KR20230003218A - 다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 관련 방법, 및 디바이스 - Google Patents

다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 관련 방법, 및 디바이스 Download PDF

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KR20230003218A
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윈페이 옌
량자 쭝
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Abstract

다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 관련 방법 및 디바이스가 제공된다. 다초점 화상 생성 장치는 화상 생성 유닛, 광 분열기(203), 및 초점 길이 조정기(204)를 포함한다. 화상 생성 유닛은 다초점 화상 생성 장치의 제1 초점 평면을 생성하도록 구성된다. 광 분열기(203)는, 화상 생성 유닛에 대해 광 분열을 수행하도록, 그리고 광 분열을 통해 획득되는 광 빔을 초점 길이 조정기(204)의 표면 상에 조사하도록 구성된다. 초점 길이 조정기(204)는 초점 길이 조정기(204)의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하여, 다초점 화상 생성 장치의 제2 초점 평면을 생성하도록 구성된다. 초점 길이 조정기(204)를 사용하여 초점 길이가 유연하게 조정되어, 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성이 구현될 수 있고, 임의의 수량의 초점 평면들(또는 촬상 평면들) 및 임의의 위치에 있는 초점 평면이 구현될 수 있다.

Description

다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 관련 방법, 및 디바이스
본 출원은 2020년 5월 15일자로 중국 특허청에 출원되고 발명의 명칭이 "MULTI-FOCAL PICTURE GENERATION APPARATUS, HEAD-UP DISPLAY APPARATUS, RELATED METHOD, AND DEVICE"인 중국 특허 출원 제202010413996.4호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용된다.
<기술 분야>
본 출원은 화상 디스플레이 기술들의 분야에, 특히, 다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 및 관련 방법에 관련된다.
병렬 디스플레이 시스템이라고 또한 지칭되는, 헤드-업 디스플레이(Head-up display, HUD)는 운전자-중심 다기능 대시보드이다. 헤드-업 디스플레이는, 운전자의 전방에 있는 유리창 상에, 시간 당 속도 및 내비게이션과 같은, 중요한 주행 정보를 투사하기 위해 사용되어, 운전자는, 머리를 내리거나 또는 돌리지 않고, 시간 당 속도 및 내비게이션과 같은, 중요한 주행 정보를 가능한 많이 볼 수 있다. 도 1은 HUD의 디스플레이 인터페이스의 개략도이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, HUD 상에 디스플레이되는 화상은 시간 당 속도 "4 km/h" 및 내비게이션 "20 m 우회전 화살표"와 같은 정보를 포함한다.
그러나, 공통 HUD 상에 디스플레이되는 화상과 실제 도로 상의 객체는 동일한 초점 평면 상에 있지 않기 때문에, 운전자의 시야는, 눈의 초점을 조정하기 위해, 도로 상의 객체와 HUD의 촬상 평면 사이에서 왔다갔다 전환할 필요가 있다. 현재의 HUD는 머리 내림 문제를 해결하지만, 빈번한 초점 조정은 시각적 피로를 또한 야기하여, 사용자 경험을 저하시킨다. 증강 현실(Augmented reality, AR)에 진정으로 기초하는 HUD를 구현하기 위해서는, 화상 생성 장치의 다초점 평면 촬상의 기술적 문제를 해결할 필요가 있다.
본 출원은, 주로 화상 생성 장치의 다초점 평면 촬상의 기술적 문제를 해결하고, 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성을 구현하기 위한, 다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 및 관련 방법을 제공한다.
제1 양태에 따르면, 본 출원은 다초점 화상 생성 장치를 제공한다. 이러한 장치는 화상 생성 유닛, 광 분열기, 및 초점 길이 조정기를 포함한다. 화상 생성 유닛은 다초점 화상 생성 장치의 제1 초점 평면을 생성하도록 구성되고; 광 분열기는, 화상 생성 유닛에 대해 광 분열을 수행하도록, 그리고 광 분열을 통해 획득되는 광 빔을 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사하도록 구성되고; 초점 길이 조정기는 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하여, 다초점 화상 생성 장치의 제2 초점 평면을 생성하도록 구성된다.
본 출원의 기술적 해결책에서는, 초점 길이 조정기를 사용하여 초점 길이 위치가 유연하게 조정되어, 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성이 구현될 수 있고, 임의의 수량의 초점 평면들(또는 촬상 평면들) 및 임의의 위치에 있는 초점 평면이 구현될 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기 상에 상이한 위상 정보가 로딩되어, 다초점 화상 생성 장치가 복수의 제2 초점 평면들을 생성하는 것을 가능하게 하고, 상이한 위상 정보는 상이한 제2 초점 평면들에 대응한다.
본 출원의 기술적 해결책에서는, 초점 길이 조정기 상에 위상 정보가 로딩되어 초점 길이를 조정하여, 초점 평면 수량 및 위치를 제어하고, 그렇게 함으로써 비교적 높은 유연성을 달성한다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기는 복수의 촬상 영역들을 포함하고, 상이한 촬상 영역들은 상이한 제2 초점 평면들에 대응한다. 초점 길이 조정기의 촬상 영역은 소프트웨어를 사용하여 분할될 수 있고, 임의의 경계 형상을 지원하고, 높은 유연성을 갖는다.
가능한 구현에서, 상이한 위상 정보가 상이한 촬상 영역들에서 로딩된다. 상이한 위상 정보는 상이한 촬상 영역들에서 로딩되어, 상이한 초점 평면들 상의 화상들이 상이한 영역들에서 디스플레이될 수 있다.
가능한 구현에서, 화상 생성 유닛은 광원을 포함하고, 광 분열기는 광원에 의해 생성되는 광 빔을 분열하도록 구성된다. 화상 생성 유닛의 광 경로에 기초하여 업그레이드 및 변경이 수행될 수 있어, 구현이 용이하다.
가능한 구현에서, 제2 초점 평면이 2개의 초점 평면들을 포함할 때, 하나의 제2 초점 평면의 위치는 고정되고, 다른 제2 초점 평면의 위치는 조정가능하다. 제2 초점 평면이 복수의 초점 평면들을 포함할 때, 어느 하나 이상의 초점 평면의 위치가 랜덤하게 조정되어, 조정가능한 이중초점 평면 또는 다초점 평면을 구성할 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 위상 정보는 Fresnel 렌즈의 위상 분포 또는 Zernike 렌즈의 위상 분포를 포함한다. Fresnel 렌즈 또는 Zernike 렌즈의 것인 그리고 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 위상 분포 패턴을 변경하는 것에 의해 등가 렌즈 초점 길이가 변경되어, 다초점 화상 생성 장치를 제어하여 복수의 연속적인 초점 평면들을 생성할 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기는 공간 광 변조기이다. 공간 광 변조기는 위상-타입 공간 광 변조기일 수 있고, 액정 또는 마이크로전자기계 시스템들에 기초하여 구현될 수 있다.
제2 양태에 따르면, 본 출원은 다초점 화상 생성 방법을 제공한다. 이러한 방법은 다초점 화상 생성 장치에 적용될 수 있고, 다초점 화상 생성 장치는 화상 생성 유닛, 광 분열기, 및 초점 길이 조정기를 포함한다. 이러한 방법은, 화상 생성 유닛을 사용하여 제1 초점 평면을 생성하는 단계; 광 분열기를 사용하여 화상 생성 유닛에 대해 광 분열을 수행하는 단계, 및 광 분열을 통해 획득되는 광 빔을 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사하는 단계; 및 초점 길이 조정기를 사용하여 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하여, 제2 초점 평면을 생성하는 단계를 포함한다.
본 출원의 기술적 해결책에서는, 초점 길이 조정기를 사용하여 초점 길이 위치가 유연하게 조정되어, 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성이 구현될 수 있고, 임의의 수량의 초점 평면들(또는 촬상 평면들) 및 임의의 위치에 있는 초점 평면이 구현될 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하여, 제2 초점 평면을 생성하는 단계는, 초점 길이 조정기 상에 상이한 위상 정보를 로딩하여, 복수의 제2 초점 평면들을 생성하는 단계를 포함하고, 상이한 위상 정보는 상이한 제2 초점 평면들에 대응한다.
본 출원의 기술적 해결책에서는, 초점 길이 조정기 상에 위상 정보가 로딩되어 초점 길이를 조정하여, 초점 평면 수량 및 위치를 제어하고, 그렇게 함으로써 비교적 높은 유연성을 달성한다.
가능한 구현에서, 이러한 방법은, 초점 길이 조정기를 복수의 촬상 영역들로 분할하는 단계를 포함하고, 상이한 촬상 영역들은 상이한 제2 초점 평면들에 대응한다. 초점 길이 조정기의 촬상 영역은 소프트웨어를 사용하여 분할될 수 있고, 임의의 경계 형상을 지원하고, 높은 유연성을 갖는다.
가능한 구현에서, 이러한 방법은 추가로, 상이한 촬상 영역들에서 상이한 위상 정보를 로딩하는 단계를 포함한다. 상이한 위상 정보는 상이한 촬상 영역들에서 로딩되어, 상이한 초점 평면들 상의 화상들이 상이한 영역들에서 디스플레이될 수 있다.
가능한 구현에서, 화상 생성 유닛은 광원을 포함하고, 광원에 의해 생성되는 광 빔은 광 분열기를 사용하여 분열된다. 화상 생성 유닛의 광 경로에 기초하여 업그레이드 및 변경이 수행될 수 있어, 구현이 용이하다.
가능한 구현에서, 제2 초점 평면이 2개의 초점 평면들을 포함할 때, 이러한 방법은, 하나의 제2 초점 평면의 위치를 고정하는 단계, 및 다른 제2 초점 평면의 위치를 조정하는 단계를 포함한다. 제2 초점 평면이 복수의 초점 평면들을 포함할 때, 어느 하나 이상의 초점 평면의 위치가 랜덤하게 조정되어, 조정가능한 이중초점 평면 또는 다초점 평면을 구성할 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 위상 정보는 Fresnel 렌즈의 위상 분포 또는 Zernike 렌즈의 위상 분포를 포함한다. Fresnel 렌즈 또는 Zernike 렌즈의 것인 그리고 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 위상 분포 패턴을 변경하는 것에 의해 등가 렌즈 초점 길이가 변경되어, 다초점 화상 생성 장치를 제어하여 복수의 연속적인 초점 평면들을 생성할 수 있다.
가능한 구현에서, 초점 길이 조정기는 공간 광 변조기이다. 공간 광 변조기는 위상-타입 공간 광 변조기일 수 있고, 액정 또는 마이크로전자기계 시스템들에 기초하여 구현될 수 있다.
제3 양태에 따르면, 본 출원은 헤드-업 디스플레이 장치를 제공한다. 헤드-업 디스플레이 장치는 제1 양태 또는 제1 양태의 가능한 구현들 중 어느 하나에 따른 다초점 화상 생성 장치 및 촬상 소자를 포함한다. 다초점 화상 생성 장치는 복수의 제1 화상들을 생성하도록 구성되고, 다초점 화상 생성 장치는 복수의 초점 평면들을 갖고, 상이한 초점 평면들은 복수의 제1 화상들에서의 상이한 화상들에 대응한다. 촬상 소자는 복수의 제1 화상에 대해 촬상을 수행하여, 인간의 눈에 의해 수신하기 위한, 제2 화상을 생성하도록 구성된다.
헤드-업 디스플레이 장치에 적용되는 것 외에도, 본 출원의 기술적 해결책은, 평판 유리 디스플레이 또는 프로젝터와 같은, 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 다초점 화상 유닛을 사용하여 지속적으로 조정가능한 초점 평면들이 생성되어, 상이한 촬상 평면들 상에 상이한 정보가 제시될 수 있고, 그렇게 함으로써 사용자 경험을 개선한다.
제4 양태에 따르면, 본 출원은 주행 디바이스를 제공하고, 이는, 조작자 캐빈, 조작자 캐빈에 장착되는 유리창, 및 제3 양태에 따른 헤드-업 디스플레이 장치를 포함한다. 헤드-업 디스플레이 장치는 조작자 캐빈에 장착되고, 유리창은 헤드-업 디스플레이 장치에 의해 생성되는 제2 화상에 대해 반사 촬상을 수행한다.
본 출원의 기술적 해결책은 차량-내 헤드-업 디스플레이의 다초점 평면 촬상의 기술적 문제를 해결할 수 있어서, 사용자가 주행 프로세스에서 초점을 빈번하게 조정할 필요가 없고, 그렇게 함으로써 사용자 경험을 개선한다.
도 1은 HUD의 디스플레이 인터페이스의 개략도이다.
도 2는 본 출원에 따른 다초점 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 출원에 따른 3개의 다초점 화상 생성 장치들의 구조들의 개략도들이다.
도 4a는 본 출원에 따른 다초점 평면 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다.
도 4b는 본 출원에 따른 다른 다초점 평면 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 출원에 따른 Fresnel 렌즈들의 위상 분포의 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 출원에 따른 이중초점 평면 촬상의 개략도들이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 출원에 따른 공간 광 변조기의 4개의 촬상 영역 분할 방식들의 개략도들이다.
도 8은 본 출원에 따른 촬상 평면 영역 분할 방식의 개략도이다.
도 9는 본 출원에 따른 HUD의 구조의 개략도이다.
본 출원의 실시예들은 다초점 화상 생성 장치, 헤드-업 디스플레이 장치, 및 관련 방법에 관련된다. 다음은 첨부 도면들을 참조하여 상세한 설명들을 제공한다.
도 2는 본 출원에 따른 다초점 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 다초점 촬상 장치는 광원(201), 촬상 소자(202), 광 분열기(203), 및 초점 길이 조정기(204)를 포함한다. 광원(201)은 화상 신호로 광 빔을 생성하도록 구성된다. 촬상 소자(202)는 렌즈, 렌즈 그룹 등을 포함할 수 있고, 광원(201)에 의해 생성되는 광 빔에 대해 촬상을 수행하여, 다초점 화상 생성 장치의 초점 평면 1을 생성할 수 있다. 광 분열기(203)는 광원(201)으로부터 광 빔의 일부를 분열해 내고, 초점 길이 조정기(204)를 사용하여 분열된 광 빔에 대해 초점 길이 조정이 수행되어, 다초점 화상 생성 장치는 상이한 초점 평면들(초점 평면 2, 초점 평면 3, ..., 및 초점 평면 N)을 갖고, 복수의 초점 평면들은 지속적으로 조정가능하다. 초점 길이 조정기(204)는 공간 광 변조기(Spatial light modulator, SLM)일 수 있다. 임의의 위상 분포의 홀로그래픽 위상 이미지가 SLM 상에 로딩되어, 초점 평면 위치가 변경될 수 있다. 또한, SLM의 광 필드 진폭, 편광 상태 등을 변경하는 것에 의해 초점 평면 위치가 대안적으로 변경될 수 있다. 본 출원에서의 다초점 화상 생성 장치에 따르면, 광 경로에서 촬상 소자의 물리적 위치를 변경하지 않고 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성이 구현되어, 지속적으로 가변적인 촬상 평면들을 생성할 수 있다. 본 출원에서의 "초점 평면(focal plane)" 및 "촬상 평면(imaging plane)"은 동일한 공간 위치, 다시 말해서, 광 빔 촬상 위치를 표시할 수 있다. SLM의 초점 길이가 변할 때, 초점 평면 또는 촬상 평면이 따라서 변한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 출원에 따른 3개의 다초점 화상 생성 장치들의 구조들의 개략도들이다. 도 3a에 도시되는 바와 같이, 도 2에서의 예에 기초하여, 광원은 단색 광원(301)일 수 있고, 촬상 소자는 렌즈 또는 렌즈 그룹(302)일 수 있으며, 초점 길이 조정기는 위상-타입 공간 광 변조기(304)일 수 있다. 렌즈 또는 렌즈 그룹(302)은 단색 광원(301)에 의해 생성되는 광 빔에 대해 촬상을 수행하여, 초점 평면 1을 생성한다. 위상-타입 공간 광 변조기(304)는 광 분열기(303)에 의해 광원으로부터 분열되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하여, 복수의 연속적인 초점 평면들(초점 평면 2, 초점 평면 3, ..., 및 초점 평면 N)을 생성한다.
도 3b에 도시되는 바와 같이, 도 3a와의 차이는 광원이 R, G 및 B 3색 광원(301)일 수 있다는 점에 있다. 초점 길이 조정기가 단일 위상-타입 공간 광 변조기(304)이면, 위상-타입 공간 광 변조기(304)는 R, G 및 B 3색 광원(301)과의 시간 분할 다중화를 수행할 수 있다. 예를 들어, 위상-타입 공간 광 변조기(304)는 1 초에 R 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행하고, 2 초에 G 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행하고, 3 초에 B 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행한다. 위상-타입 공간 광 변조기(304)는 R, G 및 B 단색 광원들 중 어느 하나에 대해 동일한 순간에 초점 길이 조정을 수행하여, 복수의 연속적인 초점 평면들(초점 평면 2, 초점 평면 3, ..., 및 초점 평면 N)을 생성한다.
도 3c에 도시되는 바와 같이, 도 3a와의 차이는 광원이 R, G 및 B 3색 광원(301)일 수 있다는 점에 있다. 초점 길이 조정기들이 3개의 위상-타입 공간 광 변조기들(304)이면, 각각의 위상-타입 공간 광 변조기(304)는 R, G 및 B 광원들 중 하나에 대해 초점 길이 조정을 수행할 수 있다. 위상-타입 공간 광 변조기 1은 R 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행하고, 위상-타입 공간 광 변조기 2는 G 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행하고, 위상-타입 공간 광 변조기 3은 B 광원에 대해 초점 길이 조정을 수행한다. R, G 및 B 광원들에 의해 방출되는 광 빔들이 위상-타입 공간 광 변조기들(304)에 의해 처리된 후, 처리된 광 빔들은 빔 조합기(305)를 사용하여 조합되어, 복수의 연속적인 초점 평면들(초점 평면 2, 초점 평면 3, ..., 및 초점 평면 N)을 생성할 수 있다.
본 출원의 실시예들에서, 변경 및 업그레이드는 화상 생성 유닛(picture generation unit, PGU)의 광 경로에 기초하여 구현될 수 있어, 구현이 용이하다. 공간 광 변조기는 초점 길이를 조정하여 초점 평면 수량 및 위치를 제어하고, 그렇게 함으로써 비교적 높은 유연성을 달성한다.
도 4a는 본 출원에 따른 다초점 평면 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다. 도 4a에 도시되는 바와 같이, 다초점 평면 화상 생성 장치는 PGU 모듈(410), 공간 광 변조기(420), 및 광 분열기(430)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 다초점 화상 생성 장치의 상이한 초점 평면들 상에 촬상 스크린(440) 및 촬상 스크린(450)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 촬상 스크린(440)은 초점 평면 1 상에 위치되고, 촬상 스크린(450)은 초점 평면 2 상에 위치된다. PGU 모듈(410)은 진폭 촬상 유닛(411) 및 촬상 소자(412)를 포함할 수 있다. 진폭 촬상 유닛(411)은 단색 광원 또는 다색 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 R, G 및 B 3색 광원을 도시한다. 촬상 소자(412)는 렌즈 또는 렌즈 그룹을 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(420)는 마이크로전자기계 시스템들(Microelectromechanical systems, MEMSs)에 기초하여 또는 액정에 기초하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 상의 액정(liquid crystal on silicon, LCoS)이 액정에 기초하여 구현되는 공간 광 변조기이다. 광 경로 상에서, 촬상 소자(412)는 진폭 촬상 유닛(411)에 의해 생성되는 광 빔에 대해 촬상을 수행하여, 촬상 스크린(440) 상에 화상을 형성하도록 구성된다. 다른 광 경로 상에서, 광 분열기(430)는 R, G, 및 B 광원들 중 어느 하나 이상에 대해 광 분열을 수행한다. 도 4a는 G 광원에 대해 광 분열이 수행되는 것을 도시한다. 또한, R, G 및 B 3색 광원에 대해 시간 분할 다중화 방식으로 광 분열이 수행될 수 있다. 선택적으로, 광 분열기(430)에 의해 분열되는 광 빔의 확산 손실을 감소시키기 위해, 광 분열기(430)에 의해 분열되는 광 빔은 촬상 소자(460)를 사용하여 시준되고, 다음으로 공간 광 변조기(420)의 표면 상에 조사될 수 있다. 대안적으로, 공간 광 변조기의 표면 상에 입사되는 광 빔의 편광 상태를 공간 광 변조기의 정렬 층 방향과 정렬하기 위해, 공간 광 변조기(420)의 전방에 편광기(도면에 도시되지 않음)가 배치될 수 있다. 촬상 소자(460)는 렌즈 또는 렌즈 그룹일 수 있다. 공간 광 변조기(420)는 투과성 또는 반사성일 수 있고, 공간 광 변조기(420)의 표면 상에 위상 분포가 로딩되어, 광 빔들을 수렴하는 등가 렌즈 기능을 구현하고, 그렇게 함으로써 촬상 스크린(450) 상에 화상을 형성한다. 촬상 스크린(450)의 위치는, 촬상 스크린(450)의 위치가 랜덤하게 조정될 수 있도록, 공간 광 변조기(420)의 등가 렌즈 초점 길이를 조정하는 것에 의해 변경될 수 있다. 촬상 스크린(450)은 확산기, 스크린, 백색 종이 등을 사용하여 구현될 수 있다. 촬상 스크린(450)은 초점 평면(또는 촬상 평면) 상에 배치되고, 초점 평면 상에서 화상을 수신하도록 구성된다.
도 4b는 본 출원에 따른 다른 다초점 평면 화상 생성 장치의 구조의 개략도이다. 도 4b에 도시되는 바와 같이, 도 4a와의 차이는 촬상 스크린(470)이 공간 광 변조기(420) 뒤에 추가된다는 점에 있다. 촬상 스크린(450) 및 촬상 스크린(470)은 2개의 독립적인 요소들일 수 있거나 또는 함께 통합될 수 있지만, 상이한 공간 위치들에 위치된다. 촬상 스크린(450)과 유사하게, 촬상 스크린(470)의 위치는 공간 광 변조기(420)의 등가 렌즈 초점 길이를 조정하는 것에 의해 또한 조정될 수 있다.
본 출원의 이러한 실시예에서, 초점 길이 위치는 공간 광 변조기를 사용하여 유연하게 조정되어, 임의의 초점 길이의 지속적인 조정가능성이 구현될 수 있고, 임의의 수량의 초점 평면들(또는 촬상 평면들) 및 임의의 위치에 있는 초점 평면이 구현될 수 있다.
다음은, 구체적인 예들을 참조하여, 공간 광 변조기에 의해 촬상 스크린의 위치를 조정하는 원리를 설명한다. 도 5a 및 도 5b는 본 출원에 따른 Fresnel 렌즈들의 위상 분포의 도면들이다. 상이한 초점 길이들의 2개의 Fresnel 렌즈들의 것인 그리고 도 5a 및 도 5b에 도시되는 위상 분포가 공간 광 변조기의 표면 상에 개별적으로 로딩될 때, 2개의 상이한 초점 평면들이 형성될 수 있다, 즉, 촬상 스크린의 위치가 2개의 상이한 초점 평면들로 조정될 수 있다. Fresnel 렌즈의 위상 분포는 공간 광 변조기의 표면 상에 로딩되어 광 필드를 제어한다. 이러한 것은 렌즈 기능과 동등하다. Fresnel 위상의 m번째 링의 반경은 rm=(2mfλ)1/2이고, 여기서 λ는 입사광의 파장이고, f는 m번째 링의 위상에서의 등가 렌즈 초점 길이이다. 초점 평면 및 촬상 스크린의 위치들을 조정하기 위해, 상이한 초점 길이들의 렌즈들의 기능들이 구현될 수 있도록, 상이한 위상 분포가 공간 광 변조기 상에 로딩된다는 점을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 출원에 따른 이중초점 평면 촬상의 개략도들이다. 실제 적용에서, 하나의 초점 평면이 고정될 수 있고, Fresnel 렌즈의 초점 길이는 조정가능한 이중초점 평면을 구성하기 위해 랜덤하게 조정될 수 있다. 도 6a는 상이한 초점 평면들 상의 글자 A 및 글자 B에 대해 생성되는 화상들을 도시하고, 글자 A는 글자 B보다 또렷하게 보인다. 이러한 경우에, 글자 A 및 글자 B 양자 모두를 또렷하게 관찰하기 위해, 글자 A 및 글자 B는 상이한 촬상 스크린들(예를 들어, 촬상 스크린(450) 및 촬상 스크린(470)) 상에 개별적으로 촬상될 수 있다. 도 6b는 동일한 초점 평면 상의 글자 A 및 글자 B의 화상들을 도시하고, 글자 A의 선명함 해상도는 글자 B의 것과 대략 동일하다. 이러한 경우에, 글자 A 및 글자 B 양자 모두는 동일한 촬상 스크린(예를 들어, 촬상 스크린(450)) 상에서 또렷하게 관찰될 수 있다.
공간 광 변조기의 표면은 촬상 영역들로 추가로 분할될 수 있고, 상이한 위상 분포가 상이한 촬상 영역들에서 로딩되어, 상이한 초점 평면들을 형성한다. 도 7a 내지 도 7d는 본 출원에 따른 공간 광 변조기의 4개의 촬상 영역 분할 방식들의 개략도들이다. 공간 광 변조기의 촬상 영역은 소프트웨어 구성 방식으로 임의의 수량, 임의의 형상, 및 임의의 초점 길이의 복수의 촬상 영역들로 분할될 수 있다. 촬상 영역 수량, 형상, 및 초점 길이는 자동차 주행 프로세스에서의 환경 인자(예를 들어, 자동차, 보행자, 또는 도로 조건)에 기초하여 결정될 수 있어서, 상이한 정보가 상이한 초점 평면들 상에 촬상된다. 도 7a에 도시되는 바와 같이, 공간 변조기의 표면은 2개의 직사각형 영역들로 분할된다. 도 7b에 도시되는 바와 같이, 공간 광 변조기의 표면은 3개의 직사각형 영역들로 분할된다. 도 7c에 도시되는 바와 같이, 공간 광 변조기의 표면은 2개의 불규칙한 영역들로 분할된다. 도 7d에 도시되는 바와 같이, 공간 광 변조기의 표면은 3개의 불규칙한 영역들로 분할된다. 도 7a 내지 도 7d에 도시되는 분할 방식들 외에도, 공간 광 변조기의 표면은 대안적으로 N개의 촬상 영역들로 분할될 수 있으며, 이러한 촬상 영역은 정사각형, 부채꼴, 삼각형, 원형, 다각형 등이다. 0 내지 255의 그레이스케일의 패턴(0 내지 2π의 위상 깊이에 대응함)이 공간 광 변조기의 표면 상에 로딩되고, 상이한 초점 길이의 렌즈의 위상 분포가 각각의 촬상 영역에서 로딩될 수 있다. 예를 들어, Zernike 렌즈의 위상 분포 또는 Fresnel 렌즈의 위상 분포가 공간 광 변조기의 각각의 촬상 영역에서 로딩되고, 이러한 위상 분포는, Zernike 기능 또는 Fresnel 렌즈 기능과 같은, 홀로그래픽 촬상 기능을 사용하여 구현될 수 있다. 상이한 초점 평면들이 상이한 영역들에서 생성되고, 각각의 초점 평면 상에 형성되는 화상은 2D 화상일 수 있다. 공간 광 변조기의 영역은 소프트웨어를 사용하여 분할될 수 있고, 임의의 경계 형상을 지원하고, 높은 유연성을 갖는다.
도 8은 본 출원에 따른 촬상 평면 영역 분할 방식의 개략도이다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 인간의 눈 전방의 공간 위치가 복수의 촬상 평면 영역들로 분할될 수 있고, 상이한 촬상 평면 영역들이 상이한 공간 위치들에 위치될 수 있다. 공간 광 변조기의 표면 영역이 도 7a 내지 도 7d에 도시되는 것들과 유사한 방식으로 분할되고, 상이한 위상 분포가 상이한 영역들에서 로딩되어, 상이한 촬상 평면들(또는 초점 평면들)을 생성한다. 예를 들어, 대시보드(801) 및 대시보드(802)가 인간의 눈 전방의 30 cm 내지 40 cm의 위치에서 촬상되고, 내비게이션 정보(803)가 인간의 눈 전방의 2 m 내지 3 m의 위치에서 촬상되고, 맵(804)이 인간의 눈 전방의 3 m 내지 5 m의 위치에서 촬상되고, 프롬프트 정보(예를 들어, 날씨 또는 주변 건물)(805)가 인간의 눈 전방의 5 m 내지 10 m의 위치에서 촬상된다. 공간 광 변조기의 표면 상에서 영역 분할이 수행되고, 상이한 위상 분포가 상이한 영역들에서 로딩되어, 상이한 초점 평면들 상의 화상들이 상이한 영역들에서 디스플레이된다.
본 출원의 이러한 실시예에서, 상이한 위상 정보가 공간 광 변조기 상에 영역 분할 방식으로 로딩되어, 초점 평면 수량 및 위치를 제어하고, 그렇게 함으로써 비교적 높은 유연성을 달성한다. 따라서, 임의의 수량의 초점 평면들(또는 촬상 평면들) 및 임의의 위치에 있는 초점 평면이 구현된다.
본 출원의 실시예들에서의 도면에서의 다초점 촬상 장치는, HUD, 프로젝터, 또는 평판 유리 디스플레이와 같은, 디스플레이 디바이스에 적용될 수 있다. HUD가 설명을 위한 예로서 사용된다. 도 9는 본 출원에 따른 HUD의 구조의 개략도이다. 도 9에 도시되는 바와 같이, HUD는 전술한 실시예들 중 어느 하나에서의 다초점 화상 생성 장치(901) 및 촬상 스크린(902)을 포함할 수 있다. 다초점 화상 생성 장치(901)는 복수의 초점 평면들을 갖고, 복수의 화상들을 생성하도록 구성된다. 상이한 화상들이 상이한 초점 평면들 상에 형성된다. 촬상 스크린(902)은 확산기, 스크린, 백색 종이 등을 포함할 수 있다. 촬상 스크린(902)은 초점 평면 상에 배치되고, 상이한 초점 평면들 상에 있는 그리고 화상 생성 장치(901)에 의해 생성되는 화상들을 수신하도록 구성된다. 하나의 촬상 스크린을 사용하여 상이한 초점 평면들 상의 화상들이 수신될 수 있거나, 또는 복수의 촬상 스크린들(하나의 촬상 스크린은 하나의 초점 평면에 대응함)을 사용하여 복수의 초점 평면들 상의 화상들이 각각 수신될 수 있다. 선택적으로, 광 경로 폴딩 미러 또는 반사기와 같은, 광 요소가 촬상 스크린(902) 뒤에 배치될 수 있고, 촬상 스크린 상의 촬상 평면들에 의해 반사되는 광 빔들을, 유리창(903) 상에, 투사하도록 구성되어, 유리창 상에 형성되는 가상 화상들(또는 화상들)(904 및 905)이 인간의 눈(906)에 의해 수신된다. 다초점 화상 생성 장치(901)의 초점 길이는 지속적으로 조정가능하여, 상이한 촬상 평면들이 동일한 촬상 스크린의 상이한 위치들에 또는 상이한 위치들에 있는 복수의 촬상 스크린들 상에 생성되고, 마지막으로 인간의 눈은 상이한 거리들에 있는 화상들을 관찰한다.
본 출원에서 제공되는 HUD는, 자동차, 버스, 또는 비행기와 같은, 주행 디바이스에 적용될 수 있거나, 또는 복수의 타입들의 AR 디스플레이 시나리오들에 적용될 수 있다. HUD가 주행 디바이스에 적용될 때, HUD는 주행 디바이스의 조작자 캐빈에 장착될 수 있고, HUD에 의해 생성되는 화상은 주행 디바이스의 유리창을 사용하여 인간의 눈에 반사된다.
본 출원의 이러한 실시예에서의 다초점 화상 장치는 HUD에 적용되어, HUD의 초점 길이가 지속적으로 조정가능하고, 상이한 정보가 상이한 촬상 평면들 상에 제시될 수 있다. 따라서, 사용자는 주행 프로세스에서 초점을 빈번하게 조정할 필요가 없고, 그렇게 함으로써 사용자 경험을 개선한다.
본 명세서의 설명들에서, 구체적인 특징들, 구조들, 재료들, 또는 특성들이 실시예들 또는 예들 중 어느 하나 이상에서 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
전술한 설명은 단지 본 발명의 구체적인 구현들일 뿐이고, 본 발명의 보호 범위를 제한하려고 의도되는 것은 아니다. 본 발명에서 개시되는 기술적 범위 내의 해당 분야에서의 기술자에 의해 용이하게 도출되는 임의의 변형 또는 대체는 본 발명의 보호 범위 내에 속한다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 청구항들의 보호 범위에 따라야 한다.

Claims (27)

  1. 화상 생성 장치로서, 화상 생성 유닛, 광 분열기, 및 초점 길이 조정기를 포함하고,
    상기 화상 생성 유닛은 상기 화상 생성 장치의 제1 초점 평면을 생성하도록 구성되고;
    상기 광 분열기는, 상기 화상 생성 유닛에 대해 광 분열을 수행하도록, 그리고 광 분열을 통해 획득되는 광 빔을 상기 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사하도록 구성되고;
    상기 초점 길이 조정기는 상기 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하도록 구성되는 화상 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기는 상기 화상 생성 장치의 제2 초점 평면을 생성하도록 구성되는 화상 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기 상에 상이한 위상 정보가 로딩되어, 상기 화상 생성 장치가 복수의 제2 초점 평면들을 생성하는 것을 가능하게 하고, 상기 상이한 위상 정보는 상이한 제2 초점 평면들에 대응하는 화상 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 제2 초점 평면들은 복수의 연속적인 초점 평면들인 화상 생성 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기는 복수의 촬상 영역들을 포함하고, 상이한 촬상 영역들은 상이한 제2 초점 평면들에 대응하는 화상 생성 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상이한 위상 정보가 상기 상이한 촬상 영역들에서 로딩되는 화상 생성 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 복수의 촬상 영역들의 수량, 형상, 또는 초점 길이 중 적어도 하나는 동적으로 구성가능한 화상 생성 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상 생성 유닛은 광원을 포함하고, 상기 광 분열기는 상기 광원에 의해 생성되는 광 빔을 분열하도록 구성되는 화상 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 광원은 다색 광원이고, 상기 초점 길이 조정기는 상기 다색 광원에서 상이한 컬러들을 갖는 광원들에 대해 시간 분할 다중화 방식으로 초점 길이 조정을 수행하는 화상 생성 장치.
  10. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 초점 평면이 2개의 초점 평면들을 포함할 때, 하나의 제2 초점 평면의 위치는 고정되고, 다른 제2 초점 평면의 위치는 조정가능한 화상 생성 장치.
  11. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 상기 위상 정보는 Fresnel 렌즈의 위상 분포 또는 Zernike 렌즈의 위상 분포를 포함하는 화상 생성 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기는 공간 광 변조기인 화상 생성 장치.
  13. 화상 생성 방법으로서,
    화상 생성 유닛을 사용하여 제1 초점 평면을 생성하는 단계;
    광 분열기를 사용하여 상기 화상 생성 유닛에 대해 광 분열을 수행하는 단계, 및 광 분열을 통해 획득되는 광 빔을 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사하는 단계; 및
    상기 초점 길이 조정기를 사용하여 상기 초점 길이 조정기의 표면 상에 조사되는 광 빔에 대해 초점 길이 조정을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기를 사용하여 화상 생성 장치의 제2 초점 평면이 생성되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기를 사용하여 화상 생성 장치의 제2 초점 평면이 생성되는 것은,
    상기 초점 길이 조정기 상에 상이한 위상 정보가 로딩되어, 복수의 제2 초점 평면들을 생성하는 것을 포함하고, 상기 상이한 위상 정보는 상이한 제2 초점 평면들에 대응하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 제2 초점 평면들은 복수의 연속적인 초점 평면들인 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 초점 길이 조정기를 복수의 촬상 영역들로 분할하는 단계를 포함하고, 상이한 촬상 영역들은 상이한 제2 초점 평면들에 대응하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 방법은 추가로,
    상기 상이한 촬상 영역들에서 상이한 위상 정보를 로딩하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 복수의 촬상 영역들의 수량, 형상, 또는 초점 길이 중 적어도 하나는 동적으로 구성가능한 방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상 생성 유닛은 광원을 포함하고, 상기 광원에 의해 생성되는 광 빔은 상기 광 분열기를 사용하여 분열되는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 광원은 다색 광원이고, 상기 다색 광원에서 상이한 컬러들을 갖는 광원들에 대해 상기 초점 길이 조정기를 사용하여 시간 분할 다중화 방식으로 초점 길이 조정이 수행되는 방법.
  22. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 초점 평면이 2개의 초점 평면들을 포함할 때, 상기 방법은,
    하나의 제2 초점 평면의 위치를 고정하는 단계, 및 다른 제2 초점 평면의 위치를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기 상에 로딩되는 상기 위상 정보는 Fresnel 렌즈의 위상 분포 또는 Zernike 렌즈의 위상 분포를 포함하는 방법.
  24. 제13항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초점 길이 조정기는 공간 광 변조기인 방법.
  25. 디스플레이 장치로서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 화상 생성 장치 및 촬상 소자를 포함하고,
    상기 화상 생성 장치는 제1 화상을 생성하도록 구성되고;
    상기 촬상 소자는 상기 제1 화상에 대해 촬상을 수행하여 제2 화상을 생성하도록 구성되는 디스플레이 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 디스플레이 장치는 촬상 스크린을 추가로 포함하고, 상기 촬상 스크린은 상기 화상 생성 장치의 초점 평면 상에 배치되는 디스플레이 장치.
  27. 주행 디바이스로서, 조작자 캐빈, 상기 조작자 캐빈에 장착되는 유리창, 및 제25항 또는 제26항에 따른 디스플레이 장치를 포함하고, 상기 디스플레이 장치는 상기 조작자 캐빈에 장착되고, 상기 유리창은 상기 디스플레이 장치에 의해 생성되는 제2 화상에 대해 반사 촬상을 수행하는 주행 디바이스.
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