KR20220125684A

KR20220125684A - 헤드 업 디스플레이

Info

Publication number: KR20220125684A
Application number: KR1020220026147A
Authority: KR
Inventors: 크리스마스 제미슨; 밀스 개리; 스퍼 마이클; 몰리나 다니엘
Original assignee: 엔비직스 엘티디
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-09-14
Also published as: JP2022135957A; EP4053616A1; GB2604402A; AU2022200973B2; AU2022200973A1; GB2604402B; CN115016121A; GB202103148D0; US11846775B2; US20220283433A1; CN115016121B; JP7449319B2

Abstract

아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지를 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이. 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형 디스플레이 영역의 하위 구역 내에 픽처 콘텐츠를 수신하도록 배치된다. 헤드업 디스플레이는 수신된 픽처 콘텐트를 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 릴레이하여 그로부터 픽처 콘텐트의 가상 이미지를 볼 수 있도록 배치된 광학 릴레이 시스템을 더 포함한다. 광학 릴레이 시스템은 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 아이 박스 영역의 형상은 모서리가 크롭된 직사각형 형상 또는 타원형 형상과 같이 직사각형이 아니다.

Description

헤드 업 디스플레이 {Head-Up Display}

본 개시는 프로젝터 및 헤드업 디스플레이(HUD: Head-up display)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자동차와 같은 차량용 홀로그램 프로젝터 및 헤드업 디스플레이에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 홀로그램 투사 방법, 헤드업 디스플레이에서 가상 이미지(virtual image)를 투사하는 방법 및 헤드업 디스플레이를 이용하여 앞 유리(windscreen)와 같은 창에 가상 이미지를 표시하는 방법에 관한 것이다.

객체로부터 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는, 예컨대, 잘 알려진 간섭 기술에 의해 감광판에서 캡처(capture)되어 간섭 무늬를 포함하는 홀로그래픽 기록 또는 "홀로그램"을 형성할 수 있다. 홀로그램은 원래 객체를 나타내는 2차원 또는 3차원 홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction) 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기 위해 적절한 광을 조사함으로써 재구성될 수 있다.

컴퓨터 생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 간섭 과정(interference process)을 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램(computer-generated hologram, "CGH")은 프레넬(Fresnel) 변환 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기법에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬 또는 푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 영역 또는 객체의 주파수 영역으로 표현될 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은, 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.

컴퓨터 생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 배치된 공간 광 변조기(spatial light modulator)에 인코딩될 수 있다. 예를 들어, 전기적으로 주소 지정 가능한(electrically-addressable) 액정들, 광학적으로 주소 지정 가능한(optically-addressable) 액정들 또는 마이크로 미러들을 사용하여 광 변조를 수행할 수 있다.

공간 광 변조기는 셀들(cells) 또는 요소들(elements)이라고도 하는 복수의 개별적으로 주소 지정 가능한 화소들을 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 대안적으로, 장치는 연속적(즉, 화소들로 구성되지 않음)일 수 있고, 광 변조는 장치 전체에 걸쳐 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 공간 광 변조기로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조된 광이 공간 광 변조기를 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.

이미징용 홀로그램 프로젝터는 본 명세서에 기재된 기술을 사용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터들은, 예를 들어 헤드업 디스플레이(HUD) 및 근안 장치들(near-eye devices)을 포함하는 헤드 장착 디스플레이(head-mounted display)에 적용되었다. 관습적으로, 직사각형 영역(여기서는 가상 이미지 영역을 지칭함)은 운전자의 시야(FOV, field of view)에서 정의되고 헤드업 디스플레이는 이 직사각형 영역에 이미지 콘텐츠를 표시할 수 있다.

본 개시의 측면들은 첨부된 독립 청구항들에 정의되어 있다.

본 명세서에는 자동차용 개선된 HUD가 개시되어 있다. HUD는 픽처(picture) 생성 유닛을 포함한다. 픽처 생성 유닛은 속도 또는 내비게이션 정보와 같은 정보 콘텐츠를 포함하는 픽처를 생성하도록 배치될 수 있다. 정보 콘텐츠의 가상 이미지를 형성하도록 배치된 광학 릴레이 또는 투사 시스템이 또한 제공된다. 정보 콘텐츠의 가상 이미지는 자동차를 운전하는 동안 운전자의 정상적인 시야(FOV) 내와 같이 운전자에게 적합한 뷰잉 위치(viewing position)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 정보 컨텐츠의 가상 이미지는 운전자로부터 차량의 보닛(또는 후드)의 조금 아래쪽에 나타날 수 있다. 정보 콘텐츠의 가상 이미지는 운전자의 정상적인 시야에 부정적인 영향을 미치지 않도록 위치된다. 정보 콘텐츠의 가상 이미지는 현실 세계에 대한 운전자의 뷰(view)에 중첩될(overlaid) 수 있다. 정보 컨텐츠는 컴퓨터에 의해 생성되며, 실시간으로 제어 또는 갱신되어 운전자에게 실시간 정보를 제공할 수 있다.

실시예들은 단지 예로서 홀로그램 프로젝터를 구성하는 픽처 생성 유닛에 관한 것이다. 본 개시는 임의의 디스플레이 기술과 호환 가능하다. 홀로그램 프로젝터와 관련된 실시예들에서, 픽처는 컴퓨터 생성 홀로그램의 홀로그래픽 재구성이다. 픽처는 표시면(display surface)의 역할을 하는 수광면(light receiving surface)에 형성되거나 투사될 수 있다. 아래에서 전부 설명되는 홀로그램 프로젝터를 기반으로 하는 HUD는, 홀로그램 처리의 효율성과 레이저 광원과 함께 사용하기 위한 고유의(inherent) 적합성으로 인해, 현재 사용 가능한 경쟁 기술들보다 훨씬 더 높은 명암비(contrast ratio)를 제공할 수 있다.

헤드업 디스플레이는 홀로그래픽 프로세서를 포함할 수 있다. 픽처는 홀로그래픽 재구성일 수 있다. 홀로그래픽 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 공간 광 변조기에 출력하도록 배치될 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 차량의 앞 유리의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배치될 수 있다.

시스템은 공간 변조된 광을 앞 유리에서 반사함으로써 앞 유리를 사용하여 픽처의 가상 이미지를 형성하도록 배치될 수 있다. 광원은 레이저일 수 있다. 그리고/또는 픽처의 광은 레이저 광일 수 있다. 공간 광 변조기는 실리콘 상의 액정(LCOS) 공간 광 변조기일 수 있다. 픽처는 수광면에서 공간 변조된 광의 간섭 과정에 의해 형성될 수 있다. 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램은 픽처의 수학적 변환, 선택적으로 푸리에 또는 프레넬 변환일 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 또는 프레넬 홀로그램일 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 포인트 클라우드 방식에 의해 컴퓨터 생성된 홀로그램일 수 있다. 공간 광 변조기는 광원으로부터의 광의 위상을 공간적으로 변조하도록 배치될 수 있다. 공간 광 변조기는 광원으로부터의 광의 진폭을 공간적으로 변조하도록 배치될 수 있다.

그러나, 일부 실시예들은 단지 예로서 홀로그래픽 투사에 기초한 픽처 생성 유닛을 설명한다. 다시 말해서, 본 개시는 백라이트 액정 디스플레이, 레이저 스캐닝 디스플레이, 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD, digital micro-mirror device), 형광 디스플레이 및 플라즈마 디스플레이를 포함하는 모든 유형의 픽처 생성 유닛에 동등하게 적용 가능하다.

창(window)이 있는 차량용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 유닛과 투사(projection) 엔진으로 구성된다. 픽처 생성 유닛은 픽처들을 출력하도록 배치된다. 투사 엔진(또는 광학 시스템)은, (공통의) 가상 이미지 영역 내에 각 픽처의 가상 이미지를 형성하기 위해, 픽처 생성 유닛에 의해 출력된 픽처들을 수신하고 차량의 창에 픽처들을 투사하도록 배치된다. 픽처 생성 유닛은 가상 이미지 영역이 대응하는 크롭된(cropped) 형상을 갖도록 크롭된 픽처 영역 내에 픽처들을 출력하도록 배치된다.

가상 이미지 영역(또는 구역 또는 공간)은 시야(FOV)라고 말할 수 있다. 시스템의 픽처 생성 장치, 투사 광학 및 아이 박스(eye-box)는 광학 설계에 따라 가상 이미지 영역의 크기, 형상 및 위치를 집합적으로 정의한다. 가상 이미지 영역은 도로에 투사되어 도로에 광 풋프린트(light footprint)을 형성한다고 말할 수 있다. 픽처 영역이 완전히 조사되면(illuminated) 가상 이미지 영역이 완전히 조사된다. 즉, 픽처 영역의 전체 영역이 조사되면 가상 이미지 영역의 전체 영역이 조사된다. 그러나, 이미지 콘텐츠(예를 들어, 내비게이션 화살표)는 픽처 영역의 하위 구역에 표시될 수 있으며, 이 경우 투사된 가상 이미지는 가상 이미지 영역의 대응되는 하위 구역에만 나타날 것이다.

창이 있는 차량용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 유닛과 투사 엔진으로 구성된다. 픽처 생성 유닛은 픽처를 출력하도록 배치된다. 투사 엔진은, 가상 이미지 영역 내에 픽처의 가상 이미지를 형성하기 위해, 픽처 생성 유닛에 의해 출력된 픽처를 수신하고 차량의 창에 픽처를 투사하도록 배치된다. 픽처 생성 유닛은 가상 이미지 영역이 대응하는 크롭된 형상을 갖도록 크롭된 형상을 갖는 픽처 영역 내에 픽처를 출력하도록 배치된다.

창이 있는 차량용 헤드업 디스플레이가 제공된다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 유닛과 투사 엔진으로 구성된다. 픽처 생성 유닛은 픽처들을 생성하도록 배치된다. 투사 엔진은 창에서 각각의 픽처의 가상 이미지를 형성하기 위해 창 상에 픽처들을 투사하도록 배치되며, 여기서 가상 이미지들은 크롭된 형상를 갖는 공통의 가상 이미지 영역 내에 형성된다.

관습적으로, 가상 이미지 영역은 직사각형이다. 본 발명자는 가상 이미지 영역이 직사각형이어야 한다는 가정에 의문을 제기했으며, 이 가정이 전체 헤드업 디스플레이 시스템에 가하는 제한들이 정당화되지 않으며 사실상 차량용 차세대 증강 현실 헤드업 디스플레이의 개발에 방해된다는 것을 인식했다. 특히, 본 발명자는 본 개시에서 제시된 바와 같이 가상 이미지 영역을 크로핑(cropping)하는 데 있어서의 가치를 인식하였다. 가상 이미지 영역의 크롭된 영역들은 차량의 헤드업 디스플레이에 이미지 콘텐츠를 표시하는 데 특별히 유용하지 않다. 특히, 가상 이미지 영역의 아래쪽 구역의 하나 또는 두 개의 삼각형 부분들은 차량이 이동할 것으로 예상되는 일반적인 속도를 고려해 볼 때 운전자와 너무 가깝기 때문에 대부분 불필요하다. 픽처 생성 유닛 및 투사 엔진의 광학 및 공간 요구들의 관점에서, 이러한 두 개의 삼각형 부분들을 제거하는 것의 장점들은 이러한 영역들에 이미지 콘텐츠를 표시할 수 없다는 것에 관한 단점보다 크다. 본 발명자는 헤드업 디스플레이 설계의 근본적인 가정들에 도전하였고 이 분야의 편견을 인식함으로써 이해될 수 있는 바와 같이 관습으로부터 상당한 이탈을 나타내는 헤드업 디스플레이를 제공했다.

픽처 생성 유닛은 픽처 영역의 크롭된 형상 내에 픽처들을 생성하도록만 배치될 수 있다. 픽처 영역(예를 들어, 홀로그램 재생 필드)이 제한되었다고 할 수 있다. 더욱 구체적으로, 픽처 영역(예를 들어, 홀로그램 재생 필드)의 공간적 범위가 제한된다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 픽처 생성 유닛은 픽처의 크롭된 형상 외부의 픽처의 광을 차단하도록 배치된 물리적 마스크를 더 포함한다.

투사 엔진의 주된 목적은 픽처를 확대하여 가상 이미지 영역으로 릴레이하는 것이다. 따라서, 투사 엔진은 확대 엔진 또는 확대 광학 장치일 수 있다. 픽처와 가상 이미지 사이에는 실질적으로 일대일 상관 관계가 있다. 목적은 가상 이미지 영역을 형성하는 것이며, 이는 크롭된 형상 내에서만 이미지 콘텐츠를 제공하도록 픽처 생성 유닛을 구동함으로써 편리하게 달성될 수 있다. 따라서, 단순히 사용되는 픽처 영역의 형상을 변경함으로써, 종래의 시스템을 이용하여 본 개시에 따른 헤드업 디스플레이를 제공하는 것이 가능하다. 즉, 소프트웨어 수정들이 오직 요구된다.

본 개시에 따른 헤드업 디스플레이의 이점들은 픽처 영역의 크롭된 형상 내의 픽처의 광을 투사만 하도록 투사 엔진을 배치함으로써 느껴질 수 있다. 예를 들어, 투사 엔진은 픽처 영역 및/또는 가상 이미지 영역의 크롭된 형상에 따라 크롭된 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 요소(또는 광학 구성요소)로 구성된다.

헤드업 디스플레이의 부피(volume)를 줄이는 방법이 제공된다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 장치, 광학 시스템 및 광학 합성기로 구성된다. 픽처 생성 유닛은 스크린 상의 디스플레이 영역 내에 픽처 콘텐츠를 표시하도록 배치되며, 디스플레이 영역은 사각형 형상을 갖는다. 광학 시스템은 디스플레이 영역으로부터 광학 합성기로 광을 보내도록 배치된다. 광학 합성기는 디스플레이 영역으로부터 아이 박스로 광을 반사하도록 배치되어 픽처 콘텐츠의 가상 이미지를 형성한다. 방법은 픽처 콘텐츠를 디스플레이 영역의 하위 구역으로 제한하는 것을 포함한다. 방법은 구성요소의 활성 영역을 식별하기 위해 광학 시스템의 광학 구성요소 상에 하위 구역을 매핑하는 것을 더 포함한다. 방법은 구성요소의 비활성 영역을 감소시키기 위해 활성 영역에 대응하여 구성요소를 성형하는(shaping) 것을 더 포함한다.

헤드업 디스플레이의 부피를 줄이는 방법이 제공된다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 장치, 광학 시스템 및 광학 합성기로 구성된다. 픽처 생성 유닛은 스크린 상의 사각형 영역 내에 픽처 콘텐츠를 표시하도록 배치된다. 광학 시스템은 사각형 영역으로부터 광학 합성기로 광을 보내도록 배치된다. 광학 합성기는 사각형 영역으로부터 아이 박스로 광을 반사하도록 배치되어 픽처 콘텐츠의 가상 이미지를 형성한다. 방법은 픽처 콘텐츠를 사각형 영역의 하위 구역으로 제한하는 것을 포함한다. 방법은 구성요소의 활성 영역을 식별하기 위해 광학 시스템의 광학 구성요소 상에 하위 구역을 매핑하는 것을 더 포함한다. 방법은 구성요소의 비활성 영역을 감소시키기 위해 활성 영역에 대응하여 구성요소를 성형하는 것을 더 포함한다.

헤드업 디스플레이의 부피를 감소시키는 방법(들)은 아이 박스(또는 "아이 박스 영역")를 정의하는 과정을 더 포함할 수 있으며, 상기 아이 박스는 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 명확하고 완전하게 보여질 수 있는 뷰어(viewer)의 눈의 위치(바람직하게는, 복수의 눈의 위치들)를 포함한다. 아이 박스를 정의하는 과정은 종래의 아이 박스 형상과 비교해서 아이 박스의 형상을 변경하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 직사각형이 아닌 아이 박스를 정의하는 것을 포함할 수 있다. 직사각형이 아닌 아이 박스는, 변경된 (및 개선된) 아이 박스 형상을 정의하기 위해, 하나 이상의 모서리들 또는 다른 부분들이 제거된 "코어(core)" 또는 중앙의 직사각형 형상을 가질 수 있다.

방법(들)은, 구성요소의 비활성 영역을 더 감소시키기 위해, 아이 박스의 형상에 대응하여 광학 시스템의 광학 구성요소를 성형하는 것을 더 포함할 수 있다.

픽처 생성 유닛, 광학 시스템 및 광학 합성기를 포함하는 헤드업 디스플레이 시스템이 또한 제공된다. 픽처 생성 유닛은 스크린 상의 하위 구역 내에 픽처 콘텐츠를 표시하도록 배치되고, 하위 구역은 적어도 5개의 변들(sides)을 포함하는 형상을 갖는다. 광학 시스템은 하위 구역으로부터 광을 릴레이하도록 배치된다. 광학 합성기는 광학 시스템으로부터 릴레이된 광을 수신하고 광을 아이 박스로 반사하여 픽처 콘텐츠의 가상 이미지를 형성하도록 배치된다. 광학 시스템의 적어도 하나의 광학 구성요소는 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는다.

아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지를 형성하도록 헤드업 디스플레이가 배치된다. 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형 디스플레이 영역을 형성하도록 배치된 화소들의 규칙적인 어레이를 포함하는 픽처 생성 유닛을 포함한다. 헤드업 디스플레이는 픽처 생성 유닛의 픽처 콘텐츠를 디스플레이 영역의 하위 구역에 표시하도록 배치된 디스플레이 컨트롤러를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 컨트롤러는 픽처 생성 유닛의 픽처 콘텐츠를 디스플레이 영역의 하위 구역으로 제한하도록 배치된다. 디스플레이 컨트롤러는 픽처 생성 유닛의 일부일 수 있다. 헤드업 디스플레이는 디스플레이 영역의 하위 구역으로부터 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 광을 릴레이하여 하위 구역 내의 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 보여질 수 있도록 배치된 광학 릴레이 시스템을 더 포함한다. 광학 릴레이 시스템은 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아니다. 광학 구성요소는 하위 구역의 형상 및 아이 박스 영역의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

또한, 아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지를 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이가 본 명세서에 개시되어 있다. 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형 디스플레이 영역의 하위 구역으로 제한된 픽처 콘텐츠를 수신하도록 배치된다. 헤드업 디스플레이는 수신된 픽처 콘텐츠를 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 릴레이하여 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 보여질 수 있도록 배치된 광학 릴레이 시스템을 더 포함한다. 광학 릴레이 시스템은 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아니다. 광학 구성요소는 하위 구역의 형상 및 아이 박스의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

본 개시의 제1 양태에 따르면, 아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지들을 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이가 있다. 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형 디스플레이 영역을 형성하도록 배치된 화소들의 규칙적인 어레이를 포함하는 픽처 생성 유닛을 포함한다. 헤드업 디스플레이는 디스플레이 영역의 하위 구역에 픽처 생성 유닛의 픽처 콘텐츠를 표시하도록 배치된 디스플레이 컨트롤러를 더 포함한다. "하위 구역" 및 "하위 영역"이라는 용어들은 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 컨트롤러는 픽처 생성 유닛의 픽처 콘텐츠를 디스플레이 영역의 하위 구역으로 제한하도록 배치된다. 디스플레이 컨트롤러는 픽처 생성 유닛의 일부일 수 있다. 헤드업 디스플레이는 디스플레이 영역의 하위 구역으로부터 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 광을 릴레이하여 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 보여질 수 있도록 배치된 광학 릴레이 시스템을 더 포함한다. 광학 릴레이 시스템은 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아니다. 광학 구성요소는 하위 구역의 형상 및 아이 박스의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

보다 일반적으로, 아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지를 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이가 본 명세서에 개시되어 있다. 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형 디스플레이 영역의 하위 구역(예를 들어, 하위 구역으로 제한됨)내에서 수신된 픽처 콘텐츠에 배치된다. 헤드업 디스플레이는 수신된 픽처 콘텐츠를 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 릴레이하여 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 보여질 수 있도록 배치된 광학 릴레이 시스템을 더 포함한다. 광학 릴레이 시스템은 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아니다. 광학 구성요소는 하위 구역의 형상 및 아이 박스의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다.

두 가지 중요한 이점들을 얻을 수 있다. 첫째로, 헤드업 디스플레이의 물리적 크기가 줄어든다. 헤드업 디스플레이들은 관습적으로 차량의 대시보드 내에 탑재된다. 헤드업 디스플레이들은 필요한 확대율을 달성하기 위해 큰 거울과 큰 광학 투사거리(throw)가 필요하기 때문에 차량 내의 다른 첨단 시스템들에 비하여 상대적으로 크다. 실내 공간(특히, 대시보드 부피) 내의 실제 공간은 복잡한 전자 시스템들을 많이 포함하는 현대 차량들에 있어 매우 가치가 있으며, 헤드업 디스플레이들은 실질적으로 상당히 비싸다. 가상 이미지 영역의 적어도 하나 또는 두 개의 모서리들을 절단하거나 크로핑하는 것은 투사 엔진의 적어도 하나의 광학 요소가 대응하여 크롭될 수 있기 때문에 상당한 공간 절약을 제공한다는 것이 발견되었다. 두 번째로, 임의의 광학 구성요소와 마찬가지로, 광학 구성요소의 성능은 광학 축으로부터 멀어질수록 감소한다. 특히, 수차들(aberrations)은 광학 축으로부터 멀어질수록 증가한다. 따라서, 투사 엔진의 적어도 하나의 광학 요소의 가장 바깥쪽 부분은 이미지 품질에 가장 해로운 영향을 미친다. 따라서, 본 명세서에서 기술된 바와 같이 투사 엔진의 적어도 하나의 광학 요소 상의 광 풋프린트의 크기를 감소시킴으로써 전체 이미지 품질이 개선된다.

본 개시에 따른 크롭된 가상 이미지는 원거리장(far field) 가상 이미지일 수 있다. 원거리장 가상 이미지는 내비게이션 정보를 전달할 수 있다. 헤드업 디스플레이는 또한 근거리장(near field) 가상 이미지를 형성하도록 배치될 수 있다. 근거리장 가상 이미지는 예를 들어 속도 정보를 전달할 수 있다.

하위 영역은 적어도 5개의 변들(sides)을 포함하는 형상을 가질 수 있다. 형상은 6개 또는 8개의 변들을 가질 수 있다. 형상은 불규칙할 수 있다. 형상의 변들 중 적어도 하나는 곡선일 수 있다.

광학 시스템의 광학 구성요소 상에 하위 영역을 매핑하는 것은, 활성 영역에 대응하는 광학 구성요소 상의 광 풋프린트를 식별하기 위해, 스크린의 하위 영역으로부터 광학 구성요소로 이미지를 형성하는 광선들을 추적하는 것을 포함할 수 있다. 구성요소를 성형하는 것은 구성요소의 물리적 크기를 줄이는 것을 포함할 수 있다.

헤드업 디스플레이는 차량에 탑재될 수 있다. 광학 합성기는 헤드업 디스플레이를 탑재하는 차량의 앞 유리일 수 있다. 가상 이미지는 차량 앞의 지면 영역에 중첩될 수 있다.

픽처 콘텐츠를 제한하는 과정은 사각형 디스플레이 영역의 구역을 제외하는 것을 포함할 수 있다. 제외하지 않으면 차량 및/또는 사각형 디스플레이 영역의 일 측에 가장 가까운 영역에 중첩되는 가상 이미지를 형성할 것이다. 방법은 상기 하위 영역에 대응하여 스크린의 물리적 크기를 축소하는 것을 더 포함할 수 있다. 픽처 생성 유닛은 홀로그램 프로젝터를 포함할 수 있다. 하위 영역은 홀로그램 재생 필드의 하위 영역일 수 있다. 광학 시스템은 굴절능(optical power)을 가질 수 있다.

적어도 하나의 광학 요소(또는 구성요소)는 반사형일 수 있다. 이 접근 방식은 반사형 광학 요소를 사용하여 광학 경로를 접을 수 있기 때문에 컴팩트한 시스템을 제공한다. 적어도 하나의 광학 요소는 거울일 수 있다. 적어도 하나의 광학 요소는 각각의 가상 이미지가 대응하는 픽처의 확대된 이미지이고 및/또는 가상 이미지의 영역이 픽처 영역의 확대된 이미지가 되게 하는 굴절능(optical power)을 가질 수 있다. (아이 박스 영역으로부터) 가상 이미지 영역에 의해 정해지는(subtended) 각도는 가장 넓은 지점에서 10 +/- 2도와 같이 5~15도(degree)일 수 있고, 가장 높은 지점에서 3.5 +/- 0.5도와 같이 2~5도일 수 있다. 픽처 영역은 가장 넓은 지점에서 55 +/- 15mm와 같이 20~120mm일 수 있고, 가장 높은 지점에서 25 +/- 10mm 와 같이 10~50mm일 수 있다. 적어도 하나의 광학 요소는 가상 이미지가 창에 의해 왜곡되지 않도록 창의 형상을 광학적으로 보상하도록 구성된 자유형의 광학 표면을 가질 수 있다. 따라서 적어도 하나의 광학 요소는 구성 요소 수를 줄이고 광학 손실을 줄이는 데 좋은 다목적일 수 있다.

가상 이미지 영역의 크롭된 형상은 크롭된 형상이 적어도 5개의 변들을 갖도록 1개 또는 2개의 모서리들을 절단함으로써 직사각형으로부터 형성될 수 있다. 잘려진 가상 이미지 영역의 아래쪽 구역들의 값은 보증되지 않는다. 사실, 가상 이미지 영역의 크롭된 형상은 크롭된 형상이 적어도 5개의 변들을 갖도록 적어도 하나의 절단된 모서리를 갖는 다변 형상(예를 들어, 다각형)을 포함할 수 있다. 가상 이미지 영역의 크롭된 형상은 적어도 8개 또는 10개의 변들을 갖도록 직사각형의 2개 또는 4개의 모서리들을 절단함으로써 형성될 수 있다. 증강 현실을 위해 개선된 헤드업 디스플레이가 제공된다.

가상 이미지는 운전자를 위한 증강 현실에 사용될 수 있다. 가상 이미지는 도로 영역에 중첩된다. 중첩된 영역은 대칭인 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 운전자가 차량의 한쪽(즉, 차로의 중앙쪽(off-side))에 위치하기 때문에, 발명자는 가상 이미지 영역의 형상이 비대칭적인 경우 유리할 수 있음을 인식하였다. 보다 구체적으로, 가상 이미지 영역의 비대칭은 차량 내에서 운전자의 공간적으로 오프셋(offset)된 위치를 시각적으로 보상하도록 배치될 수 있다. 가상 이미지 영역의 비대칭은 공간의 대칭 영역을 중첩하도록 배치될 수 있다. 가상 이미지 영역의 변들의 길이들을 변경시키면서 비대칭이 제공될 수 있다. 예를 들어, 형상의 반대쪽 변들은 길이가 다를 수 있다. 선택적으로 형상의 반대쪽 변들은 모두 다른 길이를 갖는다.

특히, 본 발명자들은 또한 아이 박스가 직사각형이어야 한다는 가정에 의문을 제기했다. 관습적으로 아이 박스는 직사각형이다. 이것은 직사각형 디스플레이 장치와 시너지 효과를 낸다. 백라이트를 사용하는 종래의 디스플레이(즉, 홀로그래피 기술을 이용하지 않는 디스플레이)에서, 사용되지 않거나 꺼진 화소들은 낭비되는 광을 나타내며 광학 효율성에 부정적인 영향을 미친다. 이미지 명암(contrast)과 밝기(brightness)는 헤드업 디스플레이에서 매우 큰 문제이기 때문에 통상의 기술자는 픽처 콘텐츠를 디스플레이 영역의 하위 영역으로 제한하는 아이디어를 즉시 묵살할(dismiss) 것이고, 따라서, 본 명세서에서 개시된 바와 같이 픽처 콘텐츠 영역을 제한함으로써 광을 낭비하는 것은 받아들일 수 없을 것이다. 그러나, 일부 경우들에서는, 본 명세서에서 개시된 바와 같이, 다른 영역들의 이득들이 이러한 손실들보다 클 수 있다.

아이 박스 영역은 가상 이미지가 보이는 공간의 영역이다. 보다 구체적으로, 아이 박스 영역은 전체 가상 이미지가 완전히 보이는 영역, 즉 가상 이미지의 모든 영역들이 보이는 영역이다. 아이 박스의 위치, 크기, 형상은 설계 과정에서 최적화 된다. 시스템의 광학 성능은 필요한 아이 박스에 최적화되어 있다. 아이 박스는 복수의 최적화된 뷰잉 위치들을 포함하는 영역으로 간주될 수 있다. 아이 박스가 너무 작으면 뷰어(viewer)의 움직임이 거의 허용되지 않을 수 있다. 아이 박스가 너무 크면 물리적 및 광학적 요구 사항들이 비현실적으로(impractical) 된다. 관습상 아이 박스는 형상이 직사각형이고 가상 이미지의 양안 보기(binocular view)가 유지되는 동작 범위를 가능하게 하는 동공 간 거리의 두 배이다. 일부 실시예들에서, 아이 박스는 모든 최적화된 눈 위치들은 포함하는 뷰잉 창(viewing window)이며, 이로부터 하위 구역 내의 픽처 콘텐츠의 전체/완전한 가상 이미지가 양쪽 눈들에 보여진다.

본 개시에 따르면, 아이 박스의 위치와 크기는 인체 공학 및 모델링에 의해 결정되고, 아이 박스의 형상은 움직이는 차량에서의 머리와 눈의 움직임을 분석하여 알아낸다. 본 개시에 따르면, 최적화된 아이 박스 형상은 광학 구성요소들의 크기 및 전체 헤드업 디스플레이 패키지의 크기에 긍정적으로 유리하다.

아이 박스 영역은 실질적으로 사각형 코어 형상 및 적어도 하나의 크롭된 모서리를 포함할 수 있다. "크롭된"이라는 용어는 단순히 형상을 설명하는 편리한 방법으로 사용된다. 구체적으로. 결과 형상이 사각형의 한 모서리가 잘리거나 잘라져 나간 경우 형성되는 형상과 동일한 것을 나타낸다. 따라서, "크롭된"이라는 용어는 단순히 사각형 코어 또는 중앙 형상의 일부가 없는 것처럼 보이는 것을 나타낸다. "크롭된"이라는 용어는 결과 형상이 얻어지는 방법을 나타내지 않는다. 결과 형상은 사각형 코어 형상보다 작다. 사각형 코어 형상은 선택적으로 정상적 사용 중에 실질적으로 가로가 긴 치수를 갖는 직사각형일 수 있다. 본 명세서에서 개시된 크로핑(cropping)은 직선일 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 크롭된 모서리는 삼각형 형상을 갖는다. "코어(core)"라는 용어는 형상의 중심, 주요 또는 지배적인 구성 요소/특징을 지칭하는 데 사용된다.

아이 박스 영역은 팔각형의 형상 또는 다이아몬드 형상일 수 있다. 아이 박스는 적어도 5개의 직선인 변들, 선택적으로, 8개의 직선 변들과 같은 적어도 6개의 직선 변들을 포함하는 형상을 가질 수 있다.

적어도 하나의 크롭된 모서리는 2개 또는 4개의 크롭된 모서리들을 포함한다. 2개 또는 4개의 크롭된 모서리들은 적어도 하나의 차원(dimension)에서 크기가 동일하고 선택적으로 두 개의 수직인 차원들에서 크기가 동일하다. 각각의 크롭된 모서리는 첫 번째 차원(first dimension)에서 아이 박스 영역의 최대 크기의 15% 내지 45%의 첫 번째 차원의 크기를 가질 수 있다. 아이 박스 영역은 대안적으로 실질적으로 타원형 형상을 가질 수 있다.

픽처 생성 유닛은 임의의 유형일 수 있다. 픽처 생성 유닛은 홀로그램 프로젝터일 수 있다. 픽처 생성 유닛은 광원 및 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 광원은 광을 방출하도록 배치될 수 있다. 공간 광 변조기는 광원으로부터 광을 수신하고 공간 광 변조기 상에 표시된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 광을 공간 변조하여 각 픽처에 부합하는 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 배치될 수 있다. 홀로그래픽 재구성은 픽처이다. 홀로그래램 재구성은 자유 공간에 형성되거나 스크린 또는 디퓨저와 같은 표면 상에 형성될 수 있다. 따라서, 픽처 생성 유닛은 픽처에 부합하는 각각의 홀로그래픽 재구성이 그 위에 형성되도록 공간적으로 변조된 광을 수신하기 위해 배치된 수광 표면을 더 포함할 수 있다.

창은 앞 유리일 수 있다. 따라서, 헤드업 디스플레이는 증강 현실을 통해 운전자에게 운전 중 유용한 정보를 제공할 수 있다.

"대응하는" 및 "~에 대응하는"이라는 용어는 첫 번째 요소의 물리적 특성들(예를 들어, 면적, 형태 또는 이미지)과 두 번째 요소의 물리적 특성들 간에, 첫 번째 요소의 변경이 두 번째 요소의 유사하거나 동등하거나 상응하는 변경을 유발하는 것과 같은 광범위한 상관 관계를 나타내기 위해 한 쌍의 요소들 또는 구성요소들에 관하여 사용된다. "대응하는" 요소들은 형태가 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다. 예를 들어, "대응하는" 요소들은 동일하거나 실질적으로 동일한 일반적인 형태를 갖지만 다른 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 두 번째 요소는 첫 번째 요소의 완벽하거나 불완전한 확대일 수 있다. 따라서, "대응하는"이라는 단어는 첫 번째 요소의 일반적인 형태가 두 번째 요소의 형태와 아주 관련이 있고/있거나 두 번째 요소의 형태에 기초하는 것을 나타내기 위해서도 사용된다. 첫 번째 요소와 두 번째 요소 간의 차이들은, 광학 수차들 또는 왜곡들과 같은 불완전성이 있는 복잡한 곡률을 갖는 시스템 구성 요소들(예를 들어, 앞 유리 광학 합성기) 또는 보정 계수들과 같은 불완전성에 대한 대응들에 의해 야기될 수 있다.

본 명세서에서 "픽처의 광(light of the picture)"이라는 용어는 픽처를 형성하는 광을 나타내기 위해 사용된다. "픽처의 광"은 단색(monochromatic) 또는 다색(polychromatic)일 수 있다. "픽처의 광"은 합성 색상일 수 있다. 예를 들어, "픽처의 광"은 적색광, 녹색광 및 청색광을 포함할 수 있다. "픽처의 광"은 편광될 수 있다.

"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보 또는 이들의 몇몇 조합을 포함하는 기록을 나타내는 데 사용된다. "홀로그래픽 재구성"이라는 용어는 홀로그램을 조사하여 형성되는 객체의 광학 재구성을 나타내는 데 사용된다. "재생 평면"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성된 공간의 평면을 나타내는 데 사용된다. "재생 필드"라는 용어는 공간 광 변조기로부터 공간 변조된 광을 수신할 수 있는 재생 평면의 하위 영역을 나타내는 데 사용된다. "이미지", "재생 이미지" 및 "이미지 구역"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성을 형성하는 광에 의해 조명되는 재생 필드의 영역을 지칭한다. 실시예에서, "이미지"는 "이미지 화소들"로 지칭될 수 있는 별개의 스폿들(spots)을 포함할 수 있다.

"인코딩(encoding)", "기록(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"이라는 용어는 SLM의 복수의 화소들에 각 화소의 변조 레벨을 각각 결정하는 각각의 복수의 제어 값을 제공하는 프로세스를 기술하는데 사용된다. SLM의 화소들은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포(light modulation distribution)를 "표시(display)"하도록 구성되어 있다고 말할 수 있다. 따라서 공간 광 변조기는 홀로그램을 "표시"한다고 말할 수 있다.

허용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 본래의 객체와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상 한정 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상 한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭 한정 홀로그래피에도 동등하게 적용 가능하다.

본 개시는 또한 원본 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 이용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용가능하다. 일부 실시예에서, 이것은 원본 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보 모두를 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 가지므로 완전-복소 홀로그램이라고 할 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터 생성 홀로그램이 계산된다.

위상 값, 위상 구성 요소, 위상 정보 또는 간단히, 컴퓨터 생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 화소들의 위상을 "위상 지연"의 약어로 참조할 수 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 실제로 해당 화소에 의해 제공되는 위상 지연의 양을 나타내는 숫자(예를 들어, 0 ~ 2π 범위)이다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 화소가 위상 값 π/2를 갖는 것으로 기술된다면 이는 수신된 광의 위상을 π/2라디안만큼 변경할 것이다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 화소 각각은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 동작 가능하다. "그레이 레벨"이라는 용어는 복수의 이용 가능한 변조 레벨을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, "그레이 레벨"이라는 용어는 상이한 위상 레벨이 상이한 회색 음영을 제공하지 않더라도, 편의상 위상 한정 변조기의 복수의 가용 위상 레벨을 지칭하는 데 사용될 수 있다. "그레이 레벨"이라는 용어는 또한 복소 변조기에서 가용 복수의 복소 변조 레벨을 지칭하는 데 편의상 사용될 수 있다.

상이한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술하는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 다른 특징 또는 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 상정된다.

구체적인 실시예들은 다음 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4a는 제1 종래 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역을 도시한다.
도 4b는 크롭된 시야를 포함하는 제2 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역을 도시한다.
도 4c는 실시예들에 따라, 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역을 도시한다.
도 4d는 픽처 콘텐츠가 도 4b 및 4c에서와 같이 크롭된 시야에 표시되는 헤드업 디스플레이의 시야.
도 5는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 눈 위치들에 대한 연구 결과들을 보여준다.
도 6a는 제1 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 광학 릴레이 시스템의 광학 구성요소 상의 픽처의 광의 예시적인 광선 다발 풋프린트(ray bundle footprint)를 도시한다.
도 6b는 제2 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 광학 릴레이 시스템의 광학 구성요소 상의, 도 6a와 동등한, 픽처의 광의 예시적인 광선 다발 풋프린트를 도시한다.
도 6c는 실시예들에 따라, 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 광학 릴레이 시스템의 광학 구성요소 상의, 도 6a 및 6b와 동등한, 픽처의 광의 예시적인 광선 다발 풋프린트를 도시한다.
도 7은 제1, 제2 및 제3 구성들을 갖는 헤드업 디스플레이의 광학 구성요소를 크롭하여 형성된 형상들 및 상대적 영역들의 비교를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 제1, 제2 및 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 예시적인 눈 위치들에서의 왜곡을 측정한 결과들을 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 각각 제1, 제2 및 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 예시적인 눈 위치들에서의 수직 시차를 측정한 결과를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 각각 제1, 제2 및 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 예시적인 눈 위치들에서의 수평 시차를 측정한 결과를 도시한다.
도 11은 도 8a 내지 도 8c, 도 9a 내지 도 9c 및 도 10a 내지 도 10c에 예시된 결과들의 표를 보여준다. 그리고
도 12는 본 명세서에서 개시된 개념으로 인해 가능한 일부 HUD 부피 최적화 작업의 결과들을 보여준다.
동일한 참조 번호들이 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분들을 지칭하기 위하여 사용된다.

본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 한정되지 않으며 첨부된 청구범위의 전체 범위로 확장된다. 즉, 본 발명은 다른 형태들로 실시될 수 있으며, 설명을 위하여 제시된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성되는 것으로 기술된 구조물은, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. .

시간 관계를 기술함에 있어서, 예를 들어, 사건들의 시간적 순서가 "후", "후속", "다음", "이전" 등으로 기술되는 경우, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한 연속적 및 비연속적 사건들은 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "즉시(immediate)" 또는 "직접(direct)"과 같은 단어가 사용되지 않는 한 비연속적인 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어들이 다양한 요소들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들이 이러한 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남 없이, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 유사하게 제2 요소도 제1 요소로 지칭될 수 있다.

상이한 실시예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양하게 서로 상호 작용될 수 있다. 일부 실시예들은 서로 독립적으로 수행될 수 있거나, 상호 의존적인 관계로 함께 수행될 수 있다.

홀로그램 영상 생성 장치의 광학적 구성

도 1은 컴퓨터 생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기(SLM)에서 인코딩되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서, 홀로그램은 객체의 푸리에 영역 또는 주파수 영역 또는 스펙트럼 영역 표현이라고 말할 수 있다. 이 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 상의 반사형 액정(LCOS: liquid crystal on silicon) 장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩되고, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예를 들어 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.

예컨대 레이저 또는 레이저 다이오드와 같은 광원(110)은 시준 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)에 조사하도록 배치된다. 시준 렌즈는 일반적으로 광의 평면 파면이 SLM 상에 입사되도록 한다. 도 1에서 파면의 방향은 법선 방향이 아니다(off-normal)(예를 들어, 투명층의 평면과 실제로 직교하는 방향에서 2도 또는 3도 떨어져 있다). 그러나, 다른 실시예들에서, 일반적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사로 제공되고, 입력 및 출력 광학 경로들을 분리하기 위해 빔 분배기 배치(beam splitter arrangement)가 사용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 이러한 배치는 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방 거울 표면(mirrored rear surface)에 반사되고 광 변조 층과 상호작용하여 출사 파면(exit wavefront, 112)을 형성하도록 되어 있다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 보다 구체적으로, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 변조된 광의 빔을 수신하고, 스크린(125)에서 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.

특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서는 홀로그램의 각 화소가 전체 재구성에 기여한다. 재생 필드 상의 특정 지점들(또는 이미지 화소들)과 특정 광 변조 요소들(또는 홀로그램 화소들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다시 말해서, 광 변조 층을 출사하는 변조된 광은 재생 필드 전체에 분포된다.

이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱)력(dioptric(focusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이고 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 수행할 수 있지만, 렌즈의 성능은 수행되는 푸리에 변환의 정확도를 제한할 것이다. 통상의 기술자라면 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.

홀로그램 계산

일부 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈(positive lens)의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원거리장(far field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생 평면에서 원하는 광 필드(light field)를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 이용하여 계산될 수 있다.

푸리에 변환 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산될 수 있다. 더욱이, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 영역의 진폭 한정 정보(예를 들어, 픽처)로부터 푸리에 영역의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체와 관련된 위상 정보는 공간 영역의 진폭 한정 정보로부터 효과적으로 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용하여 진폭 한정 정보로부터 계산된다.

Gerchberg Saxton 알고리즘은 평면 A와 평면B 에서 광선(light beam)의 단면적 강도들(intensity cross-sections)인 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)가 각각 알려져 있고, I_A(x, y) 및 I_B(x, y)가 단일 푸리에 변환에 의해 상호 관련되는 상황을 고려한다. 주어진 단면적 강도들을 이용하여, 평면 A 및 평면 B 각각에서 위상 분포에 대한 근사값인 Ψ_A(x, y) 및 Ψ_B(x, y)가 구해진다. Gerchberg-Saxton 알고리즘은 반복 프로세스를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 보다 구체적으로, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)를 나타내는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서 공간 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역 상의 컴퓨터 생성 홀로그램은 적어도 한 번 이상의 알고리즘 반복을 통해 얻는다. 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 수렴되고 조정된다. 홀로그램은 진폭 한정 홀로그램, 위상 한정 홀로그램 또는 완전 복소 홀로그램일 수 있다.

일부 실시예에서, 위상 한정 홀로그램은 영국 특허 2,498,170 또는 2,501,112에 기술된 것과 같은 Gerchberg-Saxton 알고리즘을 기반으로 하는 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이 특허들은 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시예들은 단지 예로서 위상 한정 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이러한 실시예들에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 발생시키는 데이터 세트의 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 검색하는데, 여기서 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예를 들어, 픽처)를 나타낸다. 크기과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합되므로, 변환된 크기과 위상에는 계산된 데이터 세트의 정확도에 대한 유용한 정보가 포함된다. 따라서, 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두에 대한 피드백과 함께 반복적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이들 실시예들에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 대상 이미지(target image)의 홀로그래픽 표현을 형성하기 위한 홀로그램으로 사용된다. 홀로그램은 위상 값의 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이다.

다른 실시예들에서, Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기반한 알고리즘은 완전 복소 홀로그램을 계산하기 위해 사용된다. 완전 복소 홀로그램은 크기 성분과 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 각각의 복소 데이터 값들의 어레이를 포함하는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이고, 각각의 복소 데이터 값은 크기 성분 및 위상 성분을 포함한다.

일부 실시들예에서, 알고리즘은 복소 데이터를 처리하고, 푸리에 변환은 복소수 푸리에 변환이다. 복소 데이터는 (i) 실수 성분과 허수 성분 또는 (ii) 크기 성분과 위상 성분을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복소 데이터의 2개의 성분은 알고리즘의 다양한 과정에서 상이하게 처리된다.

도 2a는 위상 한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예들에 따른 알고리즘의 첫 번째 반복을 예시한다. 알고리즘에 대한 입력은 화소들 또는 데이터 값들의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)며, 여기서 각 화소 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 화소 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기-한정 또는 진폭-한정 또는 강도-한정 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 예는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 픽처 또는 비디오의 한 프레임이다. 알고리즘의 첫 번째 반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 이용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 화소에 랜덤 위상 값을 할당하는 과정을 포함하는 데이터 형성 과정(202A)에서 시작한다. 여기서, 초기 복소 데이터 세트는 공간 영역에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.

제1 프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고, 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2 프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고, 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시예들에서, 홀로그램(280A)은 위상 한정 홀로그램이다. 이들 실시예들에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각각의 위상 값을 양자화하고 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상 한정 홀로그램을 "표시"하는 데 이용되는 공간 광 변조기의 화소 상에 표시될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 화소가 256개의 서로 다른 위상 레벨을 제공하는 경우, 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지을 나타내는 위상 한정 푸리에 홀로그램이다.

다른 실시예들에서, 홀로그램(280A)은 수신된 푸리에 변환된 복소 데이터 세트로부터 유도된 복소 데이터 값(각각 진폭 성분 및 위상 성분을 포함함)의 어레이를 포함하는 완전 복소 홀로그램이다. 일부 실시예들에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 각각의 복소 데이터 값을 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 제한하여 홀로그램(280A)을 형성한다. 제한하는 과정은 각각의 복소 데이터 값을 복소 평면에서 가장 가까운 허용 가능한 복소 변조 레벨로 설정하는 것을 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 영역에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시예들에서, 알고리즘은 이 시점에서 중단한다.

그러나, 다른 실시예들에서, 알고리즘은 도 2a의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 다시 말해서, 도 2a의 점선 화살표를 따르는 과정은 선택적이다(즉, 모든 실시예들에 필수적인 것은 아니다).

제3 프로세싱 블록(256)은 제2 프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고, 역 푸리에 변환을 수행하여 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 영역에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.

제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고 크기 값들의 분포(211A) 및 위상 값들의 분포(213A)를 추출한다. 선택적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 크기 값들의 분포(211A)를 평가한다. 구체적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 크기 값들의 분포(211A)를 물론 크기 값들의 분포인 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 크기 값들의 분포(211A)와 입력 이미지(210) 사이의 차이가 충분히 작은 경우, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 수용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 크기 값들의 분포(211A)와 입력 이미지(210) 간의 차이가 충분히 작은 경우, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값들의 분포(213A)는 비교를 위해 무시된다. 크기 값들의 분포(211A)와 입력 이미지(210)를 비교하기 위한 임의의 수의 상이한 방법이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 평균 제곱 차이(mean square difference)가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 허용 가능한 것으로 간주된다. 제4 프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 허용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 과정은 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예들에서 수행되는 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.

도 2b는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 추가적인 후속 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값들(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 크기 값들의 분포(211A)는 입력 이미지(210)의 크기 값들의 분포를 위해 소거된다. 첫 번째 반복에서, 데이터 형성 과정(202A)은 입력 이미지(210)의 크기 값들의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1 복소 데이터 세트를 형성했다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 과정(202B)은 (i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값들의 분포(213A)와 (ii) 입력 이미지(210)의 크기 값들의 분포를 결합함으로써 복소 데이터 세트를 형성하는 것을 포함한다.

도 2b의 데이터 형성 과정(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 그 다음 제2 반복 홀로그램(280B)을 형성하기 위해 도 2a를 참조하여 설명된 것과 동일한 방식으로 처리된다. 따라서 프로세스에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않는다. 제2 반복 홀로그램(280B)이 계산되면, 알고리즘은 중단될 수 있다. 그러나, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3 프로세싱 블록(256)은 제4 프로세싱 블록(259)이 요구되거나 추가 반복이 필요한 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복할 때마다 개선된다. 그러나, 실제로는, 일반적으로 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나 추가 처리 시간의 부정적인 영향이 추가 반복 수행의 긍정적인 이점보다 더 커지는 시점에 도달한다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.

도 2c는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값들의 분포(213A)는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 크기 값들의 분포(211A)는 대안적인 크기 값들의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시예에서, 크기 값들의 대안적인 분포는 이전 반복의 크기 값들의 분포(211)로부터 도출된다. 구체적으로, 프로세싱 블록(258)은 선행 반복의 크기 값들의 분포(211)로부터 입력 이미지(210)의 크기 값들의 분포를 빼고, 그 차이를 이득 인자 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링된 차이를 뺀다. 이는 다음의 방정식으로 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트와 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.

여기서:

F'는 역 푸리에 변환이고;

F는 순방향 푸리에 변환이고;

R[x, y]는 제3 프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;

T[x, y]는 입력 또는 타겟 이미지이고;

는 위상 성분이고;

Ψ는 위상 한정 홀로그램(280B)이고;

η는 크기 값들의 새로운 분포(211B)며;

α는 이득 인자이다.

이득 인자 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 인자 α는 수신 타겟 이미지 데이터의 크기 및 비율(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시예들에서, 이득 인자 α 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예들에서, 이득 인자 α는 오로지 반복 횟수의 함수이다.

도 2c의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시예와 동일하다. 위상 한정 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 영역에서 위상 분포를 포함한다고 말할 수 있다.

일부 실시예들에서, 푸리에 변환은 홀로그램 데이터에 렌즈 데이터를 포함함으로써 계산적으로 수행된다. 즉, 홀로그램은 객체를 나타내는 데이터뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 데이터도 포함한다. 이들 실시예들에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략된다. 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서는 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 계산하는 방법이 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터는 소프트웨어 렌즈라고 할 수 있다. 예를 들어, 위상 한정 홀로그램 렌즈는 굴절률 및 공간적으로 변하는 광학 경로 길이(optical path length)로 인해 렌즈의 각각의 지점에서 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성할 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈의 중심에서의 광로 길이는 렌즈의 가장자리에서의 광로 길이보다 길다. 진폭 한정 홀로그램 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 컴퓨터 생성 홀로그램 기술 분야에서는, 물리적 푸리에 렌즈의 필요 없이 푸리에 변환이 수행될 수 있도록 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 객체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하는 방법이 알려져 있다.

일부 실시예들에서, 렌즈 데이터는 단순 벡터 가산과 같은 단순 가산에 의해 홀로그램 데이터와 결합된다. 일부 실시예들에서, 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 물리적 렌즈가 사용된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성이 원거리장(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 추가 실시예들에서, 홀로그램은 그레이팅 데이터(grating data), 즉 빔 조종(beam steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 배치된 데이터를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 컴퓨터 생성 홀로그래피 분야에서는 그러한 홀로그램 데이터를 계산하고 이를 객체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 위상 한정 홀로그램 그레이팅은 블레이즈된(blazed) 그레이팅 표면 상의 각 지점에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭 한정 홀로그램 그레이팅은 진폭 한정 홀로그램의 각도 조정(angle steering)을 제공하기 위해 객체를 나타내는 진폭 한정 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)될 수 있다.

일부 실시예들에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 굴절능(optical power)은 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고, 푸리에 변환에 기여하는 나머지 굴절능은 물리적 광학 장치 또는 광학 장치들에 의하여 제공된다.

일부 실시예들에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예들에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 영상(video)이다. 다른 실시예들에서, 홀로그램은 미리 계산되어 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 표시하기 위하여 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예들에서 미리 결정된 홀로그램의 저장소가 제공된다.

실시예들은 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘에 관한 것이다. 본 개시는 프레넬 홀로그래피 및 포인트 클라우드 방식에 기반한 것들과 같은 다른 기술들에 의해 계산된 홀로그램들에도 동일하게 적용될 수 있다.

광 변조

공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시하는 데 사용될 수 있다. 홀로그램이 위상 한정 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전 복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기를 사용하거나 위상을 변조하는 제1 공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2 공간 광 변조기를 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 광 변조 요소들(즉, 화소들)은 액정을 포함하는 셀들이다. 즉, 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 광학 활성 성분이 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각각의 액정 셀은 복수의 가능한 광 변조 레벨 중에서 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 작동하도록 임의의 시간에 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨과 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 실리콘 상의 반사형 액정(LCOS) 공간 광 변조기이지만, 본 개시는 이러한 유형의 공간 광 변조기로 제한되지 않는다.

LCOS 장치는 작은 (예를 들어, 수 센티미터 너비) 조리개(aperture) 내에서 광 변조 요소들 또는 화소들의 조밀한 어레이를 제공한다. 화소들은 일반적으로 대략 10미크론 이하이며, 이는 광학 시스템이 소형일 수 있음을 의미하는 몇 도의 회절 각도를 초래한다. 다른 액정 장치의 더 큰 조리개보다 LCOS SLM의 작은 조리개를 적절하게 조사하는 것이 더 쉽다. LCOS 장치는 일반적으로 반사형이며, 이는 LCOS SLM의 화소들을 구동하는 회로가 반사면 아래에 묻힐 수 있음을 의미한다. 결과적으로 조리개 비율이 높아진다. 다시 말해서, 화소들이 조밀하게 채워져 화소들 사이에 데드 스페이스(dead space)가 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서 광학적 노이즈를 감소시키기 때문에 유리하다. LCOS SLM은 화소들이 광학적으로 평평하다는 장점이 있는 실리콘 백플레인(silicon backplane)을 사용한다. 이는 위상 변조 장치에 특히 중요하다.

도 3을 참조하여, 적합한 LCOS SLM은 단지 예시로서 이하에 설명된다. LCOS 장치는 단결정 실리콘 기판(302)을 사용하여 형성된다. LCOS 장치는 기판의 상부 표면에 배치된 갭(301a)만큼 이격된 정사각형 평면 알루미늄 전극들(301)의 2D 어레이를 갖는다. 전극들(301) 각각은 기판(302)에 매립된 회로(302a)를 통해 어드레싱될 수 있다. 각각의 전극은 각각의 평면 거울(planar mirror)을 형성한다. 전극들의 어레이 상에 배향층(alignment layer, 303)이 배치되고, 배향층(303) 상에 액정층(liquid crystal layer, 304)이 배치된다. 제2 배향층(305)은 예컨대 유리인 평면 투명층(306) 상에 배치된다. 예컨대 ITO(indium tin oxide)의 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2 배향층(305) 사이에 배치된다.

정사각형 전극들(301) 각각은 투명 전극(307)의 상부 구역 및 중간의 액정 물질과 함께 흔히 화소라고 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 요소(308)를 정의한다. 유효 화소 영역 또는 충전율(fill factor)은 화소들 사이의 공간(301a)을 고려하여 광학적으로 활성인 전체 화소의 백분율이다. 투명 전극(307)에 대해 각 전극(301)에 인가되는 전압을 제어함으로써, 각 위상 변조 요소의 액정 물질의 특성이 변화될 수 있고, 이에 의해 입사광에 가변 지연(variable delay)을 제공할 수 있다. 그 효과는 파면에 위상 한정 변조를 제공하는 것이다. 즉, 진폭 효과가 발생하지 않는다.

전술한 LCOS SLM은 반사 시 공간 변조된 광을 출력한다. 반사형 LCOS SLM의 장점은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 미러링된 표면 아래에 있어 높은 충전율(일반적으로 90% 이상)와 고해상도를 제공한다는 점이다. 반사형 LCOS SLM을 사용하는 또 다른 장점은 액정층의 두께가 투과형 장치를 사용할 경우 필요한 두께의 절반이 될 수 있다는 점이다. 이 점은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(동영상 이미지의 투사를 위한 주요 장점). 그러나, 본 개시의 교시(teachings)는 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동등하게 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 개시의 원리는 상술한 바와 같이 홀로그램이 아닌(non-holographic) 픽처 생성 유닛뿐만 아니라 홀로그래픽 픽처 생성 유닛에 적용할 수 있다.

아이 박스 최적화

헤드업 디스플레이의 광학 릴레이 시스템은 픽처의 가상 이미지가 보이도록 픽처 생성 유닛의 디스플레이 영역으로부터 아이 박스로 픽처의 광을 릴레이하도록 배치된다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 아이 박스는 가상 이미지가 뷰어(viewer)에 의해 완전히 인지될 수 있는 영역, 선택적으로 볼륨(volume)을 포함한다. 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 가상 이미지는 아이 박스로부터 더 멀리 떨어진 뷰잉 위치들(viewing positions)로부터 점점 더 덜 완전하게 보이게 된다.

광선 추적 기술은 가상 이미지가 선명한 뷰잉 위치들을 객관적으로 식별하기 위해 왜곡 및 수평/수직 시차(disparity)와 같은 매개변수들을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 측정들에 기초하여, 본 발명자들은 패킹 요구사항들과 같은 설계 요구사항들을 만족시키도록 아이 박스 영역을 정의하기 위해 광학 릴레이 시스템이 구성될 수 있음을 인식하였다. 특히, 그들은 관습에 반하여 직사각형이 아닌 아이 박스 영역이 정의될 수 있음을 인식하였다. 예를 들어, 축소된 직사각형이 아닌 아이 박스 영역을 정의하기 위해, 아이 박스는 하나 이상의 모서리들 또는 부분들이 "크롭된" 또는 제거된 "코어" 또는 중앙 직사각형 형상을 가질 수 있다. 아래의 상세와 같이, 이러한 방식으로 아이 박스 영역을 축소하는 것은 광학 릴레이 시스템 내의 하나 이상의 광학 구성요소들의 크기를 줄이고 뷰어가 아이 박스 내의 중앙이 아닌 눈 위치들에서 접하게 될 이미지 왜곡 및/또는 시차 정도를 줄이는 이중의 유익한 효과를 가진다. 또한, 본 발명자들은 직사각형이 아닌 아이 박스를 정의하는 것은 차량 이동 중에 운전자의 의해 일반적으로 사용되는 눈 위치들의 범위와 같은 원하는 모든 눈 위치들로부터 가상 이미지를 완전히 인식하는 뷰어의 능력을 손상시키지 않으면서 이러한 이점들을 제공할 수 있음을 인식했다.

본 명세서에서 참조로 포함된 영국 특허 GB 2,575,651B는 본 명세서에 개시된 개념들을 구현하는 데 사용되는 일반적인 접근 방식의 추가 세부사항들을 포함한다. 의심의 여지를 없애기 위해, GB 2,575,561B는 모서리가 크롭된 아이 박스를 개시하지 않는다. 실제로, GB 2,575,561B는 아이 박스가 직사각형이어야 한다는 현장의 편견을 충실히 반영하고 있다. 본 발명자들은 이러한 편견에 도전하고 놀라운 상당한 이득들을 얻을 수 있음을 보여주었다.

도 4a는 종래의 구성(여기서 "제1 구성")을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역들을 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 종래의 구성에서, 시야(410A)는 비교적 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 사각형 영역으로 구성된다. 특히, 너비는 시야(410A)의 높이보다 크다. 도시된 배치에서 너비는 수평으로 x 정도 간격이고 높이는 수직으로 y 정도 간격이다. 비율 x:y는 예를 들어 2:1 또는 16:9일 수 있다. 상술한 바와 같이, 시야(410A)는 헤드업 디스플레이에 의해 가상 이미지가 형성되는 영역에 해당한다. 상대적으로 높은 종횡비를 갖는 시야는 자동차 애플리케이션들 및 와이드스크린 이미지들을 표시하는 애플리케이션들을 포함하는 많은 애플리케이션들에 적합하다. 종래의 구성에서, 아이 박스(420A)는 또한 상대적으로 높은 종횡비를 갖는 사각형 영역으로 구성된다. 특히, 너비는 아이 박스(420A)의 높이보다 크다. 도시된 예에서, 너비는 a mm이고 높이는 b mm이다. 그러나, 일반적으로 비율 a :b는 비율 x:y보다 낮다. 상술한 바와 같이, 아이 박스(420A)는 뷰어가 가상 이미지를 완전히 인지할 수 있는 영역에 해당한다.

도 4b는 크롭된 시야를 포함하는 구성(여기서 "제2 구성")을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역들을 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2 구성에서, 시야(410b)는 도 4a의 시야(410A)의 사각형 영역의 하위 영역으로 구성된다. 특히, 시야(410b)는 4개의 모서리 각각이 잘리거나 크롭된 사각형 코어 또는 기본 형상으로 구성된다. 도시된 예는, 자동차 애플리케이션들을 위한 최적화된 시야(420B)에 따라 비대칭 하위 영역을 형성하기 위해 4개의 모서리들 각각이 다른 양만큼 잘린 것을 보여준다. 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 다른 애플리케이션들에서, 시야(410b)의 코어 사각형 형상의 더 적은 모서리들이 크롭될 수 있고 및/또는 모서리들이 크롭되어 대칭적인 하위 영역을 형성할 수 있다. 그러나, 아이 박스(420B)는 종래의 구성과 일치하는 사각형 영역을 포함한다. 따라서, 아이 박스(420B)는 도 4a의 아이 박스(420A)와 동등하다.

도 4c는 실시예들에 따른 구성(여기서 "제3 구성")을 갖는 헤드업 디스플레이의 시야 및 아이 박스 영역들을 도시한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 제3 구성에서, 시야(410C)는 도 4a의 사각형 시야(410A)의 하위 영역으로 구성된다. 특히, 시야(410C)는 사각형 코어 또는 기본 형상을 구성하며, 여기서 4개의 모서리들 각각은 "잘리거나" "크롭된다". 도시된 배치에서, 시야(410C)는 도 4b의 시야(410b)와 동등하고, 따라서 자동차 애플리케이션들에 최적화된다.

본 개시에 따르면, 아이 박스(420C)는 직사각형이 아닌 영역을 형성하도록 구성된다. 따라서, 헤드업 디스플레이의 아이 박스의 종래 구성과 대조적으로, 본 개시에 따른 아이 박스(420C)는 사각형이 아닌 영역으로 구성된다. 특히, 도시된 예에서, 아이 박스(420C)는 실질적으로 사각형 코어 또는 기본 형상을 갖는 영역을 구성하며, 여기서 각각의 모서리는 "잘리거나" "크롭된다". 도시된 예는 4개의 모서리들 각각이 비슷한 양만큼 크롭되어 실질적으로 대칭인 뷰잉 영역을 형성함을 보여준다. 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 다른 애플리케이션들에서, 아이 박스(420C)의 코어 사각형 형상의 더 적은 모서리들이 크롭될 수 있고 및/또는 모서리들이 크롭되어 일반적으로 대칭인 뷰잉 영역을 형성할 수 있다.

도 4d는 도 4b 및 4c와 유사한 직사각형이 아닌 가상 이미지 영역 또는 시야. 특히, 도 4d는 자동차 애플리케이션들을 위한 육각형 형상을 갖는 가상 이미지 영역 내의 원거리장에 표시되는 픽처 콘텐츠를 보여준다. 가상 이미지 영역(450)은 차도 또는 도로의 제1 차로(441), 제2 차로(442) 및 제3 차로(443)를 중첩한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 가상 이미지 영역의 육각형 형상은 차도 바깥쪽 영역들을 제외한다. 정의된 육각형은 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 4a의 직사각형 가상 이미지 영역의 2개의 모서리들(예를 들어, 2개의 아래쪽 모서리들)만이 절단된다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 내비게이션을 위한 V형 무늬들(chevrons, 460)과 같은 픽처 콘텐트가 가상 이미지 영역에 표시될 수 있다. 이미지 콘텐트는 제2 차로(442)와 같은 하나의 차로로 제한되거나 제1 차로(441) 및/또는 제3 차로(443)를 포함하는 2개 이상의 차로들로 확장될 수 있다. 가상 이미지의 픽처 컨텐트는 아이 박스에 뷰어로부터의 좀 떨어진 또는 일정 거리 범위에 있는 장면에 중첩된다고 할 수 있다.

본 발명자들은 본 명세서에 기술된 바와 같이 직사각형이 아닌 뷰잉 영역으로서 아이 박스를 구성함으로써, 차량 이동 중에 운전자의 의해 사용되는 눈 위치들의 범위와 같은 원하는 모든 눈 위치들로부터 가상 이미지를 완전히 인식하는 뷰어의 능력을 손상시키지 않으면서 시스템의 광학 성능이 개선된다는 것을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 본 명세서에 기술된 바와 같이 직사각형이 아닌 아이 박스를 형성하기 위한 구성을 최적화함으로써, 가상 이미지의 포인트들(여기서 "가상 이미지 포인트들" 또는 "필드 포인트들”)의 왜곡 및 수직/수평 시차에 있어 개선들이 아이 박스 내의 뷰잉 위치들에서 발견되는 것을 뜻밖에 발견하였다. 따라서, 직사각형이 아닌 아이 박스를 갖도록 구성된 헤드업 디스플레이는 종래의 직사각형 아이 박스로 구성된 헤드업 디스플레이에 비해 아이 박스 내의 모든 위치에서 이미지 품질이 향상된다. 본 발명자들은 또한 직사각형이 아닌 아이 박스로 헤드업 디스플레이를 구성하는 것이 광학 성능의 향상을 보여주며, 따라서 도 4b 및 4c의 예들과 같이 가상 이미지 영역의 시야 역시 크롭되는지 여부에 관계없이 이미지 품질이 향상된다는 것을 발견했다. 따라서, 도 4c의 아이 박스(420C)의 직사각형이 아닌 영역과 조합하여 도 4a의 종래 배치의 시야(410A)의 직사각형 영역을 갖는 헤드업 디스플레이를 구성하는 것이 가능하다.

도 5는 헤드업 디스플레이의 종래의 직사각형 아이 박스 내의 눈 위치들에 대한 연구 결과를 보여준다. 특히, 아이 박스(500)는 수직 치수/높이보다 더 긴 수평 치수/너비를 갖는 직사각형으로 구성된다. 원들(501)은 일정 기간 동안 뷰어의 관찰된 눈 위치들을 나타낸다. 보다시피, 대부분의 눈 위치들은 아이 박스의 길이에 대응하는 길이 및 아이 박스의 높이보다 작은 높이를 갖는 타원(503) 내에 있다. 특히, 도시된 예에서, 타원(503)의 높이는 30mm이다. 타원(503)의 장축은 아이 박스 높이의 중심에 맞춰 정렬되고, 타원(503)의 단축은 아이 박스의 너비의 중심에 맞춰 정렬된다.

본 발명자들은 직사각형 아이 박스(500)를 형성하는 뷰잉 영역의 코너들이 헤드업 디스플레이의 정상적인 사용 중에 거의 사용되지 않은 채로 남아 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 정상적인 사용 중에 표시된 가상 이미지를 명확하게 인식하는 뷰어의 능력을 과도하게 손상시키지 않으면서 종래의 직사각형 형상의 모서리들을 "잘라내거나" "크로핑하여(cropping)" 아이 박스의 형상을 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 아이 박스가 직사각형이 아닌 형상(505)을 갖도록 재구성될 수 있음을 인식하였다.

광학 구성요소 크기 최적화 결과들

본 개시의 실시예들에서, 광학 릴레이 시스템은 거울과 같은 광학 구성요소 또는 광학 요소로 구성된다. 일반적으로 광학 구성요소는 픽처 생성 유닛으로부터 수신된 이미지를 확대하기 위한 굴절능(optical power)을 갖는다. 광학 구성요소는 업스트림(upstream)에 있는 광학 합성기와 같은 다른 광학 구성요소에 의해 형성된 가상 이미지의 왜곡을 보상하도록 구성된 자유형의(free-form) 형상일 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 상술한 바와 같이 헤드업 디스플레이의 제1, 제2 및 제3 구성들에 최적화된 적절한 예시적인 광학 구성요소들을 도시한다. 특히, 각각의 경우에, 광학 구성요소는 일반적으로 도 4a 내지 도 4c에 도시된 각각의 시야(410A 내지 410C)의 형상에 대응하여 형성된다.

특히, 도 6a에 도시된 광학 구성요소는 일반적으로 시야(410A)의 사각형 형상에 대응하는 사다리꼴 형상으로 구성된다. 도 6b에 도시된 광학 구성요소는 일반적으로 시야(410B)의 형상에 대응하는 4개의 잘린 모서리들을 갖는 사각형 코어 형상으로 구성된다. 마지막으로, 도 6c에 도시된 광학 구성요소는 일반적으로 시야(410C)의 형상에 대응하는 4개의 잘린 모서리들을 갖는 사각형 코어 형상으로 구성된다. 도 4b 및 도 4c의 제2 구성 및 제3 구성에서 형성된 시야의 형상은 실질적으로 동일하지만, 도 6c의 광학 구성요소는 직사각형이 아닌 아이 박스의 축소된 영역의 결과로 도 6b의 광학 구성요소보다 더 크롭된다.

도 6a 내지 도 6c는 각각의 광학 구성요소 상의 픽처의 광의 예시적인 광선 다발 풋프린트들을 도시한다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 각 "블록(block)"은 "필드 포인트(field point)"이라고 하는 하나의 가상 이미지 포인트 및 모든 허용된 눈 위치들과 관련된다. 도면들은 설명의 편의를 위해 12개의 서로 다른 가상 이미지 포인트들을 보여준다. 통상의 기술자는 실제로 더 많은 가상 이미지 포인트들이 가상 이미지를 구성하고 따라서 광학 구성요소의 다른 많은 위치들이 픽처의 광을 수신한다는 것을 이해할 것이다. 각각의 예시된 필드 포인트 블록은 모든 허용된 눈 위치들(즉, 가상 이미지가 명확하게 보이는 위치들)와 관련되기 때문에 블록의 형상은 아이 박스의 형상과 대체로 일치한다. 따라서, 각 블록은 해당 필드 포인트에 대한 아이 박스의 모든 가능한 눈 위치들과 관련된다.

도 6a를 참조하면, 제1 구성에서, 모든 눈 위치들에서 가상 이미지 포인트들을 형성하기 위해서는 큰 영역을 갖는 광학 구성요소가 필요함을 알 수 있다. 그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 구성에서, 모든 눈 위치들에서 가상 이미지 포인트들에 의해 형성되는 광 풋프린트는 더 작은 영역으로 제한된다. 따라서, 점선의 윤곽으로 표시된 하위 영역의 형상을 형성하기 위해, 광학 구성요소는 그 모서리들을 절단함으로써 크롭될 수 있다. 광학 구성요소의 형상은 사각형 디스플레이 영역(즉, 시야 또는 가상 이미지 영역)의 하위 영역의 형상에 대응하는 형상이라고 할 수 있다. 그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 그 형상은 도 4b의 시야(410B)의 형상과 동일하지는 않으나 대체로 대응한다. 특히, 광학 구성요소의 크로핑 양(amount)은 디스플레이 영역의 사각형 형상의 크로핑 양보다 적지만, 각 모서리의 크로핑은 동일한 형상과 비율을 갖는다. 마지막으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제3 구성에서, 모든 눈 위치들에서 가상 이미지 포인트들에 의해 형성되는 광 풋프린트은 도 6b의 하위 영역보다 작은 광학 구성요소의 하위 영역으로 제한된다. 따라서, 점선의 윤곽으로 표시된 하위 영역의 형상을 형성하기 위해, 광학 구성요소는 그 모서리들을 절단함으로써 크롭될 수 있다.

광학 구성요소의 형상은 사각형 디스플레이 영역(시야 또는 가상 이미지 영역)의 하위 영역의 형상과 아이 박스의 형상에 대응하는 형상이라고 할 수 있다. 도 6c에 도시된 광학 구성요소의 크로핑 양은 도 6b에 도시된 크로핑 양보다 많다. 그럼에도 불구하고, 광학 구성요소의 크로핑 양은 디스플레이 영역의 사각형 형상의 크로핑 양보다 약간 적을 수 있지만, 각 모서리의 크로핑은 동일한 형상 및 비율을 갖는다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 도 6b 및 도 6c 각각의 광학 구성요소의 형상은 이 연구에서 광 풋프린트를 형성하기 위해 사용된 제한된 수의 필드 포인트들에 의해 정의된다. 더 잘 맞는(tailored) 형상, 따라서 광학 구성요소의 더 잘 맞는 크로핑은 다수의 필드 포인트들을 사용하여 식별될 수 있다.

통상의 기술자가 인식하는 바와 같이, 도 6c는 광학 릴레이 시스템의 광학 구성요소의 형상이 어떻게 시야의 형상(가상 이미지 영역) 및 아이 박스의 형상에 맞춰질 수 있는지에 대한 단지 하나의 예를 도시한다. 특히, 도 6c의 예는 한 쪽 또는 차도에서 주행하기 위한 3차선 도로 레이아웃에 대해 비대칭 형상의 시야를 제공하기 위해 불규칙한 크로핑 방식으로 자동차 애플리케이션들에 최적화되어 있다. 시야는 애플리케이션 요구 사항들에 따라 대칭이든 비대칭이든 다른 형상을 가질 수 있다. 도 6c에서와 같이 광학 구성 요소 상의 광 풋프린트를 식별하기 위해, 임의의 원하는 형상의 시야로부터 광학 구성 요소 및 아이 박스까지의 필드 포인트들을 추적하기 위해 시뮬레이션들이 수행될 수 있다. 따라서, 광학 구성요소 상의 식별된 광 풋프린트를 기반으로 하여 임의의 주어진 애플리케이션에 대해 최적의 형상 및 크로핑 양이 제공될 수 있다.

도 7은 각각 제1, 제2 및 제3 구성들 각각에 대한 도 6a 내지 도 6c의 광학 구성요소들의 상이한 형상들 및 영역들의 상대적 크기의 비교를 도시한다. 특히, 실선은 제1 구성에 대한 도 6a의 광학 구성요소(700A)의 직사각형 형상을 나타내고, 점선은 그 위에 겹쳐진(superimposed) 제1 구성에 대한 도 6b의 광학 구성요소(700B)의 크롭된 형상을 나타내고, 파선은 그 위에 겹쳐진 제3 구성에 대한 도 6c의 광학 구성요소(700C)의 크롭된 형상을 나타낸다. 광학 구성요소(700B)의 영역은 광학 구성요소(700A)에 비해 12% 축소된다. 광학 구성요소(700C)의 영역은 광학 구성요소(700A)에 비해 23% 축소된다.

광학 성능 결과들

상술한 바와 같이, 본 발명자들은 본 명세서에 기재된 바와 같이 헤드업 디스플레이의 제1, 제2 및 제3 구성의 광학적 성능, 특히 이미지 품질의 차이들을 고려하였다. 본 발명자들은 실시예들에 따라 본 명세서에 설명된 제3 구성에서 유의미한(significant) 개선을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 본 명세서에 기재된 제1 및 제2 구성과 비교하여 수직 및 수평 방향으로 아이 박스 내의 위치들 범위에 걸친 복수의 아이 위치들에서의 왜곡, 수직 시차 및 수평 시차의 일관된 감소를 발견하였다.

도 8a 내지 도 8c는 각각 제1, 제2 및 제3 구성을 갖는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 복수의 눈 위치들에서의 왜곡을 측정한 결과들을 나타낸다.

통상의 기술자가 인식하는 바와 같이, 왜곡은 고정된 작동 거리(working distance)에서 이미지의 배율이 시야에 걸쳐 어떻게 변하는지를 기술하는 단색 광학 수차이다. 왜곡은 알려진 기술들을 사용하여 측정될 수 있으며 백분율(즉, 백분율 수차)로 표시될 수 있다. 왜곡은 이미지 품질의 척도이다.

도 8a는 제1 구성의 직사각형 아이 박스 영역 및 왜곡이 측정된 아이 박스 내에서 원들로 표시된 24개의 눈 위치들의 샘플을 보여준다. 각각의 원은 왜곡이 측정된 아이 박스 내의 각각의 눈 위치(eye position)의 위치(location)를 나타내며, 각각의 원의 크기는 왜곡의 양을 나타낸다. 따라서 더 작은 원들은 상대적으로 낮은 왜곡 측정들을 나타내고 더 큰 원들은 상대적으로 높은 왜곡 측정들을 나타낸다. 도 8a에서 보다시피, 이미지 왜곡은 아이 박스의 중심점에서 최소화된다. 즉, 눈이 아이 박스의 중심에 위치할 때이다. 이미지 왜곡은 눈이 중심점으로부터 수평으로 또는 수직으로 움직일 때 증가한다.

도 8b는 제2 구성의 직사각형 아이 박스 영역 및 왜곡이 측정된 아이 박스 내에서 원들로 표시된 24개의 눈 위치들의 동일한 샘플을 보여준다. 도 8b에서 보다시피, 도 8a에서와 같이, 이미지 왜곡은 아이 박스의 중심점에서 최소화된다. 즉, 눈이 아이 박스의 중심에 위치할 때이다. 이미지 왜곡은 눈이 중심점으로부터 수평으로 또는 수직으로 움직일 때 증가한다. 그러나, 원들의 축소된 크기에 의해 표시된 것처럼, 왜곡의 양은 도 8a에 비해 중심점에서 떨어진 눈 위치들에서 감소한다.

도 8c는 실시예들에 따른 제3 구성의 직사각형이 아닌 아이 박스 영역 및 직사각형이 아닌 아이 박스 내에 속하는 20개의 눈 위치들의 샘플을 보여준다. 따라서, 도 8a 및 8b의 24개의 눈 위치들의 샘플에서 직사각형 아이 박스 영역의 모서리들에 있는 몇몇의 눈 위치들은 측정에서 생략되고, 몇 개의 새로운 눈 위치들이 아이 박스의 수직 정중선(vertical midline)의 맨 위와 맨 아래에 인접하여 추가된다. 도 8c에서 보다시피, 이미지 왜곡은 눈이 중심점으로부터 수평 또는 수직으로 움직일 때 다시 한 번 증가한다. 그러나, 도 8a 및 8b에 비해 원들의 축소된 크기에 의해 표시된 것처럼, 왜곡의 양은 도 8a 및 8b에 비해 중심점에서 떨어진 눈 위치들에서 훨씬 더 감소된다. 따라서, 결과들은 본 개시의 직사각형이 아닌 아이 박스 내의 모든 눈 위치들에서 감소된 이미지 왜곡 및 이러한 개선된 이미지 품질을 보여준다.

도 9a 내지 도 9c는 필드 포인트들의 수직 시차를 측정한 결과들을 나타내고, 도 10a 내지 도 10c는 제1, 제2 및 제3 구성을 각각 갖는 헤드업 디스플레이의 아이 박스 내의 복수의 눈 위치들에서 형성된 필드 포인트들의 수평 시차를 측정한 결과들을 나타낸다.

통상의 기술자가 인식하는 바와 같이, 양안 시차(binocular disparity)는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 보이는 객체의 이미지 위치의 차이를 말하며, 눈들의 수평 이격(horizontal separation) 또는 동공 간 거리(시차)로 인해 발생한다. 수평 및 수직 시차는 각각 알려진 기술들을 사용하여 측정될 수 있고 밀리라디안(mrad) 각도로 표현될 수 있다. 수평 및 수직 시차가 결합되어 발생하는 양안 시차는 뷰어가 보는 이미지 품질의 척도가 될 수 있다.

도 9a 및 도 10a는 제1 구성의 직사각형 아이 박스 영역 및 각각의 수직 및 수평 시차가 측정된 아이 박스 내의 원들로 표시되는 15개의 눈 위치들의 샘플을 도시한다. 각각의 원은 아이 박스 내의 각각의 눈 위치의 위치를 나타내며, 각각의 원의 크기는 측정된 수직 또는 수평 시차를 나타낸다. 따라서, 더 작은 원들은 상대적으로 낮은 시차 측정값들을 나타내고 더 큰 원들은 상대적으로 높은 시차 측정값들을 나타낸다. 도 9a 및 도 10a에서 보다시피, 수평 및 수직 시차는 아이 박스의 중심점에서, 즉 눈이 아이 박스의 중심에 위치할 때 최소이다. 수평 및 수직 시차는 눈이 중심점으로부터 수평 또는 수직으로 움직일 때 증가한다. 수직 시차는 눈 위치가 수평 정중선(horizontal midline)으로부터 수직 방향으로 멀어질수록 더 증가하고, 수평 시차는 눈 위치가 수직 정중선으로부터 수평 방향으로 멀어질수록 더 증가한다.

도 9b 및 도 10b는 제2 구성의 직사각형 아이 박스 영역 및 수직 및 수평 시차가 측정된 아이 박스 내의 원들로 표시되는 15개의 눈 위치들의 동일한 샘플을 나타낸다. 도 9b 및 도 10b에서 보다시피, 도 9a 및 10a에서와 같이, 수평 및 수직 시차는 아이 박스의 중심점에서, 즉 눈이 아이 박스의 중심에 위치할 때 최소이다. 수평 및 수직 시차는 눈이 중심점으로부터 수평 또는 수직으로 움직일 때 증가한다. 수직 시차는 눈 위치가 수평 정중선으로부터 수직 방향으로 멀어질수록 더 증가하고, 수평 시차는 눈 위치가 수직 정중선으로부터 수평 방향으로 멀어질수록 더 증가한다. 그러나, 원들의 축소된 크기에 의해 표시된 것처럼, 수평 및 수직 시차의 양은 도 9a 및 도 10a에 비해 중심점으로부터 떨어진 눈 위치들에서 감소된다. 수직 및 수평 시차는 중심점에서 실질적으로 동일하게 유지된다는 점에 유의하세요.

도 9c 및 도 10c는 실시예들에 따른 제3 구성의 직사각형이 아닌 아이 박스 영역 및 직사각형이 아닌 아이 박스 내에 속하는 11개의 눈 위치들의 샘플을 보여준다. 따라서, 도 9a, 도 10a, 도 9b 및 도 10b의 15개 눈 위치들의 샘플에서, 직사각형 아이 박스 영역의 모서리들에 있는 4개의 눈 위치들은 측정에서 생략된다. 도 9c 및 도 10c에서 보다시피, 도 9a 및 도 10a와 같이, 수평 및 수직 시차는 아이 박스의 중심점에서, 즉 눈이 아이 박스의 중심에 위치할 때 최소이다. 수평 및 수직 시차는 눈이 중심점으로부터 수평 또는 수직으로 움직일 때 증가한다. 수직 시차는 눈 위치가 수평 정중선으로부터 수직 방향으로 멀어질수록 더 증가하고, 수평 시차는 눈 위치가 수직 정중선으로부터 수평 방향으로 멀어질수록 더 증가한다. 그러나, 원들의 축소된 크기에 의해 표시된 것처럼, 수평 및 수직 시차의 양은 도 9a, 도 9b, 도 10a 및 도 10b에 비해 중심점으로부터 떨어진 눈 위치들에서 더욱 감소하였다. 수직 시차 및 수평 시차는 중심점에서 실질적으로 동일하게 유지된다는 점에 유의하에요. 따라서, 결과들은 본 개시의 직사각형이 아닌 아이 박스 내의 모든 눈 위치들에서 감소된 양안 시차 및 이러한 개선된 이미지 품질을 보여준다.

도 11은 제1 구성(구성 A)과 비교하여 제2 및 제3 구성(구성 "B" 및 "C") 각각에 대해 측정된 왜곡, 수직 시차 및 수평 시차의 백분율 감소 표를 보여준다. 특히, 왜곡, 수직 시차 및 수평 시차에 대한 평균 및 최대 측정 값들 모두에 대해 백분율 감소가 보여진다.

HUD 부피 감소 결과

도 12는 앞의 도들의 제1 내지 제3 구성들에 따른 HUD 부피 최적화 작업의 결과들을 보여준다. 도시된 형상들은 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함하는 광학 릴레이 시스템이 도 6a 내지 도 6c 각각의 제1 내지 제3 구성들 및 크롭된 광학 구성요소들에 따라 맞추어진 최적화된(구체적으로, 최소화된) 부피들을 가진다. 제2 구성에 의해 요구되는 부피는 제1 구성보다 최대 11% 더 적을 수 있다. 제2 구성에 의해 요구되는 부피는 크롭된 아이박스 및 이로 인한 크롭된 광학 구성요소로 인해 제1 구성보다 최대 23% 더 적을 수 있다. 3D 형상들의 두 번째 행은 HUD의 커버 유리가 광학 요소의 크로핑에 의해 허용되는 보다 간결한 배치로 재배치된 추가적인 최적화 작업 후에 요구되는 부피들을 보여준다. 추가적인 개선에서, 제2 구성의 부피는 제1 구성의 부피보다 18% 적고, 제3 구성의 부피는 제1 구성의 부피보다 32% 적다. 이러한 결과들은 본 개시의 크롭된 아이 박스에 따라 달성할 수 있는 HUD 부피의 엄청난 절감을 보여준다.

추가 특징들

본 명세서에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독 가능 매체에 구현될 수 있다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 RAM(Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), 버퍼 메모리, 플래시 메모리, 캐시 메모리 등과 같이 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 또한, 명령들이 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 기계가 본 명세서에 설명된 방법론 중 임의의 하나 이상을 전체 또는 부분적으로 수행하도록 하는, 기계에 의한 실행을 위한 명령들을 저장할 수 있는 모든 매체 또는 다중 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주된다.

"컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 저장 시스템도 포함한다. "컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 솔리드 스테이트 메모리 칩(solid-state memory chip), 광 디스크, 자기 디스크 또는 이들의 적절한 조합과 같은 예시적인 형태 중 하나 이상의 유형의 및 비일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 일부 예시적인 실시예들에서, 실행을 위한 명령들은 캐리어 매체(carrier medium)에 의해 통신 될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예시는 과도 매체(transient medium)(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.

첨부된 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서 모든 수정 및 변형을 포함한다.

Claims

아이 박스 영역(eye-box area)으로부터 볼 수 있는 가상 이미지들을 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이로서,
실질적으로 사각형의 디스플레이 영역을 형성하도록 배치된 화소들의 어레이를 포함하고, 상기 사각형의 디스플레이 영역의 하위 구역(sub-region)에 픽처 콘텐츠를 표시하도록 배치된 픽처 생성 유닛; 및
상기 디스플레이 영역의 상기 하위 구역으로부터 상기 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 광을 릴레이하도록 배치되어, 상기 하위 구역 내의 상기 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 상기 아이 박스로부터 보이게 하는 광학 릴레이 시스템을 포함하되,
상기 광학 릴레이 시스템은 상기 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함하며,
상기 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아닌,
헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 아이 박스 영역은 실질적으로 사각형의 코어(core) 형상 및 적어도 하나의 크롭된(cropped) 모서리를 포함하는 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 광학 구성요소는 상기 하위 구역의 형상 및 상기 아이 박스의 형상에 대응하는 형상을 갖는 헤드업 디스플레이.
제2 항에 있어서,
상기 사각형의 코어 형상은 직사각형이며, 선택적으로, 상기 직사각형의 긴 치수는 정상적인 사용 중에 실질적으로 수평인 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 아이 박스 영역은 팔각형의(octagonal) 또는 다이아몬드(diamond) 형상을 갖는 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 아이 박스는 적어도 5개의 직선의 변들을 포함하는 형상을 갖는 헤드업 디스플레이.
제2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 크롭된 모서리는 2개 또는 4개의 크롭된 모서리들을 포함하는 헤드업 디스플레이.
제7 항에 있어서,
상기 2개 또는 4개의 크롭된 모서리들은 적어도 하나의 치수의 크기가 동일한 헤드업 디스플레이.
제7 항에 있어서,
각각의 크롭된 모서리는 제1 치수에서의 크기가 상기 제1 치수에서의 상기 아이 박스 영역의 최대 크기의 15% 내지 45%인, 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 아이 박스 영역은 실질적으로 타원형의 형상을 갖는 헤드업 디스플레이.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디스플레이 영역의 상기 하위 구역은 사각형의 코어 형상 및 적어도 하나의 크롭된 모서리를 포함하는 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 디스플레이 영역의 상기 하위 구역은 적어도 5개의 직선의 변들을 포함하는 형상을 갖는 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 디스플레이 영역은 상기 화소들의 규칙적인 어레이이거나 상기 화소들의 규칙적인 어레이에 대응하는 헤드업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 디스플레이 영역은 상기 화소들의 규칙적인 어레이를 포함하는 디스플레이 장치로부터 공간적으로 분리된 홀로그램 재생 필드인 헤드업 디스플레이.
제14 항에 있어서,
상기 디스플레이 장치는 상기 픽처 콘텐츠의 홀로그램을 표시하도록 배치되는 헤드업 디스플레이.
아이 박스 영역으로부터 볼 수 있는 가상 이미지를 형성하도록 배치된 헤드업 디스플레이로서,
상기 헤드업 디스플레이는 실질적으로 사각형의 디스플레이 영역의 하위 구역 내에 수신된 픽처 콘텐츠에 배치되며,
상기 수신된 픽처 콘텐츠를 상기 헤드업 디스플레이의 아이 박스로 릴레이하도록 배치되어, 상기 픽처 콘텐츠의 가상 이미지가 상기 아이 박스로부터 보이게 하는 광학 릴레이 시스템을 포함하되,
상기 광학 릴레이 시스템은 상기 하위 구역의 형상에 대응하는 형상을 갖는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함하며,
상기 아이 박스 영역의 형상은 직사각형이 아닌,
헤드업 디스플레이.