KR20220101682A - 조향가능 아이박스를 갖는 증강 현실 헤드업 디스플레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동적으로 조정가능한 출사동 평면을 갖는 헤드업 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명 및 다양한 실시예들과 함께 본 명세서에 포함된 교시는 윈드쉴드들과 같은 오브젝트들의 표면들을 사용하여 2D 및/또는 3D 가상 증강 이미지들을 디스플레이하기 위한 수단을 함께 형성하는 적어도 하나의 픽처 생성 유닛 및 광학 조향 장치를 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스들에 관한 것이다.

Description

조향가능 아이박스를 갖는 증강 현실 헤드업 디스플레이

개시된 발명은 일반적으로 동적으로 조정가능한 출사동(exit pupil) 평면을 갖는 헤드업 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명 및 다양한 실시예들과 함께 본 명세서에 포함된 교시는 윈드쉴드들과 같은 오브젝트들의 표면들을 사용하여 2D 및/또는 3D 가상 증강 이미지들을 디스플레이하기 위한 수단을 함께 형성하는 적어도 하나의 픽처 생성 유닛 및 광학 조향 장치를 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스들에 관한 것이다.

가상 헤드업 디스플레이(HUD)는 항공기, 육상 차량, 소매점 창문에 채용되어 사람/사용자에게 바로 옆에 있는 주변들 상으로 오버레이된 정보를 제시한다. 많은 차량 HUD는 전달될 임의의 관련 정보의 2D 또는 3D 입체 이미지를 사용자에게 제공하기 위해 광학 결합기로서 윈드쉴드의 내부 표면을 사용한다.

전형적인 HUD에 의한 중요한 쟁점은 이들이 소프트웨어 기반 수차 보정 및 아이박스 조정들과 같은 능력들이 부족하다는 것이다. 수차 보정은, 그 자체로 더 큰 시야(field-of-view)(FOV)가 더 큰 아이박스를 가로질러 캐스팅될 수 있도록 하지만, 디스플레이로부터 방사하는 정보가 차량의 윈드쉴드로부터 반사될 때 수차가공된다는 사실로 인해 큰 FOV 수차가 없는 이미지를 형성하도록 단일 광학 컴포넌트가 설계될 수 없다. 동적으로 조정가능한 아이박스 HUD 설정은 종래의 HUD 애플리케이션들에 비해 많은 이점들을 갖는다.

본 발명의 기술 분야에서 종래 기술 공보들 중 하나는 WO 2016105285로 참조될 수도 있으며, 이는 고해상도 조향가능 이미지를 만들 수 있는 회전가능한 홀로그램 모듈 및 시야(FOV)가 넓은 저해상도 주변 디스플레이와 결합된 선명한 와의 비전(foveal vision)을 교시한다. 다른 문서 US US20180003981A1에는, SLM, 회전가능한 반사 광학 엘리먼트 및 동공 추적 디바이스를 포함하는 근안 디스플레이 디바이스가 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 눈 동공을 향해 지향되도록 반사 광학 엘리먼트가 회전된다.

DE 102011075884는 빔 경로를 형성하는 광학 엘리먼트와 함께 발광 이미지 소스를 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스를 개시한다. 광학 엘리먼트들은 광학 이미징 기능을 갖는 홀로그래픽 광학 엘리먼트와 리플렉터를 포함한다. 상기 리플렉터 및 홀로그래픽 광학 엘리먼트는 빔 경로의 제3 섹션으로 리플렉터에 의해 방출된 빔들이 홀로그래픽 광학 엘리먼트를 적어도 부분적으로 투과조명(transilluminate)할 수 있도록 배열되며, 여기서 빔 경로의 제3 섹션에서 투과조명 빔들의 조명 각도들은 실질적으로 홀로그래픽 광학 엘리먼트의 이미징 기능의 일부가 효과적이게 되는 입사 각도로부터 벗어난다.

GB 2554575 및 EP 3146377은 왜곡을 초래할 가능성이 있는 공간적으로 변형된 광학 파워를 갖는 윈드스크린을 개시하며, 여기서 디스플레이는 윈드스크린의 왜곡들을 보상하기 위해 성형된 확산기 및 이미지들의 투영을 위한 홀로그래픽 프로젝터를 갖는다. 홀로그래픽 프로젝터는 이미지를 나타내는 홀로그램을 디스플레이하고 입사 광에 위상 지연 분포를 적용하도록 배열된 SLM을 가지며, 여기서 위상 지연 분포는 이미지를 확산기 상의 비평면 초점으로 가져오도록 배열된다. HUD는 확산기로부터 윈드스크린 상으로 광을 재지향하기 위해, 광학 파워 또는 포물선 곡률이 있는 미러를 가질 수도 있다. 애플리케이션의 다른 양태에서, 윈드스크린을 사용하여 가상 이미지가 형성되는 위의 장치를 사용하여 윈드스크린의 공간적으로 변형된 광학 파워를 보상하는 방법이 제공된다.

WO2018223646은 광원 및 제1 변조 모듈 및 제2 변조 모듈을 포함하는 공간 광 변조기를 포함하는 듀얼 이미지 투영 장치를 개시한다. 또한, 장치는 푸리에 렌즈를 포함하고 공간 광 변조기는 푸리에 렌즈의 전면 초점 평면에 포지셔닝된다. 제1 변조 모듈은 푸리에 렌즈를 통해 광원으로부터의 광을 변조하여 제1 2D 홀로그래픽 이미지를 재생하고, 제2 변조 모듈은 푸리에 렌즈를 통해 광을 변조하여 복수의 제2 2D 홀로그래픽 이미지를 재생한다. 장치는 제1 가상 이미지를 생성하기 위해 제1 2D 홀로그래픽 이미지를 디스플레이하기 위한 제1 광확산 필름 및 3D 가상 이미지를 생성하기 위한 레이트로 순차적으로 복수의 제2 2D 홀로그래픽 이미지를 각각 디스플레이하기 위한 복수의 제2 광확산 필름을 추가로 포함한다.

US2017329143은, 가변 초점 평면을 갖는 헤드업 디스플레이 시스템이, 적어도 하나의 가상 그래픽을 나타내는 광을 생성하기 위한 투영 디바이스, 적어도 하나의 이미지 평면 상에 적어도 하나의 가상 그래픽을 나타내는 광을 투영하기 위한 이미징 매트릭스, 적어도 하나의 이미지 평면 상에 적어도 하나의 가상 그래픽을 디스플레이하기 위한 디스플레이 디바이스, 및 디스플레이 디바이스와 적어도 하나의 이미지 평면 사이의 초점 거리를 동적으로 변경하기 위해 미리 결정된 동적 파라미터에 적어도 부분적으로 기초하여 디스플레이 디바이스에 대한 이미징 매트릭스의 포지션을 동적으로 변경하기 위한 병진 디바이스를 포함하는 것을 개시한다.

본 발명의 주요 목적은 출사동 평면 및 출사동 볼륨을 가로질러 조향가능한 출사동들을 갖는 HUD를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 3개의 축에서의 헤드 모션; 및 동공간 거리, 헤드 팁, 틸트, 회전을 조정하기 위해 사용되는, 별도의 출사동들이 각각의 눈에 대해 형성되고 독립적으로 조향되는 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 동공 추적기 및 동공 팔로워 시스템을 활용하여 정확한 시차 및 투시 이미지들을 눈에 전달할 수 있는 HUD를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 뷰어의 동공 좌표들 및 이들의 HUD까지의 거리를 검출하기 위한 동공 추적기를 포함하는 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 각각의 눈에 대한 정확한 투시 이미지들의 실시간 렌더링을 포함하는 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상이한 심도들로 포커싱가능한 가상 이미지들을 제공할 수 있는 적어도 하나의 광 모듈로 구성된 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 적어도 하나의 SLM을 갖는 HUD 디바이스를 제공하는 것이며, 동공간 거리 및 수차의 보정들은 적어도 하나의 컴퓨팅 수단에서 산출되고 SLM들에서 구현되어 이미지 품질을 증가시키고 큰 FOV를 달성한다.

본 발명의 또 다른 목적은 사용자의 양 눈에 광선들을 전달하기 위해 동시에 빔 조향을 활용하는 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 조정가능한 동공간 거리에 의해 분리된 2개의 출사동 상에서 광학 조향이 활용되는 HUD 디바이스를 제공하는 것이다.

첨부 도면들은 오브젝트 재구성 시스템을 예시하기 위한 목적으로만 제공되며, 종래 기술보다 유리한 것들은 위에서 개략적으로 설명되었고 이후에 간략하게 설명될 것이다.
도면들은 청구항들에서 식별된 바와 같은 보호 범위를 제한하려는 것이 아니며 도면들은 본 발명의 설명에서 기술적인 개시에 의존하지 않으면서 상기 청구항들에서 식별된 범위를 해석하기 위해 단독으로 참조되지도 않아야 한다. 도면들은 반드시 임의의 시스템 또는 서브시스템의 개개의 컴포넌트들의 실제 치수들 및 상대적 비율들을 반영하지 않는다는 점에서 예시적일 뿐이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 홀로그래픽 HUD 및 차량 컴퓨터와 센서들에 대한 인터페이스의 일반적인 개략도를 보여준다.
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d 및 도 2e는 윈드쉴드 뒤에 가상 이미지를 형성하는 다양한 PGU 및 투영 시스템들을 보여준다.
도 3은 하나 또는 2개의 픽처 생성 유닛 및 하나 또는 2개의 출사동이 있는 상이한 설정들을 보여준다.
도 4는 HUD 시스템에서의 주요 컴포넌트들의 블록도들을 보여준다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 초기 교정을 위한 예시적인 순서로 수평, 수직 및 축 방향들에서의 조향을 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 상이한 동공간 거리(IPD)로 틸트된 아이박스들을 보여준다.
도 7은 헤드 볼륨 단면에서 무빙 픽처 생성 유닛을 통해 생성된 상이한 아이박스 포지션들을 보여준다.
도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 조향이 없는 미러, 플랫 조향 미러, 플랫 미러, 및 곡면 미러가 있는 상이한 HUD 오프닝들을 보여준다.
도 9는 본 발명에 따른 이동가능한 조명 소스를 갖는 HUD 디바이스를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 SLM들에 의해 생성된 원하지 않는 빔들을 제거하기 위해 공간 필터를 사용하는 HUD 시스템 아키텍처를 보여준다.
도 11은 본 발명에 따른 조향 미러의 틸팅 모션에 응답하여 아이 박스의 이동을 보여준다.
도 12a는 본 발명에 따른 이미징 렌즈와 출사동 평면 사이의 평면에 조향 미러가 배치되는 광학 구조를 상면도로 보여준다.
도 12b는 본 발명에 따른 이미징 렌즈와 출사동 평면 사이의 형성하는 SLM 이미지의 위치에 조향 미러가 배치되는 광학 구조를 측면도로 보여준다.
도 12c는 본 발명에 따른 SLM들과 이미징 렌즈 사이에 조향 미러가 배치되는 광학 구조를 측면도로 보여준다.
도 13a 및 도 13b는 헤드 틸트를 보상하기 위해 하나의 눈에 대해 수직으로 출사동을 이동하는 것을 보여준다.
도 14a는 본 발명에 따른 조향 미러가 통합된 HUD 디바이스를 보여준다.
도 14b는 본 발명에 따른 외부 조향 미러를 갖는 HUD 디바이스를 보여준다.
도 14c는 본 발명에 따른 외부 틸트된 조향 미러를 갖는 HUD 디바이스를 보여준다.
도 15는 일정한 룩다운 각도들을 달성하기 위한 HUD 시스템 아키텍처를 보여준다.
도 16은 일정한 룩다운 각도를 달성하기 위해 윈드쉴드 상에 홀로그래픽 광학 엘리먼트를 사용하는 대안의 HUD 시스템 아키텍처를 보여준다.
도 17은 상이한 폴드 미러 설정들에 의해 제공된 더 작은 HUD 구조를 보여준다.
도 18은 상이한 아이박스 사이즈들과 표준 윈드쉴드 및 웨지 윈드쉴드 비교를 보여준다.
도 19a는 가상 이미지 거리의 변화와 상이한 웨지 윈드쉴드들 및 정규 윈드쉴드 중에서 가상 이미지와 고스트 이미지 사이의 각도 분리의 변화에 대한 비교를 보여준다.
도 19b는 웨지 각도의 함수로서 가상 이미지와 고스트 이미지 사이의 각도 분리의 변화를 보여준다.
도 19c는 웨지 각도의 함수로서 고스트 아이박스와 출사동의 중심 사이에서 거리의 변화가 나타나는 것을 보여준다.
도 20은 본 발명에 따른 HUD 상에 디스플레이될 대시보드 이미지 레이아웃의 예를 보여준다.
도 21은 본 발명에 따른 조향 미러의 상면 투시도를 보여준다.
도 22는 중앙 디스플레이를 둘러싸는 주변 디스플레이의 사용을 보여준다.

본 발명의 상세한 설명에서 다음의 번호들이 참조된다:

10) 헤드업 디스플레이 디바이스

101) 윈드쉴드

101a) 표준 윈드쉴드

101b) 웨지 윈드쉴드

102) 헤드 추적기 카메라

103) 차량 컴퓨터

104) 헤드 추적 컨트롤

105) 가상 이미지

106) 픽처 생성 유닛(PGU)

11) 광원

111) 조명 렌즈

12) 광 모듈

13) 공간 광 변조기(SLM)

14) 원하는 변조 빔

14b) 원하지 않는 빔들

151) 공간 필터

16) 출사동

16a) 좌안용 출사동

16b) 우안용 출사동

17) 출사동 평면

18) 광학 조향 장치

20) 프로세싱 수단

21) 사용자의 눈

21b) 사용자의 동공

22) 이미징 렌즈

23) 조향 미러

23a) 플랫 조향 미러

23b) 곡면 조향 미러

24) 중간 출사동 평면

27) 추적 스폿

29) 주변 디스플레이

30) 중앙 디스플레이

31) 와가 있는 디스플레이

32) 중간 이미지 평면

33) 빔 스플리터

201) 소형 IPD, 헤드 틸트 없음

202) 대형 IPD, 헤드 틸트 없음

203) 소형 IPD, 헤드 틸트

204) 가상 이미지 평면

205) 고스트 출사동

206) 홀로그래픽 광학 엘리먼트(HOE)

207) HUD 오프닝

208) 고스트 이미지

209) 모션 자유도

210) 룩다운 각도

211) 폴드 미러

212) 헤드 볼륨

213) 가상 조향 미러 위치

본 발명에 따라, 조정가능한 아이박스를 갖는 증강 현실 헤드업 디스플레이 디바이스(10) 형태의 디바이스 및 시스템과 이를 포함하는 시스템이 제안된다. 여기서, 아이박스는 출사동(16)과 상호교환가능하게 사용될 수 있는 용어이다. 보다 구체적으로, 디바이스 및 시스템은 윈드쉴드들(101)과 같은 오브젝트들의 표면들을 사용하여 2D 및/또는 3D 가상 증강 이미지들을 디스플레이하기 위한 수단을 함께 형성하는 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 및 광학 조향 장치(18)를 포함한다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, HUD(10)는 운전자의 눈 앞에서 조향가능한 아이박스를 만드는 것을 목표로 하는 광학 조향 장치(18), 운전자의 헤드 모션, 안면, 및 사용자의 동공들(21b)을 추적하기 헤드 추적기 카메라(102) 또는 다중 카메라들, 및 헤드 추적 컨트롤(104) 시스템을 포함한다. 헤드 추적 컨트롤(104)로부터의 입력뿐만 아니라 외부 센서들 및 차량의 센서들로부터의 다른 입력들은 차량 컴퓨터(103)에서 분석되고 적절한 콘텐츠가 산출되어 HUD(10) 시스템에 나타나게 된다. 운전자는 HUD(10)에 의해 결정된 거리에서 가상 이미지(105)를 본다.

도 2a를 참조하면, HUD(10) 디바이스 옵틱스는 출사동 평면(17)에서 출사동(들)(16)을 형성한다. PGU(106)는 다음의 컴포넌트들: 마이크로디스플레이 또는 SLM(13), 광원(11), 빔 성형을 위한 조명 렌즈(111) 및 폴드 미러들(211)의 각각으로부터 적어도 하나로 구성된다. 도면은 단면도를 나타낸다. 하나의 PGU(106)가 사용자의 각 눈에 충분할 수도 있다. 이 실시예에서, 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22) 이후에 있으며, 이는 순시 아이박스 또는 출사동(16) 사이즈가 더 작아지게 할 수 있기 때문에, 조향 미러(23) 상의 빔에 대해 더 작은 풋프린트를 유발한다. 시스템의 시야(FOV)는 출사동 평면(17)에서 윈드쉴드(101) 상의 풋프린트까지 측정될 수 있다. 고정된 시야(FOV)에 대해, 조향 미러(23)의 회전은 이미징 렌즈(22) 상에서 광학 빔의 사이즈를 증가시키지 않으면서 출사동(16) 위치를 이동한다. PGU(106) 다음에는 이미징 렌즈(22) 및 윈드쉴드(101)가 있다. 전체 시스템은 중간 이미지 평면이 가상 이미지 평면과 관찰자의 망막에 광학적으로 공액이고, 중간 출사동 평면이 사용자의 눈 동공들이 존재하는, 실제 출사동 평면과 광학적으로 공액이도록 설계되었다. 광학 설계에 의존하여, PGU의 렌즈들은 중간 출사동 평면 이전에, 평면 상에, 또는 평면 이후에 배치될 수도 있다.

도 2b를 참조하면, RGB 기반 가산 컬러/광 모델이 개시된 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 광원 모듈로서 좌측 측면 상에 나타나 있다. x-큐브 형태의 이색성 프리즘(dichroic prism)은 짧은 초점 길이 콜리메이터 렌즈들을 통해 각각 시계 방향으로 적색, 녹색 및 청색 광을 방출하는 3개의 상이한 광원 사이에 공간적으로 중심에 있는 방식으로 활용된다. 결합된 광빔은 확장된 소스를 향해 이색성 x-큐브를 출사한다. 광원들은 LED 또는 레이저 기반 광원들 또는 조합일 수 있다. 소스의 사이즈는 광원의 공간적 코히런스를 제한하도록 조정된다. 도 2b의 우측 측면에서, 좌측 측면의 광원 모듈은 공간 필터(151) 뒤에 확장된 소스와 함께 나타나 있다. 그러한 실시예들에서, PGU는 이미지 소스로서 DMD 또는 LCOS를 사용하여 구현된다. 광원 모듈에 의해 생성된 광은 중간 출사동 평면(24) 상에 이미징되고, DMD 또는 LCOS 디바이스는 수렴 빔 경로 상에, 가능하게는 도시된 바와 같이 틸트된 방식으로 배치된다. 공간 필터(151)는 중간 출사동 평면(24) 상에 배치될 수도 있으며, 그 후 PGU(106)에서의 렌즈 또는 렌즈들의 조합이 개시된 발명의 적어도 하나의 실시예에 따라 중간 이미지 평면(32) 이전에 존재한다.

도 2c를 참조하면, PGU(106)가 스캐닝 레이저 프로젝터를 사용하여 구현되도록 중간 출사동 평면(24)과 광원(11) 및 렌즈 구성과 스캐너가 일치한다. 스캐너는 MEMS 기술을 사용하여 제작된 2개의 1D 스캐너 또는 1개의 2D 스캐너일 수 있다. 이 실시예에서, 스캐닝 레이저 프로젝터의 출사 개구는 시스템의 중간 출사동 평면(24)이 되며, 이는 출사동 평면(17) 상에 형성된 출사동(16) 상에 이미징된다. 상기 스캐닝 레이저 프로젝터는 중간 이미지 평면(32)에서 중간 이미지를 만들고, 그 각각의 픽셀은 개시된 발명의 적어도 하나의 실시예에 따라 스캐너의 소정 각도에 의해 만들어진다.

도 2d를 참조하면, 홀로그래픽 프로젝터는 광원(11) 및 렌즈 구성뿐만 아니라 중간 출사동 평면(24) 상에서, 그 상에 디스플레이된 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램들을 통해 중간 출사동을 만드는 거의 콜리메이트된 빔 경로 상에 배치된 SLM(13)을 포함한다. 중간 출사동 평면(24)은 출사동 및 변조되지 않은 빔들 등의 고차 레플리카들과 같은 원하지 않는 빔들(14b)로 또한 파퓰레이트된다. 중간 출사동 평면(24) 상에 배치된 공간 필터(151)는 원하지 않는 빔들(14b)은 제거하고 신호 빔 또는 원하는 변조된 빔(14)만 통과하게 한다.

도 2e를 참조하면, 개시된 발명의 적어도 하나의 실시예에 따라 2개의 후면 조명 광원을 갖는 LCD 패널이 나타나 있다. 그러한 실시예에서, PGU(106)는 이미지 소스로서 단일 투과 LCD 패널을 사용하여 구현된다. 광원 모듈에 의해 생성된 광은 중간 출사동 평면(24) 상에 이미징되고 LCD는 수렴 빔 경로 상에 배치된다. 공간 필터(151)는 시스템 출사동(16)의 사이즈를 제어하기 위해 중간 출사동 평면(24) 상에 배치될 수도 있다. 더 일반적인 디스플레이 구현을 위해, 전체 디스플레이 시스템은 사용자의 눈(21)이 중간 출사동 평면(24)에 직접 배치될 수 있는 부가 이미징 렌즈(22)를 요구하지 않으면서 기능할 수 있다.

종래(비추적 및 비조향 HUD들)에는 HUD가 사용 중일 때 운전자 동공간 거리 변동들, 운전자 높이 변동들 및 사용자의 헤드 틸트 및 수직, 수평 및 축 이동들을 커버하기 위해 약 13cm x 13cm의 출사동이 있다. 종래 기술에서는, 광학 확산기 또는 개구수 확장기가 출사동들(16)을 확대하는데 사용된다. 상기 광학 확산기 또는 개구수 확장기는 광선들의 단방향 통과만을 제공하므로, 원하는 대로 광선들을 지향시키고 조작하는 것이 더 어려울 것이다. 게다가, 본 발명은 더 작은 출사동(16)을 달성하는 것을 목표로 하므로, 중간 이미지 평면은 임의의 광학 확산기 또는 개구수 확장기가 없다. 도 3은 더 작은 출사동(16)이 운전자의 눈 포지션들과 함께 출사동 평면(17) 상에 형성되고 조향되는 다른 실시예를 나타낸다. 이러한 방식으로, HUD(10)가 순간에 제공해야 하는 광선들의 세트가 상당히 감소하기 때문에, 주어진 FOV에 대해 광학 시스템의 필요한 볼륨이 훨씬 더 작아지게 된다. 또한, 표준 윈드실드들(101a)의 경우에도 윈드실드(101)의 후면(외부 대면 측)으로부터의 반사에 의해 야기된 윈드실드(101) 관련 고스트 이미지들이 완전히 회피될 수도 있다(웨지 윈드실드가 필요하지 않음). 이것은 출사동들(16)이 작을수록 고스트 출사동들(205)과 실제 출사동들(16)이 명확하게 분리된다는 사실에 기인한다. 또한, 종래 HUD들에서의 웨지 솔루션들이 가상 이미지 거리의 부근(약 0.1 디옵터 간격) 내에서만 고스트 효과들을 회피하는데 도움이 되는 반면, 눈 추적된 HUD 구성들은 모든 가상 이미지 거리들에 대해 고스트들을 회피한다. 눈 추적된 HUD 시스템들은 동적 왜곡 보정을 수행할 수 있으며, 이는 원칙적으로 운전자의 모든 가능한 뷰포인트들에서 제로 이미지 왜곡을 제공할 수 있다. 대조적으로, 눈 추적되지 않는 종래 솔루션들은 큰 출사동(16)의 서브세트(대부분 하나 또는 2개의 포인트로 구성됨)에서만 왜곡 없는 이미지들을 제공할 수 있으며, 출사동(16)의 잔여 부분들에서 허용범위 내에 왜곡이 유지되는 것을 보장하기 위해 특별한 주의가 취해져야 하므로, 일반적으로 광학 설계를 복잡하게 하여 HUD 볼륨을 증가시킨다. 생성된 광의 더 많은 부분을 운전자의 눈에 제공하고, 운전자의 안면에 덜 낭비하는 눈 추적된 HUD들은 명백히 훨씬 더 광 효율적이다.

도 3에서 제1 이미지는 하나의 출사동(16)과 하나의 픽처 생성 유닛(PGU)(106)을 갖는 실시예를 나타낸다. 실현 면에서, 이 경우가 가장 쉬운 옵션이다. 단지 하나의 출사동(16)과 하나의 PGU(106)만이 있다. 수평으로 7 내지 8cm, 수직으로 0.3 내지 1cm의 통상적인 사이즈로, 사용자 동공(21b) 양자 모두를 커버하기에는 충분하다. 표준 윈드쉴드(101)에 대해, 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 1cm 미만이고, 출사동(16)과 고스트 출사동(205)은 실질적으로 오버랩하지 않는다. 상기 길이가 5mm 미만이면, 심지어 추가 성능이 달성된다. 운전자가 미리 정의된 헤드 볼륨(212)에서 헤드를 이동할 때, 아이박스는 사용자의 동공(21b) 포지션들과 최상으로 매칭하도록 수평, 수직 및 축 방향들로 조향될 수 있다. 헤드 볼륨은 횡방향 평면에서 10cm x 10cm 초과이고 윈드쉴드로부터의 거리는 축 방향 및 종 방향으로 각각 통상의 자동차에서 80cm에서 120cm까지 달라질 수 있다. 이러한 접근법은, 종래 눈 추적되지 않는 HUD들에 비해 더 광 효율적이지만, 두 눈 사이의 광이 손실되기 때문에 여전히 약간의 광 비효율을 겪고 있다. 동적 왜곡 보정이 가능하지만, 공통 디스플레이가 양쪽 눈을 다루기 때문에 제한적이다. 아이박스의 조향은 3가지 모션 자유도(209)(수평, 수직 및 축 모션)을 제공하는 액츄에이터들에 의해 제공된다.

도 3에서 제2 이미지는 2개의 출사동(16)과 하나의 PGU(106)를 갖는 실시예를 나타낸다. 이 옵션은 하나의 출사동(16)과 하나의 PGU(106) 솔루션의 더 광 효율적인 버전이며, 여기서 광은 사용자의 동공(21b)에만 제공되며 - 사용자의 동공(21b) 사이의 안면 영역에서 광이 낭비되지 않는다. 이것은 각 눈에 대해 하나씩, PGU(106) 내에서 2개의 별도 조명 모듈을 사용하여 실현될 수도 있다. 조명 모듈은 LED 또는 레이저와 같은 적색, 녹색 및 청색 광원을 포함한다. 이것은 콜리메이션 및 포커싱 렌즈, 그리고 이색성 미러, 펠리클 빔 스플리터, 홀로그래픽 결합기 또는 x-큐브 결합기와 같은 컬러 빔 결합기를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 아이박스는 수직으로 약 0.5 내지 1cm 이고, 수평으로 1 내지 2cm 이다.

도 3에서 제3 이미지는 2개의 출사동(16)과 2개의 PGU(106)를 갖는 실시예를 나타낸다. 2개의 별도 PGU(106)는 각 눈에 2개의 별도 아이박스를 제공한다. 2개의 독립적인 PGU(106)를 갖기 때문에, 원칙적으로 시스템은 사용자의 동공들(21b)의 가능한 모든 포지션에 대해 왜곡 없는 이미지들을 양쪽 눈에 전달할 수 있다. 시스템은 3개의 모션 자유도(209)를 제어하기 위해 액츄에이터들을 사용하여 독립적으로 좌안용 출사동(16a) 및 우안용 출사동(16b)을 조향할 수 있다.

2개의 출사동(16)과 하나의 PGU(106)가 있는 실시예와 2개의 출사동(16)과 2개의 PGU(106)가 있는 실시예 사이의 중간 옵션은, 3개의 모션 자유도(209)를 사용하여 좌안용 출사동(16a)과 우안용 출사동(16b)을 함께 조향하도록 좌측 및 우측 아이 박스들에 공통인 액츄에이터들을 가져야 한다. 구현 면에서 더 용이하지만, 이 솔루션은 해결될 수 있는 눈 포지션들의 범위가 제한적이다.

순시 출사동들(16)은 헤드 볼륨(212)의 단면인 확장된 출사동 영역 상에 정의된다. 출사동들(16)은 확장된 출사동 영역에서 동적 타겟들로서 이동한다.

도시된 옵션에서는, 별도의 액츄에이터들이 각각의 아이박스에 사용되어, 헤드 틸트, IPD, 이동 등을 포함한 넓은 가능한 눈 포지션들의 세트를 제어하는 능력을 제공한다. 각각의 아이박스는 수직으로 약 0.5 내지 1cm 이고, 수평으로 1 내지 2cm 이다.

도 3에서 제4 및 제5 이미지들은 아이박스들이 수직으로 의도적으로 더 좁아졌다는(약 3mm까지) 사실을 제외하고, 제3 이미지에 대해 나타낸 것과 유사하다. 이러한 방식으로, 사용자의 동공들(21b)을 필터들로서 사용함으로써, 윈드쉴드(101) 관련 고스트 출사동들(205)이 또한 제거될 수 있다. 고스트 출사동(들)(205, 좌안 및 205, 우안)은 좌안용 출사동(16a) 및 우안용 출사동(16b) 위 또는 아래에 나타나며 중간 거리는 윈드쉴드의 두께 및 웨지 각도와, 운전자에 대한 거리에 의해 결정된다.

도 4는 조향가능한 출사동들을 갖는 HUD 시스템의 일반 아키텍처를 나타낸다. 각 눈에 대해 하나씩 2개의 PGU(106)는 광원들 및 시각 정보의 소스들(예를 들어, LCD, LCoS 마이크로디스플레이, 공간 광 변조기, 마이크로 OLED 디스플레이, 스캐닝 피코 프로젝터, DMD 등)로 구성된다. PGU들(106)은 중간 출사동들로 명명되는 출사동들(16)의 제1 레플리카를 형성한다. 중간 출사동들은 이미징 렌즈(22), 조향 미러(23) 및 윈드쉴드(101)의 조합에 의해 이미징되어 사용자의 눈(21)이 존재하는 출사동 평면(17) 상에 실제 출사동들을 형성한다. 사용자의 눈(21)은 수평, 수직 또는 축 방향들의 임의의 조합으로 이동할 수 있다. 시스템 내의 액츄에이터들은 사용자의 동공들(21b)과 함께 출사동들을 조향하는데 사용된다. 도시된 실시예에서, 총 8 자유도(209) 액츄에이션을 갖는 액츄에이션 방식이 사용된다. 2개의 별도 x/y/z 스테이지는 각각의 PGU(106)에 부착되고, 수평 및 수직 방향들로 양자의 PGU로부터의 빔들을 동시에 틸트하는 조향 미러(23)에 의해 보충된다.

사용자의 헤드가 횡방향(x-y) 평면에서만 이동하도록 제한되고 축(z) 방향으로는 이동하지 않았던 경우, 및 사용자의 헤드가 어떠한 상당한 틸트도 갖지 않을 것임이 보장되었던 경우(즉, 좌안 및 우안의 수직 포지션들에서 상당한 차이가 없음), 조향 미러(23) 자체로 충분할 것이다. 사용자 헤드의 축 모션을 설명하기 위해, PGU들(106) 상의 z 스테이지들이 사용될 수도 있다. 개시된 발명의 실시예에서, 사용자가 윈드쉴드(101)로부터 멀어지면, PGU들(106)은 이미징 렌즈(22)에 더 가까워질 수 있으므로, 실제 출사동들은 윈드쉴드(101)로부터 더 멀리 형성되며, 그 역 또한 마찬가지이다. 그러나, 이미지의 축 포지션에서의 변화는 일반적으로 측면 배율의 변화가 또한 동반되어, 좌측 및 우측 출사동들 사이의 거리 변화로 이어짐을 유의해야 한다. PGU들(106)의 x 스테이지들은 배율을 유지하고 따라서 IPD를 일정하게 유지하는데 사용될 수도 있다. 일례로서, PGU들이 이미징 렌즈들에 더 가까워지게 될 때, 이들 사이의 수평 거리가 감소될 수 있으므로, 실제 출사동들 사이의 거리는 사용자 측에 대해 동일하게 유지된다. PGU들의 y 스테이지들은 주로 틸트된 헤드 포즈들 또는 수직 축에서 사용자 동공들(21b)의 비평면 포지셔닝에 의해 야기된, 사용자의 눈 포지션에서의 수직 차이를 설명하는데 필요하다. 이미징 렌즈(22) 또는 렌즈 시스템은 또한 출사동(16)의 z 포지션을 조정하기 위해 조정가능한 초점 길이를 가질 수 있다.

각각의 액츄에이터의 주요 책임은 위에 언급한 바와 같지만, 시스템 수차들 및 근축 거동으로부터의 다른 편차들 고려되는 실제 광학 설계에서는, 사용자 모션과 액츄에이터 파라미터들 사이의 이러한 단순한 연관들이 완벽하게 가능하지 않을 수도 있음을 유의해야 한다. 일반적으로, 액츄에이터 파라미터들은 출사동들이 주어진 쌍의 좌안 및 우안 동공 위치들에 가능한 한 최상으로 매칭되도록 동시에 최적화되어야 한다.

도 5a 및 도 5b는 액츄에이터들을 구동하는데 사용될 수도 있는 상이한 구현들을 나타낸다. 일 실시예에서; X, Y, 및 Z 스테이지들(3축들)은 운전자가 운전석에 앉았을 때 처음에 조정될 수도 있다. 그 후, 운전자가 포지션의 상당한 변화를 행하지 않는 한 이들은 수정되지 않는다. 이러한 초기 교정은 사용 중에 간헐적으로 반복될 수 있다. θ _x , θ _y 스테이지들은 매 순간 사용자의 동공(21b)에 아이박스들을 매칭하도록 동적으로 조정된다. 다른 실시예에서, 출사동들(16)이 매 순간에, 최적의 방식으로 운전자의 동공들 상에 이미징되도록 모든 스테이지들이 동적으로 액츄에이트된다. 각각의 액츄에이터는 주로 하나의 유형의 사용자 파라미터 또는 모션(리스팅된 바와 같음)을 담당하지만, HUD 옵틱스의 특정 상세들은 액츄에이터들의 효과들 사이에 일부 소수의 커플링을 도입할 수도 있다는 것에 유의한다. 이 때문에, 일반적으로 완전히 최적화된 추적은 모든 액츄에이터들이 동적으로 그리고 실시간으로 조정되는 것을 필요로 할 것이다.

도 5c는 2개의 추적 스폿(27)이 운전자의 안면에 형성되는 도 5b와 유사한 예시적인 시퀀스를 나타낸다. 추적 스폿들(27)은 헤드 추적 컨트롤(104) 시스템에 대한 폐쇄 루프 피드백 메커니즘을 제공하여 액츄에이터들이 사용자의 눈에 출사동(16)을 매칭하도록 실제로 조정되는 것을 보장한다. 스폿은 사용자의 안면을 타격하는 적외선 레이저에 의해 형성될 수 있고, 사용자의 안면을 향해 지향된 적외선 헤드 추적기 카메라(102)로 식별될 수도 있다.

도 6은 출사동들(16)이 수평 사이즈가 넓고 틸트되도록 형성되는 실시예를 나타낸다. 이러한 방식으로, 다양한 IPD 사이즈들뿐만 아니라 헤드 틸트들은 광학 조향 장치(18)로 처리될 수 있지만, PGU들의 X 또는 Y 모션(z 모션만)은 더 이상 처리되지 않는다. 헤드 틸트가 존재하지 않으면, 작은 IPD를 갖고, 헤드 틸트가 없는 운전자의 눈(201)은 출사동들(16)의 내부 및 하단 코너들에 배치되는 한편, 큰 IPD의, 헤드 틸트가 없는 운전자의 눈(202)은 출사동(16)의 외부 및 상단 코너들에 배치된다. 헤드 틸트들이 있을 때, 출사동의 상이한 부분들이 눈 동공들과 매칭될 수 있으며, 예를 들어 사용자의 동공(21b)에 대해서 작은 IPD, 틸트된 헤드(203) 출사동 배치를 갖는 운전자 경우가 도면에 도시되어 있다. 이러한 틸트된 출사동(16)은: 도 2b에 도시된 DMD 및 LCOS 프로젝터용 광원의 조명 영역을 조정하는 것에 의해; 또는 도 2d에 도시된 홀로그래픽 프로젝터 기반 PGU(106)의 경우 SLM(13)을 틸트하는 것에 의해; 또는 도 2c에 도시된 스캐닝 레이저 프로젝터에 대한 중간 이미지 평면(32)에서 틸트된 렌티큘러 렌즈 어레이 또는 틸트된 1D 확산기와 같은 출사동 확장기를 사용하는 것에 의해 형성될 수 있다.

도 7은 사용자에 대해 허용된 헤드 볼륨(212) 내에서 운전자 헤드의 대안의 축 포지션들과, HUD(10) 내의 액츄에이터들이 출사동들(16)을 축 방향에서 전후로 이동하여 이들을 운전자의 눈 동공들과 매칭하기 위해 어떻게 구성되는지를 나타낸다.

도 8a는 큰 HUD 개구(207)를 필요로 하는, 큰 출사동(16)(항상 전달됨)을 갖는 종래 HUD를 나타낸다. 도 8b는 눈 추적된 HUD(10)가 작은 출사동(16)을 전달하는 것을 나타내며, 이는 HUD 오프닝(207)에 배치된 조향 미러(23)로 조향된다. 이러한 방식으로, HUD 오프닝(207)의 필요한 사이즈가 감소될 뿐만 아니라, 조향 미러(23) 아래에 놓인 HUD의 필요한 볼륨도 감소된다. 플랫 조향 미러(23a)는 아이박스를 이동하고 필요한 HUD 볼륨을 감소시키는데 효과적이다. 이미징 렌즈(22) 치수들 및 HUD의 필요한 볼륨은 곡면 조향 미러(23b)를 사용하여 더욱 감소될 수 있다. HUD 오프닝의 사이즈 공식:

wH= wE + dH/dV *(wV-wE)

wV: 가상 이미지의 사이즈

dV: 출사동 평면까지의 가상 이미지의 거리

wE: 아이박스의 사이즈

dH: 출사동 평면까지의 HUD 오프닝의 거리

wH: HUD 오프닝의 사이즈

비고: 디스플레이 FOV는 다음과 같이 주어진다.

FOV=2*atan( wV/(2*dV) )

도 8c를 참조하면, 개시된 발명의 실시예에 따른 광학 조향 장치(18)로서 사용된 플랫 미러(23a)가 나타나 있다. 플랫 조향 미러(23a)의 사용은 광의 수렴 발산 정도에 영향을 미치지 않는다.

도 8d를 참조하면, 개시된 발명의 실시예에 따른 광학 조향 장치(18)로서 사용된 곡면 조향 미러(23b)가 나타나 있다. 곡면 조향 미러(23b)의 사용은 들어오는 빔이 더 수렴되게 하여, 미러에 선행하는 광학 시스템이 더 컴팩트해질 수 있는 기회를 제공한다.

도 9를 참조하면, 시스템은 이동가능한 동공 포지션과 관련될 수 있는, 이동가능한 조명 소스를 갖는 HUD(10)를 제공한다. 또한, 시스템은 이동가능한 동공 포지션과 관련될 수 있는, 조명 소스들의 어드레스가능한 어레이를 갖는 HUD(10)를 제공한다.

도 10은 광원(11), PGU들(106)과 유사하지만 홀로그래픽 프로젝터용 광 모듈(12)로서 또한 지칭되는 2개의 광 모듈(12), 이미징 렌즈(들)(22) 및 공간 필터(151)를 포함하는 HUD(10)의 일반적인 개략도를 나타낸다. 광원(11)은 적색, 녹색, 및 청색 LED들 또는 레이저 광원들로 구성되고, 조명 렌즈들(111)이 후속하며, 이들은 SLM(13) 전후에 위치되고 공간 필터(151) 평면에 광선들을 전달할 수 있다.

도 10을 참조하면, 홀로그래픽 HUD 기본 광학 시스템 아키텍처는, 특히 홀로그래픽 투영 기반 시스템들에 대해 원하지 않는 빔들(14b)을 차단하기 위해 공간 필터(151)를 사용한다. 원하지 않는 빔들(14b)은 통상적으로 SLM(13)에 의해 생성되고 공간 필터(151)는 원하는 변조된 빔들(14)(출사동들(16) 내에서 뷰어에게 시각 정보를 제공할 빔들)이 출사동 평면(17)에 도달하도록 한다. 2개의 광 모듈(12) - 눈 마다 하나씩 -은 출사동들(16)의 초기 사본을 형성하는데 활용된다. 시각 정보는 PGU들(106)에 의해 생성된다. 컴퓨터에 의해 생성된 홀로그램들은 특수 알고리즘을 사용하여 계산된 위상 전용 패턴들로서 SLM 상에 디스플레이되며 다양한 심도들로 가상 이미지들(105)을 나타낼 수 있다.

광 효율적이고 작은 출사동 HUD(10) 시스템을 달성하기 위해, 각각의 광 모듈(12)은 공간 필터(151) 평면 상으로 적어도 하나의 포인트 광원(11)을 이미징한다. 다른 실시예에서, HUD는 2개의 포인트 광원(각 눈에 대해 하나씩)을 갖는 양쪽 눈을 위한 단일 광 모듈을 가질 수도 있다. 원하지 않는 빔들(14b)- 변조되지 않은 빔, 노이즈 빔, 및 고차 레플리카들 -은 공간 필터(151) 평면에서 공간적으로 분리되며, 따라서 원하는 빔만이 영향을 받지 않고 통과하도록 하는 개구들로 필터링될 수 있다. 도 10에서, 광학 모듈은 간단한 4-f 망원경으로서 구현된다. 실제 설계에서, 이 모듈은 공간 필터 평면(151)에 소스를 이미징하는 임의의 이미징 시스템일 수 있고, 반사, 굴절, 멀티 파트, 컨벤셔널(conventional), 회절, 자유형 컴포넌트들을 포함할 수도 있으며, 이들 중 일부는 축외에서 및/또는 폴드들을 도입하는데 사용될 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 마찬가지로, SLM(13)은 투과 컴포넌트들로서 도시되지만, 반사 컴포넌트일 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(11) 또는 도파관 플레이트로부터 직접적으로 축외 조명이 사용되어 SLM(13)을 조명할 수 있다. 도파관 플레이트는 내부 전반사를 사용하여 광을 안내하는, 도파관의 안팎으로 광을 커플링하는데 사용될 수 있다.

좌안 및 우안에 대한 신호 빔들만을 통과시키는 개구들로 구성되는 공간 필터(151) 평면은, 뷰어의 눈이 존재하게 될 실제 출사동 평면(17)으로 이미징된다. 그 이미징은 도면에서 이미징 렌즈(22)에 의해 수행진다. 이미징은 일반적으로 비-유니티(non-unity) 배율을 수행할 수도 있다. 아마도, 시스템 후면에 있는 옵틱스 모듈들이 최소 가능한 볼륨을 점유하여, 공간 필터 평면(151) 상의 출사동들(16)의 사본들이 통상의 인간 동공간 거리들보다 서로 훨씬 더 가깝도록 하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 경우들에서, 이미징 시스템의 배율은 유니티보다 크게 될 것이고 이미징 시스템은 광학 왜곡들 및 수차들을 야기할 수 있다. 이 도면에서, 공간 필터(151)와 출사동 평면들(17) 사이의 이미징은 단일 이미징 렌즈(22)로 달성된다. 실제 설계에서, 이 렌즈는 반사, 굴절, 컨벤셔널, 멀티 파트, 회절, 자유형 컴포넌트들을 포함할 수도 있으며, 이들 중 일부는 축외에서 및/또는 폴드들을 도입하는데 사용될 수도 있는, 임의적인 이미징 시스템으로 대체될 수 있음을 유의해야 한다. 이 도면에서, 뷰어에 의해 관찰된 가상 이미지(105)는 먼저 중간 이미지 평면(32) 상에 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 사용자로부터 가상 오브젝트 평면의 거리에 의존함을 유의한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 포인팅 레이저 빔, 바람직하게는 적외선 레이저 빔은, 광 모듈(12)의 일부일 수 있고 출사동 평면(17)에서 실질적으로 포커싱된 추적 스폿(27)을 제공할 수 있다. 추적 스폿(27) 또는 다중 추적 스폿들(27)은 헤드 추적 시스템에 의해 쉽게 검출될 수 있으며 출사동(16)을 사용자의 동공(21b)을 향해 지향하기 위해 사용자의 동공(21b)을 찾기 위한 자동 교정을 제공한다. 도 10은 2개의 PGU(106)- 눈 마다 하나씩 -를 사용하여 시스템 출사동들의 초기 사본을 형성하는 HUD 시스템 아키텍처를 도시한다. 이러한 사본들은 후속하여 도면에서 단일 피스 렌즈로 예시되는, 확대경 옵틱스에 의해 실제 출사동들(16)에 이미징된다. 시각 정보는 PGU들(106) 내에서 생성된다. 여기서 이미지 소스는 광원(11)에 의해 조명되는, LCD, LCoS, DMD 등과 같은 공간 광 변조기(13)인 것이 가정된다.

일부 실시예들에서, SLM들(13)은 강도 변조를 수행하는 마이크로디스플레이들로서 활용될 수도 있으며, 이 경우 이들은 사용자에게 제시된 가상 콘텐츠의 투시 이미지들(의 아마도 왜곡된 버전)을 디스플레이하는데 사용된다.

다른 실시예들에서, SLM들(13)은 위상 및/또는 진폭 변조기들로서 활용될 수도 있으며, 이 경우 이들은 사용자에게 제시된 가상 콘텐츠에 대응하는 홀로그램들을 디스플레이하는데 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 광원(11)은 별도로 존재하지 않을 수도 있고, 오히려 백라이트 LCD 모듈과 같은 공간 광 변조기에 부착될 수도 있다.

일부 실시예들에서, 광원(11)이 전혀 활용되지 않을 수도 있지만, 오히려 자체 발광형 마이크로 OLED 디스플레이와 같은 이미지 소스의 고유한 부분일 수도 있다.

일부 실시예들에서, PGU(106)는 스캐닝 레이저 피코 프로젝터로서 실현될 수도 있으며, 이 경우 출사동(16)의 초기 사본은 피코 프로젝터의 스캐닝 미러와 일치한다.

도 10에서, 공간 필터(151)와 출사동 평면들(17) 사이의 이미징은 단일 이미징 렌즈(22)로 달성된다. 다른 실시예에서, 이미징 렌즈(22)는 반사, 굴절, 컨벤셔널, 멀티 파트, 회절, 자유형 컴포넌트들을 포함할 수도 있으며, 이들 중 일부는 축외에서 및/또는 폴드들을 도입하는데 사용될 수도 있는, 임의적인 이미징 시스템으로 대체될 수 있다. 사용자에 의해 관찰된 가상 이미지는 먼저 중간 이미지 평면(32) 상에 실제 이미지로서 형성된다. 이 실제 이미지는 이미징 렌즈(22)에 의해 최종 가상 이미지에 매핑된다. 중간 이미지 평면(32)의 위치는 사용자로부터 가상 이미지 평면(204)의 거리에 의존함을 유의한다. 3D 가상 콘텐츠에 대해, 각각의 가상 이미지 평면(204)에 대한 중간 이미지 평면들(32)은 연속체를 형성한다.

도 11을 참조하면, PGU(106)는 본 실시예에서 스캐닝 미러 또는 조향 미러(23)로 도시되는, 광학 조향 수단에 조명을 제공한다. 사용자의 눈(21)이 21-A, 21-B, 21-C로서 나타낸 상이한 위치들로 이동함에 따라, 헤드 추적기 카메라(102)는 사용자의 동공(21b)의 새로운 포지션을 검출하고 조향 미러(23)가 그에 따른 포지션들(23-A, 23-B 및 23-C)로 편향된다.

도 12a를 참조하면, 조향 미러(23)는 회전 축을 중심으로 그 뒤에 놓인 가상 공간을 효과적으로 회전한다. 조향 미러(23)의 회전은 또한 가상 오브젝트들의 회전을 야기할 수 있다. 보정 투사 이미지들은 사용자의 좌안 및 우안(21, 좌) 및(21, 우) 및 이들의 포지션들의 위치에 따라 렌더링되어야 한다. 특정 경우들에서, 조향 미러(23)가 오브젝트 평면에 공액인 경우, 가상 이미지(105) 평면 상에 배치된 가상 오브젝트는 조향 미러(23)의 회전에 관계없이, 정지상태를 유지한다. 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22)와 출사동 평면(17) 사이의 평면에 배치된다. 이러한 경우, 필요한 미러 클리어 개구 사이즈는 클 것이지만, 필요한 틸트 각도들은 작을 것이다. 또한 이미징 렌즈(22)는 작을 것이다. 출사동의 조향은 스캐닝 미러를 통해 달성될 수 있다. 스캐닝 미러는 HUD 시스템에서의 다양한 위치들에 배치될 수 있다.

도 12a에서, 스캐닝 미러는 이미징 렌즈(22)와 출사동 평면(17) 사이의 평면에 배치된다. 이러한 경우, 필요한 미러 클리어 개구 사이즈는 클 것이지만, 상이한 출사동(16) 포지션들을 어드레스하는데 필요한 틸트 각도들은 작을 것이다.

도 12a의 구성에서, 이미징 렌즈에 필요한 개구 사이즈는 동일한 시야에 대해, 도 12c의 것과 비교하여 더 작다는 것에 유의한다. 이는 이미징 옵틱스에 의해 야기된 수차 측면에서 부가적인 이점을 제공하며, 또한 전체 옵틱스를 보다 컴팩트하게 유지할 가능성이 있다.

스캐닝 미러는 회전 축을 중심으로 그 뒤에 놓인 가상 공간을 효과적으로 회전한다는 것을 유의한다. 일반적으로, 이미지 소스 상의 콘텐츠가 업데이트되지 않으면, 스캐닝 미러는 가상 오브젝트들의 회전을 또한 야기할 것이다. 따라서, 일반적으로, 이미지 소스 상의 콘텐츠는 출사동들(16)의 위치에 따라 렌더링된 정확한 투사 이미지들에 기초하여, 각각의 새로운 스캔 포지션에 대해 산출되어야 한다.

특정 경우들에서, (도 12c와 같은) 회전 미러가 오브젝트 평면에 공액인 경우, 그 평면 상에 배치된 가상 오브젝트는 스캐닝 미러의 이동에 관계없이, 정지상태를 유지한다.

도 12b에서, 공간 필터(151) 평면은 광원(11) 및 출사동 평면(17)의 광학적 공액이다. 도 12b에 도시된 거리들이 주어지고 이미징 렌즈(22)가 f의 유효 초점 거리를 갖는다고 가정하면, 본 실시예에서는 다음의 관계들이 만족된다.

도 12c에서, 조향 미러(23)는 공간 필터(151) 평면과 이미징 렌즈(22) 사이의 평면에 배치된다. 이러한 경우, 조향 미러(23)의 필요한 클리어 개구는 더 작을 것이지만, 필요한 틸트 각도는 더 클 것이다. 동일한 시야에 대해, 도 12a의 이미징 렌즈(22)에 필요한 클리어 개구 사이즈는 도 12c의 것과 비교하여 더 작다는 것을 유의한다. 더 작은 클리어 개구는 이미징 렌즈(22) 또는 렌즈에 의해 야기된 수차를 감소시키고 HUD(10) 옵틱스의 전체 볼륨을 감소시키기 때문에 중요한 부가 이점들을 제공한다.

도 13a를 참조하면, 헤드 틸트는 하나의 눈 광 모듈(12)을 다른 눈 광 모듈(12)에 대해 이동함으로써 보상될 수 있다. 도 13b는 2개의 폴드 미러를 사용하여 한쪽 눈에 대해 출사동(16)을 수직으로 이동하는 것을 보여주며, 여기서 미러들 중 하나는 도시된 바와 같이 이동가능하다. 폴드 미러의 수직 상향 모션은 대응하는 출사동(16)의 수직 하향 이동을 유발한다. 일부 실시예들에서, PGU들(106) 자체가 출사동들(16)의 횡방향 포지션을 변경하기 위해 상/하 또는 좌/우로 이동될 수 있다.

일부 다른 실시예들에서, PGU들(106) 이후에 배치된 컴포넌트들은 도 5(a)에 도시된 것과 같은 PGU들(106)을 효과적으로 이동하기 위한 모션에 있을 수도 있다.

도 14a는 항상 큰 아이박스가 존재하는 종래 HUD 시스템의 인라인 등가물을 나타낸다. 시야는 가상 이미지 평면(204)의 사이즈에 의해 결정되고 HUD(10) 사이즈는 시야 및 출사동(16) 사이즈에 따라 증가한다. 도 14b는 작은 출사동(16)이 한 번에 존재하고 사용자의 눈(21)에 따라 조향되는 동공 추적기 & 조향 미러(23) 기반 HUD 시스템의 인라인 등가물을 나타낸다. 가상 오브젝트 포인트들로부터 작은 아이박스로 전달된 광선들의 원뿔의 감소로 인해, HUD의 전체 사이즈 및 볼륨은 종래 비추적 대형 아이박스 디자인들에 비해 볼륨이 상당히 더 작다. 도 14c는 조향 미러(23)에 의해 출사동 평면(17) 상에서 조향되는 출사동(16)을 나타낸다. 가상 이미지는 조향 미러(23)의 회전에 의해 회전된다. 가상 오브젝트들을 제자리에 고정시키려면, PGU들(106) 상의 콘텐츠가 적절한 병진들 및 회전들로 업데이트되어야 한다.

도 15를 참조하면, HUD(10) 시스템은 운전자의 높이에 관계없이, 일정한 룩다운 각도(210)(LDA, 수직 FOV의 중심 라인으로서 정의됨)를 제공한다. 제로 LDA는 사용자 시선의 중심이 수평선과 정렬되는 경우를 지칭한다. 표준 윈드쉴드(101a)의 경우, 이것은 일반적으로 수직 FOV가 LDA(210)에 중심이 되도록 HUD(10) 모듈이 윈드쉴드(101) 하부에서 병진되는 것을 필요로 한다. 마찬가지로, 수직 방향으로 전체 HUD(10)의 병진은 출사동 평면(17)을 윈드쉴드(101)를 향해 그리고 이로부터 멀리 축 방향으로 이동한다. 다른 실시예에서, 이미징 렌즈(22) 또는 렌즈 시스템은 출사동(16)의 축 포지션을 조정하기 위해 조정가능한 초점 길이를 가질 수 있다.

도 16을 참조하면, 대안의 실시예에서, 병진 모션 HUD(10)에 의존하지 않으면서 고정된 LDA(210)를 제공하면 그 중심 포지션을 중심으로 회전될 수도 있고, 이는 또한 HUD(10)의 출사 개구에 배치된 조향 미러로도 회피될 수도 있다. 홀로그래픽 광학 엘리먼트(HOE)(206)는 3개의 파장에 대한 레이저 간섭계 및 홀로그래피의 원리들을 사용하여 기록되고 투명 기판 상에 배치될 수도 있으며, 이는 그 후 윈드쉴드(101)의 내부 측 상에 배치된다. HOE(206)는 본질적으로 HUD(10) 오프닝의 중심에서 나오는 광선들을 무한대로 이미징하는 포물면 미러처럼 작용한다. 유사한 방식으로, HUD(10)는 조향 휠 뒤, 차량 천장 근방, 후방 뷰 미러 위치 근방의 축외 위치, 또는 운전자 뒤에 배치될 수 있고, HOE(206)는 상이한 RGB 파장 광원들 및 윈드쉴드 틸트 각도들에 최적화된 부가 틸트 텀(term)을 사용하여 LDA를 조정할 수 있다.

도 17은 PGU(106)에 의해 생성된 광이 빔 폴드 미러들(211)로 3회 지향된 다음, 빔 스플리터(33)에 의해 또는 바람직하게는 자유형 미러의 형태로 이미징 렌즈(22)를 향해 편광된 빔 스플리터(PBS)에 의해 반사된 후, 빔 스플리터(33)에 재지향되어 이번에는 통과하여 조향 미러(23)의 형태로 광학 조향 장치(18)에 도달하는 HUD(10) 옵틱스의 작은 볼륨 실현을 나타낸다. s 및 p 편광들의 윈드쉴드 반사율들은 지면에 대한 윈드실드(101) 각도를 조정하고 HUD 내부 또는 윈드실드 표면 상에 편광 회전 필름을 부가함으로써 제어될 수 있다. 이것은 사용자가 편광 선글라스를 착용하고 HUD 디스플레이를 보는 것을 가능하게 할 수 있다.

도 18은 표준 윈드쉴드(균일한 두께와 평행한 표면들을 가짐)가 사용되고 큰 비-추적 출사동이 형성될 때, 디스플레이가 일반적으로 가상 콘텐츠(상단 좌측)의 고스트 이미지(208) 사본들을 생성하는 것을 나타낸다. 하나의 솔루션은 가상 디스플레이를 무한대로 배치하는 것이며, 이 경우 고스트 이미지(208) 및 실제 가상 이미지(105)는 서로 병합되어, 고스팅 문제(하단 좌측)을 제거한다. 그러나 이 옵션은 "이미지 소스(LCD)"와 이미징 렌즈 사이에 더 큰 분리, 및 이에 따른 더 큰 HUD 볼륨을 필요로 한다. 다른 솔루션은 웨지 윈드쉴드를 사용하는 것이며, 이 경우 웨지 각도(상단 우측)에 의존하여, 무한대보다 가까운 일부 가상 이미지 거리에 대해 고스트 이미지(208)와 실제 이미지가 서로 병합된다. 그러나, 고스팅 문제는 여전히 단일 가상 이미지 거리에 대해서만 해결된다. 헤드 볼륨(212) 내에서 운전자 높이가 달라질 때, 웨지 윈드실드(101b) 솔루션은 잘 작동하지 않고 광학 경로들 및 윈드실드(101)의 곡률 변화들로 인해 고스트 이미지 문제가 지속된다. 본 발명에서, 눈 추적된 작은 출사동 HUD, 실제 및 고스트 출사동들(205)은 서로 공간적으로 분리된다(하단 우측). 그 결과, 모든 가능한 가상 이미지 거리들에 대해 고스팅 문제가 동시에 제거되는데, 이는 작고 추적된 출사동 HUD 솔루션에 고유한 이점이다.

도 19a는 가상 이미지(105)와 고스트 이미지(208) 사이의 각도 분리의 변화가 가상 이미지 평면(204) 거리 또는 가상 이미지(105) 거리(디옵터 단위)의 함수로서 나타낸 것을 보여준다. 가상 이미지(105) 거리가 무한대로 설정될 때, 고스트 이미지(208)는 표준 윈드쉴드(101a)에 문제가 되지 않는다. 고스트 이미지(208)는 각도 분리가 인간 눈의 해상도(1 arcmin)를 초과할 때 명확해지며, 이는 가상 이미지(105) 거리가 12 미터 미만일 때의 경우이다. 소정 일정한 웨지 각도를 갖는 웨지 윈드쉴드(101b)는 특정 가상 이미지(105) 거리에 대해서만 고스트 이미지(208)를 제거한다. 7.5 미터와 2.5 미터에 대해 최적화된 웨지 각도들을 가진 2개의 상이한 웨지 윈드쉴드(101b)가 그래프에 나타나 있다. 이러한 경우는 윈드쉴드(101)가 평탄하고 지면 또는 수평선과 35도 각도를 이룰 때 유효하다. 시뮬레이션을 위한 가정들은: 윈드쉴드의 굴절률이 1.5이고, 윈드쉴드 두께가 그의 중심에서 5mm이며, 윈드쉴드와 운전자 사이의 거리는 1 미터이다.

도 19b는 가상 이미지(105)와 고스트 이미지(208) 사이의 각도 분리에서의 변화가 웨지 각도의 함수로서 도시된 것을 나타낸다. 가상 이미지 거리가 50 미터 이상으로 설정될 때, 웨지 각도는 고스트 이미지들을 회피하기 위해 0이어야 한다. 최적의 웨지 각도는 그래프에 나타낸 바와 같이, 상이한 가상 이미지(105) 거리들에 대해 상이하다. 최적의 웨지 각도는 가상 이미지 거리가 감소함에 따라 증가하고 모든 가상 이미지 거리들에 대해 포지티브이다. 이러한 경우는 윈드쉴드(101)가 평탄하고 지면과 35도 각도를 이룰 때 유효하다. 윈드쉴드의 굴절률은 1.5이고 그의 중심에서 5mm 두께를 갖는다. 윈드쉴드와 운전자 사이의 거리는 1 미터인 것으로 가정된다. 포지티브 웨지 각도는 지면과 더 가파른 각도를 이루는 윈드쉴드의 외부 표면에 대응한다.

도 19c는 웨지 각도의 함수로서 고스트 아이박스 또는 고스트 출사동(205)과 아이박스(출사동(16))의 중심 사이에서 거리의 변화가 나타나는 것을 보여준다. 3mm 미만의 고스트 아이박스 분리(점선으로 표시됨)는 아이박스와 고스트 아이박스의 오버랩을 유발한다. 그럼에도 불구하고, 분리는 웨지 각도의 모든 포지티브 값들에 대해 간격이 3mm보다 높다. 이러한 경우는 윈드쉴드(101)가 평탄하고 지면과 35도 각도를 이룰 때 유효하다. 윈드쉴드의 굴절률은 1.5이고 그의 중심에서 5mm 두께를 갖는다. 윈드쉴드와 운전자 사이의 거리는 1 미터인 것으로 가정된다. 포지티브 웨지 각도는 지면과 더 가파른 각도를 이루는 윈드쉴드의 외부 표면에 대응한다. 출사동(16) 사이즈 또는 아이박스 사이즈는 3mm인 것으로 가정했다.

도 20은 HUD(10) 상에 디스플레이되는 통상의 대시보드 이미지를 도시한다. 대시보드 데이터의 일부는 속도계, 엔진 RPM, 온도, 시간 판독들, 및 로고들로 구성된다.

도 21은 미러 후면에 부착된 2개의 전자기 액츄에이트 모터를 사용하는 2축 회전가능 조향 미러(23) 구조를 나타낸다. 구성은 조향 미러(23) 구조의 관성을 최소화하도록 설계된다. 대안의 실시예에서는, 더블 짐벌(double gimbal) 구조를 사용할 수 있다. 액츄에이터 모터와 그의 컨트롤러는 진동 면역을 제공하도록 설계되어야 한다. 조향 미러 상에 장착된 미러는 빔 스플리터와 같은 반-투명 광학 컴포넌트, 또는 광학 파워를 갖는 플랫 조향 미러(23a) 또는 곡면 조향 미러(23b) 일 수 있다. 광학 조향 장치(18)는 상기 조향 미러(23), 이들을 이동할 수 있는 액츄에이터들, 및 이들을 제어하는 드라이버들을 포함한다.

도 22를 참조하면, 와가 있는 디스플레이(31)는 중앙 디스플레이(30)와 작은 FOV를 그리고 주변 디스플레이(29)와 큰 FOV를 결합한다. 주변 디스플레이(29)는 윈드쉴드(101)에 부착된 투명 홀로그래픽 스크린을 조명하는 프로젝터를 사용하여 형성될 수도 있다. 주변 디스플레이(29) 이미지가 윈드쉴드(101) 상에 나타나기 때문에, 사용자의 눈(21)은 주변 디스플레이(29) 콘텐츠에 대한 선명한 이미지를 보기 위해 윈드쉴드(101) 상에 포커싱하여야 한다. 사용자의 눈(21)이 중앙 디스플레이(30)(홀로그래픽 투영 모듈 또는 LCoS, DMD 또는 스캐닝 레이저 프로젝터)에 의해 제공된 가상 이미지(105) 상에 포커싱될 때, 주변 디스플레이(29) 이미지가 도면에 도시된 바와 같이 흐릿하게 나타난다.

본 발명의 실시예에서, 상기 조향 미러(23)는 이미징 렌즈(22)와 윈드쉴드(101) 사이에 배치되어 조향 미러(23)의 클리어 개구가 이미징 렌즈(22)의 클리어 개구보다 더 작도록 한다.

본 발명의 실시예에서, 공간 광 변조기 이미지는 출사동 평면(17)으로부터 멀리 윈드쉴드(101)를 향해 25cm와 100cm 사이의 거리에서 나타난다.

본 발명의 실시예에서, 공간 광 변조기 이미지는 출사동 평면(17)으로부터 멀리 윈드쉴드(101)를 향해 100 cm와 500 cm 사이의 거리에서 나타난다.

본 발명의 실시예에서, 공간 광 변조기 이미지는 윈드쉴드(101)로부터 멀리 출사동 평면(17) 뒤에 나타난다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 위상 전용 디바이스이다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 광학적으로 결합되는 공간 광 변조기들(13)의 타일형 어레이인 디바이스이다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 광원(11)으로부터의 입사광의 위상, 강도 또는 조합을 공간적으로 변조한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공간 광 변조기(13)는 컬러 필터들을 포함하는 적어도 2개의 섹션을 추가로 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광원(11)은 LED, 초발광 LED, 레이저 다이오드 또는 광학 섬유에 커플링된 레이저 광원이다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광원(11)은 축외 조명 또는 도파관 플레이트를 사용하여 공간 광 변조기(13) 상에 입사된다.

본 발명의 일 양태에서, 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)을 포함하고, 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 시각 정보를 반송하는 광빔을 생성하고 가상 이미지(105)를 만들도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 헤드업 디스플레이 콘텐츠를 뷰잉하기 위해 출사동 평면(17) 상에 출사동(16)을 형성하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)과 출사동 평면(17) 사이에 배치된 광학 조향 장치(18)를 추가로 포함하여 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)에 의해 만들어진 출사동(16)이 헤드 볼륨(212)의 확장된 동공 영역 상에서 출사동 평면(17)을 가로질러 조향가능하며, 이에 의해 광 효율적이고 더 작은 볼륨 헤드업 디스플레이 디바이스(10)가 획득된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 출사동들(16)은 사용자의 동공들(21b)의 포지션과 정렬하도록 광학 조향 장치(18)를 사용하여 동적으로 조향된다.

본 발명의 추가 양태에서, 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 중간 출사동 평면(24)을 형성하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 중간 이미지 평면(32)은 가상 이미지(105)의 광학적 공액에 형성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각으로부터의 시각 정보는 사용자의 동공(21b)의 포지션에 따라 업데이트된다.

본 발명의 추가 양태에서, 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 이미지가 윈드쉴드(101) 또는 광학 결합기를 통해 보여지는 증강 현실 헤드업 디스플레이이다.

본 발명의 추가 양태에서, 출사동(16)은 15mm 미만의 일축 또는 양축을 따라 확장되도록 치수화된다.

본 발명의 추가 양태에서, 2개의 별도 픽처 생성 유닛(106)은 모든 가상 이미지에 대해 2개의 별개 출사동(16)을 형성하기 위해 시각 정보를 반송하는 2개의 광빔을 생성하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 하나의 픽처 생성 유닛(106)은 하나의 가상 이미지에 대해 하나 또는 2개의 사용자의 눈(21)을 커버하는 하나의 출사동(16)을 형성하기 위해 시각 정보를 반송하는 광빔들을 생성하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 하나의 픽처 생성 유닛(106)은 하나의 중간 이미지 평면(32)에 대해 시각 정보를 반송하는 광빔들을 생성하고 2개의 중간 출사동(24)을 형성하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 중간 이미지 평면(32)은 광학 확산기 또는 개구수(NA) 확장기가 없도록 형성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 1cm 미만이다.

본 발명의 추가 양태에서, 출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 5mm 미만이다.

본 발명의 추가 양태에서, 출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 3mm 미만이다.

본 발명의 추가 양태에서, 디바이스는 사용자의 동공(21b) 포지션들이 검출되도록 사용자와 대면하는 헤드 추적기 카메라(102)를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 헤드 추적기 카메라(102) 및 상기 광학 조향 장치(18)는 동기적으로 동작한다.

본 발명의 추가 양태에서, 픽처 생성 유닛(106)은 중간 이미지 평면을 형성하도록 구성된 프로젝터, 스캐닝 레이저, 마이크로디스플레이, LCOS, DLP, OLED 또는 홀로그래픽 프로젝터를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 픽처 생성 유닛(106)은 중간 출사동 평면(24)을 형성하며, 여기서 공간 필터(151)는 출사동(16)의 사이즈를 제어하는데 사용된다.

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

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광학 조향 장치(18)는 EM 액츄에이트된 모터, 짐벌 모터, 스텝 모터 또는 3축 액츄에이터 형태의 액츄에이션 수단을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 좌측 및 우측 아이 박스들에 대해 공통 액츄에이터들을 갖는 2개의 픽처 생성 유닛(106)을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 출사동(16)은 중간 출사동 평면(24)을 출사동(16)에 이미징하는 이미징 렌즈(22)를 사용하여 형성된다.

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

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 수직으로 이동되어 출사동들(16)의 횡방향 포지션을 변경할 수 있다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 수평으로 이동되어 출사동들(16)의 횡방향 포지션을 변경할 수 있다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 출사동들(16)의 3축 상에서 이동될 수 있다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 수차 및 왜곡 보정 알고리즘을 수행하도록 구성된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 조향 미러(23)는 출사동 평면(17)을 가로질러 함께 좌안 출사동(16) 및 우안 출사동(16) 양자 모두에 대해 조향을 실행한다.

본 발명의 추가 양태에서, 사용자의 두 눈과 정렬된 2개의 출사동(16) 각각에 의해 제공된 시야는 이미징 렌즈(22) 또는 조향 미러(23) 또는 가상 조향 미러 위치(213)에서 완전한 쌍안 오버랩을 제공한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 윈드쉴드(101)는 이미징을 위한 홀로그래픽 광학 엘리먼트(206)로 커버된다.

본 발명의 추가 양태에서, 운전자의 높이에 관계없이, 헤드업 디스플레이 디바이스(10) 시스템은 일정한 룩다운 각도(210)를 갖는다.

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

본 발명의 추가 양태에서, 상기 출사동 평면(17)은 HUD(10) 전체를 이동함으로써 헤드 볼륨(212) 내에서 이동된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 룩다운 각도(210) 변동은 헤드업 디스플레이 디바이스(10) 전체를 이동함으로써 감소된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 사용자의 헤드의 변위(들) 및 사용자의 눈(21) 동공들의 중심 포지션들을 추적하도록 구성된 헤드 추적 시스템 및 상기 광학 조향 장치(18)의 제어를 실행하는 프로세싱 수단(20)을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 윈드쉴드(101)는 편광 선글라스가 HUD 디스플레이를 볼 수 있도록 하기 위해 적용된 편광 필름을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 광 모듈(12)의 포인팅 광원은 사용자의 안면에 추적 스폿(27)을 형성하며, 여기서 추적 스폿(27)의 좌표들은 헤드 추적 시스템에 의해 검출된다.

본 발명의 추가 양태에서, 픽처 생성 유닛(106)은 스캐닝 레이저 피코 프로젝터로서 실현된다.

본 발명의 추가 양태에서, 검출된 사용자의 눈(21) 동공 포지션에 따라, 프로세싱 수단(20)은 하나의 광원(11)이 한 번에 선택적으로 활성화되도록 구성된 광원들(11)의 어레이에 신호들을 전달한다.

본 발명의 추가 양태에서, 바이너리 액정 셔터에서는 헤드 추적 시스템으로부터의 입력을 사용하여 오픈 윈도우가 선택된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 공간 필터(151)는 사용자의 눈(21)과 공간 광 변조기(13) 사이에 형성된 중간 이미지 평면(32) 상에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 차량에 임베딩되도록 제조된다.

본 발명의 추가 양태에서, 수차 보상은 웨지 윈드쉴드(101b) 형태를 포함하는 윈드쉴드(101)의 구조적 형태와 관련하여 수차들을 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 사용자 헤드 틸트는 대응하는 출사동(16)의 위치를 변경하기 위해 수직으로 광 모듈들(12) 중 적어도 하나를 기계적으로 이동함으로써 보상된다.

본 발명의 추가 양태에서, 헤드 틸트는 하나의 눈 광 모듈(12)을 다른 눈 광 모듈(12)에 대해 이동함으로써 보상된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 광 모듈(12)은 다음의 컴포넌트들: 마이크로디스플레이, 공간 광 변조기(13), 광원(11), 조명 렌즈(111), 및 적어도 하나의 폴드 미러(211)의 각각으로부터 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛(106)은 이미지 소스로서 DMD 또는 LCOS를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛(106)은 홀로그래픽 프로젝터를 포함하고, 공간 광 변조기(13)는 콜리메이트된 빔 경로 상에 배치된다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛(106)은 원하지 않는 빔들(14b)이 제거되는 중간 출사동 평면(24) 상에 배치된 공간 필터(151)를 포함한다.

본 발명의 추가 양태에서, 상기 픽처 생성 유닛(106)은 투과 LCD 패널 및 적어도 2개의 후면 조명 광원을 포함한다.

Claims (46)

1. 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)을 포함하는 헤드업 디스플레이 디바이스(10)로서,
   상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 시각 정보를 반송하는 광빔을 생성하고 가상 이미지(105)를 만들도록 구성되며,
   상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 헤드업 디스플레이 콘텐츠를 뷰잉하기 위해 출사동 평면(17) 상에 출사동(16)을 형성하도록 구성되고;
   상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는, 상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)과 상기 출사동 평면(17) 사이에 배치된 광학 조향 장치(18)를 추가로 포함하여 상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106)에 의해 만들어진 상기 출사동(16)이 헤드 볼륨(212)의 확장된 동공 영역 상에서 상기 출사동 평면(17)을 가로질러 조향가능하도록 하며, 이에 의해 광 효율적이고 더 작은 볼륨 헤드업 디스플레이 디바이스(10)가 획득되고,
   상기 출사동들(16)은 사용자의 동공들(21b)의 포지션과 정렬하도록 상기 광학 조향 장치(18)를 사용하여 동적으로 조향되고,
   상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각은 중간 출사동 평면(24)을 형성하도록 구성되고,
   중간 이미지 평면(32)이 상기 가상 이미지(105)의 광학적 공액에 형성되며,
   상기 적어도 하나의 픽처 생성 유닛(106) 각각으로부터의 시각 정보는 상기 사용자의 동공(21b)의 포지션에 따라 업데이트되는 것
   을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
2. 제1항에 있어서,
   상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 상기 이미지가 윈드쉴드(101) 또는 광학 결합기를 통해 보여지는 증강 현실 헤드업 디스플레이인 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
3. 제1항에 있어서,
   상기 출사동(16)은 15mm 미만의 일축 또는 양축을 따라 확장되도록 치수화되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
4. 제1항에 있어서,
   2개의 별도 픽처 생성 유닛(106)은 모든 가상 이미지에 대해 2개의 별개 출사동(16)을 형성하기 위해 시각 정보를 반송하는 2개의 광빔을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
5. 제1항에 있어서,
   하나의 픽처 생성 유닛(106)은 하나의 가상 이미지에 대해 하나 또는 2개의 사용자의 눈(21)을 커버하는 하나의 출사동(16)을 형성하기 위해 시각 정보를 반송하는 광빔들을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
6. 제1항에 있어서,
   하나의 픽처 생성 유닛(106)은 하나의 중간 이미지 평면(32)에 대한 시각 정보를 반송하는 광빔들을 생성하고 2개의 중간 출사동(24)을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
7. 제1항에 있어서,
   상기 중간 이미지 평면(32)은 광학 확산기 또는 개구수(NA) 확장기가 없도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
8. 제1항에 있어서,
   출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 1cm 미만인 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
9. 제1항에 있어서,
   출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 5mm 미만인 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
10. 제1항에 있어서,
    출사동(16)과 고스트 출사동(205)이 실질적으로 오버랩하지 않도록 상기 출사동(16)의 짧은 에지가 3mm 미만인 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
11. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 사용자의 동공(21b) 포지션들이 검출되도록 상기 사용자와 대면하는 헤드 추적기 카메라(102)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
12. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 헤드 추적기 카메라(102) 및 상기 광학 조향 장치(18)는 동기적으로 동작하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 중간 이미지 평면을 형성하도록 구성된 프로젝터, 스캐닝 레이저, 마이크로디스플레이, LCOS, DLP, OLED 또는 홀로그래픽 프로젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 중간 출사동 평면(24)을 형성하며, 공간 필터(151)가 상기 출사동(16)의 사이즈를 제어하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
15. 제1항 또는 제12항에 있어서,
    상기 광학 조향 장치(18)는 회전가능한 조향 미러(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
16. 제1항 또는 제15항에 있어서,
    상기 광학 조향 장치(18)는 EM 액츄에이트형 모터, 짐벌 모터, 스텝 모터 또는 3축 액츄에이터 형태의 액츄에이션 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
17. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 좌측 및 우측 아이 박스들에 대해 공통 액츄에이터들을 갖는 2개의 픽처 생성 유닛(106)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
18. 제1항 또는 제14항에 있어서,
    상기 출사동(16)은 중간 출사동 평면(24)을 상기 출사동(16)에 이미징하는 이미징 렌즈(22)를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
19. 제18항에 있어서,
    상기 이미징 렌즈(22)는 반사 렌즈, 회절 렌즈, 굴절 렌즈, 자유형 광학 엘리먼트들, 홀로그래픽 광학 엘리먼트들, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 광학 파워를 갖는 적어도 하나의 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 상기 출사동들(16)의 횡방향 포지션을 변경하기 위해 수직으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 상기 출사동들(16)의 횡방향 포지션을 변경하기 위해 수평으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛들(106) 자체가 상기 출사동들(16)의 3축 상에서 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
23. 제1항에 있어서,
    상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 수차 및 왜곡 보정 알고리즘을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
24. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 조향 미러(23)는 상기 출사동 평면(17)을 가로질러 함께 좌안 출사동(16) 및 우안 출사동(16) 양자 모두에 대해 조향을 실행하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
25. 제1항, 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 사용자의 두 눈과 정렬된 2개의 출사동(16) 각각에 의해 제공된 시야는 이미징 렌즈(22) 또는 상기 조향 미러(23) 또는 가상 조향 미러 위치(213)에서 완전한 쌍안 오버랩을 제공하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
26. 제2항에 있어서,
    상기 윈드쉴드(101)는 이미징을 위해 홀로그래픽 광학 엘리먼트(206)로 커버되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    운전자의 높이와 관계없이, 헤드업 디스플레이 디바이스(10) 시스템은 일정한 룩다운 각도(210)를 갖는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
28. 제15항 또는 제18항에 있어서,
    상기 조향 미러(23)는 광 모듈(12)과 이미징 렌즈(22) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사동 평면(17)은 HUD(10) 전체를 이동함으로써 상기 헤드 볼륨(212) 내에서 이동되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
30. 제27항에 있어서,
    상기 룩다운 각도(210) 변동은 상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10) 전체를 이동함으로써 감소되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드업 디스플레이 디바이스(10)는 상기 사용자의 헤드의 변위(들) 및 상기 사용자의 눈(21) 동공들의 중심 포지션들을 추적하도록 구성된 헤드 추적 시스템 및 상기 광학 조향 장치(18)의 제어를 실시하는 프로세싱 수단(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
32. 제2항에 있어서,
    상기 윈드쉴드(101)는 편광 선글라스가 상기 HUD 디스플레이를 볼 수 있도록 적용된 편광 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 모듈(12)의 포인팅 광원은 사용자의 안면에 추적 스폿(27)을 형성하며, 상기 추적 스폿(27)의 좌표들은 상기 헤드 추적 시스템에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 스캐닝 레이저 피코 프로젝터로서 실현되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출된 사용자의 눈(21) 동공 포지션에 따라, 상기 프로세싱 수단(20)은,
    한 번에 하나의 광원(11)이 선택적으로 활성화되도록 구성된 광원들(11)의 어레이에 신호들을 전달하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드 추적 시스템의 입력을 사용하여 오픈 윈도우가 선택되는 중간 출사동 평면(24)에 바이너리 액정 셔터가 배치되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
37. 제14항에 있어서,
    상기 공간 필터(151)는 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).
38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    차량에 임베딩되도록 제조된, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
39. 제2항에 있어서,
    수차 보상은 웨지 윈드쉴드(101b) 형태를 포함하는 윈드쉴드(101)의 구조적 형태와 관련하여 수차들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
40. 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용자 헤드 틸트는 대응하는 출사동(16)의 위치를 변경하기 위해 수직으로 광 모듈들(12) 중 적어도 하나를 기계적으로 이동함으로써 보상되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
41. 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 눈 광 모듈(12)을 다른 눈 광 모듈(12)에 대해 이동함으로써 헤드 틸트가 보상되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
42. 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 모듈(12)은 다음의 컴포넌트들: 마이크로디스플레이, 공간 광 변조기(13), 광원(11), 조명 렌즈(111), 및 적어도 하나의 폴드 미러(211)의 각각으로부터 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
43. 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 이미지 소스로서 DMD 또는 LCOS를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
44. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 홀로그래픽 프로젝터를 포함하고, 공간 광 변조기(13)가 콜리메이트된 빔 경로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
45. 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 원하지 않는 빔들(14b)이 제거되는 중간 출사동 평면(24) 상에 배치된 공간 필터(151)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).
46. 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽처 생성 유닛(106)은 투과 LCD 패널 및 적어도 2개의 후면 조명 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 헤드업 디스플레이 디바이스(10).

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