KR20230031136A

KR20230031136A - 시야 최적화

Info

Publication number: KR20230031136A
Application number: KR1020220094224A
Authority: KR
Inventors: 콜 알렉산더; 스미튼 티모시
Original assignee: 엔비직스 엘티디
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2023-03-07
Also published as: US20230101295A1; EP4141521A1; GB2610205A; GB202112219D0; CN115877570A

Abstract

아이-박스(eye-box)를 포함하는 헤드업 디스플레이(head up display)가 개시된다. 아이-박스 또는 아이-모션-박스(eye-motion-box)는 제1 차원과 제2 차원을 갖는다. 헤드-업 디스플레이는 아이-박스로부터 제1 이미지 영역 거리에 있는 제1 이미지 영역에 제1 이미지를 형성하도록 구성된다. 헤드-업 디스플레이는 아이-박스로부터 제2 이미지 영역 거리에 있는 제2 이미지 영역에 제2 이미지를 형성하도록 추가로 구성된다. 이미지 영역 거리는 제1 차원과 제2 차원을 포함하는 평면에 수직인 거리이다. 제1 이미지 및 제2 이미지는 실질적으로 동시에, 예를 들어, 동일한 디스플레이 이벤트로부터 또는 동일한 디스플레이 간격으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 제1 이미지 및 제2 이미지는 예를 들어 시간 인터레이스(time interlacing)를 사용하여 빠르게 연속적으로 형성될 수 있다. 제1 이미지 영역 거리는 제2 이미지 영역 거리보다 짧다. 제1 이미지는 근거리 이미지(near image) 또는 근거리-장 이미지(near-field image)로 지칭될 수 있다. 제2 이미지는 원거리 이미지(far image) 또는 원거리-장 이미지(far-field image)로 지칭될 수 있다. 제1 이미지 영역은 제2 이미지 영역과 제1 차원에서 적어도 부분적으로 중첩된다. 중첩은 아이-박스의 중심으로부터 각도 공간에서의 중첩일 수 있다. 중첩은 아이-박스의 중심과 같은 아이-박스에서 볼 때 명백할 수 있다. 제2 이미지 영역은 제1 차원의 적어도 한 방향으로 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 덜 멀리 확장된다. 일부 실시예에서, 제2 이미지 영역은 제2 이미지 영역이 제1 이미지 영역보다 덜 멀리 확장되도록 적어도 한 면에서 잘린다. 제2 이미지 영역의 시야는 제1 차원의 적어도 한 방향에서 제1 이미지 영역의 시야보다 작다.

Description

시야 최적화{Field of View Optimisation}

본 개시는 이미지 프로젝터 및 이미지 프로젝션 방법에 관한 것이다. 일부 실시예는 홀로그래픽 프로젝터 및 홀로그래픽 프로젝션 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 복수의 이미지의 프로젝션에 관한 것이다. 본 개시는 또한 광학 결합기를 사용하여 가상 이미지들을 형성하도록 구성된 장치, 및 광학 결합기를 사용하여 복수의 이미지를 형성하는 방법에 관한 것이다. 실시예들은 헤드-업 디스플레이 및 헤드-업 디스플레이 방법에 관한 것이다. 일부 실시예는 차량용 헤드-업 디스플레이용 영상 생성부(picture generating unit)에 관한 것이다. 다른 실시예는 상이한 이미지 평면 상에서 실질적으로 동시에 형성된 복수의 이미지 중 하나의 이미지의 시야를 자르거나 확장하는 방법과 같이 이미지 프로젝터에 의해 형성되는 이미지의 시야를 최적화하는 방법에 관한 것이다.

객체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 간섭 줄무늬를 포함하는 홀로그래픽 레코딩 또는 "홀로그램"을 형성하도록 잘 알려진 간섭 기술에 의해, 예컨대, 감광성 플레이트 상에 캡쳐될 수 있다. 홀로그램은 원래의 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성 또는 재생 이미지(replay image)를 형성하기에 적절한 광을 조사(illumination)함으로써 재구성될 수 있다.

컴퓨터-생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 간섭 프로세스를 수치적으로 시뮬레이션할 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램(computer-generated hologram)은 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술을 이용하여 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬/푸리에 변환 홀로그램 혹은 간단히 프레넬/푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인/평면 표현 또는 객체의 주파수 도메인/평면 표현으로 간주될 수 있다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기술(point cloud technique)에 의해 계산될 수도 있다.

컴퓨터-생성 홀로그램은 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 구성된 공간 광 변조기(spatial light modulator) 상에 인코딩될 수 있다. 광 변조는, 예컨대, 전기적으로 어드레스 가능한(electrically-addressable) 액정, 광학적으로 어드레스 가능한(optically-addressable) 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.

공간 광 변조기는 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레스 가능한 픽셀들을 일반적으로 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속적(continuous)일 수 있다. 이와는 달리, 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 픽셀로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 반사로 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 투과로 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.

홀로그램 프로젝터는 여기에 설명된 시스템을 사용하여 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예를 들어 헤드-업 디스플레이, 즉 "HUD", 및 광 감지 및 레인징(ranging), 즉 "LIDAR"에서의 응용 프로그램(application)을 밝혀냈다.

본 개시 및 도면은 설명 및 예시의 편의를 위해 일반적으로 1차원적인 케이스를 도시한다. 그러나, 광학 분야의 당업자는 여기서 설명되고 도시된 개념이 2차원 홀로그램으로부터 2차원 이미지를 제공하기 위해 2차원으로 확장될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 1차원 동공 확장만이 설명되고 도시될 수 있지만, 독자는 본 개시내용이 2차원 동공 확장, 예컨대 두 개의 1차원 동공 확장기를 직렬로 사용하는 것으로 확장된다는 것을 이해할 것이다.

넓게는, 본 개시는 이미지 프로젝션에 관한 것이다. 디스플레이 장치를 포함하는 이미지 프로젝터 및 이미지 프로젝션 방법에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이미지 프로젝터 및 뷰잉(viewing) 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 단안 및 양안 뷰잉 시스템에 동일하게 적용가능하다. 뷰잉 시스템은 뷰어(viewer)의 눈 또는 눈들을 포함할 수 있다. 뷰잉 시스템은 광학 파워(예: 인간 눈의 렌즈/렌즈들) 및 뷰잉 평면(예: 인간 눈/눈들의 망막)을 갖는 광학 요소를 포함한다. 프로젝터는 '라이트 엔진'이라고 할 수 있다. 디스플레이 장치를 이용하여 형성되는(또는 인지되는) 이미지와 디스플레이 장치는 공간적으로 분리되어 있다. 이미지는 디스플레이 평면에 형성되거나 뷰어에 의해 감지된다. 일부 실시예에서, 이미지는 가상 이미지이고 디스플레이 평면은 가상 이미지 평면으로 지칭될 수 있다. 디스플레이 장치에 표시되는 회절 패턴(예: 홀로그램)을 조사하여(illuminating) 이미지가 형성된다.

디스플레이 장치는 픽셀을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀은 빛을 회절시킨다. 잘 알려진 광학에 따르면, 최대 회절 각도의 크기는 픽셀의 크기(및 빛의 파장과 같은 기타 요인들)에 의해 결정된다.

실시예들에서, 디스플레이 디바이스는 액정-온-실리콘 (liquid crystal on silicon: "LCOS") 공간 광 변조기(SLM)와 같은 공간 광 변조기이다. 빛은 LCOS에서 카메라 또는 눈과 같은 뷰잉 개체/시스템 쪽으로 회절 각도 범위(예: 0에서 최대 회절 각도까지)에 걸쳐 전파된다. 일부 실시예에서, 확대 기술이 LCOS의 통상적인 최대 회절각을 넘어 이용가능한 회절각의 범위를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

실시예들에서, 이미지는 실제 이미지이다. 다른 실시예들에서, 이미지는 인간의 눈(또는 눈들)에 의해 인지되는 가상 이미지이다. 프로젝션 시스템 또는 라이트 엔진은, 따라서 뷰어가 디스플레이 장치를 직접 바라보도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 홀로그램으로 인코딩된 광은 눈(들)에 직접 전파되고 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 자유 공간이나 스크린 또는 다른 수광 표면에서 중간(intermediate) 홀로그램 재구성이 형성되지 않는다. 그러한 실시예들에서, 눈의 동공은 뷰잉 시스템의 입구 개구(또는 "입구 동공")인 것으로 간주될 수 있고, 눈의 망막은 뷰잉 시스템의 뷰잉 평면으로서 간주될 수 있다. 때때로 이 구성에서, 눈의 렌즈들이 홀로그램에서 이미지로(hologram-to-image) 변환을 수행하는 것으로 전해진다.

잘 알려진 광학의 원리에 따라, 눈 또는 다른 뷰잉 개체/시스템에 의해 보여질 수 있는 디스플레이 장치로부터 전파되는 빛의 각도 범위는 디스플레이 장치와 뷰어 개체 사이의 거리에 따라 달라진다. 예를 들어, 1미터의 시야 거리에서 LCOS의 작은 각도 범위만 눈의 동공을 통해 전파되어 주어진 눈 위치에 대해 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 디스플레이 장치에서 전파되는 광선의 각도 범위는, 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파되어 주어진 눈 위치에 대해 망막에 이미지를 형성할 수 있도록 하며, 뷰어에게 '보이는' 이미지 부분을 결정한다. 다시 말해, 이미지의 모든 부분이 뷰잉 평면의 한 지점(예: 아이-모션 박스와 같은 뷰잉 윈도우 내의 어느 한 눈의 위치)에서 모두 보여질 수 있는 것은 아니다.

일부 실시예들에서, 뷰어에 의해 인지되는 이미지는 디스플레이 장치의 업스트림에 나타나는 가상 이미지이다. 즉, 뷰어는 이미지가 디스플레이 장치보다 그들로부터 더 멀리 있는 것으로 인식한다. 개념적으로, 가상 이미지의 서로 다른 복수의 가상 이미지 포인트를 고려하는 것이 가능하다. 여기서 가상 지점에서 뷰어까지의 거리는 그 가상 이미지 포인트에 대한 가상 이미지 거리로 지칭된다. 물론 서로 다른 가상 포인트는 서로 다른 가상 이미지 거리를 가질 수 있다. 각각의 가상 포인트와 관련된 광선 다발 내의 개별 광선은 디스플레이 장치를 통해 뷰어에게 서로 다른 각각의 광학 경로를 취할 수 있다. 그러나 디스플레이 장치의 일부만, 이에 따라 가상 이미지의 하나 이상의 가상 포인트에서 나오는 광선의 일부만이 사용자의 시야 내에 있을 수 있다. 다시 말해, 가상 이미지의 일부 가상 포인트에서 나오는 광선 중 일부만이 디스플레이 장치를 통해 사용자의 눈(들)으로 전파되어 뷰어에게 표시된다. 따라서 개념적으로는 뷰어가 '디스플레이 장치 크기의 윈도우'를 통해 가상 이미지를 보고 있는 것으로 간주할 수 있다. 이 윈도우는 예를 들어 직경이 1cm와 같이 매우 작을 수 있고, 상대적으로 먼 거리, 예를 들어 1m일 수 있다. 그리고 사용자는 눈(들)의 동공(들)을 통해 디스플레이 장치 크기의 윈도우를 보게 될 것이며, 동공도 매우 작을 수 있다. 따라서 시야가 좁아지게 되고, 보여질 수 있는 특정 각도 범위는 주어진 시간에, 눈의 위치에 따라 크게 좌우된다.

이미지의 각 이미지 포인트는 서로 다른 이미지 거리를 가질 수 있지만, 본 실시예에 따르면, 각 이미지는 이미지 영역에 형성되므로 "이미지 영역 거리"는 각 이미지와 연관될 수 있다. 여기서 이미지 영역 거리는 이미지 영역을 포함하는 평면과 아이-박스의 중심을 연결하는 가장 짧은 직선의 길이이다.

동공 확장기는 시야를 증가시키는 방법의 문제를 해결한다. 즉, 디스플레이 장치에서 전파되고 눈의 동공을 통해 성공적으로 전파되어 이미지를 형성할 수 있는 광선의 각도 범위를 증가시키는 방법이다. 디스플레이 장치는 (상대적으로) 작고 프로젝션 거리는 (상대적으로) 크다. 일부 실시예들에서, 프로젝션 거리는 디스플레이 장치의 입구 동공 및/또는 개구의 직경 또는 너비(즉, 픽셀들의 어레이 사이즈)보다 1배 이상(예를 들어, 2배 이상)의 크기를 갖는다. 본 개시는 이미지 자체가 아닌, 이미지의 홀로그램이 사람의 눈에 전달되는 이른바 직시형 홀로그래피에 관한 것이다. 즉, 이미지의 홀로그램에 따라 뷰어가 받는 빛이 변조된다.

동공 확장기는 시야를 증가시키고, 따라서 디스플레이 장치의 전체 회절각이 사용될 수 있는 최대 전파 거리를 증가시킨다. 동공 확장기를 사용하면 사용자의 아이-박스를 측면으로 늘릴 수 있으므로, 사용자가 이미지를 볼 수 있는 동시에 눈/눈들의 일부 움직임이 발생할 수 있다. 실시예들에서, 동공 확장기는 도파관 동공 확장기이다. 본 개시는 일반적으로 무한하지 않은 가상 이미지 거리, 즉 근거리 필드(near-field) 가상 이미지들에 관한 것이다.

실시예들은 제1 차원의 동공 확장을 설명하지만, 본 개시는 예를 들어, 제1 차원으로 확장하는 제1 긴 도파관 및 제2 수직 차원으로 확장하는 제2 도파관을 사용하여 제 2차원 동공 확장으로 확장된다.

본 개시의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.

아이-박스(eye-box)를 포함하는 헤드-업 디스플레이(head-up display)가 제공된다. 아이-박스 또는 아이-모션-박스는 제1 차원과 제2 차원을 갖는다. 헤드-업 디스플레이는 아이-박스로부터 제1 이미지 영역 거리에 있는 제1 이미지 영역에 제1 이미지를 형성하도록 구성된다. 헤드-업 디스플레이는 아이-박스로부터 제2 이미지 영역 거리에 있는 제2 이미지 영역에 제2 이미지를 형성하도록 추가로 구성된다. 이미지 영역 거리는 제1 차원과 제2 차원을 포함하는 평면에 수직인 (방향으로의) 거리이다. 제1 이미지 및 제2 이미지는 실질적으로 동시에, 예를 들어, 동일한 디스플레이 이벤트로부터 또는 동일한 디스플레이 간격으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 제1 이미지 및 제2 이미지는, 예를 들어, 시간 인터레이스(time interlacing)를 사용하여 빠르게 연속적으로 형성될 수 있다. 제1 이미지 영역 거리는 제2 이미지 영역 거리보다 짧다. 제1 이미지는 근거리 이미지(near image) 또는 근거리-필드 이미지(near-field image)로 지칭될 수 있다. 제2 이미지는 원거리 이미지(far image) 또는 원거리-필드 이미지(far-field image)로 지칭될 수 있다. 제1 이미지 영역은 제2 이미지 영역과 제1 차원에서 적어도 부분적으로 중첩된다. 중첩은 아이-박스의 중심으로부터 각도 공간에서의 중첩일 수 있다. 중첩은 아이-박스의 중심과 같은 아이-박스에서 볼 때 명백할 수 있다. 제2 이미지 영역은 제1 차원의 적어도 한 방향으로 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 덜 멀리 확장된다. 일부 실시예들에서, 제2 이미지 영역은 제2 이미지 영역이 제1 이미지 영역보다 덜 멀리 확장되도록 적어도 한 면에서 잘린다. 제2 이미지 영역의 시야는 제1 차원의 적어도 한 방향에서 제1 이미지 영역의 시야보다 작다.

원거리-필드/제2 이미지 영역은 근거리-필드/제1 이미지 영역보다 아이-박스에서 더 멀리 있다. 제2 이미지 영역과 연관된 이미지 영역 거리는 제1 이미지 영역과 연관된 이미지 영역 거리보다 길다고 할 수 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 홀로그램 헤드-업 디스플레이에서, 이미지 콘텐츠는 재생 평면의 재생 필드에 표시되며, 여기서 재생 필드는 표시된 홀로그램으로부터 빛을 수신할 수 있는 영역이다. 통상의 지식을 가진 독자는 여기서 재생 필드의 최대 크기가 디스플레이 장치(예: LCOS)의 회절 각도에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 제1 이미지 영역은 제1 이미지/이미지 콘텐츠가 형성된 제1 이미지 영역 거리에서의 제1 재생 필드의 영역이고 제2 이미지 영역은 제2 이미지/이미지 콘텐츠가 형성된 제2 이미지 영역 거리에서의 제2 재생 필드의 영역이라고 할 수 있다. 이미지가 표시될 때, 이미지/이미지 콘텐츠를 표시하는 재생 필드의 영역은 표시된 홀로그램(으로부터 빛이 수신되는 위치)에 따라 다르다.

헤드-업 디스플레이의 주요 특징은 이미지 콘텐츠가 표시될 수 있는 영역의 크기를 정의하는 시야(field of view)이다. 본 발명자들은 원거리 이미지의 시야(즉, 각도 공간의 크기)가 근거리 이미지의 시야와 동일하더라도, 원거리 이미지가 아이-박스 내의 각 뷰잉 위치에서 원거리 이미지를 형성하는 데 필요한 광선 다발(light lay bundle)의 크기로 인해 헤드-업 디스플레이를 수용하는 시스템(예: 차량) 내의 여유 공간(또는 부피)에 대해 근거리 이미지보다 더 많은 요구를 한다는 것을 확인했다. 본 발명자들은 이러한 더 큰 요구가 전형적으로 극단적인 아이-박스 위치(예를 들어, 주변 아이-박스 위치)로 인한 것임을 발견하였다. 이 공간의 부피는 모든 아이-박스 위치에 대해 근거리 및 원거리 이미지를 형성하는 광선에 대한 명확한 경로가 있도록 하는 데 필요하다. 따라서 이러한 공간의 부피는 각각의 아이-박스 위치에 대한 복수의 이미지를 형성하는 데 필요한 광선 다발로부터 식별될 수 있다. 헤드-업 디스플레이 설계 분야의 숙련자는 헤드-업 디스플레이가 차량에 통합될 수 있는 방법(예: 헤드-업 디스플레이가 대시보드 아래에 "패키지"되는 방법)을 결정하는 데 각 아이-박스 위치에 대한 광선 다발의 크기(즉, 공간적 범위)가 얼마나 중요한지 잘 알고 있다.

아이-박스는 제2 차원 영역, 예컨대 뷰잉 윈도우일 수 있다. 따라서 아이-박스는 제1 차원(예: 너비)과 제2 차원(예: 높이)을 갖는다. "너비" 및 "높이"라는 용어는 헤드-업 디스플레이를 포함하는 차량의 운전자와 같은 헤드-업 디스플레이의 뷰어의 관점에서 차원을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 너비는 "수평 차원"이라고 하고 높이는 "수직 차원"이라고 할 수 있다. 예를 들어, 아이-박스는 xy 평면에 포함될 수 있으며, 여기서 z-방향은 헤드-업 디스플레이의 광축 또는 시야축이다. 차원의 양의 방향 및 음의 방향, 예를 들어, 수평 차원의 양의 x 방향 및 음의 x 방향을 나타내기 위해 각 차원의 "방향"이 여기에서 참조된다.

실시예들에서, 아이-박스의 제1 및 제2 차원은 각각 제1 및 제2 이미지의 제1 및 제2 차원과 정렬된다. 즉, 아이-박스의 제1 차원은 제1 이미지의 제1 차원 및 제2 이미지의 제1 차원과 평행하다. 마찬가지로, 아이-박스의 제2 차원은 제1 이미지의 제2 차원 및 제2 이미지의 제2 차원과 평행하다. 아이-박스, 제1 이미지 및 제2 이미지는 각각 제1 차원이 제2 차원보다 길 수 있다.

적어도 하나의 이미지 영역에서 적어도 하나의 이미지를 형성하는 광선 다발 또는 이미지 영역과 같은 헤드-업 디스플레이의 양태 또는 특징의 크기를 정의하는 방식으로서 "각도 공간(angular space)"이 여기에서 참조된다. 각도 공간은 일반적으로 두 개의 직교 평면, 예컨대 xz 평면 및 yz 평면과 같은 광학 시스템의 서로 다른 평면들에서 고려된다. 따라서 각도 공간은 제1 평면 상의 제1 각도 및 제2 평면 상의 제2 각도로서 정의될 수 있으며, 여기서 제2 평면은 제1 평면에 직교한다. 특징(feature)의 각도 공간은 아이-박스의 한 포인트(예: 아이-박스의 중심)에서 특징의 끝 또는 경계까지의 각도로 정의된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 이미지 영역의 수평 시야는 아이-박스의 모든 지점에서 +/- 10도이다. 즉, 수평 차원의 한 방향으로 +10도이고 다른 방향으로 -10도이다. 제1 이미지 영역의 수직 시야는 아이-박스의 모든 지점에서 +/- 5도이다. 즉, 수직 차원의 한 방향으로 +5도이고 다른 방향으로 -5도이다. 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에서 이미지 영역의 시야에 대한 참조는 뷰잉 축을 포함하는 제1 평면 상의 제1 각도 및 뷰잉 축을 포함하는 제2 평면 상의 제2 각도에 의해, 아이-박스로부터의 각도 공간에서 정의된 영역을 의미하는 것으로 간주되어야 하며, 여기서 제1 평면은 제2 평면에 직교하고 상기 시야는 아이-박스의 모든 포인트에 대해 달성된다. 제1 평면은 제1 차원을 포함할 수 있고 제2 평면은 제2 차원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 아이-박스, 제1 이미지 영역 및 제2 이미지 영역은 평면이다. 일부 실시예들에서, 아이-박스, 제1 이미지 영역 및 제2 이미지 영역은 헤드-업 디스플레이의 뷰잉 축 상에서 실질적으로 평행한 3개의 평면이다. 일부 실시예들에서, 아이-박스, 제1 이미지 및 제2 이미지는 동축이고, 선택적으로, 그 축에 실질적으로 직교한다.

본 개시에 따르면, 제2 이미지 영역은 각도 공간에서 제1 차원의 적어도 한 방향으로 제1 이미지 영역보다 덜 멀리 연장된다. 예를 들어, 제2 이미지 영역의 수직 시야는 한쪽/수직 말단의 제1 이미지 영역보다 작다. 달성된 기술적 진보는 헤드-업 디스플레이의 이미지 라이트에 필요한 클리어런스 볼륨이 크게 감소한 것이다. 특히, 본 발명자들은 헤드-업 디스플레이와 호스트 차량의 광선 사이의 치명적인 충돌 또는 헤드-업 디스플레이에 일반적으로 할당되는 호스트 차량의 대시보드 내 공간의 체적(volume)을 피하기 위해, 적어도 한 면에서 (제1 이미지 영역과 비교하여) 제2 이미지 영역의 크기 또는 범위를 자르거나/줄이는 것이 충분할 수 있음을 확인했다. 더욱이, 본 발명자들은 일부 실제 경우에, 제1 이미지 영역(예를 들어, 수직 시야)의 크기 또는 범위가 별 영향 없이(without consequence) 제2 이미지 영역의 원하는 시야에 따라 실제로 증가될 수 있음을 추가로 확인하였다.

일부 실시예들에서, 홀로그램은 홀로그램으로부터 형성된 홀로그램 재구성(즉, 이미지)이 아니라 뷰잉 시스템(들)에 전파된다. 뷰잉 시스템(들)에 의해 수신된 공간적으로 변조된 광은 공간 또는 이미지 도메인보다는 홀로그램 도메인에 있다고 말할 수 있다. 뷰잉 시스템(들)은 홀로그램에서 이미지 변환을 수행한다고 말할 수도 있다. 보다 구체적으로, 각 뷰잉 시스템의 렌즈와 같은 광학 요소가 변환을 수행한다. 실시예들에서, 홀로그래픽 재구성 또는 이미지는 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템(들) 사이에 형성되지 않는다. 일부 실시예들에서, 선택적으로 인터레이싱 방식을 사용하여 상이한 홀로그램이 계산되고 뷰어의 각 눈에 전파된다.

디스플레이 장치는 10cm 미만, 예를 들어 5cm 미만 또는 2cm 미만일 수 있는 제1 차원을 갖는 활성 또는 디스플레이 영역을 갖는다. 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 전파 거리는 1m 초과, 예를 들어 1.5m 초과 또는 2m 초과일 수 있다. 도파관 내의 광 전파 거리는 최대 2m, 예를 들어 최대 1.5m 또는 최대 1m일 수 있다. 본 방법은 이미지를 수신하고, 20ms 미만, 예를 들어 15ms 미만 또는 10ms 미만에서 충분한 품질의 대응 홀로그램을 결정할 수 있다.

일부 실시예들에서, 홀로그램은 광을 복수의 채널로 라우팅하도록 구성되며, 각 채널은 이미지의 다른 부분(즉, 하위 영역)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 광 채널은 중첩되지 않는다. 다른 실시예들에서 - 예를 들어, 도파관과 뷰어 사이에 광출력(예: 차량 윈드스크린)을 갖는 광학 결합기를 추가로 포함하는 실시예에서 - 일부 광 채널은 적어도 부분적으로 겹칠 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 홀로그램이 반드시 사용되는 것은 아니며, 본 개시는 첨부된 특허청구범위에 기재된 바와 같이 제1 이미지 및 제2 이미지를 형성하는 모든 방법에 동일하게 적용가능하다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 디스플레이 장치에 표시되는 것과 같이 표시되며, 이는 액정-온-실리콘(liquid crystal on silicon) 공간 광 변조기와 같은 공간 광 변조기일 수 있다. 적절한 디스플레이 장치에 표시될 때, 홀로그램은 뷰잉 시스템에 의해 이미지로 변환 가능한 빛을 공간적으로 변조할 수 있다. 회절 구조에 의해 형성된 채널들은 이미지 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된 빛의 채널들이라는 것을 단순히 반영하기 위해 여기에서 "홀로그램 채널들"이라고 지칭된다. 각 채널의 빛은 이미지 또는 공간 도메인이 아닌 홀로그램 도메인에 있다고 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀로그램은 푸리에 또는 푸리에 변환 홀로그램이고, 따라서 홀로그램 도메인은 푸리에 또는 주파수 도메인이다. 홀로그램은 프레넬 또는 프레넬 변환 홀로그램일 수 있다. 홀로그램은 홀로그램에서 재구성 가능한 이미지가 유한한 크기를 가지며 복수의 이미지 하위-영역들로 임의로 분할될 수 있음을 단지 반영하기 위해 빛을 복수의 홀로그램 채널들로 라우팅하는 것으로 여기에서 설명되며, 여기서 각 홀로그램 채널은 각각에 이미지 하위-영역에 해당한다. 중요한 것은 이 홀로그램이 조명을 받았을 때 이미지 콘텐츠를 분산시키는 방식이 특징이라는 것이다. 특히 홀로그램은 이미지 콘텐츠를 각도로 나눈다. 즉, 이미지의 각 포인트는 조명을 받을 때 홀로그램에 의해 형성되는 공간 변조된 빛의 고유한 광선 각도와 연결된다 - 홀로그램이 2차원이기 때문에 적어도 한 쌍의 고유한 각도이다. 의심의 소지를 없애기 위해 말하자면, 이 홀로그램 동작은 일반적이지 않다. 이 특별한 유형의 홀로그램에 의해 형성된 공간 변조된 빛은, 조명될 때, 복수의 홀로그램 채널들로 임의로 분할될 수 있으며, 여기서 각 홀로그램 채널은 광선 각도의 범위(2차원)에 의해 정의된다. 공간적으로 변조된 광에서 고려될 수 있는 임의의 홀로그램 채널(즉, 광선 각도의 하위-범위)은 이미지의 각 부분 또는 하위-영역과 연관될 것이라는 것이 전술한 내용으로부터 이해될 것이다. 즉, 이미지의 해당 부분 또는 하위-영역을 재구성하는 데 필요한 모든 정보는 이미지의 홀로그램에서 형성된 공간 변조된 빛의 각도의 하위-범위 내에 포함된다. 공간 변조된 광이 전체적으로 관찰될 때, 반드시 복수의 개별 광 채널들의 증거가 있는 것은 아니다. 그러나, 일부 실시예들에서, 복수의 공간적으로 분리된 홀로그램 채널들은 홀로그램이 계산되는 타겟 이미지의 영역을 블랭크(blank) 또는 공백(empty) (즉, 이미지 콘텐츠가 존재하지 않는 것)으로 의도적으로 남겨둠으로써 형성된다.

그럼에도 불구하고 이러한 유형의 홀로그램은 여전히 식별될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램에 의해 형성된 공간 변조된 빛의 하위-영역의 연속적인 부분만 재구성되는 경우, 이미지의 하위-영역만 보여야 한다. 공간 변조된 빛의 다른 연속 부분 또는 다른 하위-영역이 재구성되는 경우, 이미지의 다른 하위-영역이 표시되어야 한다. 이러한 유형의 홀로그램의 추가 식별 특징은, 크기는 다를 수 있지만, 임의의 홀로그램 채널의 단면적 모양이 입사 동공의 모양에 실질적으로 대응(즉, 실질적으로 동일)한다는 것이다. 각 조명(light) 홀로그램 채널은 다른 각도 또는 각도 범위에서 홀로그램으로부터 전파된다. 이들은 이러한 유형의 홀로그램을 특성화하거나 식별하는 예시적인 방법이지만, 다른 방법이 사용될 수도 있다. 요약하면, 여기에 개시된 홀로그램은 이미지 콘텐츠가 홀로그램에 의해 인코딩된 광 내에서 어떻게 분포되는지에 의해 특징지어지고 식별 가능하며, 첨부된 청구범위는 그에 따라 설명된다.

실시예들에서, 제2 이미지 영역은 제1 차원의 양방향으로 제1 이미지 영역보다 덜 멀리(아이-박스 내의 모든 위치로부터 각도 공간에서) 확장된다. 따라서, 각도 공간에서 제2 이미지 영역의 전체 크기는 제1 이미지 영역의 크기보다 크지 않고, 예를 들어 그보다 작다.

이들 실시예에 따르면, 원거리-필드 이미지는 헤드-업 디스플레이를 수용하는 차량 내에서 어떠한 추가 공간도 필요로 하지 않는다. 이는 원거리-필드 이미지를 구성하는 광선이 근거리-필드 이미지에 필요한 체적 내에서 완전히 수용될 수 있기 때문이다.

제1 이미지 및 제2 이미지는 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치에 표시되는 공통 디스플레이 패턴으로부터 (실질적으로) 동시에 형성될 수 있다. 즉, 제1 이미지 및 제2 이미지는 동일한 디스플레이 이벤트 동안 또는 동일한 디스플레이 이벤트의 일부로서 형성될 수 있다. 디스플레이 이벤트는 디스플레이 장치 상에 패턴을 디스플레이하는 것을 포함할 수 있고, 패턴에 따라 광을 공간적으로 변조하기 위해 디스플레이 패턴을 조명할 수 있다. 이러한 경우, 제1 이미지와 제2 이미지의 형성을 용이하게 하는 정보가 동일한 조명 패턴에 포함된다(예컨대, 인코딩된다). 이들 실시예에 의해 달성된 기술적 진보는 2개의 이미지를 형성하기 위해 인터레이싱 방식이 필요하지 않다는 것이다.

디스플레이 패턴은 홀로그램과 같은 회절 패턴일 수 있다.

회절 패턴은 푸리에 홀로그램, 프레넬 홀로그램, 포인트 클라우드 홀로그램 또는 이들의 조합일 수 있다.

제1 이미지는 제1 가상 이미지일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 이미지는 제2 가상 이미지일 수 있다. 실시예들에서, 가상 이미지들은 윈드스크린(windscreen)과 같은 호스트 차량의 광학 결합기 또는 윈도우를 사용하여 형성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 이미지를 형성하는 광은 윈드스크린에 의해 뷰어를 향해 반사될 수 있다.

제2 이미지 영역은 아이-박스 내의 모든 위치로부터 제1 차원의 적어도 하나의 방향으로 제1 이미지보다 각도 공간에서 더 이상 확장되지 않을 수 있다. 따라서, 제1 이미지 및 제2 이미지를 형성하는 광선 다발은 (실질적으로 동시에) 제1 이미지 영역에 따라 구분된다. 따라서 원거리-필드 이미지를 형성하는 광선은 근거리-필드 이미지가 요구하는 것 이상의 추가적인 체적 공간을 필요로 하지 않는다고 말할 수 있다. 그런 면에서 근거리-필드 이미지 외에 원거리-필드 이미지를 제공하는 데 따르는 비용은 (공간적/용량적으로) 없다고 할 수 있다.

제1 차원은 (호스트 차량의 운전자와 같은 뷰어의 관점에서) 수직 방향일 수 있다. 대안적으로, 제1 차원은 (호스트 차량의 운전자와 같은 뷰어의 관점에서) 수평 방향일 수 있다.

제2 차원에서 제1 이미지 영역의 중심은 제2 차원에서 제2 이미지 영역의 중심과 실질적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 근거리-필드 영상과 원거리-필드 영상은 제2/수평 방향으로 정렬될 수 있다.

제1 이미지 영역은 아이-박스에서 볼 때/아이-박스의 중심으로부터 각도 공간에서 볼 때, 제1 차원에서 제2 이미지 영역과 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 제2 이미지 영역은 아이-박스 내의 모든 위치로부터 (볼 때) 제1 차원의 적어도 한 방향으로 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 더 이상 확장되지 않을 수 있다.

제1 이미지 영역 거리는 3미터 미만과 같이 5미터 미만일 수 있다. 제2 이미지 영역 거리는 15미터 미만과 같이 20미터 미만일 수 있다.

제2 차원에서 헤드-업 디스플레이의 시야각은 5도 내지 25도 범위일 수 있다. 제 1차원에서 헤드-업 디스플레이의 시야각은 3도 내지 10도일 수 있다.

헤드-업 디스플레이는 눈-추적(eye-tracking) 시스템과 같은 사용자-추적(user-tracking) 시스템을 더 포함한다. 헤드-업 디스플레이는 사용자-추적 시스템에 의해 결정된 아이-박스 내의 아이-박스 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 실시간으로 디스플레이 패턴을 결정하도록 구성될 수 있다.

여기서 설명된 헤드-업 디스플레이를 사용하여 복수의 이미지를 디스플레이하는 방법이 또한 여기에 개시된다. 본 방법은 사용자-추적 시스템에 의해 결정된 아이-박스 위치에 대한 변경에 기초하여 제1 및 제2 이미지 영역 거리 중 적어도 하나를 변경하는 과정을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 원거리-필드 이미지와 관련된 이미지 영역 거리는 시선-추적 정보에 기초하여 실시간으로 최대화될 수 있다. 아이-박스의 중앙 영역과 관련된 이미지 영역 거리는 아이-박스의 주변 영역과 관련된 이미지 영역 거리보다 클 수 있다. 예를 들어, 사용자-추적 시스템이 사용자가 아이-박스의 중앙 위치에서 아이-박스의 주변 위치로 이동했다고 결정하는 경우, 본 시스템은 원거리-필드 이미지의 광선이 차량과 충돌하지 않도록 원거리-필드 이미지 영역 거리가 나타나는/인지되는 이미지 영역 거리를 감소시키도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어, 사용자-추적 시스템이 사용자가 아이-박스의 주변 위치에서 아이-박스의 중앙 위치로 이동했다고 결정하는 경우, 본 시스템은 원거리-필드 이미지 영역 거리가 나타나는/인지되는 이미지 영역 거리를 증가시키도록 구성될 수 있다.

제1 및 제2 이미지 영역 거리 중 적어도 하나는 회절 패턴과 관련된 적어도 하나의 렌즈 기능을 변경함으로써 변경될 수 있다.

헤드-업 디스플레이는 화상(picture) 생성 유닛, 예를 들어 홀로그램 프로젝터와 같은 이미지 프로젝터를 포함할 수 있다. 헤드-업 디스플레이 또는 화상 생성 유닛은 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치, 예를 들어 액정-온-실리콘(LCOS) 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 헤드-업 디스플레이 또는 화상 생성 유닛은 또한 광원, 예를 들어, 디스플레이 장치를 조명하도록 구성된 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 헤드-업 디스플레이 또는 화상 생성 유닛은 화상 생성 유닛의 사출 동공(exit pupil)을 확장하도록 구성된 도파관을 더 포함할 수 있다. 도파관은 디스플레이 장치와 아이-박스/뷰어 사이에 배치될 수 있다. 화상 또는 이미지는 홀로그램을 포함하는 회절 구조로부터/회절 구조를 이용하여 타겟 이미지를 재구성함으로써 형성될 수 있다. 회절 구조 또는 디스플레이 패턴이 디스플레이 장치에 표시된다. 회절 구조 또는 홀로그램은 이미지 내의 위치에 따라 이미지 콘텐츠를 각지게 분포시키도록 구성될 수 있다. 홀로그램은 푸리에 홀로그램, 프레넬 홀로그램, 포인트 클라우드 홀로그램 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 홀로그램은 타겟 이미지로부터 실시간으로 결정되거나 계산될 수 있다. 헤드-업 디스플레이는 차량의 윈드스크린과 같은 광학 결합기와 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 광학 결합기는 아이-박스에서 뷰어가 볼 수 있는 적어도 하나의 가상 이미지를 형성한다. 헤드-업 디스플레이는 홀로그램의 결정/계산 동안 요구되는/사용되는 아이-박스 내의 뷰잉 위치에 대한 정보를 제공하는 눈-추적 시스템을 포함할 수 있다. 이 시스템은 확대를 제공하는 거울과 같은 벌크 광학 장치가 없다는 특징이 있다. 일부 실시예들에서, 회절 패턴은 광학 결합기의 임의의 곡률을 보상하고/하거나 실제 적용을 위한 임의의 필요한 배율을 제공한다.

용어 "홀로그램(hologram)"은 객체에 대한 진폭 정보 혹은 위상 정보 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 레코딩(recoding)을 지칭하는데 사용된다. 용어 "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"은 홀로그램을 조사하여 형성된 객체의 광학적 재구성을 지칭하는데 사용된다. 본 명세서에 개시된 시스템은, 홀로그래픽 재구성이 실제 이미지이고 홀로그램으로부터 공간적으로 분리되기 때문에, "홀로그래픽 프로젝터(holographic projector)"로서 설명된다. 용어 "재생 필드 (replay field)"는 홀로그래픽 재구성이 형성되고 완전히 포커스되는 2D 영역(2D area)을 지칭하는데 사용된다. 홀로그램이 픽셀들을 포함하는 공간 광 변조기 상에 표시되면, 재생 필드는 복수의 회절 차수(diffracted order)의 형태로 반복될 것이며, 여기서 각각의 회절된 차수는 0차 재생 필드(zeroth-order replay field)의 복제물이다. 0차 재생 필드는 가장 밝은 재생 필드이기 때문에 선호 혹은 일차적인 재생 필드에 일반적으로 해당한다. 달리 명시되지 않는 한, "재생 필드"라는 용어는 0차 재생 필드를 가리키는 것으로 간주되어야 한다. 용어 "재생 평면(replay plane)" 는 모든 재생 필드들을 포함하는 공간의 평면을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "이미지(image)", "재생 이미지(replay image)" 및 "이미지 영역(image region)"은 홀로그래픽 재구성의 광(light)에 의해 비춰지는 재생 필드의 영역들을 지칭한다. 일부 실시예에서, "이미지"는 "이미지 스팟들(image spots)" 또는 편의상 "이미지 픽셀들(image pixels)"로 지칭될 수 있는 개별적인 스팟들을 포함할 수 있다.

용어 "인코딩(encoding)", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 픽셀의 변조 레벨을 결정하는 각각의 복수의 제어 값들을 SLM의 복수의 픽셀들에게 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 픽셀은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "표시(display)"하도록 구성된다고 말할 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "표시"한다고 말할 수 있고 홀로그램은 광 변조 값들 혹은 레벨들의 어레이로 간주될 수 있다.

수용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체(즉, 재구성을 위한 타겟 이미지)와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 레코딩은 위상-한정 홀로그램(phase-only hologram)으로 지칭될 수 있다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관한 것이지만, 본 개시는 진폭-한정 홀로그래피(amplitude-only holography)에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시는 홀로그램 계산의 임의의 특정한 방법에 제한되지 않는다. 일부 실시예들은 단지 예로서 포인트 클라우드 홀로그램, 즉 포인트 클라우드 방식을 사용하여 구축된 홀로그램에 관한 것이다. 그러나, 본 개시는 푸리에(Fourier) 또는 프레넬(Fresnel) 유형의 홀로그램 및 코히어런트 레이트레이싱(Coherent Ray Tracing)과 같은 다른 기술들에 따라 계산된 홀로그램에도 동일하게 적용 가능하다.

본 개시는 또한 원래의 객체(즉, 타겟 이미지)와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이것은 원래의 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램(fully complex hologram)을 이용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램이라고 지칭될 수 있다. 각 픽셀에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 모두 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 완전-복소 컴퓨터-생성 홀로그램(fully-complex computer-generated hologram)이 계산된다.

컴퓨터-생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 픽셀들의 위상 값, 위상 성분, 위상 정보 또는, 단순히, 위상이 "위상-지연(phase-delay)"의 약어로 참조될 수 있다. 즉, 설명된 모든 위상 값은, 실제로는, 해당 픽셀이 제공하는 위상 지연(phase retardation)의 양을 나타내는 (예컨대, 0 내지 2π 범위의) 숫자이다. 예를 들어, 위상 값이 π/2인 것으로 설명된 공간 광 변조기의 픽셀은 수신된 광의 위상을 π/2 라디안만큼 지연시킨다. 일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 각 픽셀은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들) 중 하나로 작동 가능하다. 용어 "그레이 레벨(grey level)"은 복수의 이용 가능한 변조 레벨들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 용어 "그레이 레벨"은 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 음영들을 제공하지 않더라도 위상-한정 변조기에서 복수의 이용 가능한 위상 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다. 용어 "그레이 레벨"은 또한 복소 변조기에서 이용 가능한 복수의 복소 변조 레벨들을 지칭하기 위해 편의상 사용될 수 있다.

따라서 홀로그램은 그레이 레벨들의 어레이를 - 즉, 위상-지연 값들 또는 복소 변조 값들의 어레이와 같은 광 변조 값들의 어레이를 - 포함한다. 또한 홀로그램은, 공간 광 변조기에 디스플레이될 때 그리고 공간 광 변조기의 픽셀 피치(pixel pitch)에 필적하는, - 일반적으로 그보다는 작은 - 파장을 갖는 광으로 조사될 때, 회절을 유발하는 패턴이기 때문에, 회절 패턴으로 간주된다. 홀로그램을 렌즈 또는 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴들과 같은 다른 회절 패턴들과 결합하는 것이 본 명세서에 참조된다. 예를 들어, 그레이팅(grating)으로 기능하는 회절 패턴이 재생 평면 상에 재생 필드를 변환하도록 홀로그램과 결합되거나, 렌즈로 기능하는 회절 패턴이 근거리 필드(near field)의 재생 평면 상에 홀로그래픽 재구성을 포커스하도록 홀로그램과 결합될 수 있다.

다양한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술되는 상세한 설명에서 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합(combination)과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징의 모든 가능한 조합 및 순열(permutation)이 고려된다.

특정 실시예는 다음 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사 SLM을 도시하는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복들을 도시한다.
도 2c는 예시적인 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 디스플레이 장치로부터 개구를 향해 효과적으로 전파하는 가상 이미지의 각도 내용을 도시한다.
도 5a는 전파 거리가 비교적 짧은 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 5b는 비교적 긴 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6a는 무한대의 가상 이미지를 형성하기 위해, 도파관을 포함하는 비교적 긴 전파 거리를 갖는 뷰잉 시스템을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 광학 경로의 확대도를 도시한다.
도 7은 실시예들에 따른 광학 시스템을 도시한다.
도 8은 실시예들에 따른 방법의 단계들을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 근거리-필드 이미지 영역의 각도 측면에서 시야가 원거리-필드 이미지 영역의 시야와 동일한 헤드-업 디스플레이를 도시한다.
도 10은 근거리-필드 및 원거리-필드 이미지 콘텐츠를 형성하는 광선 다발의 크기를 줄이기 위해 한쪽의 근거리-필드 이미지 영역에 따라 원거리-필드 이미지 영역의 시야가 잘리는 일부 실시예들에 따라 개선된 헤드-업 디스플레이를 도시한다.
도 11a, 11b 및 11c는 유한 크기의 아이-박스가 제공될 때 원거리-필드 이미지가 HUD 광선 다발의 크기를 결정할 수 있는 방법을 도시한다.
도 12a, 12b 및 12c는 일부 실시예들에 따라 근거리-필드 이미지 또는 원거리-필드 이미지의 크기가 최적화될 수 있는 방법을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다.

본 발명은 다음에 설명되는 실시예들에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 연장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태들로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.

다른 구조물의 상부/하부 또는 상/하에 형성된 구조물이라고 기술된 경우, 구조물들이 서로 접촉하는 경우 및 제3의 구조물이 그 사이에 배치되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시간 관계를 기술함에 있어서, 사건의 시간 순서가 예를 들어 "후", "후속", "다음", "전" 등으로 기술될 때, 본 개시는 별도로 규정하지 않는 한은 연속적 및 비연속적 사건을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 그 기재가 "막(just)", "바로(immediate)" 또는 "직접(direct)"이라는 기재가 사용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하기 위해 "제1", "제2" 등의 용어가 사용될 수 있지만, 이러한 요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1요소는 제2요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2요소는 첨부된 청구범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.

상이한 실시 예들의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 일부 실시 예들은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.

광학 구성

도 1은 컴퓨터-생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기에서 인코딩되는 실시 예를 도시한다. 컴퓨터-생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 할 수 있다. 본 실시 예에서, 공간 광 변조기는 반사형의 액정-온-실리콘 (liquid crystal on silicon: "LCOS") 장치이다. 홀로그램은 공간 광 변조기에서 인코딩되고 홀로그램 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨저(diffuser)와 같은 수광 표면(light receiving surface)에 형성된다.

예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 111)를 통해 SLM(140)을 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 도 1에서, 파면의 방향은 (예컨대, 투명층의 평면에 대해 완전 수직으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 오프-노멀(off-normal)하다. 그러나, 다른 실시 예들에서, 전체적으로 평면인 파면은 법선 방향으로 입사되고, 입력 및 출력 광경로들을 분리하기 위한 빔 스플리터 배치(beam splitter arrangement)가 이용된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 미러형 후방 표면(mirrored rear surface)에 반사되며 출사 파면(exiting wavefront, 112)을 형성하기 위해 광 변조층과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 더욱 상세하게, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 출사되는 변조된 광의 빔을 전달 받아 스크린(125)에 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수-공간 변환을 수행한다.

특히, 이러한 유형의 홀로그래피에서 홀로그램의 각 픽셀은 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드의 특정 지점들 (또는 이미지 픽셀들)과 특정 광-변조 요소들 (또는 홀로그램 픽셀들) 사이에는 일대일 상관 관계가 없다. 다시 말해, 광-변조 층을 나가는 변조된 광은 재생 필드에 분포된다.

이러한 실시예들에서, 공간에서 홀로그래픽 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절(포커싱) 파워(dioptric(focusing) power)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학적 푸리에 변환 렌즈이며, 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 어떤 렌즈라도 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수 있지만, 수행되는 푸리에 변환의 정확도는 렌즈의 성능에 좌우된다. 통상의 기술자라면 렌즈를 사용하여 광학적 푸리에 변환을 수행하는 방법을 이해할 수 있다.

홀로그램 계산 예

일부 실시 예에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에-기반 홀로그램이며, 여기서 이미지는 포지티브 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 원거리 장(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 도메인(예컨대, 사진)의 진폭-한정 정보로부터 푸리에 도메인의 홀로그램(즉, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 객체와 관련된 위상 정보는 공간 도메인에서 진폭-한정 정보로부터 효과적으로 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 일부 실시 예들에서, 컴퓨터-생성 홀로그램은 Gerchberg-Saxton 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.

Gerchberg Saxton 알고리즘은 평면 A와 B에서 각각의 광선(light beam) 광선의 단면적 강도 I_A(x, y) 및 I_B(x, y) 가 알려져 있고 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)가 단일 푸리에 변환과 연관되는 상황을 고려한다. 주어진 단면적 강도에 대해 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 Ψ_A(x, y) 및 Ψ_B(x, y)가 구해진다. Gerchberg-Saxton 알고리즘은 반복 프로세스를 따름으로써 이 문제에 대한 솔루션을 찾는다. 더 구체적으로, Gerchberg-Saxton 알고리즘은 공간 도메인과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 도메인 사이에서 I_A(x, y) 및 I_B(x, y)를 나타내는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서 공간 제한(constraint) 및 스펙트럼 제한을 반복적으로 적용한다. 스펙트럼 영역에서 상응하는 컴퓨터-생성 홀로그램은 알고리즘의 적어도 1회 이상의 반복을 통해 얻어진다. 알고리즘은 입력 이미지를 나타내는 홀로그램을 생성하도록 설정되고 수렴된다. 홀로그램은 진폭 전용 홀로그램(amplitude-only hologram), 위상 전용 홀로그램(phase-only hologram) 또는 완전 복소 홀로그램(a fully complex hologram)일 수 있다.

일부 실시 예에서, 위상 전용 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170호 또는 제2,501,112호에 기술된 것과 같은 Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기초한 알고리즘을 이용하여 계산되며, 이 특허들은 는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 그러나, 본 명세서에 개시된 실시 예는 단지 예시로서 위상 전용 홀로그램을 계산하는 것을 설명한다. 이들 실시 예에서, 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(예컨대, 사진)를 나타낸다. 진폭과 위상은 푸리에 변환에서 본질적으로 결합하므로, 변환된 진폭과 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 실시 예에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 대상 이미지의 홀로그래픽 표현을 형성하기 위한 홀로그램으로 사용된다. 홀로그램은 위상 값의 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이다.

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

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

도 2a는 위상 전용 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시 예에 따른 알고리즘의 제1 반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 픽셀 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 픽셀 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 픽셀 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기 전용 또는 진폭 전용 또는 강도 전용 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 사진 또는 비디오의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1 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 픽셀에 랜덤 위상 값을 할당하는 과정을 포함하는 데이터 형성 과정(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 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 실시 예에서, 홀로그램(280A)은 위상 전용 홀로그램이다. 이들 실시 예에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상 전용 홀로그램을 "표시"하는데 이용되는 공간 광 변조기의 픽셀 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 픽셀이 256개의 서로 다른 위상 레벨을 제공하면 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상 전용 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시 예에서, 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 실시 예에서, 제2 프로세싱 블록(253)은 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한하여 홀로그램(280A)을 형성한다. 제한하는 과정은 복소 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 가능한 복소 변조 레벨로 설정하는 과정을 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 영역에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시 예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.

그러나, 다른 실시 예에서, 알고리즘은 도 2a의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a에서 점선 화살표를 따르는 과정은 선택적이다(즉, 모든 실시 예에 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 도메인에서 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.

제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소수 데이터 세트를 수신하고 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 진폭 값(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4 프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 진폭 값(211A)의 분포를 당연히 진폭 값의 분포인 입력 이미지(510)와 비교할 수 있다. 진폭 값(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4 프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값(211A)과 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기 위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시 예에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4 프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 과정은 필수적인 것은 아니며, 다른 실시 예에서 수행되는 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.

도 2b는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 임의의 추가 후속 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 진폭 값(211A)의 분포는 입력 이미지(210)의 크기 값의 분포를 위해 소거된다. 첫 번째 반복에서, 데이터 형성 과정(202A)은 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1 복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 과정(202B)은 (i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와 (ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 과정을 포함한다.

도 2b의 데이터 형성 과정(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2a를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2 반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 프로세스에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2 반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3 프로세싱 블록(256)은 제4 프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 박복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복할 때마다 개선된다. 그러나 실제로는 일반적으로 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나 처리 사간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적인 이점보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.

도 2c는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시 예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시 예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 선행 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 인자 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링된 차분을 감한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트와 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.

[수학식 1]

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 이미지고;

∠는 위상 성분이고;

ψ는 위상 전용 홀로그램(280B)이고;

η은 진폭 값(211B)의 새로운 분포이며;

α는 이득 계수이다.

이득 계수 α는 고정되거나 가변적일 수 있다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 입력 목표 이미지 데이터의 크기 및 속도(rate)에 기초하여 결정된다. 일부 실시 예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시 예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.

도 2c의 실시 예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시 예와 동일하다. 위상 전용 홀로그램 Ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 말할 수 있다.

일부 실시예에서, 푸리에 변환은 공간 광 변조기를 이용하여 수행된다. 구체적으로, 홀로그램 데이터는 광 파워를 제공하는 제2 데이터와 결합된다. 즉, 공간 광 변조기로 기록되는 데이터는 객체를 나타내는 홀로그램 데이터뿐만 아니라 렌즈를 나타내는 렌즈 데이터를 포함한다. 공간 광 변조기에 표시되면서 광이 조사될 때, 렌즈 데이터(lens data)는 물리적인 렌즈를 모방(emulate)하는데, 즉, 렌즈 데이터는 이에 상응하는 물리적인 광학 장치와 동일한 방식으로 광의 초점을 맞춘다. 따라서 렌즈 데이터는 광 파워 또는 포커싱(focusing)된 파워를 제공한다. 이러한 실시 예에서, 도 1의 물리적 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략될 수 있다. 렌즈를 나타내는 데이터를 계산하는 방법이 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 위상 전용 홀로그래픽 렌즈는 그 굴절률 및 공간적으로 변하는 광 경로 길이로 인해 렌즈의 각각의 포인트에 의해 야기되는 위상 지연을 계산함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 볼록 렌즈 중심에서의 광경로 길이는 렌즈 가장자리에서의 광경로 길이보다 길다. 진폭 전용 렌즈는 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 컴퓨터-생성 홀로그램의 기술 분야에서, 렌즈를 나타내는 데이터를 홀로그램과 결합함으로써 상기 홀로그램의 푸리에 변환이 물리적 푸리에 렌즈의 필요없이 수행될 수 있는 방법이 알려져 있다. 일부 실시 예에서, 렌즈 데이터는 간단한 벡터 합산과 같은 단순 합산에 의해 홀로그램과 결합된다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 물리적 렌즈가 이용된다. 대안적으로, 다른 실시 예들에서, 홀로그래픽 재구성이 원거리-필드(far-field)에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 또 다른 실시 예에서, 홀로그램은 그레이팅(grating) 데이터, 즉 이미지 스티어링(image steering)과 같은 그레이팅의 기능을 수행하도록 형성된 데이터와 결합될 수 있다. 다시, 해당 기술 분야에서 그러한 데이터를 계산하는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 위상 전용 그레이팅은 블레이즈된(brazed) 그레이팅의 표면 상의 각 포인트에 의해 야기된 위상 지연을 모델링함으로써 형성될 수 있다. 진폭-한정 그레이팅은 진폭 전용 홀로그램에 간단히 중첩(superimposed)되어 홀로그래픽 재구성의 각도 스티어링(angular steering)을 제공할 수 있다. 렌즈 및/또는 조향을 제공하는 제2 데이터는 이미지 형성 기능 또는 이미지 형성 패턴으로 지칭될 수 있는 홀로그램 데이터와 구별하기 위해 광 처리 기능 또는 광 처리 패턴으로 지칭될 수 있다.

일부 실시예에서, 푸리에 변환은 물리적 푸리에 변환 렌즈 및 소프트웨어 렌즈에 의해 공동으로 수행된다. 즉, 푸리에 변환에 기여하는 일부 광 파워는 소프트웨어 렌즈에 의해 제공되고, 푸리에 변환에 기여하는 나머지 광 파워는 물리적 광학 장치 또는 광학 장치들에 의해 제공된다.

일부 실시예에서, 이미지 데이터를 수신하고 알고리즘을 사용하여 실시간으로 홀로그램을 계산하도록 구성된 실시간 엔진이 제공된다. 일부 실시예에서, 이미지 데이터는 일련의 이미지 프레임을 포함하는 비디오이다. 다른 실시예에서, 홀로그램은 사전 계산되고, 컴퓨터 메모리에 저장되며, SLM 상에 디스플레이하기 위해 필요에 따라 호출된다. 즉, 일부 실시예에서, 소정의 홀로그램의 저장소가 제공된다.

실시예는 단지 예시로서 푸리에 홀로그래피 및 Gerchberg-Saxton 유형의 알고리즘들에 관한 것이다. 본 개시는 유사한 방법으로 계산될 수 있는 프레넬 홀로그래피 및 프레넬 홀로그램에 동일하게 적용가능하다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.

광 변조

공간 광 변조기는 컴퓨터-생성 홀로그램을 포함하는 회절 패턴을 표시하는데 이용될 수 있다. 홀로그램이 위상 전용 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전 복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 이용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1 공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2 공간 광 변조기가 이용될 수 있다.

일부 실시 예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 픽셀)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시 예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각각의 액정 셀은 어느 한 시점에서 복수의 가능한 광 변조 레벨들로부터 선택된 하나의 광 변조 레벨에서 동작하도록 구성된다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨 중에서 다른 광 변조 레벨로 동적으로 재구성 가능하다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기 상의 반사형 액정(LCOS)이지만, 본 개시는 이 유형의 공간 광 변조기에 한정되는 것은 아니다.

LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 광 변조 소자 또는 픽셀 어레이들을 제공한다. 픽셀은 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트할 수 있다는 것을 의미한다. LCOS SLM의 작은 개구를 적절하게 조광하는 것은 다른 액정 장치의 큰 개구를 조광하는 것보다 용이하다. LCOS 장치는 통상 반사형이므로 LCOS SLM의 픽셀을 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 묻을 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 픽셀은 밀집되어 있어 픽셀 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 픽셀이 광학적으로 편평하다는 이점을 갖는 실리콘 후면을 사용한다. 이 점은 위상 변조 장치에서 특히 중요하다.

단지 예시로서, 적합한 LCOS SLM이 도 3을 참조하여 아래와 같이 기술된다. LCOS 장치는 단결정 실리콘 기판(302)을 이용하여 형성된다. 이는 간극(301a)에 의해 이격되며 기판의 상부 표면에 배치된 사각 평면형 알루미늄 전극(301)의 2차원 어레이를 가진다. 전극(301) 각각은 기판(302)에 매설된 회로(302a)를 통해 형성될 수 있다. 각각의 전극들은 각각의 평면 미러를 형성한다. 배향층(Alignment Layer, 303)이 전극 어레이 상에 배치되고, 액정층(304)은 배향층(303)에 배치된다. 제2배향층(305)은 액정층(304)에 배치되고, 예컨대, 유리로 된 평면 투명층(306)은 제2배향층(305)에 배치된다. 예컨대 ITO로 된 단일 투명 전극(307)은 투명층(306)과 제2 배향층(305) 사이에 배치된다.

정사각형 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 픽셀로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 픽셀 영역, 즉 충진율(fill factor)은 픽셀(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 픽셀의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조 소자의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면(wavefront)에 위상 전용 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.

전술한 LCOS SLM은 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 미러 면 아래에 있으며, 높은 충진율(일반적으로 90% 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 이용하는 또 다른 이점은 투과형 장치가 사용되는 경우에 필요한 것보다 요구되는 액정 층 두께가 절반일 수 있다는 것이다. 이것은 액정의 스위칭 속도를 크게 향상시킨다(움직이는 비디오 이미지의 투영을 위한 주요 이점). 그러나, 본 발명의 개시 내용은 투과형 LCOS SLM을 사용하여 동일하게 구현될 수 있다.

본 개시는 근거리-필드 이미지 및 원거리-필드 이미지의 헤드-업 디스플레이에 관한 것으로, 선택적으로, 근거리-필드 이미지와 원거리-필드 이미지 사이에 적어도 부분적인 중첩을 가진다. 의심의 소지를 없애기 위해 말하자면, 본 개시의 교시는 이미지 형성의 임의의 방법에 적용가능하고 홀로그래피를 사용하는 실시예는 단지 예로서 설명된다. 일부 실시예들에서는 홀로그램용 디스플레이 장치가 상대적으로 작고 시야 거리가 상대적으로 긴 경우에 특히 적합한 이미지들의 홀로그램 계산 방법을 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 개시에 따라 복수의 이미지를 형성하는 방법의 예로서 제공된다. 본 개시는 작은 디스플레이 장치 및 긴 시야 거리를 사용하는 홀로그래피 또는 이미지 프로젝션에 제한되지는 않지만, 이러한 예들은 여기서 정의된 이미지 영역 최적화와 특히 시너지 효과가 있다.

작은 디스플레이 장치와 긴 시야 거리를 이용한 이미지 프로젝션

일부 실시예들에서, 디스플레이 장치와 뷰어 사이의 간격은 디스플레이 장치의 크기보다 훨씬 더 크다. 시야 거리(즉, 뷰어와 디스플레이 장치 사이의 거리)는 디스플레이 장치의 크기보다 적어도 10배 클 수 있다. 시야 거리는 디스플레이 장치의 크기보다 적어도 2배 클 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치의 화소 면적은 10mm x 10mm이고, 시야 거리는 1m일 수 있다. 시스템에 의해 투사된 이미지는 디스플레이 장치와 공간적으로 분리된 디스플레이 평면에 형성된다.

일부 실시예들에 따르면, 이미지는 홀로그램 프로젝션에 의해 형성된다. 디스플레이 장치에 홀로그램이 표시된다. 홀로그램은 광원(미도시)에 의해 조명되고 홀로그램과 공간적으로 분리된 디스플레이 평면에서 이미지가 인지된다. 이미지는 실제 또는 가상일 수 있다. 다음 설명의 목적을 위해, 디스플레이 장치의 업스트림에 형성된 가상 이미지를 고려하는 것이 도움이 된다. 즉, 디스플레이 장치 뒤에 나타난다. 그러나, 이미지가 반드시 가상 이미지일 필요는 없으며, 본 개시는 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이에 형성되는 실제 이미지에도 동일하게 적용될 수 있다.

디스플레이 장치는 홀로그램을 표시하는 픽셀들을 포함한다. 디스플레이 장치의 픽셀 구조는 회절형이다. 따라서 홀로그램 이미지의 크기는 회절 규칙의 영향을 받는다. 디스플레이 장치의 회절 특성의 결과는 도 4를 참조하여 아래에서 설명된다.

도 4는 디스플레이 장치(402)의 업스트림에서 가상 이미지(401)를 형성하는 홀로그램을 표시하도록 구성된 픽셀화된 디스플레이 장치(402)를 도시한다. 디스플레이 장치의 회절 각도 θ는 가상 이미지(401)의 크기를 결정한다. 가상 이미지(401), 디스플레이 장치(402) 및 뷰잉 시스템(405)은 광축(Ax)에 배열된다.

뷰잉 시스템(405)은 입구 개구(404) 및 뷰잉 평면(406)을 갖는다. 뷰잉 시스템(405)은 사람의 눈일 수 있다. 따라서, 입구 개구(404)는 눈의 동공일 수 있고 뷰잉 평면(406)은 눈의 망막일 수 있다.

디스플레이 장치(402)와 뷰잉 시스템(405) 사이를 이동하는 광은 이미지의 홀로그램(이미지 자체가 아님)으로 변조된다. 그러나 도 4는 홀로그램이 가상 이미지 콘텐츠를 각도로 나누는 방법을 보여준다. 각각의 예시된 광선 다발은 가상 이미지(401)의 서로 다른 부분에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 각 광선 다발의 빛은 가상 이미지의 한 부분에 대한 정보와 함께 홀로그램에 의해 인코딩된다. 도 4는 각각이 광축 Ax에 대한 각각의 각도를 특징으로 하고, 가상 이미지의 각 부분을 나타내는 5개의 예시적인 광선 다발을 보여준다. 이 예에서, 광선 다발 중 하나는 동공(404)을 통과하고 다른 4개의 광선 다발은 동공(404)에 의해 차단된다. 다시, 5개의 서로 다른 광선 다발은 가상 이미지(401)의 5개의 서로 다른 부분들에 대응된다. 가상 이미지의 전체 이미지 콘텐츠는 각도의 의해 효과적으로 분할된다. 광축 Ax를 따라 이동하는 광선 다발은 이미지 정보의 중심 부분, 즉 이미지 중심과 관련된 정보를 전달한다. 다른 광선 다발은 이미지 정보의 다른 부분을 전달한다. 광선 콘(light cone)의 극단에 표시된 두 개의 광선 다발은 이미지 정보의 가장자리 부분들을 전달한다. 각도에 의한 이미지 정보의 이러한 분할의 결과는 모든 이미지 콘텐츠가 주어진 뷰잉 위치에서 뷰잉 시스템의 입구 개구(404)를 통과할 수 있는 것은 아니라는 것이다. 즉, 모든 이미지 콘텐츠가 눈으로 수신되는 것은 아니다. 도 4의 예에서, 도시된 5개의 광선 다발 중 하나만 임의의 뷰잉 위치에서 동공(404)을 통과한다. 독자는 5개의 광선 다발이 단지 예로서 도시되고 설명된 프로세스가 가상 이미지의 이미지 정보를 단지 5개의 광선 다발로 분할하는 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

이 예에서, 이미지 정보의 중심 부분은 눈으로 수신된다. 이미지 정보의 가장자리 부분은 눈의 동공에 의해 차단된다. 독자는 뷰어가 위 또는 아래로 움직이면 서로 다른 광선 다발이 눈에 수신될 수 있고, 예를 들어 이미지 정보의 중심 부분이 차단될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 뷰어는 전체 이미지의 일부만 볼 수 있다. 나머지 이미지 정보는 입사 동공에 의해 차단된다. 뷰어는 디스플레이 장치 자체의 작은 개구를 통해 이미지를 효과적으로 보고 있기 때문에 뷰어의 시야가 크게 제한된다.

요약하면, 빛은 디스플레이 장치에서 회절 각도 범위에 걸쳐 전파된다. 1m 시야 거리에서, 디스플레이 장치의 작은 각도 범위만 눈의 동공을 통해 전파되어 주어진 눈 위치에 대해 망막에 이미지를 형성할 수 있다. 보이는 가상 이미지의 유일한 부분은 입구 개구를 통과하는 도 4에 도시된 작은 각도 범위 내에 있는 부분이다. 따라서 시야가 매우 좁고, 특정 각도 범위는 눈의 위치에 크게 의존한다.

도 4를 참조하여 설명된 좁은 시야 및 눈 위치에 대한 감도의 문제는 디스플레이 장치의 긴 시야 거리 및 작은 개구의 결과이다. 뷰잉 거리의 중요성은 도 5 내지 도 7을 참조하여 추가로 설명된다.

도 5a는 홀로그램을 표시하고, 홀로그램에 따라 변조된 광을 입구 개구(504) 및 뷰잉 평면(506)을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 장치(502)를 도시한다. 가상 이미지(501)는 무한대이므로 가상 이미지와 디스플레이 장치 사이에서 추적되는 광선이 콜리메이트된다(colimated). 도 5a의 하부는 뷰잉 시스템의 확대도를 보여준다. 이 도면은 개략도이므로 눈의 생리학적 세부 사항은 표시되지 않는다. 실제로, 물론, 디스플레이 장치(502)를 조명하도록 구성된 광원(도 5a에 도시되지 않음)이 존재한다.

도 5a는 개구(504)를 통해 전파할 수 있는 광선들만을 도시하고; 개구(504)를 통과할 수 없는 다른 광선들은 생략된다. 그러나, 그러한 다른 광선들은 실제로 디스플레이 장치(502)로부터 또한 전파될 것이라는 것이 이해될 것이다. 도 5a에서, 디스플레이 장치와 뷰잉 평면 사이의 거리는 디스플레이 장치로부터의 전체 회절 각도가 망막에 이미지를 형성할 수 있을 만큼 충분히 작다. 가상 이미지에서 보여지는 모든 빛의 전파 경로들은 입구 개구를 통과한다. 따라서, 가상 이미지의 모든 포인트들이 망막에 매핑되고 모든 이미지 콘텐츠가 뷰잉 평면에 전달된다. 따라서 인지된 이미지의 시야는 최대이다. 최적의 위치에서, 시야는 디스플레이 장치의 회절 각도와 같다. 흥미롭게도, 망막의 다른 이미지 포인트들은 디스플레이 장치(502)의 다른 영역에서 전파되는 빛으로 형성된다 - 예를 들어, 도 5a의 상단에 가장 가까운 이미지 포인트는 디스플레이 장치의 아래쪽 부분에서만 전파되는 빛으로 형성된다. 디스플레이 장치의 다른 영역에서 전파되는 빛은 이 이미지 포인트에 기여하지 않는다.

도 5b는 뷰잉 거리가 증가함에 따라 발생하는 상황을 보여준다.

더 상세하게는, 도 5b는 홀로그램을 표시하고 홀로그램에 따라 변조된 광을 입구 개구(504') 및 뷰잉 평면(506')을 포함하는 뷰잉 시스템으로 전파하도록 구성된 디스플레이 장치(502')를 도시한다. 가상 이미지(501')는 무한대이므로 가상 이미지와 디스플레이 장치 사이에서 추적되는 광선이 콜리메이트된다(colimated). 도 5b의 하부는 뷰잉 시스템의 확대도를 보여준다. 이 도면은 개략도이므로 눈의 생리학적 세부 사항은 표시되지 않는다. 실제로, 물론, 디스플레이 장치(502')를 조명하도록 구성된 광원(도 5b에 도시되지 않음)이 존재한다.

도 5b는 개구(504')를 통해 전파할 수 있는 광선만을 도시한다. 도 5b의 더 큰 뷰잉 거리에서, 광선 다발의 일부는 입구 개구(504')에 의해 차단된다. 구체적으로, 가상 이미지의 가장자리 부분과 관련된 광선 다발은 입사 동공(504')에 의해 차단된다. 따라서, 가상 이미지 전체가 보이지 않고 보여지는 가상 이미지의 일부는 눈의 위치에 크게 좌우된다. 따라서, 디스플레이 장치와 뷰잉 시스템 사이의 거리가 멀다는 문제는 디스플레이 장치의 크기가 작다는 것에 기인한다.

도 6a는 디스플레이 장치(602)를 포함하는 개선된 시스템을 도시하며, 이 시스템은 디스플레이 장치(602) 상에 디스플레이된 홀로그램으로 인코딩된 광을 입구 개구(604) 및 뷰잉 평면(606)을 포함하는 뷰잉 시스템을 향해 전파한다. 실제로, 물론, 디스플레이 장치(602)를 조명하도록 구성된 광원(미도시)이 존재한다. 개선된 시스템은 디스플레이 장치(602)와 입구 개구(604) 사이에 위치된 도파관(608)을 더 포함한다. 도 6a의 하부는 입사 동공(604) 및 뷰잉 평면(604)을 포함한다. 이 도면은 개략도이므로 눈의 생리학적 세부사항은 도시되지 않는다.

도 6의 뷰잉 거리는 도 5b에서 나타낸 것과 동일하다. 그러나, 도 5b에서 차단된 광선 다발은 도파관(608)에 의해 효과적으로 복구되어 전체 이미지 정보가 - 더 긴 뷰잉 거리에도 불구하고 - 뷰잉 시스템에 의해 수신된다.

도파관(608)의 존재는 디스플레이 장치(602)로부터의 모든 각진 콘텐츠가 이 비교적 큰 프로젝션 거리에서도 눈에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(608)이 동공 확장기로서 작용하기 때문인 것으로 잘 알려져 있으므로 여기에서 간략하게만 설명한다.

요컨대, 도파관(608)은 실질적으로 기다란 형성물을 포함한다. 이 예에서, 그것은 굴절 물질의 광학 슬래브를 포함하지만, 다른 유형의 도파관도 잘 알려져 있으며 사용될 수 있다. 도파관(608)은 디스플레이 장치(602)로부터 투사된 원추체와 예를 들어 비스듬한 각도로 교차하도록 위치된다. 도파관(608)의 크기, 위치(location) 및 자리(position)는 광원뿔(light cone) 내에서, 5개의 광선 다발 각각으로부터의 빛이 도파관(608)으로 들어가는 것을 보장하도록 구성된다. 광원뿔로부터의 빛은 (디스플레이 장치(602)에 가장 가깝게 위치된) 제1 평면 표면(610)을 통해 도파관(608)에 들어가고, (눈에 가장 가깝게 위치되어) 제1 표면(610)과 실질적으로 반대인 제2 평면 표면(612)을 통해 방출되기 전에, 도파관(608)의 길이를 따라 적어도 부분적으로 가이드된다. 잘 이해되는 바와 같이, 제2 평면 표면(612)은 부분적으로 반사적이고, 부분적으로 투과적이다. 다시 말해, 각 광선이 도파관(608) 내에서 도파관(608)의 제1 평면 표면(610)으로부터 제2 평면 표면(612)으로 이동할 때, 광의 일부는 도파관(608) 밖으로 투과되고 일부는 제2 평면 표면(612)에 의해 반사되어 다시 제1 평면 표면(610)을 향하여 반사될 것이다. 제1 평면 표면(610)은 반사성이어서, 도파관(608) 내에서 그에 부딪히는 모든 광은 제2 평면 표면(612)을 향해 다시 반사될 것이다. 따라서, 빛의 일부는 전송되기 전에 도파관(608)의 두 개의 평면 표면(610, 612) 사이에서 단순히 굴절될 수 있는 반면, 다른 빛은 반사될 수 있으며, 따라서 전송되기 전에 도파관(608)의 평면 표면(610, 612) 사이에서 하나 이상의 반사(또는 바운스)를 겪을 수 있다. 따라서 도파관(608)의 순 효과는 광의 투과가 도파관(608)의 제2 평면 표면(612) 상의 여러 위치에 걸쳐 효과적으로 확장된다는 것이다. 따라서 디스플레이 장치(602)에 의해 출력된 모든 각진 콘텐츠는 도파관(608)이 없는 경우보다 디스플레이 평면 상의 더 많은 수의 위치(및 개구 평면 상의 더 많은 수의 위치)에 존재할 수 있다. 이는 각 광선 다발로부터의 광이 입구 개구(604)에 진입할 수 있고, 상대적으로 큰 투사 거리에도 불구하고, 뷰잉 평면(606)에 의해 형성된 이미지에 기여할 수 있음을 의미한다. 다시 말해서, 디스플레이 장치(602)로부터의 모든 각진 콘텐츠는 눈에 의해 수신될 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치(602)의 전체 회절 각도가 활용되고 사용자를 위해 뷰잉 윈도우가 최대화된다. 차례로, 이것은 모든 광선이 지각된 가상 이미지(601)에 기여한다는 것을 의미한다.

도 6b는 도 6a에 형성된 가상 이미지(601) 내의 5개의 개별 이미지 포인트에 기여하는 5개의 광선 번들 각각에 대한 개별 광학 경로를 도시하며 - 이는 각각 R1에서 R5로 위에서 아래로 레이블링된다. 여기에서 볼 수 있는 바와 같이, R1 및 R2 각각의 빛은 단순히 굴절된 다음 도파관(608)에 의해 투과된다. 반면에, R4의 빛은 투과되기 전에 단일 바운스를 만난다. R3의 빛은 투과되기 전에 도파관(608)에 의해 단순히 굴절되는 디스플레이 장치(602)의 대응하는 제1 부분으로부터의 일부 광 및 투과되기 전에 단일 바운스와 마주치는 디스플레이 장치(602)의 다른 대응 부분인 제2 부분으로부터의 일부 광을 포함한다. 유사하게, R5의 광은 투과되기 전에 단일 바운스와 마주치는 디스플레이 장치(602)의 대응하는 제1 부분으로부터의 일부 광 및 투과되기 전에 두 번의 바운스와 마주치는 디스플레이 장치(602)의 다른 대응 부분인 제2 부분으로부터의 일부 광을 포함한다. R3 및 R5 각각에 대해, LCOS의 서로 다른 두 부분은 가상 이미지의 해당 부분에 해당하는 빛을 전파한다.

일부 애플리케이션에서는, 가상 이미지가 무한대에서 형성되는 것과는 대조적으로, 가상 이미지 거리 - 즉, 뷰어에서 가상 이미지까지의 거리- 가 유한한 것이 바람직하다. 특정 응용 프로그램에서는, 가상 이미지 콘텐츠가 나타나는 것이 바람직하거나 필요하게 되는, 선호하는 가상 이미지 거리가 있다. 예를 들면, 헤드-업 디스플레이의 경우, 예컨대 자동차 설정에서, 예를 들어 가상 이미지 콘텐츠가 차량 윈드스크린을 통해 뷰어가 보고 있는 실제 콘텐츠에 중첩되어야 하는 경우일 수 있다. 예컨대, 바람직한 가상 이미지 거리는 뷰어의 차량 또는 윈드스크린 앞에서 몇 미터, 예를 들어 3미터 또는 5미터에서 형성되는 가상 이미지 콘텐츠를 포함할 수 있다.

서로 다른 평면에 제1 및 제2 이미지를 형성하는 홀로그램 계산

본 개시에 따르면, 이미지 콘텐츠는 뷰잉 시스템으로부터 상이한 거리 및/또는 복수의 거리에서, 선택적으로, 동시에 - 예를 들어, 하나의 디스플레이 패턴을 사용하여- 나타난다. 이 방법은 또한 이미지 콘텐츠가 디스플레이 장치의 다운스트림 및 디스플레이 장치의 업스트림에, 선택적으로, 동시에 - 예를 들어, 하나의 디스플레이 패턴을 사용하여- 나타나도록 허용한다. 일부 실시예들에서는 - 상이한 평면 상에 제1 및 제2 이미지 콘텐츠를 형성하는 방법에 대해서만 예로서 설명됨 - 조명될 때 이미지 콘텐츠를 재구성하는 홀로그램을 계산하기 위해 반복 알고리즘이 사용된다.

도 7은 이미지의 홀로그램을 표시하도록 동작가능한 공간 광 변조기(701)를 도시한다. 이 실시예에서, 공간 광 변조기(701)는 수신된 광의 위상을 변조하도록 구성된 액정-온-실리콘 (liquid crystal on silicon) 디바이스이다. 공간 광 변조기(701)는 도시되지 않은 광원으로부터의 적어도 부분적으로 간섭된(coherent) 광에 의해 조명된다. 광원은 레이저 다이오드일 수 있다. 공간 광 변조기(701)는 디스플레이 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 광을 출력한다. 도 7은 공간 변조된 광의 하나의 광선(702)을 도시한다. 공간적으로 변조된 광은 동공 확장기(703)에 의해 수신된다. 동공 확장기(703)는 디스플레이 장치(701)의 평면에 대해 기울어진다. 따라서 동공 확장기(703)는 비수직 입사(non-normal incidence)에서 광을 수신한다. 입사각(광축이 동공 확장기와 이루는 각도)은 10 내지 20도와 같이 25도 미만일 수 있다. 동공 확장기는 공간적으로 변조된 광을 수신하는 입력 표면(703a) 및 출력 표면(703b)을 포함한다. 입력 표면(703a) 및 출력 표면(703b)은 실질적으로 평행하고 동공 확장 방향으로 긴 형상을 갖는다. 입력 표면(703a)은 실질적으로 완전히 반사되는(예를 들어, R = 1) 적어도 일부를 포함한다. 출력 표면(703b)은 반사율이 높지만 부분적으로 투과성인 부분(예를 들어, R = 0.9 및 T = 0.1)을 적어도 포함한다. 도 6의 도파관(608)을 참조하여 전술한 바와 같이, 반사 표면들은 공간 변조된 광이 그 사이에서 앞뒤로 바운스되도록 구성되고, 광은 출력 표면(703b)을 따라 복수의 포인트들에서 방사된다. 이 실시예에서, 동공 확장기는 실질적으로 긴 형상을 갖는다. 동공 확장기는 한 방향, 즉 길쭉한 방향으로 동공 확장을 제공하지만, 본 개시는 동공을 직교 방향으로 확장하도록 구성된 제2 동공 확장기의 존재를 포함하도록 확장될 수 있다.

도 7은 광선(702)이 서로 다른 거리(Z₀, Z₁ 및 Z₂)와 각각 관련된 3개의 전파 경로(705)를 형성하기 위해 효과적으로 두 번 복제된 방법을 보여준다. 가장 짧은 전파 경로는 Z₀에 해당하며, 이 예에서는 내부 반사 없이 도파관을 통과한 빛이다. 표시된 3개의 중간-거리 전파 경로는 Z₁ 및 동공 확장기의 2개의 내부 반사(각 표면당 하나씩)에 해당한다. 표시된 가장 긴 전파 경로는 Z₂ 및 동공 확장기의 4개의 내부 반사(각 표면당 2개)에 해당한다. 평면 x₀, x₁ 및 x₂는 각각 3개의 전파 경로 Z₀, Z₁ 및 Z₂와 관련된 광 필드(light field)의 공간적 범위를 보여준다. 보다 구체적으로, 도 7은 3개의 평면 x₀, x₁ 및 x₂가 x-방향으로 서로 오프셋되는 방법을 보여준다.

도 7은 입사 동공(707), 렌즈(709) 및 광 센서(711)를 포함하는 뷰잉 시스템(713)을 추가로 도시한다. 실시예들에서, 뷰잉 시스템(713)은 인간의 눈이고 광 센서(711)는 눈의 망막이다. 도 7은 각 전파 경로와 관련된 광 필드 중 일부만이 입구(707)를 통과하는 방법을 보여준다. 도 7은 입사 동공(707)의 중심을 통과하는 중간-거리 전파 경로의 중심과 관련된 광선을 보여준다. 그러나, 예를 들어, 가장 짧은 전파 경로의 광 필드의 중심과 관련된 광선은 개구(707)의 상단 부분에 의해 차단된다. 그러나, 가장 짧은 전파 경로의 광 필드와 연관된 다른 광선은 개구(707)를 통과할 수 있다. 가장 긴 전파 경로의 광 필드의 중심과 관련된 광선은 개구(707)의 하부 부분에 의해 차단된다. 그러나, 가장 긴 전파 경로의 광 필드와 관련된 다른 광선도 개구(707)를 통과할 수 있다.

개구(707)를 통과하는 광은 렌즈(709)에 의해 광 센서(711)에 집속된다. 광 센서(711)의 평면은 디스플레이 장치(701)의 평면에 실질적으로 평행하고, 따라서 동공 확장기(703)의 긴방향의 차원(elongate dimension)에 대해서도 기울어진다.

도 7은 단지 예시로서 3개의 가능한 광 전파 경로를 도시한다. 이 예시는 전파 경로들의 수에 의해 제한되지 않는다. 즉, 당업자가 다음 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 방법은 임의의 수의 광 전파 경로들을 고려하도록 확장될 수 있다. 마찬가지로, 동공 확장기가 디스플레이 평면 및 센서 평면에 대해 기울어지는 것이 필수적인 것은 아니다.

도 8은 본 방법의 단계를 나타내는 흐름도이다. 본 방법은 이미지 평면과 홀로그램 사이를 앞뒤로 수학적 변환을 사용하여 이미지에 해당하는 위상 홀로그램에 수렴하는 Gerchberg-Saxton 유형 알고리즘과 유사하다. 이미지 평면 또는 홀로그램 평면으로의 각 전파 후 광 필드의 진폭 성분은 수정되거나 제한되지만 위상 성분은 유지된다.

본 방법의 0번째 단계는 과정 802 및 804를 포함한다. 0번째 단계는 0번째 복소 광 필드를 형성하는 과정을 포함한다. 과정 802는 0번째 복소 광 필드의 위상 성분을 형성하는 랜덤 위상 시드를 제공한다. 과정 804는 0번째 복소 광 필드의 진폭 성분을 제공한다. 진폭 성분은 홀로그램에서 이미지를 재구성하는 데 사용되는 광원의 광을 나타내는 단위 또는 진폭 분포일 수 있다.

과정 806에서, 0번째 복소 광 필드는 공간 광 변조기(701)로부터(즉, 홀로그램 평면으로부터) 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(707)으로(더 구체적으로, 뷰잉 시스템(713)의 입사 동공(707)을 포함하는 평면으로) 프레넬 전파된다. 다시, 이 실시예는 프레넬 전파를 본 개시의 본질 또는 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있는 다수의 상이한 수학적 변환의 단지 하나의 예로서 지칭한다. 과정 806은 각각의 광 전파 경로에 대하여 복소 광 필드를 형성하기 위해 동공 확장기(703)에 의하여 제공되는 각각의 바운스 또는 내부 반사에 대해 수행된다. 과정 806은 입사 동공(707)의 평면에서 x-방향의 복소 광 필드의 측면 위치 및 동공 확장기(703) 내의 각 반사에 대한 위상 변이를 고려하는 것을 포함한다. 예를 들어, 상이한 복소 광 필드들이 추가(addition)에 의해 결합될 수 있다. 제1 단계는 입사 동공(707)에서 제1 복소 광 필드를 형성하기 위해 입사 동공(707)의 크기 및 형태에 따라 결합된 복소 광 필드를 자르는 과정 808을 더 포함한다.

본 방법의 제2 단계는 과정 810 및 812를 포함한다. 과정 810에서, 제1 복소 광 필드를 입사 동공으로부터 렌즈(709)를 통해 광 센서(711)의 평면으로 전파함으로써 제2 복소 광 필드가 결정된다. 과정 812는 광 센서(711)에 도달하는 복소 광 필드의 진폭 성분을 수정하는 과정을 포함한다. 보다 구체적으로, 과정 812는 복소 광 필드의 진폭 성분을 타겟 이미지의 진폭 성분으로 대체하거나 또는 타겟 이미지의 진폭 성분의 가중치 버전과 같이 타겟 이미지의 진폭 성분에 기초한 진폭 성분으로 대체하는 과정을 포함한다. 전파에 사용된 렌즈(709)의 위치는 이미지 거리, 즉 이미지 콘텐츠가 나타날 공간을 결정한다. 일부 실시예들에서, 이미지는 가상 이미지이고, 이 거리는 가상 이미지 거리, "VID"로 지칭될 수 있다.

유리하게는, 여기에 개시된 방법은 이미지 콘텐츠가 복수의 상이한 이미지 거리 - 예를 들어, 여러 VID - 에서 동일한 홀로그램을 사용하여 형성되는 것을 가능하게 한다. 이것은 z-방향에서 렌즈(709)의 다른 위치를 고려하여 각 이미지 거리에 대해 제2 단계를 반복함으로써 달성될 수 있다. 각각의 상이한 이미지 거리에 대한 이러한 접근법에 따라 결정된 복소 광 필드는, 예컨대 추가(addition)에 의해 결합될 수 있다.

본 방법의 제3 단계는 제2 복소 광 필드가 렌즈(709)를 통해 입사 동공(707)으로 다시 전파되는 과정 814를 포함한다. 이것은 단지 빛이 반대 z-방향으로 진행하고 있다는 것을 반영하기 위해 역전파(reverse propagation)라고 부를 수 있다. 일부 실시예들에서, 역전파는 대응하는 "순방향" 전파의 수학적 역수이다. 제3 단계는 또한 제3 복소 광 필드를 형성하기 위해 입사 동공(707)의 크기 및 형상에 따라 전파된 광 필드를 자르는 과정을 포함한다.

제4 단계는 과정 816 및 818을 포함한다. 과정 816에서, 광은 제1 단계와 관련하여 위에서 설명된 문제에서, 동공 확장기의 복수의 광 전파 경로를 통해 공간 광 변조기(702)의 평면으로 다시 전파된다 - 다만 물론 반대의 빛 방향으로(즉, "역" 전파). 과정 818은 디스플레이 장치의 활성/픽셀 영역의 크기 및 위치에 따라 전파된 광 필드를 자르는 과정을 포함한다. 각 복소 광 필드의 복소수 값들의 수는 디스플레이 장치의 픽셀 수보다 작거나 같을 수 있다.

과정 820은 제4 복소 광 필드로부터 홀로그램을 추출하는 과정을 포함한다. 홀로그램은 제4 복소 광 필드의 위상 값을 포함할 수 있으며, 이 경우 홀로그램은 키노폼(kinoform)으로 지칭될 수 있다. 본 개시에서 앞서 설명된 바와 같이, 본 방법은 이미지 평면에서 동등하게 시작할 수 있다(즉, 제3 단계). 본 개시에 따르면 각 단계의 적어도 한번의 반복이 필수적이다.

그러나, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 명세서에 개시된 방법은 단지 예로서 제공된 것이며, 헤드-업 디스플레이의 서로 다른 평면에 있는 제1 및 제2 이미지들을 형성하는 - 예를 들어, 부분적으로 중첩하는 - 다른 방법들이 동일하게 적합하기 때문에 본 개시는 본 방법으로 제한되지 않는다.

다른 실시예에서, 제1 및 제2 이미지는 포인트 클라우드 홀로그램을 사용하여 형성된다. 잘 이해되는 바와 같이, 일반적으로 이미지(예: 가상 이미지)의 포인트 클라우드 홀로그램 계산을 위해, 이미지는 - 여기에서 우리가 가상 이미지의 형성을 설명하고 있기 때문에 '가상 포인트'라고 지칭하는 - 복수의 개별 포인트로 분할된다(즉, 표시된다). 그런 다음 구형파(또는 '웨이블릿(wavelet)')는 가상 이미지 내에서 의도하거나 바람직한 위치의 각 가상 지점으로부터 디스플레이 장치의 평면(예컨대, 위에서 설명한 예에서의 디스플레이 장치의 평면)까지 계산적으로(computationally)(즉, 모델 또는 기타 이론적 도구를 사용하여) 전파된다. 그러한 웨이블릿이 서로 간섭하는 방식이 고려되고 디스플레이 장치의 각 픽셀에서 수신될 웨이블릿의 결과적인 진폭 및/또는 위상이 계산된다. 그런 다음, 디스플레이 장치는, 잘 알려져 있으므로 여기에서 설명하지 않을 방식으로, 조정되고, 계산된 웨이블릿을 모방하기 위해 각 픽셀 위치에서 요구되는 진폭 및/또는 위상 변조를 나타낼 수 있어서, 이에 따라 이미지 또는 이미지들의 홀로그램을 만든다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 이미지는 프레넬 홀로그램을 사용하여 형성된다.

도 9 및 도 10은 도 8의 방법으로 형성된 홀로그램을 도시한다.

광 채널링

도 9a는 8개의 이미지 영역/컴포넌트(V1 내지 V8)를 포함하는 프로젝션을 위한 이미지(1552)를 도시한다. 도 9a는 단지 예로서 8개의 이미지 컴포넌트를 도시하고 있고, 이미지(1552)는 임의의 수의 컴포넌트로 분할될 수 있다. 도 9a는 또한 - 예컨대, 적절한 뷰잉 시스템의 렌즈에 의해 변형될 때 - 이미지(1552)를 재구성할 수 있는 인코딩된 광 패턴(1554)(즉, 홀로그램)을 보여준다. 인코딩된 광 패턴(1554)은 제1 내지 제8 이미지 컴포넌트/영역(V1 내지 V8)에 대응하는 제1 내지 제8 서브-홀로그램 또는 컴포넌트(H1 내지 H8)를 포함한다. 도 9a는 계산된 이 홀로그램이 이미지 콘텐츠를 각도별로 효과적으로 분해하는 방법을 추가로 보여준다. 따라서 홀로그램은 수행하는 빛의 채널링에 의해 특징지어질 수 있다. 이것은 도 9b에 나타나 있다. 구체적으로, 이 홀로그램은 빛을 복수의 불연속 영역(discrete area)으로 향하게 한다. 불연속 영역은 도시된 예에서 디스크이지만 다른 모양들도 가능하다. 최적의 디스크의 크기와 모양은 도파관을 통해 전파된 후 뷰잉 시스템의 입사 동공의 크기와 모양과 관련될 수 있다. 이러한 빛의 채널링은 여기에 개시된 홀로그램을 결정하는 특정 방법으로 인해 발생한다.

도 10은 도 9a 및 9b에 예시된 인식(recognitions)에 따른, 개선된 뷰잉 시스템(1500)을 도시한다.

뷰잉 시스템(1500)은 이 구성에서 LCOS(1502)를 포함하는 디스플레이 장치를 포함한다. LCOS(1502)는 홀로그램을 포함하는 변조 패턴(또는 '회절 패턴')을 디스플레이하고, 개구(aperture, 1504)로서 작용하는 동공, 렌즈(1509), 및 뷰잉 평면으로서 작용하는 망막(미도시)을 포함하는 눈(1505)을 향해 홀로그램으로 인코딩된 광을 투사하도록 구성된다. LCOS(1502)를 조명하도록 배열된 광원(미도시)이 존재한다. 눈(1505)의 렌즈(1509)는 이미지 변환에 대한 홀로그램을 수행한다.

뷰잉 시스템(1500)은 LCOS(1502)와 눈(1505) 사이에 위치된 도파관(1508)을 더 포함한다. 도 10의 투영 거리는 비교적 클 수 있다. 그러나, 이전 도면과 관련하여 설명된 바와 같이, 도파관(1508)의 존재는 LCOS(1502)로부터의 모든 각진 콘텐츠가 이 비교적 큰 투영 거리에서도 눈(1505)에 의해 수신될 수 있게 한다. 이것은 도파관(1508)이 위에서 설명된 방식으로 동공 확장기로서 작용하기 때문이다.

추가적으로, 이 구성에서, LCOS(1502)가 여기에 설명된 방법에 따라 인코딩되었을 때, 도파관(1508)은 LCOS(1502)로부터의 광과 뷰어가 인식할 가상 이미지 사이의 고유한 관계를 설정하기 위해 LCOS(1502)에 대해 비스듬히 배향될 수 있다. 도파관(1508)의 위치(location) 및 자리(position)는 가상 이미지의 각 부분으로부터의 빛이 도파관(1508)에 들어가고 도파관(1508)의 실질적으로 평면인 표면 사이에서 바운싱되는 기다란 축을 따라 가이드되는 것이 가능하도록 구성된다. 빛이 (눈(1505)에 가장 가까운) 제2 평면 표면에 도달하면 일부 빛은 투과되고 일부 빛은 반사된다.

도 10은 도파관(1502)의 길이를 따라 B0에서 B8까지의 총 9개의 "바운스" 포인트를 보여준다. 독자는 이미지(1552)의 중심이 비어 있음을 알 수 있을 것이다. 도 15c는 도파관 내에서 0~9번째 빛 "바운스" 또는 반사 포인트인 B0~B8을 보여준다. 이미지(V1-V8)의 모든 포인트와 관련된 빛은 도파관(1508)의 제2 평면 표면으로부터 "바운스"될 때마다 도파관 밖으로 전송되지만, 이미지의 각진 부분 중 하나로부터 나오는 빛(예: V1에서 V8까지 중 하나의 빛)은 각각의 "바운스" 포인트인 B0에서 B8으로부터 눈(1505)에 도달할 수 있도록 하는 궤적을 가지고 있다. 더욱이, 이미지의 다른 각진 부분(V1에서 V8)으로부터의 빛은 각각의 "바운스" 포인트로부터 눈(1505)에 도달한다. 도 10은 각 "바운스" 포인트에서 방출되는 모든 상이한 각진 콘텐츠로부터의 빛(각 전송 지점에서 복수의 짧은 화살표로 표시됨)을 보여주나, 실제로 눈(1505)에 도달할 각각의 각진 콘텐츠의 눈(1505)까지의 광학 경로만 보여준다 - 따라서 뷰어가 도파관의 각 부분에서 인식할 가상 이미지의 각 부분에 기여할 것이다. 예를 들어, 0번째 바운스(B0)의 경우, 도파관(1508)에 의해 전송된 광은 단순히 굴절되고 내부에서 어떠한 반사도 겪지 않는다. 8번째 서브-홀로그램 H8의 빛은 0번째 바운스 B0로부터 눈에 도달한다. 다음 바운스 B1의 경우, 도파관(1502)에 의해 전송된 광은 전송 전에 내부에서 한 번의 바운스를 겪는다. 7번째 홀로그램 H7의 빛은 다음 바운스 B1으로부터 눈에 도달한다. 이것은 최종 바운스 B8에서 도파관(1508)에 의해 전송된 빛이 전송되어 눈(1505)에 도달하기 전에 8번의 바운스를 겪을 때까지 계속되며, 첫 번째 홀로그램 H1에 따라 인코딩된 빛을 포함한다.

도 10에 표시된 예에서, 오직 하나의 이미지 영역의 빛은 각 바운스 포인트로부터 눈에 도달한다. 따라서, 홀로그램이 본 명세서에 설명된 바와 같이 결정될 때, 가상 이미지의 영역과 도파관 상의 관련 바운스 포인트 사이의 공간적 상관이 설정된다. 일부 다른 예들에서, 이미지의 한 영역이 2개의 인접한 전송 지점으로부터 나오도록 하고, 따라서 도파관으로부터 뷰잉 평면을 향해 전파하는 2개의 인접한 광 디스크 내에 포함되도록 비교적 작은 중첩이 있을 수 있다.

따라서, 홀로그램을 포함하는 회절 패턴(또는 광 변조 패턴)이 생성되어, LCOS 또는 다른 적절한 디스플레이 장치에 표시될 때, 각각이 해당 가상 이미지의 서로 다른 부분에 대응(보다 구체적으로는, 인코딩)하는 복수의 '디스크' 또는 광선 다발에서 광이 효과적으로 방출될 수 있다.

다시, 인지된 이미지를 형성하기 위해, 눈이 수신된 변조된 광을 변환해야 하는 가상 이미지가 여기에서 일반적으로 논의되었지만, 여기에 설명된 개선된 방법 및 구성은 실제 이미지에 적용될 수 있다.

두 개의 이미지 평면에 대한 시야 최적화

헤드-업 디스플레이에서 제1 및 제2 이미지를 형성하는 특정 방법이 예로서 설명된다. 본 발명자들은 근거리-필드 및 원거리-필드 이미지 콘텐츠가 뷰어에게 제시될 때 차량용 헤드-업 디스플레이에서 발생하는 광학적인 기하학을 깊이 연구했다. 특히, 본 개시는 유한한 크기의 아이-박스에 관한 것이다. 일부 실시예들은 근거리 이미지와 원거리 이미지 사이에 적어도 부분적인 중첩이 있는 상황에 관한 것이다. "근거리" 및 "원거리"라는 용어는 공간적으로 분리된 두 개의 이미지 평면(예: 재생 평면)을 구별하는 데만 단지 사용되며 제한적이지 않다. 이 용어는 뷰잉 평면으로부터 이미지 평면의 상대적인 거리를 반영할 뿐이다. 본 발명자들은 시스템의 물리적 부피를 놀라울 정도로 현저하게 감소시키는 최적화된 조건을 식별하였다. 설명된 일부 실시예들에서, 본 발명자들에 의해 식별되고 여기에 개시된 최적화된 조건들은 실제 차량에 헤드-업 디스플레이 어셈블리를 패키징할 수 있는지 여부 간의 차이이다.

도 11a는 윈드스크린(1105)을 갖는 차량에 수용된 HUD 어셈블리(1101)를 포함하는 시스템의 yz 평면을 도시한다. x 방향은 수평 방향이고 y 방향은 수직 방향이다. 도 11a는 헤드-업 디스플레이의 아이-박스(1107) 및 예를 들어 차량의 플레넘(plenum)의 일부일 수 있는 차량 어셈블리(1103)의 일부를 추가로 도시한다. 아이-박스는 xy 평면에 들어 있다. 아이-박스는 z 방향으로 이미지 평면과 공간적으로 분리된다. 헤드-업 디스플레이의 "뷰잉 축"은 z 방향과 평행하거나 또는 뷰잉 축과 z 방향 사이에 작은 각도, 이른바 '관찰각(look-down angle)'이 될 수 있다. 뷰잉 축은 아이-박스의 중심으로부터, 그리고 일부 실시예들에서는 이미지 영역 중 적어도 하나의 중심으로부터 연장된다. 예를 들어, 뷰잉 축은 아이-박스의 중심과 근거리-필드 가상 이미지 영역의 중심을 연결하는 직선일 수 있다. HUD 어셈블리(1101)는 적절한 크기여야 하고, 예를 들어, 플레넘 등을 포함한 차량 구조와의 물리적 충돌을 피하기 위해 대시보드 내에 위치되어야 한다. 뷰잉 축(1150)은 윈드스크린(1105)으로부터의 반사를 통해 아이-박스(1107)로부터 HUD 어셈블리로 연장/외삽될(extrapolated) 수 있다. HUD 이미지는 윈드스크린(1105)에서 뷰어/아이-박스(1107)로 반사되기 때문에 이미지는 가상이다 - 다시 말해, 아이-박스(1107)에서 뷰어 위치로, 윈드스크린(1105)의 다른 쪽, 즉 차량 외부에 나타난다. 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109) 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)은 일반적으로 뷰잉 축 상에 또는 근방에 위치하지만 이것이 필수적인 것은 아니다. 근거리-필드 가상 이미지 영역 및 원거리-필드 가상 이미지 영역은 뷰잉 축에 실질적으로 수직일 수 있다. 연료 또는 속도 정보와 같은 근거리-필드 이미지 콘텐츠는 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)에 표시될 수 있다. 내비게이션 또는 경고 정보와 같은 원거리-필드 이미지 콘텐츠는 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)에 표시될 수 있다. 근거리-필드 및 원거리-필드 이미지 콘텐츠는 실시간으로 다를 수 있다. 헤드-업 디스플레이는 증강 현실 헤드-업 디스플레이일 수 있다.

도 11a는 또한 아이-박스의 중심으로부터 양쪽 가상 이미지 영역(1109, 1111)의 반대쪽 극단까지 yz 평면에서 각각 연장되는 제1 라인(1151) 및 제2 라인(1152)을 통해 아이-박스(1107)의 중심으로부터 뷰어의 시야를 도시한다. 보다 구체적으로, 제1 라인(1151)은 아이-박스(1107)의 중심, 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)의 상부 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)의 상부를 연결하는 직선이다. 제2 라인(1152)은 아이-박스(1107)의 중심, 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)의 하부 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)의 하부를 연결하는 직선이다. 각도 측면에서, 근거리-필드 가상 이미지 영역 평면(1109)의 수직 방향에서의 시야는 아이-박스의 중심으로부터 원거리-필드 가상 이미지 영역 평면(1111)의 수직 방향으로의 시야와 실질적으로 동일하다.

도 11b 및 11c는 동일한 시스템을 보여주지만, 대신 각각 아이-박스의 상부와 하부에서 대응 라인을 보여준다. 도 11b는 아이-박스(1107)의 상부로부터 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109) 및 원거리-필드 이미지(1111)의 상부로 각각 연장되는 한 쌍의 라인을 도시한다. 보다 구체적으로, 제3 라인(1153)은 아이-박스(1107)의 상부와 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)의 상부를 연결하는 직선이고, 제4 라인(1154)은 아이-박스(1107)의 상부와 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)의 상부를 연결하는 직선이다. 뷰잉 축(1150)과 제3 라인(1153) 사이의 각도는 뷰잉 축(1150)과 제4 라인(1154) 사이의 각도와 상이하다. 보다 구체적으로, 이 예에서, 뷰잉 축(1150)과 제3 라인(1153) 사이의 각도는 뷰잉 축(1150)과 제4 라인(1154) 사이의 각도보다 더 크다. 이것은 두 가상 이미지 영역의 중심이 뷰잉 축에 정렬되고 각도 공간에서 동일한 시야를 갖지만 아이-박스 위치는 뷰잉 축(1150)과 관련하여 양의 y-방향으로 오프셋되기 때문이다.

제3 라인(1153)과 제4 라인(1154) 사이의 각도 차이는 각각의 이미지에 대해 개별적으로 요구되는 광선 다발의 크기가 다를 수 있다는 결과를 가져온다. 도 11b는 제1 원을 사용하는 광학 구성의 제1 영역(1181) 및 제2 원을 사용하는 광학 구성의 제2 영역(1182)을 강조 표시한다. 제1 영역(1181)에 표시된 라인은 원거리-필드 이미지 영역의 상부가 HUD 어셈블리(1101)로부터 빛을 수신하기 위해 양의 y-방향에서 광선 다발이 얼마나 더 커야 하는지를 강조 표시한다. 마찬가지로, 제2 영역(1182)에 존재하는 라인은 두 개의 가상 이미지가 각도 공간에서(즉, 동일한 시야 - 적어도 표시된 평면에서) 동일한 크기를 가진다는 사실에도 불구하고, 원거리-필드 이미지와 연관된 광선 다발의 크기가 근거리-필드 이미지의 그것보다 얼마나 커야 하는지를 보여준다. 제2 영역(1182) 내의 라인은 근거리-필드 이미지와 동일한 각도 크기를 갖는 원거리-필드 이미지를 형성하기 위해 헤드-업 디스플레이에 대해 얼마나 많은 추가 여유 공간이 차량 내에서 제공되어야 하는지를 효과적으로 나타낸다.

도 11c는 아이-박스(1107)의 하부 위치로부터 대응하는 광학적인 기하학적 구조를 도시한다. 도 11c는 아이-박스(1107)의 하부로부터 각각 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109) 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)의 하부까지 연장되는 한 쌍의 라인을 도시한다. 보다 구체적으로, 제6 라인(1156)은 아이-박스(1107)의 하부와 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)의 하부를 연결하는 직선이고, 제5 라인(1155)은 아이-박스(1107)의 하부와 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)의 하부를 연결하는 직선이다. 뷰잉 축(1150)과 제6 라인(1156) 사이의 각도는 뷰잉 축(1150)과 제5 라인(1155) 사이의 각도와 상이하다. 보다 구체적으로, 이 예에서, 뷰잉 축(1150)과 제6 라인(1156)은 뷰잉 축(1150)과 제5 라인(1155) 사이의 각도보다 더 크다. 이는 두 가상 이미지 영역의 중심이 뷰잉 축에 정렬되고, 각도 공간에서 동일한 시야를 갖지만 아이-박스 위치는 뷰잉 축(1150)과 관련하여 음의 y-방향으로 오프셋되기 때문이다.

제6 라인(1156)과 제5 라인(1155) 사이의 각도 차이는 각각의 이미지에 대해 개별적으로 요구되는 광선 다발의 크기가 상이할 수 있다는 결과를 갖는다. 도 11c는 제3 원을 사용하는 광학 구성의 제3 영역(1183) 및 제4 원을 사용하는 광학 구성의 제4 영역(1184)을 강조 표시한다. 제3 영역(1183)에 표시된 라인은 원거리-필드 가상 이미지 영역의 하부가 HUD 어셈블리(1101)로부터 광을 수신하기 위해 광선 다발이 음의 y-방향으로 얼마나 더 커야 하는지를 강조 표시한다. 마찬가지로, 제4 영역(1184)에 존재하는 라인은, 두 개의 가상 이미지가 각도 공간에서(즉, 동일한 시야 - 적어도 표시된 평면에서) 동일한 크기를 가진다는 사실에도 불구하고, 원거리-필드 이미지와 연관된 광선 다발의 크기가 근거리-필드 이미지의 그것보다 얼마나 커야 하는지를 보여준다. 제4 영역(1184) 내의 라인은 근거리-필드 이미지와 동일한 각도 크기를 갖는 원거리-필드 이미지를 형성하기 위해 헤드-업 디스플레이에 대해 얼마나 많은 추가 여유 공간이 차량 내에서 제공되어야 하는지를 효과적으로 나타낸다.

도 11a 내지 도 11c는 원거리-필드 가상 이미지 영역이 근거리-필드 가상 이미지 영역보다 HUD 어셈블리의 광선 다발을 위해 마련되는 차량 내의 더 많은 용적을 효과적으로 필요로 한다는 것을 보여준다. 이것은 아이-박스 위치의 경계(도 11의 상부와 하부)를 고려하여 이해할 수 있다. 특히 원거리-필드 허상 영역의 시야가 근거리-필드 허상 영역의 시야보다 크지 않은 경우에는 이러한 발견이 예상되지 않았다.

도 11b 및 도 11c로부터 이해될 수 있는 실시예에서, 근거리-필드 가상 이미지 영역의 시야는 제3 라인과 제4 라인, 및/또는 제5 라인과 제6 라인 사이의 갭을 효과적으로 채우기 위해 증가된다. 전술한 내용으로부터, 이 실시예는 근거리-필드 가상 이미지 영역의 시야가 이미지를 형성하는 데 필요한 광선 다발의 크기에 영향을 미치지 않고 증가될 수 있기 때문에 유리하다는 것이 이해될 것이다. 헤드-업 디스플레이에서는 일반적으로 더 큰 시야가 요구되며, 따라서 이 실시예는 용적에 대한 해로운 영향 없이 구현될 수 있다. 본 발명자들은 이러한 개선이 불리한 결과 없이 이루어질 수 있음을 확인하였다.

도 11a 내지 도 11c의 이러한 수정예에서, 근거리-필드/제1 이미지 영역의 시야는 제1 차원(예를 들어, y-방향)의 적어도 한 방향(예를 들어, 양의 방향)에서 원거리-필드/제2 이미지 영역의 시야보다 더 크다고 말할 수 있다. 또한, 제1 이미지 콘텐츠 및 제2 이미지 콘텐츠를 형성하는 광선 다발은 제2 가상 이미지 영역에 따라 구분된다고 할 수 있다. 또한, 아이-박스의 2개의 직교 차원(예를 들어, x 및 y축)의 제1 차원(예를 들어, y-축)에서 근거리-필드/제1 이미지 영역의 각도 시야가 제1 차원과 뷰잉 축을 포함하는 평면(예를 들어, yz 평면)에서 아이-박스의 한쪽 끝과 원거리-필드/제2 이미지 영역의 해당 끝을 연결하는 직선으로 (같은 평면에서) 구분된다고 말할 수 있다. 근거리-필드/제1 이미지 영역의 시야는 또한 아이-박스의 반대쪽 끝과 원거리-필드/제2 이미지 영역의 해당 반대쪽 끝을 연결하는 제2 직선에 의해 이 평면에서 구분될 수 있다. 다시 말해, 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)은 양방향으로 팽창(expanded)/확장(extended)될 수 있다. 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)이 팽창/확장되기 때문에 원거리-필드 가상 이미지 영역(1111)은 근거리-필드 가상 이미지 영역(1109)보다 각도 공간에서 (아이-박스의 한 차원 중 적어도 한 방향으로) 덜 확장된다고 말할 수 있다.

도 11a 내지 도 11c는 시스템의 한 단면 평면을 보여주지만, 독자는 동일한 원칙이 직교 평면(예: xz 평면)에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 근거리-필드 가상 이미지 평면의 시야는 두 개의 이미지를 형성하는 데 필요한 광선 다발의 크기를 늘리지 않고 원거리-필드 가상 이미지 영역에 대해 x-방향/수평 방향으로 확장/증가할 수 있다.

숙련된 독자는 상기 실시예에 따라, 홀로그램으로부터 광을 수신하는 근거리-필드 재생 필드의 영역의 크기를 증가시킴으로써 근거리-필드 가상 이미지 영역의 시야가 증가된다는 것을 이해할 것이다. 이는 예를 들어, 홀로그램 계산 전에 타겟 근거리-필드 이미지를 편집(예: 타겟 이미지의 크기를 확대 또는 증가)하여 달성할 수 있다. 일반적으로, 타겟 이미지에는 애플리케이션 요구 사항에 따라 선택되는 이미지 콘텐츠를 둘러싸는 콘텐츠가 없는(content-free) 테두리 영역이 있다. 따라서, 홀로그램 계산 이전에 타겟 근거리-필드 이미지를 편집함으로써 근거리-필드 가상 이미지의 이미지 콘텐츠를 적어도 한 방향으로 테두리 영역으로 확장하여 근거리-필드/제1 이미지 영역의 크기를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 원거리-필드/제2 이미지 영역은 전술한 바와 같이 근거리-필드/제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 덜 확장된다.

도 12a 내지 도 12c를 참조하여 이해될 수 있는 다른 실시예에서, 원거리-필드 가상 이미지 영역의 크기는 광선 다발을 위한 차량 내에서 필요한 공간의 부피를 감소/자르기(crop) 위해 감소/자르기된다.

도 12a 내지 도 12c는 도 11a 내지 도 11c에 대체로 대응한다. 그러나, 도 12a 내지 도 12c는 도시된 바와 같이, (음의 y-방향) 하측에서 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 크롭(cropping)을 도시한다. 따라서, 도 12a 내지 도 12c의 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 시야는 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)의 시야보다 작다. 보다 구체적으로, 원거리-필드 가상 이미지 영역(1209)은 제1 차원의 한 방향(예를 들어, 음의 y-방향)으로 근거리-필드 가상 이미지 영역(1211)보다 덜 확장된다.

도 12a는 윈드스크린(1205)이 있는 차량에 수용된 HUD 어셈블리(1201)를 포함하는 시스템의 yz 평면을 보여준다. 도 12a는 헤드-업 디스플레이의 아이-박스(1207) 및 예를 들어 차량의 플레넘의 일부일 수 있는 차량 어셈블리(1203)의 일부를 추가로 도시한다. HUD 어셈블리(1201)는 적절한 크기여야 하고, 예를 들어, 플레넘 등을 포함한 차량 구조와의 물리적 충돌을 피하기 위해 대시보드 내에 위치되어야 한다. 시스템의 뷰잉 축(1250)은 윈드스크린(1205)으로부터의 반사를 통해 HUD 어셈블리(1201)로부터 아이-박스(1207)까지 점선으로 도시되어 있다. HUD 이미지가 윈드스크린(1205)에서 뷰어/아이-박스(1207)로 반사되기 때문에, 이미지는 가상이다 - 다시 말해, 아이-박스(1207)에서 뷰어 위치로, 윈드스크린(1205)의 다른 쪽, 즉 차량 외부에 나타난다. 뷰잉 축(1250)은 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209) 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 위치를 표시하기 위해 윈드스크린(1205)을 통해 확장된다. 연료 또는 속도 정보와 같은 근거리-필드 이미지 콘텐츠는 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)에 표시될 수 있다. 내비게이션 또는 경고 정보와 같은 원거리-필드 이미지 콘텐츠는 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)에 표시될 수 있다.

도 12a는 또한 아이-박스의 중심으로부터 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 반대쪽 극단까지 yz 평면에서 각각 연장되는 제1 라인(1251) 및 제2 라인(1252)을 통해 아이-박스(1207)의 중심으로부터 뷰어의 시야를 도시한다. 보다 구체적으로, 제1 라인(1251)은 아이-박스(1207)의 중심, 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)의 상부 및 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 상부를 연결하는 직선이다. 제2 라인(1252)은 아이-박스(1107)의 중심과 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부를 연결하는 직선이다. 각도 측면에서, 근거리-필드 가상 이미지 영역 평면(1209)의 수직 방향에서의 시야는 아이-박스의 중심으로부터 원거리-필드 가상 이미지 영역 평면(1111)의 수직 방향으로의 시야와 제1 차원 중 하나의 방향(예를 들어, 양의 y-방향)에서 실질적으로 동일하지만, 제1 차원의 다른 방향(예를 들어, 음의 y-방향)에서는 동일하지 않다.

도 11a와 도 12a의 차이점은 아이-박스(1207)의 중심과 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부를 연결하는 제2 라인(1252)이 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)의 하부와 정렬되지 않는다는 점이다. 도 12a의 제1 영역(1281)은 도 11a와 비교하여 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부가 잘림/제거/없음을 나타내는 제1 원에 의해 강조 표시된다. 점선(1252X)은 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부가 잘리지 않은 경우(즉, 도 11a에 따라), 제2 라인(1252)이 위치될 곳을 나타낸다.

도 12b 및 12c는 도 12a와 동일한 시스템을 보여주지만, 대신 각각 아이-박스의 상부와 하부에서 대응 라인을 보여준다. 도 12b는 아이-박스(1207)의 상부로부터 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209) 및 원거리-필드 이미지(1211)의 상부로 각각 연장되는 한 쌍의 라인을 도시한다. 보다 구체적으로, 제3 라인(1253)은 아이-박스(1207)의 상부와 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 상부를 연결하는 직선이고, 제4 라인(1254)은 아이-박스(1207)의 상부와 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)의 상부를 연결하는 직선이다. 뷰잉 축(1250)과 제3 라인(1253) 사이의 각도는 뷰잉 축(1250)과 제4 라인(1254) 사이의 각도와 상이하다. 보다 구체적으로, 이 예에서, 뷰잉 축(1250)과 제3 라인(1253) 사이의 각도는 뷰잉 축(1250)과 제4 라인(1254) 사이의 각도보다 더 크다. 이것은 두 가상 이미지 영역의 중심이 뷰잉 축에 정렬되고, 아이-박스의 쪽에서, 각도 공간에서 동일한 시야를 갖지만 아이-박스 위치는 뷰잉 축(150)과 관련하여 양의 y-방향으로 오프셋되기 때문이다.

도 12b는 다른 모든 면에서 도 11b에 대응하고, 한 방향(예: 양의 z-방향)의 광선 다발의 크기가 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 크기/범위에 의해 결정되는 방법을 다시 보여준다. 이 실시예에서, 도 12c로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 아이-박스/가상 이미지 영역의 다른 측면(side)에서는 동일하지 않다.

도 12c는 아이-박스(1207)의 하부 위치로부터의 대응하는 광학적인 기하학적 구조를 도시한다. 원거리-필드 가상 이미지 영역은 아이-박스의 이 측면(side)에서 감소된다(도 11c에 비해). 도 12c는 이 방향(예: 음의 y-방향)으로 두 가상 이미지 영역의 시야 경계를 정의하는 하나의 라인을 보여준다. 보다 구체적으로, 제5 라인(1255)은 아이-박스(1207)의 하부, 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부 및 근거리-필드 가상 이미지 영역(1209)의 하부를 연결하는 직선이다. 이 제1 차원의 방향(예: 음의 y-방향)에서, 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)은 근거리-필드 가상 이미지 영역보다 (각도 측면/공간에서) 덜 멀리 확장된다. 제2 점선(1256X)은 아이-박스의 하부와 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 하부를 연결하는 직선이다. 제2 점선은 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)의 잘라짐(cropping)으로 인해 잘리거나/제거된 광선을 효과적으로 나타낸다. 뷰잉 축(1250)과 제5 라인(1255) 사이의 각도는, (도 11c에 따라) 원거리-필드 가상 이미지 영역(1211)이 잘리지 않은 경우의 광선 경로를 나타내는 제2 점선(1256X)과 뷰잉 축(1250) 사이의 각도보다 작다.

도 12a 내지 도 12c의 실시예에서, 근거리-필드/제1 이미지 영역의 시야는 제1 차원(예를 들어, y-방향)의 적어도 한 방향(예를 들어, 음의 방향)에서 원거리-필드/제2 이미지 영역의 시야보다 더 크다고 말할 수 있다. 또한, 제1 이미지 콘텐츠 및 제2 이미지 콘텐츠를 형성하는 광선 다발은 제1 가상 이미지 영역에 따라 구분된다고 할 수 있다. 또한, 아이-박스의 2개의 직교 차원(예를 들어, x 및 y축)의 제1 차원(예를 들어, y-축)에서 원거리-필드/제2 이미지 영역의 각도 시야가 제1 차원과 뷰잉 축을 포함하는 평면(예를 들어, yz 평면)에서 아이-박스의 한쪽 끝과 근거리-필드/제1 이미지 영역의 해당 끝을 연결하는 직선으로 (같은 평면에서) 구분된다고 말할 수 있다. 원거리-필드/제2 이미지 영역의 시야는 또한 아이-박스의 반대쪽 끝과 근거리-필드/제1 이미지 영역의 해당 반대쪽 끝을 연결하는 제2 직선에 의해 이 평면에서 구분될 수 있다. 다시 말해, 즉, 광선 다발의 크기를 줄이기 위해 원거리-필드 가상 이미지 영역이 양쪽에서 잘려질 수 있다.

숙련된 독자는 도 12a 내지 도 12c의 실시예에 따라, 원거리-필드 가상 이미지 영역의 시야가 홀로그램으로부터 광을 수신하는 원거리-필드 재생 필드 영역의 크기를 줄임으로써 감소된다는 것을 이해할 것이다. 이는 예를 들어, 홀로그램 계산 전에 타겟 원거리-필드 이미지를 편집(예: 타겟 이미지의 크기를 자르거나 축소)하여 달성할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 일반적으로 타겟 이미지에는 이미지 콘텐츠를 둘러싸는 콘텐츠가 없는(content-free) 테두리 영역을 가지고 있다. 따라서, 홀로그램 계산 이전에 타겟 원거리-필드 이미지를 편집함으로써 원거리-필드 가상 이미지의 이미지 콘텐츠를 둘러싸는 테두리를 적어도 한 방향으로 증가시켜 원거리-필드/제2 이미지 영역의 크기를 줄일 수 있다. 결과적으로, 원거리-필드/제2 이미지 영역은 전술한 바와 같이 근거리-필드/제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 덜 확장된다.

따라서, 도 11a 내지 도 11c의 변형으로서 위에서 설명된 실시예와 도 12a 내지 도 12c의 실시예 사이에 공통점이 있다. 공통점은, 제1 차원 및 제2 차원을 갖는 아이-박스를 포함하는 헤드-업 디스플레이가 제공되고, 여기서 헤드-업 디스플레이는 아이-박스로부터 제1 이미지 거리(여기서 이미지 거리는 제1 차원 및 제2 차원을 포함하는 평면에 수직인 거리임)에 있는 제1 이미지 영역 내의 제1 이미지 콘텐츠와 아이-박스로부터 제2 이미지 거리에 있는 제2 이미지 영역 내의 제2 이미지 콘텐츠를 (동시에) 형성하도록 구성되고, 여기서 제1 이미지 거리는 제2 이미지 거리보다 작고, 제1 이미지 영역은 제1 차원에서 (아이-박스에서 볼 때/아이-박스의 중심으로부터 각도 공간에서) 제2 이미지 영역과 적어도 부분적으로 중첩되며, 여기서 제2 이미지 영역은 제1 차원의 적어도 한 방향으로 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 덜 확장된다는 것이다.

추가적인 특징들

실시예들은 단지 예로서 전기적으로 활성화되는 LCOS 공간 광 변조기를 언급한다. 본 개시의 교시는 임의의 전기적으로 활성화되는 SLM, 광학적으로 활성화되는 SLM, 디지털 마이크로미러 장치 또는 마이크로전자기계 장치와 같은 본 개시에 따라 컴퓨터-생성 홀로그램을 표시할 수 있는 임의의 공간 광 변조기에 동일하게 구현될 수 있다.

일부 실시예들에서, 본 개시의 헤드-업 디스플레이를 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 트럭, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동 운송 수단일 수 있다. 그러나, 본 개시의 이미지 프로젝터는 가상 이미지를 형성하기 위해 광학 결합기를 포함하는 임의의 장치에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 이미지 프로젝터는 또한 유리 또는 헤드-마운트 디스플레이와 같은 개선된 근안 장치(near-eye device)를 형성하는 데 사용될 수 있다.

본 명세서에 설명된 방법 및 프로세스는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 구현될 수 있다. 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 버퍼 메모리, 플래시 메모리 및 캐시 메모리와 같이 데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하도록 구성된 매체를 포함한다. 또한, "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 기계가 여기에 기재된 방법론 중 하나 이상을 전체적으로 또는 부분적으로 수행하게 하는 명령들을 기계의 수행 지령으로서 저장할 수 있는 어떤 매체 혹은 다중의 매체의 조합을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

"컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 또한 클라우드 기반 스토리지 시스템을 포함한다. "컴퓨터 판독가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩(solid-state memory chip), 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 이에 국한되지 않으며, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.

첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims

제1 차원 및 제2 차원을 갖는 아이-박스(eye-box)를 포함하는 헤드-업 디스플레이(head-up display)에 있어서,
상기 헤드-업 디스플레이는 상기 아이-박스로부터 제1 이미지 영역 거리에 있는 제1 이미지 영역에 제1 이미지 콘텐츠를 형성하도록 구성되고, 상기 아이-박스로부터 제2 이미지 영역 거리에 있는 제2 이미지 영역에 제2 이미지 콘텐츠를 형성하도록 구성되며,
상기 제1 이미지 영역 거리는 상기 제2 이미지 영역 거리보다 짧고, 상기 제1 이미지 영역은 상기 제1 차원에서 상기 제2 이미지 영역과 적어도 부분적으로 중첩되며,
상기 제2 이미지 영역은 상기 제1 차원의 적어도 한 방향으로 상기 제1 이미지 영역보다 각도 공간(angular space)에서 덜 멀리 연장하는, 헤드-업 디스플레이.
제1 항에 있어서,
상기 제2 이미지 영역은 상기 제1 차원의 양방향으로 상기 제1 이미지 영역보다 덜 연장되어, 각도 공간에서의 상기 제2 이미지 영역의 크기가 상기 제1 이미지 영역의 크기보다 작은, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 이미지 콘텐츠 및 상기 제2 이미지 콘텐츠는 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치에 디스플레이되는 디스플레이 패턴으로부터 형성되는, 헤드-업 디스플레이.
제3 항에 있어서,
상기 디스플레이 패턴은 홀로그램과 같은 회절 패턴인, 헤드-업 디스플레이.
제4 항에 있어서,
상기 회절 패턴은 푸리에(Fourier) 홀로그램, 프레넬(Fresnel) 홀로그램, 포인트 클라우드 홀로그램 또는 이들의 조합인, 헤드-업 디스플레이.
제3 항에 있어서,
상기 제1 이미지 콘텐츠 및 상기 제2 이미지 콘텐츠는 상기 디스플레이 장치 상에 디스플레이되는 공통 디스플레이 패턴으로부터 동시에 형성되고, 선택적으로 상기 공통 디스플레이 패턴은 회절 패턴인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 이미지 콘텐츠는 제1 가상 이미지 콘텐츠이고/이거나 상기 제2 이미지 콘텐츠는 제2 가상 이미지 콘텐츠인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제2 이미지 영역은 상기 아이-박스 내의 모든 위치로부터 상기 제1 차원의 적어도 한 방향으로 상기 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 더 이상 연장되지 않도록 하여, 상기 제1 이미지 콘텐츠 및 상기 제2 이미지 콘텐츠를 형성하는 광선 다발(light lay bundle)이 상기 제1 이미지 영역에 따라 구분되는, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 차원은 수직 방향인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제2 차원에서 상기 제1 이미지 영역의 중심은 상기 제2 차원에서 상기 제2 이미지 영역의 중심과 실질적으로 정렬되고, 선택적으로, 상기 제2 차원은 수평 방향인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 이미지 영역은 상기 제1 차원에서 상기 제2 이미지 영역과 적어도 부분적으로 중첩되고, 상기 제2 이미지 영역은 상기 아이-박스 내의 모든 위치로부터 상기 제1 차원의 적어도 한 방향으로 상기 제1 이미지 영역보다 각도 공간에서 더 이상 연장되지 않는, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 이미지 거리는 5미터 미만, 예를 들어 3미터 미만이고/이거나, 상기 제2 이미지 거리는 20미터 미만, 예를 들어 15미터 미만인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제2 차원에서 상기 헤드-업 디스플레이의 각도 시야는 5도 내지 25도 범위 및/또는 상기 제1 차원에서 상기 헤드-업 디스플레이의 각도 시야는 3도 내지 10도인, 헤드-업 디스플레이.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
눈-추적(eye-tracking) 시스템과 같은 사용자-추적(user-tracking) 시스템을 더 포함하되,
상기 헤드-업 디스플레이는 상기 사용자-추적 시스템에 의해 결정된 상기 아이-박스 내의 아이-박스 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 실시간으로 디스플레이 패턴을 결정하도록 구성된, 헤드-업 디스플레이.
제14 항의 헤드-업 디스플레이를 사용하여 이미지 콘텐츠를 디스플레이하는 방법에 있어서,
상기 방법은 상기 사용자-추적 시스템에 의해 결정된 상기 아이-박스 위치의 변경에 기초하여 제1 및 제2 이미지 영역 거리 중 적어도 하나를 변경하는 과정을 포함하는, 이미지 콘텐츠를 디스플레이하는 방법.
제15 항에 있어서,
상기 제1 이미지 콘텐츠 및 상기 제2 이미지 콘텐츠는 상기 헤드-업 디스플레이의 공간 광 변조기와 같은 디스플레이 장치 상에 디스플레이되는 회절 패턴으로부터 형성되고, 적어도 제1 및 제2 이미지 영역 거리 중 적어도 하나는 상기 회절 패턴과 관련된 적어도 하나의 렌즈 기능을 변경함으로써 변경되는, 이미지 콘텐츠를 디스플레이하는 방법.