 14b는 원하지 않는 빔들(141)을 반사하면서 원하는 변조된 빔(14)을 투과시키는 홀로그래픽 광학 요소들(HOE)의 사용을 도시한다. 도 14c는 상이한 전파 방향들을 가진 빔들을 분리하기 위해 하나의 인터페이스에서 프리즘 요소와 내부 전반사(TIR)를 사용하여 원하는 변조된 빔(14)을 분리하는 것을 보여준다. 원하지 않는 빔들(141)은 TIR로 인해 100% 반사될 수 있다.

도 15는 상이한 조명 색상들에 대한 원하는 변조된 빔(14) 및 원하지 않는 빔들(141)을 도시한다. 공간 필터(151) 또는 홀로그래픽 디스플레이 시스템에 대한 푸리에 필터 평면에서의 광 분포. SLM(13)이 적색, 녹색, 청색 광원(11)으로 조명될 때. 대응하는 패턴들은 도면에서 이하의 상자들에 나타난다: 적색은 원형 모서리를 갖는 상자들에, 녹색은 다이아몬드 모서리를 갖는 상자들에, 그리고 청색은 별 모양 모서리를 갖는 상자들에 나타난다. 원하는 변조된 빔(14) 윈도우 또는 신호 윈도우는 임의적인 크기를 가질 수 없다. 그것의 크기는 변조되지 않은 청색 빔의 0차와 1차 사이의 거리에 대해 양방향에서 기껏해야 동일하다. 일부 실시예들은 수직 및 수평 노이즈 대역 둘 다를 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수직 노이즈 대역은 배치되지 않고(신호 윈도우는 변조되지 않은 청색 빔의 0번째부터 1번째까지의 전체 폭을 차지함) 수평 노이즈 대역만이 허용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

일부 실시예들에서, 푸리에 필터는 도 16a에 도시된 바와 같이 0번째 변조되지 않은 빔 주위의 사분면들 중 하나를 선택하는 개구이다. 원하는 변조된 빔(14) 또는 신호 빔이 표시된 직사각형 개구 내에 배치된다. 눈 동공이 또한 출사동 평면(17) 상의 대응하는 출사동(16)의 크기와 일치하는 경우, 이 시스템은 단순히 고정된 출사동(16) 위치를 지원할 수 있으며, 이는 선형 위상 항들과의 승산과 같은 CGH에 대한 수정들로는 더 이상 조향가능하지 않을 수 있다. 눈의 동공 크기가 출사동 평면(17) 상의 대응하는 출사동(16)의 크기보다 훨씬 작은 경우, 신호 정보를 운반하는 실제 원하는 변조된 빔(14)은 CGH 수정들로 신호 윈도우 내에서 조향가능할 것이다. 그러나, 그러한 구성들은 SLM(13)의 이용가능한 공간 대역폭 곱(space bandwidth product)(SBP)의 불량한 활용도를 초래할 것이고, 여기서 SBP는 광학 시스템이 소유하는 정보 용량에 대한 척도이고 SLM(13)의 픽셀 수에 비례한다. SBP의 효율적인 활용은 순간 출사동(16) 크기가 뷰어의 눈 동공 크기보다 훨씬 크지 않을 것을 요구한다.

도 16b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 푸리에 필터는 0차의 변조되지 않은 빔 아래(위)에 있는 수평 대역 형태의 개구이다. 영역의 일부가 원하는 변조된 빔(14) 윈도우로서 고유하게 어드레싱되고 설계될 수 있지만, 이 윈도우는 도 16c에서와 같이 수평 대역 내에서 조향될 수 있다. 사용자의 눈(21) 동공이 원하는 출사동 평면(17) 상에서 변조된 빔(14) 윈도우만을 선택하고 더 높은 차수의 복제본들 및 노이즈를 필터링하는 제2 공간 필터(151)의 역할을 하는 경우, 시스템은 고스트 없는 이미지와 노이즈 없는 이미지를 전달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 계산 노이즈는 공간 필터(151)의 통과대역 외부에 배치될 수 있고, 따라서 모든 노이즈가 차단될 것이다. 이러한 공간 필터링은 머리 추적 시스템(19) 및 동공 추적기와 결합되어, 소프트웨어 기반 IPD 조절 및 출사동(16) 조향을 위한 기회를 제공한다. 이 소프트웨어 기반 출사동(16) 조향은 음향 광학 스캐너들(36) 및 조향 미러들(23)과 같은 광학 조향 장치(18)와 결합하여 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 공간 필터(151)는 변조되지 않은 빔들을 차단하는 불투명 도트들로만 이루어진다. 다시 동공 추적기와 결합하여, 그리고 뷰어의 동공이 2차 공간 필터(151)로서 작용하여 원하는 변조된 빔(14) 윈도우(또는 신호 윈도우)를 선택하고 더 높은 차수의 복제 및 노이즈를 제거한다고 다시 가정하여, 이 구성은 이론적으로 어떤 제한도 없이, 출사동(16)이 출사동 평면(17)에 걸쳐 훨씬 더 넓은 영역 위에서 조향하는 능력을 제공한다. 그러나, 실제로는, 신호 윈도우가 0차의 변조되지 않은 빔에서 멀어질수록 밝기가 빠르게 감소한다. 신호 윈도우의 위치를 변조되지 않은 빔의 첫 번째 차수들(0차의 변조되지 않은 빔 주위의 4개 사분면) 내로 제한하는 것은 실질적으로 합리적인 선택이다. 신호 빔들이 불투명한 도트들에 상당한 에너지를 집중시키지 않는 한, 불투명한 도트들의 존재는 뷰어에 의해 인식불가능할 것이다. 원하는 변조된 빔(14) 윈도우 또는 신호 윈도우가 불투명한 도트들을 포함하는 위치로 조종되는 경우를 도시하는 도 17b를 참조한다. 사용자의 눈 동공이 신호 윈도우 내에 맞고, 에너지가 불투명한 도트에 집중되지 않는 한, 불투명한 도트는 사용자의 동공 상의 약간의 암흑화(obscuration)와 등가일 것이고, 그것이 사용자의 눈(21)의 동공보다 훨씬 작다면 이는 인식불가능할 것이다.

도 18은 미러 후면에 부착된 두 개의 전자기 작동 모터를 사용하는 2축 회전가능한 조향 미러(23) 구조를 도시한다. 구성은 조향 미러(23) 구조의 관성을 최소화하도록 설계된다. 대안적인 실시예에서, 이중 짐벌 구조(double gimbal structure)가 사용될 수 있다. 액추에이터 모터 및 그것의 제어기는 진동 내성을 제공하도록 설계되어야 한다.

도 19a는 1, 2, 3 및 4개의 SLM(13)을 사용하는 SLM(13) 타일링 옵션들을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, SLM들(13)은 수평 및 수직으로 타일링될 수 있으며, 그들의 배향은 SLM들의 종횡비(13)에 기초하여 조절될 수 있다. SLM 타일링은 이음매가 없을 수 있고(seamless), 또는 두 개의 인접한 SLM(13)의 활성 영역들 사이에 소정의 SLM-간 간격이 도입될 수 있다. 도 19b는 빔 스플리터(BS)(33)를 사용하여 두 개의 SLM을 그들 사이에 어떠한 이음매도 없이 나란히 타일링하는 것을 보여준다. SLM 포지션은 SLM(13) 및 가상 SLM(107)의 중첩, 비중첩, 또는 이음매 없는 타일링을 도입하도록 조절될 수 있다. 각각의 SLM(13)으로부터 BS(33)까지의 거리는 타일링된 SLM(13)과 가상 SLM(107) 사이의 임의의 위상 에러들을 제거하도록 조절될 수 있다. BS(33)는 편광 BS일 수 있고, 1/4 파장 판들은 광의 효율적인 조합을 위해 광의 편광을 변경하기 위해 SLM들 앞에서 사용될 수 있다.

도 20을 참조하면, 각각의 눈 광학 모듈은 시준 및 집속 렌즈들로 구성된다. 상이한 색상을 갖는 광원(11), 즉 적색, 녹색 및 청색(RGB) 광원은 공간적으로 분리되거나 빔 결합기와 결합될 수 있다. 상이한 공간 위치들에 있는 RGB 컬러 필터들(151c)은 공간 필터(151) 평면에 도입되어, 각각의 색상에 대해 원하는 변조된 빔(14)과 원하지 않는 변조된 빔(141)을 분리할 수 있다. 편광기(34) 및 반파장판(35)과 같은 편광 광학 컴포넌트들은 원하는 편광을 선택하고, 빔이 후속 광학 장치 및 윈드스크린(101)에 보내지기 전에 원하는 방향으로 편광을 회전시키기 위해 사용될 수 있다.

도 21을 참조하면, SLM(13)은 활성 픽셀들을 갖는 활성 영역을 갖는다. 13R, 13G, 13B로 지칭되는 SLM(13)의 서브섹션들은 상이한 서브 홀로그램들 전용일 수 있다. 이러한 서브섹션들은 컬러 필터들을 가질 수 있거나, 공간 필터 평면(151c)에서 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터들을 사용하여 공간 필터(151)에서 컬러 필터링이 수행될 수 있다. 서브홀로그램들은 도 21a, 도 21b 및 도 21c에 도시된 바와 같이, 큰 섹션이거나 픽셀 레벨일 수 있다. 다른 실시예에서, 컬러 필터들은 공간 필터(151) 평면의 상이한 섹션들에서 광을 허용하거나 차단하기 위해 상이한 픽셀들을 개방 및 폐쇄하도록 전기적으로 제어되는 픽셀화된 액정 셔터 디바이스로 대체될 수 있다.

도 22를 참조하면, 음향 광학 스캐너(AOS)(36)는 광학 빔을 조향하고 광학 조향 장치(18)로서 작용하기 위해 사용될 수 있다. AOS는 음향 광학 매체에 적용되는 신호의 주파수에 따라 빔을 상이한 방향들로 조향할 수 있다. 주파수를 변경함으로써, 1차 각도가 변경될 수 있다. 도 22b에 도시된 바와 같이, 음향 광학 매체에 처프 음파를 적용함으로써 다양한 각도로 빔을 조향하는 것이 가능하다.

도 23을 참조하면, 포비티드 디스플레이(foveated display)(31)는 작은 FOV를 갖는 중앙 디스플레이(30)와 큰 FOV를 갖는 주변 디스플레이(29)를 결합한다. 주변 디스플레이(29)는 윈드스크린(101)에 부착된 투명 홀로그래픽 스크린을 조명하는 프로젝터를 사용하여 형성될 수 있다. 주변 디스플레이(29) 이미지가 윈드스크린(101) 상에 나타나기 때문에, 사용자의 눈(21)은 주변 디스플레이(29) 콘텐츠에 대한 선명한 이미지를 보기 위해 윈드스크린(101)에 초점을 맞출 필요가 있다. 본 발명에서 사용자의 눈(21)이 중앙 디스플레이(30) 또는 홀로그래픽 투영 모듈(106)에 의해 제공되는 가상 이미지(105)에 초점이 맞춰지면, 주변 디스플레이(29) 이미지는 도면에 도시된 바와 같이 흐릿하게 나타난다.

도 24를 참조하면, 사용자의 머리가 똑바르고 아이박스 내에 있을 때, 십자로 도시된 왼쪽 눈 및 오른쪽 눈을 위한 출사동(16)과 사용자의 눈들(21)이 잘 정렬된다. 디스플레이를 사용하는 동안 사용자의 머리가 기울어지면, 출사동(16)은 더 이상 사용자의 양쪽 눈(21)과 정렬되지 않을 수 있다. 도 24b에 도시된 바와 같이, 원하는 변조된 빔(14)을 포함하는 윈도우의 위치를 변경함으로써 한쪽 눈을 위한 출사동(16)이 수직으로 이동될 수 있다. CGH에 격자 위상 항을 추가하는 것에 의한 이러한 소프트웨어 기반 조절은 헤드 기울기들을 효과적으로 보상한다. 공간 필터(151) 평면에서 요구되는 수직 이동량은 출사동 평면(17)에서 요구되는 수직 시프트의 양을 시스템의 광학 배율로 나눈 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 출사동(16)의 수평 조절들은 IPD(24) 조절들을 허용한다.

도 25a를 참조하면, 머리 기울기는 하나의 눈의 광 모듈(12)을 다른 눈의 광 모듈(12)에 대해 이동시킴으로써 보상될 수 있다. 도 25b는 두 개의 접이식 미러를 사용하여 출사동(16)을 한쪽 눈에 대해 수직으로 이동시키는 것을 보여주며, 여기서 미러들 중 하나는 도시된 바와 같이 이동가능하다. 접이식 미러의 수직 상향 움직임은 대응하는 출사동(16)의 수직 하향 움직임을 초래한다.

도 26을 참조하면, 한 축에서 이미징 시스템의 배율을 변경하기 위해, 확대 프리즘 쌍(37)이 사용될 수 있다. 이러한 배율 변경은 디스플레이의 종횡비의 효과적인 변경을 야기한다. 예를 들어, 32:9 종횡비를 달성하기 위해, 두 개의 16:9 종횡비 SLM(13)이 수평으로 타일링될 수 있다. 확대 프리즘 쌍(37)을 사용하여 수직 배율을 1.2배 증가시키면, 32:10.8 또는 약 3:1의 종횡비가 초래된다.

본 발명의 일 양태에서, 적어도 하나의 광 모듈(12)을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10)가 제안되고, 여기서 각각의 광 모듈(12)은 적어도 하나의 광원(11), 및 상기 적어도 하나의 광원(11)으로부터 입사되는 광을 공간적으로 변조하기 위해 컴퓨터 생성 홀로그램들을 디스플레이하는 적어도 하나의 공간 광 변조기(13)로 이루어진다.

본 발명의 다른 양태에서, 상기 적어도 하나의 광 모듈(12)은 홀로그래픽 이미지 정보를 운반하는 원하는 변조된 빔(14), 및 원하지 않는 빔들(141)을 형성하고; 광학 필터링 수단(15)을 통해 투과된 원하는 변조된 빔(14)이 헤드업 디스플레이 콘텐츠를 보기 위한 출사동 평면(17) 상에 적어도 하나의 출사동(16)을 형성하는 동안; 원하지 않는 빔들(141)은 광학 필터링 수단(15)으로 차단되고; 적어도 하나의 광 모듈(12) 각각에 의해 생성되는 출사동들(16)은 광학 조향 장치(18)를 사용하여 출사동 평면(17)에 걸쳐 조향가능하다.

본 발명의 헤드업 디스플레이(10)는 머리 착용형 또는 머리 장착형이 아닌 증강 현실 디스플레이 사용 사례들을 포함하도록 정의된다. 따라서, 본 발명에서 언급되는 실시예들 전부는 헤드업 디스플레이들로 제한되지 않고, 웨어러블 니어 아이 디스플레이 시스템(wearable and near eye display system), 홀로그래픽 TV, 홀로그래픽 투영 디스플레이 시스템, 또는 임의의 다른 디스플레이 시스템에서의 사용을 위해 적응되어 사용될 수 있다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 조향 장치(18)는 기계적 스캐너를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 조향 장치(18)는 EM 작동 모터, 짐벌 모터(gimbal motor), 스텝 모터, 2축 액추에이터 형태의 작동 수단을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 조향 장치(18)는 적어도 하나의 음향 광학 스캐너(36)를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 출사동(16)은 이미징 렌즈(22)를 사용하여 형성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 이미징 렌즈(22)는 반사 렌즈, 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 자유형 광학 요소들, 홀로그래픽 광학 요소들, 또는 이들의 조합으로 이루어진 광학 파워를 갖는 적어도 하나의 표면을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 출사동(16)은 공간 광 변조기(13)의 광학 켤레이다.

본 발명의 추가 양태에서, 이미징 렌즈(22)에 의해 형성되는 두 개의 출사동(16)은 52mm 내지 75mm 범위의 동공 간 거리(IPD)(24) 값에 의해 분리된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 동공 간 거리(IPD)(24)는 CGH 계산 소프트웨어로 알고리즘적으로 조절가능하다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 디바이스는 수차 보정 알고리즘을 수행하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 광학 조향 장치(18)는 회전가능한 조향 미러(23)이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 디바이스는 사용자의 머리 회전을 보상하기 위해 출사동 평면(17)에서 두 개의 출사동(16)을 회전시키는 추가 조향 미러(23)를 더 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 왼쪽 눈 출사동(16)과 오른쪽 눈 출사동(16) 둘 다에 대해 함께 출사동 평면(17)에 걸쳐 조향을 실행한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 조향 미러(23)의 클리어 애퍼쳐를 이미징 렌즈(22)의 클리어 애퍼쳐보다 작게 하는 것을 통해 공간 광 변조기(13) 다음에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22) 다음에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 사용자의 두 눈과 정렬된 두 개의 출사동(16) 각각에 의해 제공되는 시야는 이미징 렌즈(22) 또는 조향 미러(23)에서 완전한 양안 중첩(full binocular overlap)을 제공한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 사용자의 눈(21)에 대해 상이한 깊이들에서 디스플레이되는 홀로그래픽 이미지 콘텐츠를 동시에 생성한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 홀로그래픽 이미지 정보는 3-D이고, 사용자의 눈(21)에 대해 상이한 깊이들에서 디스플레이된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 공간 광 변조기(13)의 광학 켤레 평면과 실질적으로 일치하는 평면에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 광 모듈(12)과 이미징 렌즈(22) 사이에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광원(11)은 출사동(16)의 광학 켤레이다.

본 발명의 추가 양태에서, 공간 광 변조기 이미지(25)는 출사동 평면(17)으로부터 윈드쉴드(101)를 향해 25cm 내지 100cm 떨어진 거리에 나타난다.

본 발명의 추가 양태에서, 공간 광 변조기 이미지(25)는 출사동 평면(17)으로부터 윈드쉴드(101)를 향해 100cm 내지 500cm 떨어진 거리에 나타난다.

본 발명의 추가 양태에서, 공간 광 변조기 이미지(25)가 윈드쉴드(101)로부터 멀어져서 출사동 평면(17) 뒤에 나타난다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 위상 단독 디바이스(phase-only device)이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 광학적으로 결합된 SLM들의 타일 어레이(tiled array)인 디바이스이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 SLM(13)은 상기 광원(11)으로부터의 입사 광의 위상, 강도 또는 조합을 공간적으로 변조한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 컬러 필터들을 포함하는 적어도 두 개의 섹션을 더 포함하고, 상기 SLM 이미지(25)는 홀로그램들의 뷰잉 체적 외부에 나타난다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광원(11)은 LED, 초발광 LED, 또는 레이저 다이오드에 결합된 레이저 광원이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광원(11)은 광 섬유에 결합된 레이저 광원이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광원(11)은 축외 조명 또는 도파 판을 사용하여 SLM(13)에 입사된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 SLM(13)에 의해 디스플레이되는 컴퓨터 생성 홀로그램들은 출사동 평면(17)에 형성되는 출사동(16)이 사용자의 IPD(24)에 따라 조절되도록 계산된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 SLM(13)에 의해 디스플레이되는 컴퓨터 생성 홀로그램들은 출사동 평면(17)에 형성되는 출사동(16)이 사용자의 눈(21)의 동공 중심의 포지션에 따라 시프트되도록 계산된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 디바이스(10)는 사용자의 머리, 및 사용자의 눈(21)의 동공들의 중심 포지션들의 변위(들)를 추적하도록 구성되는 머리 추적 시스템(19), 및 상기 광학 조향 장치(18)의 제어를 실행하는 프로세싱 수단(20)을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 광학 조향 장치(18)는 광원 어레이(28) 내의 적어도 하나의 광원(11)이다.

본 발명의 추가 양태에서, 광 모듈(12) 내의 점 광원은 사용자의 얼굴에 추적 스폿(27)을 형성하고, 추적 스폿(27)의 좌표들은 머리 추적 시스템(19)에 의해 검출된다.

본 발명의 추가 양태에서, 광학 조향 장치(18)는 IPD(24), 축 방향에서의 출사동 평면(17)의 위치, 또는 출사동들(16)의 수직 시프트를 조절하는 조향 미러(23)를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, IPD(24), 축 방향에서의 출사동 평면(17)의 위치, 또는 상기 출사동들(16)의 수직 시프트를 조절하기 위해, CGH 계산 알고리즘이 사용된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광원(11)은 상기 머리 추적 시스템(19)에 의해 추적되는 눈 동공 포지션의 변화들에 응답하여 이동가능하다.

본 발명의 추가 양태에서, 검출된 사용자의 눈(21)의 동공 포지션에 따라, 프로세싱 수단(20)은 신호들을, 한 번에 하나의 광원(11)이 선택적으로 활성화되도록 상기 광원 어레이(28)에, 그리고 새로운 컴퓨터 생성 홀로그램이 업로드되도록 구동되는 상기 SLM(13)에 전달한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 디바이스(10)는 풀-컬러 디스플레이 디바이스이고, 상기 광원(11)은 상이한 파장들의 간섭성 광파들을 시간 순차적인 방식으로 생성한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 원하지 않는 빔들(141)이 출사동 평면(17)에 도달하기 전에 원하지 않는 빔들(141)을 필터링하기 위해 SLM(13) 다음에 위치된 공간 필터(151)이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 상기 머리 추적 시스템(19)으로부터의 입력을 사용하여 개방 윈도우가 선택되는 바이너리 액정 셔터이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 사용자의 눈(21)과 공간 광 변조기(13) 사이에 형성된 중간 이미지 평면(32) 상에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 원하지 않는 빔들(141)이 출사동 평면(17)에 도달하기 전에 원하지 않는 빔들(141)을 필터링하기 위해 SLM(13) 다음에 위치된 HOE, 프리즘, 또는 회절 격자와 같은 각도 선택 필터이다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 SLM(13) 데이터는 머리 추적 데이터, 동공 추적 데이터, 및 차량의 센서들로부터의 데이터의 함수이다.

추가 양태에서, 본 발명은 생산 동안 차량에 설치되도록 제조된다.

추가 양태에서, 본 발명은 차량에 내장되도록 제조된다.

본 발명의 추가 양태에서, 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템은 프로세싱 수단(20), 및 적어도 하나의 광 모듈(12)에 의해 제공되는 중앙 디스플레이(30) 영역을 둘러싸는 윈드스크린(101) 상의 또는 그 근처의 주변 디스플레이(29)를 포함한다.

추가 양태에서, 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템은 중앙 비전(28) 영역을 둘러싸는 주변 디스플레이(29) 영역을 더 포함한다.

추가 양태에서, 주변 디스플레이(29) 영역들은 미리 결정된 해상도 비전을 제공하고 상기 주변 비전은 상기 포비티드 디스플레이(31)의 중앙 비전(30) 영역에서 어두워진다.

추가 양태에서, 상기 주변 디스플레이(29) 디스플레이는 부분적으로 투명한 스크린이고, 이미지는 투영 광학장치를 사용하여 형성된다.

본 발명의 추가 실시예에서, 상기 SLM은 다양한 광학 컴포넌트들을 사용하여 타일링된 수 개의 공간 광 변조기의 어레이이다. 그러한 타일링 수단은 HUD의 수평 또는 수직 FOV 및/또는 출사동(16) 크기를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, 광학 조향 장치(18)는 머리 추적 시스템(19)으로부터의 입력에 따라 작동되는 광원 어레이(28) 내의 적어도 하나의 광원(11)을 포함한다.

본 발명의 추가 실시예에서, 머리 추적 시스템(19)은 머리 움직임, 사용자의 눈들(21)의 위치, 사용자의 눈(21)의 동공들의 중앙 위치 및 크기, 동공 간 거리(24)를 계산할 수 있다. 머리 추적 시스템의 보정은 사용자의 얼굴에 나타나는 추적 스폿(27)의 위치를 사용하여 지속적으로 또는 산발적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, 시야를 증가시키고 주변 디스플레이(29)를 제공하기 위해 제2 디스플레이 시스템이 추가될 수 있다. 주변 디스플레이(29)는 중앙 비전(30)을 제공하는 홀로그래픽 HUD(10)를 둘러쌀 것이다. 그러한 결합된 디스플레이 시스템은 홀로그래픽 HUD(10)가 FOV에 걸쳐 소정의 광학 조향 장치(18)를 사용하여 조향가능한 포비티드 디스플레이(31) 시스템이라고 지칭될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, SLM(13)은 정규 진폭 변조된 비-홀로그래픽 이미지 정보를 디스플레이할 수 있다. 본 발명에서 설명되는 광학 시스템이 여전히 사용될 수 있고, 원하는 이미지는 0차 광학 빔을 통해 보여질 수 있다. 조향 미러(23) 메커니즘은 출사동(16)을 조향하기 위해 여전히 사용될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예에서, SLM(13)은 HUD(10) 콘텐츠의 신호 포함 섹션들의 밝기를 증가시키도록 프로그래밍될 수 있다. 밝기 증가는 콘텐츠가 주로 희박할 때 더 두드러진다.

Claims

적어도 하나의 광 모듈(12)을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10)로서,
각각의 광 모듈(12)은 적어도 하나의 광원(11), 및 상기 적어도 하나의 광원(11)으로부터 입사되는 광을 공간적으로 변조하기 위해 컴퓨터 생성 홀로그램들(computer generated holograms)을 디스플레이하는 적어도 하나의 공간 광 변조기(13)로 이루어지고,
상기 적어도 하나의 광 모듈(12)은 홀로그래픽 이미지 정보를 운반하는 원하는 변조된 빔(14), 및 원하지 않는 빔들(141)을 형성하고; 광학 필터링 수단(15)을 통해 투과된 상기 원하는 변조된 빔(14)이 헤드업 디스플레이 콘텐츠를 보기 위한 출사동 평면(exit pupil plane)(17) 상에 적어도 하나의 출사동(16)을 형성하는 동안; 상기 원하지 않는 빔들(141)은 상기 광학 필터링 수단(15)으로 차단되고; 상기 적어도 하나의 광 모듈(12) 각각에 의해 생성되는 출사동들(16)은 광학 조향 장치(optical steering apparatus)(18)를 사용하여 상기 출사동 평면(17)에 걸쳐 조향가능한 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광학 조향 장치(18)는 회전가능한 조향 미러(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광학 조향 장치(18)는 EM 작동 모터, 짐벌 모터(gimbal motor), 스텝 모터, 또는 2축 액추에이터 형태의 작동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광학 조향 장치(18)는 적어도 하나의 음향 광학 스캐너(acoustooptic scanner)(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 출사동(16)은 이미징 렌즈(22)를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제5항에 있어서, 상기 이미징 렌즈(22)는 반사 렌즈, 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 자유형 광학 요소들(freeform optical elements), 홀로그래픽 광학 요소들, 또는 이들의 조합으로 이루어진 광학 파워(optical power)를 갖는 적어도 하나의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 출사동(16)은 상기 공간 광 변조기(13)의 광학 켤레(optical conjugate)인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제5항에 있어서, 상기 이미징 렌즈(22)에 의해 형성되는 두 개의 출사동(16)은 52mm 내지 75mm 범위의 동공 간 거리(interpupillary distance)(IPD)(24) 값에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제8항에 있어서, 상기 동공 간 거리(IPD)(24)는 CGH 계산 소프트웨어로 알고리즘적으로 조절가능한 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 디바이스는 수차 보정 알고리즘을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제10항에 있어서, 상기 디바이스는 사용자의 머리 이동을 보상하기 위해 상기 출사동 평면(17)에서 두 개의 출사동(16)을 회전시키는 추가 조향 미러(23)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제11항에 있어서, 상기 조향 미러(23)는 왼쪽 눈 출사동(16)과 오른쪽 눈 출사동(16) 둘 다에 대해 함께 상기 출사동 평면(17)에 걸쳐 조향을 실행하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제5항 또는 제11항에 있어서, 상기 조향 미러(23)는 상기 조향 미러(23)의 클리어 애퍼쳐(clear aperture)를 상기 이미징 렌즈(22)의 클리어 애퍼쳐보다 작게 하는 것을 통해 공간 광 변조기(13) 다음에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제5항 또는 제11항에 있어서, 상기 조향 미러(23)는 상기 이미징 렌즈(22)와 상기 출사동 평면(17) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제2항에 있어서, 상기 회전가능한 조향 미러(23)는 상기 원하는 변조된 빔(14)을 윈드스크린(windscreen)(101) 방향으로 지향시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 사용자의 두 눈과 정렬된 두 개의 출사동(16) 각각에 의해 제공되는 시야는 상기 이미징 렌즈(22) 또는 상기 조향 미러(23)에서 완전한 양안 중첩(full binocular overlap)을 제공하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(13)는 사용자의 눈(21)에 대해 상이한 깊이들에서 나타나는 홀로그래픽 이미지 콘텐츠를 동시에 생성하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 컴퓨터 생성 홀로그램은 사용자의 눈(21)에 대해 상이한 깊이들에서 나타나는 복수의 가상 이미지(105) 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제11항에 있어서, 상기 조향 미러(23)는 공간 광 변조기(13)의 광학 켤레 평면과 실질적으로 일치하는 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제11항에 있어서, 상기 조향 미러(23)는 상기 광 모듈(12)과 상기 이미징 렌즈(22) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광원(11)은 상기 출사동(16)의 광학 켤레인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제21항에 있어서, 공간 광 변조기 이미지(25)는 상기 출사동 평면(17)으로부터 윈드쉴드(windshield)(101)를 향해 25cm 내지 100cm 떨어진 거리에 나타나는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제21항에 있어서, 공간 광 변조기 이미지(25)는 상기 출사동 평면(17)으로부터 윈드쉴드(101)를 향해 100cm 내지 500cm 떨어진 거리에 나타나는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제21항에 있어서, 공간 광 변조기 이미지(25)가 윈드쉴드(101)로부터 멀어져서 상기 출사동 평면(17) 뒤에 나타나는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(13)는 위상 단독 디바이스(phase-only device)인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(13)는 광학적으로 결합된 SLM들의 타일 어레이(tiled array)인 디바이스인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 SLM(13)은 상기 광원(11)으로부터의 입사 광의 위상, 강도 또는 조합을 공간적으로 변조하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(13)는 컬러 필터들을 포함하는 적어도 두 개의 섹션을 더 포함하고, 상기 SLM 이미지(25)는 상기 홀로그램들의 뷰잉 체적 외부에 나타나는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광원(11)은 LED, 초발광 LED, 레이저 다이오드 또는 광섬유에 결합된 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광원(11)은 축외 조명(off-axis illumination) 또는 도파 판(waveguide plate)을 사용하여 상기 SLM(13)에 입사되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제8항에 있어서, 상기 SLM(13)에 의해 디스플레이되는 컴퓨터 생성 홀로그램들은 상기 출사동 평면(17)에 형성되는 상기 출사동(16)이 상기 사용자의 상기 IPD(24)에 따라 조절되도록 계산되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 SLM(13)에 의해 디스플레이되는 컴퓨터 생성 홀로그램들은 상기 출사동 평면(17)에 형성되는 상기 출사동(16)이 상기 사용자의 눈(21)의 동공 중심의 포지션에 따라 시프트되도록 계산되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 디바이스(10)는 사용자의 머리, 및 상기 사용자의 눈(21)의 동공들의 중심 포지션들의 변위(들)를 추적하도록 구성되는 머리 추적 시스템(19), 및 상기 광학 조향 장치(18)의 제어를 실행하는 프로세싱 수단(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제33항에 있어서, 광학 조향 장치(18)는 광원 어레이(28) 내의 적어도 하나의 광원(11)인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제33항에 있어서, 상기 광 모듈(12) 내의 점 광원은 사용자의 얼굴에 추적 스폿(27)을 형성하고, 상기 추적 스폿(27)의 좌표들은 상기 머리 추적 시스템(19)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 광학 조향 장치(18)는 IPD(24), 축 방향에서의 출사동 평면(17)의 위치, 또는 상기 출사동들(16)의 수직 시프트를 조절하는 조향 미러(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제8항에 있어서, IPD(24), 축 방향에서의 출사동 평면(17)의 위치, 또는 상기 출사동들(16)의 수직 시프트를 조절하기 위해, CGH 계산 알고리즘이 사용되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제34항에 있어서, 상기 광원(11)은 상기 머리 추적 시스템(19)에 의해 추적되는 눈 동공 포지션의 변화들에 응답하여 이동가능한 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제33항에 있어서, 검출된 사용자의 눈(21)의 동공 포지션에 따라, 상기 프로세싱 수단(20)은 신호들을:
한 번에 하나의 광원(11)이 선택적으로 활성화되도록 상기 광원 어레이(28)에, 그리고
새로운 컴퓨터 생성 홀로그램이 업로드되도록 구동되는 상기 SLM(13)에
전달하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 디바이스(10)는 풀-컬러 디스플레이 디바이스이고, 상기 광원(11)은 상이한 파장들의 간섭성 광파들을 시간 순차적인 방식으로 생성하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 원하지 않는 빔들(141)이 상기 출사동 평면(17)에 도달하기 전에 상기 원하지 않는 빔들(141)을 필터링하기 위해 상기 SLM(13) 다음에 위치된 공간 필터(151)인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 상기 머리 추적 시스템(19)으로부터의 입력을 사용하여 개방 윈도우가 선택되는 바이너리 액정 셔터인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 상기 사용자의 눈(21)과 상기 공간 광 변조기(13) 사이에 형성된 중간 이미지 평면(32) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 필터링 수단(15)은 원하지 않는 빔들(141)이 상기 출사동 평면(17)에 도달하기 전에 상기 원하지 않는 빔들(141)을 필터링하기 위해 상기 SLM(13) 다음에 위치된 HOE, 프리즘, 또는 회절 격자와 같은 각도 선택 필터인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SLM(13) 데이터는 머리 추적 데이터, 동공 추적 데이터, 및 차량의 센서들로부터의 데이터의 함수인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 차량에 내장되도록 제조된 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제10항에 있어서, 수차 보상은 쐐기형 윈드스크린(101) 형태를 포함하는 윈드스크린(101)의 구조적 형태와 관련된 수차들을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 사용자 머리 기울기는 상기 출사동들(16) 중 적어도 하나를 수직으로 이동시킴으로써 CGH 계산 소프트웨어로 알고리즘적으로 보상되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 사용자 머리 기울기는 대응하는 출사동(16)의 위치를 변경하기 위해 광 모듈들(12) 중 적어도 하나를 수직으로 기계적으로 이동시킴으로써 보상되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 사용자 머리 기울기는 상기 출사동(16)의 위치를 변경하도록 광 모듈들(12) 중 적어도 하나로부터의 광을 조향하기 위해 미러 어셈블리(38)를 기울이거나 이동시킴으로써 보상되는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 이미지의 종횡비는 상기 광 모듈(12) 다음에 확대 프리즘 쌍들(37)을 추가함으로써 조절가능한 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
제1항에 있어서, 이미지의 종횡비는 상기 광 모듈(12) 내에 확대 프리즘 쌍들(37)을 추가함으로써 조절가능한 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
프로세싱 수단(20) 및 헤드업 디스플레이 디바이스(10)를 포함하는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템으로서,
상기 시스템은 적어도 하나의 광 모듈(12)에 의해 제공되는 중앙 비전(28) 영역을 둘러싸는 윈드스크린(101) 상의 또는 그 근처의 주변 디스플레이(29)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템.
제53항에 있어서, 상기 시스템은 주변 디스플레이(29) 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템.
제53항에 있어서, 상기 주변 디스플레이(29) 영역들은 미리 결정된 해상도 비전을 제공하고 상기 주변 비전은 상기 포비티드 디스플레이(foveated display)(31)의 중앙 비전(30) 영역에서 어두워지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템.
제53항에 있어서, 상기 주변 디스플레이(29)는 부분적으로 투명한 스크린이고, 상기 이미지는 투영 광학장치를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 헤드업 디스플레이 시스템.