KR20230089420A

KR20230089420A - Head-up display device and image displaying method for the same

Info

Publication number: KR20230089420A
Application number: KR1020210178030A
Authority: KR
Inventors: 이병호; 방기승; 이송현
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-06-20

Abstract

헤드업디스플레이장치 및 이를 이용한 영상 표시 방법이 개시된다. 헤드업디스플레이장치는 제1 비구면거울, 제1 비구면거울에 대하여 일정 각도 기울어져 배치된 제2 비구면거울, 제1 비구면거울과 제2 비구면거울 사이의 광경로에 대하여 일정 각도 기울어져 배치되어 입사광을 제2 비구면거울 방향으로 출력하는 편광빔스플리터, 편광빔스플리터와 제2 비구면거울 사이에 위치한 1/4파장판, 광경로 밖에서 편광빔스플리터로 이미지광을 출력하는 디스플레이부, 제1 비구면거울에서 반사된 광을 입력받아 사용자 방향으로 출력하는 홀로그래픽광학소자를 포함한다.A head-up display device and an image display method using the same are disclosed. The head-up display device includes a first aspherical mirror, a second aspheric mirror disposed inclined at a predetermined angle with respect to the first aspheric mirror, and disposed inclined at a predetermined angle with respect to an optical path between the first aspheric mirror and the second aspherical mirror to transmit incident light. A polarization beam splitter that outputs in the direction of the second aspheric mirror, a 1/4 wave plate located between the polarization beam splitter and the second aspheric mirror, a display unit that outputs image light to the polarization beam splitter outside the optical path, and reflection from the first aspheric mirror It includes a holographic optical element that receives the light and outputs it in the direction of the user.

Description

Head-up display device and image display method using the same

본 발명의 실시 예는 헤드업디스플레이장치 및 이를 이용한 영상 표시 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a head-up display device and an image display method using the same.

차량용 헤드업디스플레이(HUD, Head-up Display)는 유망한 증강현실 디스플레이 기술 중 하나이다. HUD는 허상거리를 무한대로 하여 목표물을 띄우기 때문에 전방도로에 존재하는 물체에 눈 초점을 맞추어도 무리없이 실상과 동시에 허상으로부터 정보를 제공받을 수 있다. 운전자가 허상을 시청할 수 있는 시청영역(eyebox)은 한정되어 있다. HUD는 한 번 광학계 옵틱이 설계되면 운전자의 시청영역이 고정되는 한계를 지니고 있다. 운전자의 앉은 키 차이 등의 원인으로 시야 위치가 변경되어 미리 정해진 시청영역에서 운전자가 벗어날 경우, 운전자는 더 이상 HUD 가상 영상을 시청할 수 없고 정보를 제공받지 못하는 문제가 발생한다. A head-up display (HUD) for vehicles is one of the promising augmented reality display technologies. Since the HUD floats the target with an infinite virtual image distance, it is possible to receive information from the virtual image as well as the real image without difficulty even if the eyes are focused on an object existing on the road ahead. An eyebox in which the driver can view the virtual image is limited. The HUD has a limitation that the driver's viewing area is fixed once the optical system optics are designed. When the driver deviates from the predetermined viewing area due to a change in the viewing position due to a difference in the driver's sitting height, the driver cannot view the HUD virtual image any longer and cannot receive information.

또한 차량용 HUD 광학계는 광학수차 보상이 필요하다. 목표한 시청영역 내에서 위치마다 서로 다른 형태의 영상이 제공될 경우, 운전자는 시청 위치 이동시 동일한 정보를 제공받지 못하게 된다. 시청영역 내에 일정한 영상을 생성하지 못하는 문제는 운전자의 양안시차에도 문제를 일으키며 이는 운전자의 시각적 피로도 상승으로 이어질 수 있다.In addition, optical aberration compensation is required for the HUD optical system for vehicles. When different types of images are provided for each location within a target viewing area, the driver is not provided with the same information when moving to a viewing location. The problem of not generating a constant image within the viewing area also causes a problem with the driver's binocular parallax, which may lead to an increase in the driver's visual fatigue.

본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는, 광학수차를 최소화할 수 있고 광학소자의 위치 조정으로 다양한 위치의 시청영역을 형성할 수 있는 헤드업디스플레이장치 및 이를 이용하여 영상 표시 방법을 제공하는 데 있다.A technical problem to be achieved by the present embodiment is to provide a head-up display device capable of minimizing optical aberration and forming viewing areas in various positions by adjusting the position of optical elements, and an image display method using the same.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이장치의 일 예는, 제1 비구면거울; 상기 제1 비구면거울에 대하여 일정 각도 기울어져 배치된 제2 비구면거울; 상기 제1 비구면거울과 상기 제2 비구면거울 사이의 광경로에 대하여 일정 각도 기울어져 배치되어 입사광을 상기 제2 비구면거울 방향으로 출력하는 편광빔스플리터; 상기 편광빔스플리터와 상기 제2 비구면거울 사이에 위치한 1/4파장판; 상기 광경로 밖에서 상기 편광빔스플리터로 이미지광을 출력하는 디스플레이부; 및 상기 제1 비구면거울에서 반사된 광을 입력받아 사용자 방향으로 출력하는 홀로그래픽광학소자;을 포함한다.An example of a head-up display device according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is a first aspherical mirror; a second aspheric mirror disposed inclined at a predetermined angle with respect to the first aspherical mirror; a polarization beam splitter disposed inclined at an angle with respect to an optical path between the first aspheric mirror and the second aspherical mirror to output incident light in the direction of the second aspheric mirror; a 1/4 wave plate located between the polarization beam splitter and the second aspherical mirror; a display unit outputting image light to the polarization beam splitter outside the optical path; and a holographic optical element for receiving the light reflected from the first aspheric mirror and outputting it toward the user.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이장치의 영상 표시 방법의 일 예는, 제1 비구면거울과 제2 비구면거울 사이의 광경로에 편광빔스플리터 및 1/4파장판을 포함하는 헤드업디스플레이장치의 영상 표시 방법에 있어서, 디스플레이부에서 출력된 광은 상기 편광빔스플리터에 입사하는 단계; 상기 편광빔스플리터의 출력광은 상기 1/4파장판을 통과하여 상기 제2 비구면거울로 입사하는 단계; 상기 제2 비구면거울의 반사광은 상기 1/4 파장판과 상기 편광빔스플리터를 지나 상기 제1 비구면거울로 입사하는 단계; 및 상기 제1 비구면거울의 반사광은 홀로그래픽광학소자로 입사하는 단계;를 포함한다.An example of an image display method of a head-up display device according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is a polarization beam splitter and a 1/4 in an optical path between a first aspherical mirror and a second aspherical mirror. A method of displaying an image of a head-up display device including a wave plate, comprising: entering light output from a display unit into the polarization beam splitter; the output light of the polarization beam splitter passing through the 1/4 wave plate and entering the second aspherical mirror; entering the reflected light of the second aspherical mirror into the first aspherical mirror after passing through the 1/4 wave plate and the polarization beam splitter; and inputting the reflected light of the first aspheric mirror to a holographic optical element.

본 발명의 실시 예에 따르면, 헤드업디스플레이장치의 광학 소자들을 최대한 온-액시스(on-axis) 상태가 되도록 유지하여 광학수차가 최소가 되도록 할 수 있다. 또한 광학소자의 위치 재배치를 통해 다양한 위치의 시청영역을 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to minimize optical aberration by maintaining the optical elements of the head-up display device in an on-axis state as much as possible. In addition, it is possible to form viewing areas in various positions through rearrangement of optical elements.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이가 적용된 차량의 일 예를 도시한 도면,
도 2 내지 도 4는 시청영역의 위치를 서로 다르게 구현한 본 발명의 실시 예에 따른 세 가지 모드의 헤드업디스플레이장치의 일 예의 구성을 도시한 도면,
도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4의 각 모드의 헤드업디스플레이장치의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프, 그리고,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이장치를 이용한 영상 표시 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.1 is a diagram showing an example of a vehicle to which a head-up display according to an embodiment of the present invention is applied;
2 to 4 are diagrams showing the configuration of an example of a three-mode head-up display device according to an embodiment of the present invention in which the positions of the viewing areas are implemented differently;
5 to 7 are graphs showing simulation results of the head-up display device in each mode of FIGS. 2 to 4, and
8 is a flowchart illustrating an example of an image display method using a head-up display device according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이장치 및 이를 이용한 영상 표시 방법에 대해 상세히 살펴본다.Hereinafter, a head-up display device and an image display method using the head-up display device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이가 적용된 차량의 일 예를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing an example of a vehicle to which a head-up display according to an embodiment of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 차량용 헤드업디스플레이(HUD)는 운전자가 전방을 주시한 채 도착 위치, 경로 안내와 같은 정보를 제공받을 수 있도록 한다. HUD의 구현방법에는 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 운전자와 윈드실드 사이에 투명디스플레이를 위치시키는 방법이고, 두 번째 방법은 윈드실드를 반거울로 사용하는 것이다. 윈드실드를 반거울로 사용하는 경우에는 프로젝션 광학계에서 투사된 영상이 윈드실드에 반사되어 운전자에게 허상으로 제공된다. 그러나 윈드실드를 일반 반거울로 사용할 경우 프로젝션 광학계 위치 설계에 많은 제약이 가해지므로 운전자의 앉은 키 높이에 맞는 다양한 모드의 시청영역(eyebox)을 구현하는데 많은 제약이 따른다.Referring to FIG. 1 , a head-up display (HUD) for a vehicle enables a driver to receive information such as an arrival location and route guidance while looking ahead. There are two main ways to implement HUD. The first method is to place a transparent display between the driver and the windshield, and the second method is to use the windshield as a half mirror. When the windshield is used as a semi-mirror, the image projected by the projection optical system is reflected on the windshield and provided to the driver as a virtual image. However, when the windshield is used as a general semi-mirror, many restrictions are placed on the design of the location of the projection optical system, so there are many restrictions on realizing the eyebox in various modes suitable for the height of the driver's sitting height.

이에 본 실시 예는 윈드실드에 구현된 홀로그래픽광학소자(150)(HOE, Holographic Optical Element)를 구현하여 운전자가 허상을 볼 수 있는 시청영역(eyebox)(160)을 형성한다. 홀로그래픽광학소자(150)는 윈드실드에 구현되므로 그 위치가 고정된다. 그러므로 운전자의 눈 높이에 맞는 다양한 위치의 시청영역(160)의 구현은 광학계의 다양한 소자(100,110,120,140,140)의 위치 및 각도 등의 조절을 통해 가능한다. In this embodiment, the holographic optical element 150 (HOE, Holographic Optical Element) implemented in the windshield is implemented to form an eyebox 160 where the driver can see a virtual image. Since the holographic optical element 150 is implemented on the windshield, its position is fixed. Therefore, it is possible to implement the viewing area 160 at various positions suitable for the driver's eye height by adjusting the positions and angles of the various elements 100, 110, 120, 140, and 140 of the optical system.

헤드업디스플레이를 구현하는 광학계는 이미지광을 출력하는 디스플레이부(140)와, 디스플레이부(140)의 이미지광을 반사하는 제1 비구면거울(100)과 제2 비구면거울(110), 편광빔스플리터(120)(PBS, Polarization Beam Splitter), 1/4파장판(130)(QWP, Quarter Wave Plate) 등으로 구성된다. 이에 대해서는 도 2 이하에서 다시 살펴본다.The optical system implementing the head-up display includes a display unit 140 that outputs image light, a first aspheric mirror 100 and a second aspheric mirror 110 that reflect the image light of the display unit 140, and a polarization beam splitter. 120 (PBS, Polarization Beam Splitter), 1/4 wave plate 130 (QWP, Quarter Wave Plate), etc. This will be reviewed again below in FIG. 2 .

도 2 내지 도 4는 시청영역의 위치를 서로 다르게 구현한 본 발명의 실시 예에 따른 세 가지 모드의 헤드업디스플레이장치의 일 예의 구성을 도시한 도면이다.2 to 4 are diagrams showing the configuration of an example of a three-mode head-up display device according to an embodiment of the present invention in which the positions of the viewing areas are implemented differently.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 시청영역의 위치가 서로 다른 세 가지 모드의 헤드업디스플레이장치(200,300,400)가 존재한다. 예를 들어, 도 2의 헤드업디스플레이장치(200)의 시청영역(270)의 높이가 가장 높고, 도 4의 헤드업디스플레이장치(400)의 시청영역(470)의 높이가 가장 낮으며, 도 3의 헤드업디스플레이장치(300)의 시청영역(370)의 높이는 도 2와 도 4의 시청영역(270,470)의 가운데에 위치할 수 있다. 각 모드의 시청영역(270,370,470)의 높이를 서로 다르게 하기 위하여 각각의 헤드업디스플레이장치(200,300,400)의 광학계 소자의 위치 또는 방향 등을 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 예와 같이 각 모드에서의 홀로그래픽광학소자(250,350,450))의 위치는 고정되어 있으므로, 도 2 내지 도 4의 각 모드의 헤드업디스플레이장치(200,300,400)는 제1,2 비구면거울(210,220,310,320,410,420), 편광빔스플리터(230,330,430), 1/4파장판(240,350,450), 디스플레이부(260,360,460) 중 적어도 하나 이상의 소자의 위치나 각도 등이 서로 다를 수 있다. Referring to FIGS. 2 to 4 , head-up display apparatuses 200 , 300 , and 400 of three modes in which the positions of viewing areas are different from each other exist. For example, the height of the viewing area 270 of the head-up display device 200 of FIG. 2 is the highest, and the height of the viewing area 470 of the head-up display device 400 of FIG. 4 is the lowest. The height of the viewing area 370 of the head-up display device 300 of FIG. 3 may be located in the center of the viewing areas 270 and 470 of FIGS. 2 and 4 . In order to make the heights of the viewing areas 270 , 370 , and 470 of each mode different from each other, positions or directions of optical elements of the heads-up display devices 200 , 300 , and 400 may be different from each other. For example, since the positions of the holographic optical elements 250, 350, and 450 in each mode are fixed as in the example of FIG. 1, the head-up display devices 200, 300, and 400 in each mode of FIGS. The positions or angles of at least one of the aspheric mirrors 210, 220, 310, 320, 410, and 420, the polarization beam splitters 230, 330, and 430, the quarter wave plates 240, 350, and 450, and the display units 260, 360, and 460 may be different from each other.

일 실시 예로, 모드별 시청영역의 위치를 구현하기 위한 광학계의 각 소자의 위치나 방향은 디스플레이부(260,360,460)에서 출력된 광이 시청영역에 도달하는 경로를 파악하는 정방향 시뮬레이션과, 반대로 시청영역(270,370,470)을 정의한 후 시청영역에서 역 방향으로 광이 디스플레이부(260,360,460)에 도달하는 경로를 파악하는 역방향 시뮬레이션을 통해 파악할 수 있다. 이 외에도, 광학계를 구성하는 각 광학 소자를 이용한 다양한 시뮬레이션 과정을 통해 사용자가 원하는 시청영역(270,370,470)을 형성하는 각 광학소자의 위치와 각도 등을 파악할 수 있다. As an embodiment, the position or direction of each element of the optical system for realizing the position of the viewing area for each mode is determined by forward simulation to determine the path of the light output from the display unit 260 , 360 , 460 to reach the viewing area, and conversely, the viewing area ( 270 , 370 , and 470 ) can be determined through reverse simulation to determine paths in which light reaches the display unit 260 , 360 , and 460 in a reverse direction from the viewing area. In addition to this, the position and angle of each optical element forming the viewing area 270 , 370 , 470 desired by the user can be grasped through various simulation processes using each optical element constituting the optical system.

예를 들어, Zemax사의 'OpticStudio' 프로그램을 이용하여 본 실시 예의 각 모드를 위한 광학계 소자의 위치 등을 파악할 수 있다. Zemax사의 프로그램을 이용한 역방향 설계에서는 각 모드의 시야각을 선정하고, 해당 시야각에 대응하는 광선들이 시청영역에서 출발하도록 한 후 광학계의 각 소자를 반대 방향으로 거쳐 디스플레이부(260,360,460)에 도달하였을 때 광이 한 점을 형성하도록 각 소자의 위치와 방향 등을 조절할 수 있다. 따라서 역방향 설계에서는 디스플레이부(260,360,460)에 맺히는 점의 반지름의 RMS(root mean square) 값을 최소화하는 방향으로 최적화를 진행할 수 있다. 최적화의 변수는 제1 비구면거울(210,310,410)과 제2 비구면거울(220,320,420)의 형상, 각 소자 사이의 거리, 기울기 각도 등이 된다.For example, the location of optical elements for each mode of the present embodiment can be grasped using Zemax's 'OpticStudio' program. In the reverse design using Zemax's program, the viewing angle of each mode is selected, the light rays corresponding to the viewing angle depart from the viewing area, and then pass through each element of the optical system in the opposite direction and reach the display unit 260, 360, 460. The position and direction of each element can be adjusted to form one point. Accordingly, in the reverse design, optimization may be performed in a direction of minimizing a root mean square (RMS) value of a radius of a point formed on the display units 260 , 360 , and 460 . Variables of optimization are the shapes of the first aspheric mirrors 210 , 310 , 410 and the second aspheric mirrors 220 , 320 , 420 , the distance between each element, and the inclination angle.

각 모드의 시청영역을 위한 광학계 소자의 위치가 도 2 내지 도 4와 같이 결정되면, 각 모드에 맞도록 도 1의 차량에 광학계 소자를 배치할 수 있다. 예를 들어, 차량에 도 2 내지 도 4의 세 개의 모드를 가진 헤드업디스플레이장치(200,300,400)를 구현하고자 하는 경우에, 각 모드를 위한 광학계 소자의 위치와 각도의 정보를 미리 제어장치에 저장한 후 제어장치는 각 모드에 따라 각 소자를 움직이는 구동모터를 제어하여 광학계 소자의 위치 및 각도를 조절할 수 있다. 본 실시 예는 세 개의 모드를 도시하여 설명하고 있으나 모드의 개수는 실시 예에 따라 다양하게 변형될 수 있다.When the position of the optical system element for the viewing area of each mode is determined as shown in FIGS. 2 to 4 , the optical system element may be disposed in the vehicle of FIG. 1 to suit each mode. For example, in the case of implementing a head-up display apparatus (200, 300, 400) having three modes of FIGS. 2 to 4 in a vehicle, information on the position and angle of optical elements for each mode is stored in the control device in advance. After the control device controls the driving motor that moves each element according to each mode, it is possible to adjust the position and angle of the optical system element. Although this embodiment illustrates and describes three modes, the number of modes may be variously modified according to embodiments.

다시 도 2 내지 도 4를 참조하면, 세 가지 모드의 헤드업디스플레이장치(200,300,400)는 제1 비구면거울(210,310,410), 제2 비구면거울(220,320,420), 편광빔스플리터(230,330,430)(이하, PBS), 1/4파장판(240,340,440)(이하, QWP), 홀로그래픽광학소자(250,350,450)(이하, HOE) 및 디스플레이부(260,360,460)를 포함한다. Referring back to FIGS. 2 to 4, the head-up display devices 200, 300, and 400 in three modes include first aspheric mirrors 210, 310, and 410, second aspheric mirrors 220, 320, and 420, polarization beam splitters 230, 330, and 430 (hereinafter referred to as PBS), Quarter-wave plates 240, 340, and 440 (hereinafter, QWP), holographic optical elements 250, 350, and 450 (hereinafter, HOE), and display units 260, 360, and 460 are included.

제1 비구면거울(210,310,410)과 제2 비구면거울(220,320,420)은 디스플레이부(260,360,460)에서 출력된 이미지의 광을 반사하여 HOE(250,350,450)로 전달한다. 예를 들어, 제1 비구면거울(210,310,410)은 제2 비구면거울(220,320,420)에서 반사된 광을 HOE(250,350,450)로 반사한다. 제1 비구면거울(210,310,410)은 제2 비구면거울(220,320,420)으로부터 수신한 광을 HOE(250,350,450)로 반사하여 전달하기 위하여 제2 비구면거울(220,320,420)에 대하여 일정 각도 기울어져 배치된다.The first aspheric mirrors 210 , 310 , and 410 and the second aspheric mirrors 220 , 320 , and 420 reflect light of an image output from the display unit 260 , 360 , and 460 and transmit the light to the HOEs 250 , 350 , and 450 . For example, the first aspheric mirrors 210 , 310 , and 410 reflect light reflected from the second aspherical mirrors 220 , 320 , and 420 to the HOEs 250 , 350 , and 450 . The first aspheric mirrors 210, 310, and 410 are inclined at a predetermined angle with respect to the second aspheric mirrors 220, 320, and 420 to reflect and transmit light received from the second aspherical mirrors 220, 320, and 420 to the HOEs 250, 350, and 450.

광학수차를 줄이기 위해서는 가능한 광학소자들이 on-axis가 되도록 배치할 필요가 있다. 이를 위해 디스플레이부(260,360,460)를 제1 및 제2 비구면거울(210,220,310,320,410,420) 사이에 배치하면 디스플레이부(260,360,460)가 광경로를 막기 때문에 구현이 불가능하다. 이에 본 실시 예는 on-axis의 성질을 최대한 유지하면서 광학수차를 줄일 수 있도록 PBS(230,330,430)와 QWP(240,340,440)를 사용한다.In order to reduce optical aberration, it is necessary to arrange optical elements to be on-axis as much as possible. To this end, if the display units 260 , 360 , and 460 are disposed between the first and second aspheric mirrors 210 , 220 , 310 , 320 , 410 , and 420 , the display units 260 , 360 , and 460 block the light path, making implementation impossible. Accordingly, the present embodiment uses PBSs 230, 330, and 430 and QWPs 240, 340, and 440 to reduce optical aberration while maximally maintaining on-axis properties.

디스플레이부(260,360,460)에서 출력된 이미지 광은 PBS(230,330,430)에 도달하고, PBS(230,330,430)는 입사광을 제2 비구면겨울(220,320,420) 방향으로 출력한다. PBS(230,330,430)는 디스플레이부(260,360,460)로부터 수신한 광을 제2 비구면거울(220,320,420) 방향으로 전달할 수 있도록, 제1 비구면거울(210,310,410)과 제2 비구면거울(220,320,420) 사이의 광경로에 일정 각도 기울어져 배치된다. Image light output from the display unit 260 , 360 , 460 reaches the PBS 230 , 330 , 430 , and the PBS 230 , 330 , 430 outputs the incident light in the direction of the second aspheric winter 220 , 320 , 420 . The PBS 230 , 330 , 430 transmits the light received from the display unit 260 , 360 , 460 toward the second aspherical mirror 220 , 320 , 420 at a certain angle to the light path between the first aspherical mirror 210 , 310 , 410 and the second aspheric mirror 220 , 320 , 420 . placed at an angle

제2 비구면거울(220,320,420)에서 반사된 광이 PBS(230,330,430)에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있도록 PBS(230,330,430)와 제2 비구면거울(220,320,420) 사이에는 QWP(240,340,440)가 배치된다. 따라서 PBS(230,330,430)에서 출력된 광은 QWP(240,340,440)를 통과하여 제2 비구면거울(220,320,420)에서 반사된 후 다시 QWP(240,340,440)를 통과하여 PBS(230,330,430)로 입사된다. 광은 QWP(240,340,440)를 두 번 지나므로 PBS(230,330,430)에서 제2 비구면거울(220,320,420) 방향으로 출력되는 시점의 광은 최초 광의 편광에 대하여 직교한 편광을 갖게 된다. 따라서 PBS(230,330,430)는 제2 비구면거울9220,320,420)에서 반사되어 QWP(240,340,440)를 통과한 광을 반사하지 않고 투과시킨다. 제1 비구면거울(210,310,410)은 제2 비구면거울(220,320,420)에서 반사되어 입사된 광을 HOE(250,350,450)로 전달하고, HOE(250,350,450)는 기 정의된 위치에 시청영역(270,370,470)을 형성한다. QWPs 240, 340, and 440 are disposed between the PBSs 230, 330, and 430 and the second aspherical mirrors 220, 320, and 420 to prevent light reflected from the second aspherical mirrors 220, 320, and 420 from being blocked by the PBSs 230, 330, and 430. Accordingly, the light output from the PBSs 230, 330, and 430 passes through the QWPs 240, 340, and 440, is reflected by the second aspherical mirrors 220, 320, and 420, and then passes through the QWPs 240, 340, and 440 again to enter the PBSs 230, 330, and 430. Since the light passes through the QWPs 240, 340, and 440 twice, the light at the time of being output from the PBS 230, 330, and 430 toward the second aspheric mirrors 220, 320, and 420 has a polarization orthogonal to that of the first light. Accordingly, the PBSs 230 , 330 , and 430 transmit the light reflected from the second aspheric mirrors 9220 , 320 , and 420 and pass through the QWPs 240 , 340 , and 440 without reflecting them. The first aspherical mirrors 210, 310, and 410 transfer incident light reflected from the second aspherical mirrors 220, 320, and 420 to the HOEs 250, 350, and 450, and the HOEs 250, 350, and 450 form viewing areas 270, 370, and 470 at predetermined positions.

도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4의 각 모드의 헤드업디스플레이장치의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.5 to 7 are graphs showing simulation results of the head-up display device in each mode of FIGS. 2 to 4 .

도 5 내지 도 7을 참조하면, Zemax사의 프로그램을 이용하여 각 모드의 시청영역을 형성하도록 광학소자의 위치나 방향 등을 조정하여 구현한 도 2 내지 도 4의 헤드업디스플레이장치의 풀필드스팟다이어그램(full field spot diagram)(500,600,700)과 스탠다드스팟다이어그램(standard spot diagram)(510,610,710)이 도시되어 있다.Referring to FIGS. 5 to 7, full-field spot diagrams of the head-up display devices of FIGS. 2 to 4 implemented by adjusting the position or direction of optical elements to form viewing areas of each mode using Zemax's program. (full field spot diagram) (500, 600, 700) and standard spot diagram (510, 610, 710) are shown.

풀필드스팟다이어그램(500,600,700)은 디스플레이부(260,360,460)의 한 점에서 출발한 광 중에서 시청영역(270,370,470)에 들어가는 광에 대한 정보를 나타낸 것이다. 풀필드스팟다이어그램(500,600,700)은 무한초점영상공간(afocal image space), 즉 시야각에 대한 좌표평면을 나타내고 있다. The full-field spot diagrams 500 , 600 , and 700 show information about light entering the viewing area 270 , 370 , and 470 among lights departing from one point of the display unit 260 , 360 , and 460 . The full-field spot diagrams 500, 600, and 700 represent an afocal image space, that is, a coordinate plane for a viewing angle.

시뮬레이션 결과를 살펴보면, 각 모드의 무한초점영상공간에서 광의 스팟 반지름(spot radius)의 RMS 값은 0.1도를 초과하지 않으므로 도 2 내지 도 4의 헤드업디스플레이장치는 수차가 보상된 광학계임을 알 수 있다. Looking at the simulation results, since the RMS value of the spot radius of light in the infinite focus image space of each mode does not exceed 0.1 degrees, it can be seen that the head-up display device of FIGS. 2 to 4 is an aberration-compensated optical system. .

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 헤드업디스플레이장치를 이용한 영상 표시 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating an example of an image display method using a head-up display device according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 8을 함께 참조하면, PBS(230)는 디스플레이부(260)로부터 이미지 광을 입력받는다(S800). PBS(230)는 입력받은 광을 QWP(240)를 통해 제2 비구면거울(220)로 출력한다(S810). 제2 비구면거울(220)의 반사광은 QWP(240) 및 PBS(230)를 순차적으로 통과하여 제1 비구면거울(210)로 입사한다(S820). 제1 비구면거울(210)은 입사광을 HOE(250)로 출력한다(S830). Referring to FIGS. 2 and 8 together, the PBS 230 receives image light from the display unit 260 (S800). The PBS 230 outputs the received light to the second aspheric mirror 220 through the QWP 240 (S810). The reflected light of the second aspherical mirror 220 sequentially passes through the QWP 240 and the PBS 230 and enters the first aspheric mirror 210 (S820). The first aspherical mirror 210 outputs incident light to the HOE 250 (S830).

본 실시 예는 주로 차량용 헤드업디스플레이장치를 위주로 설명하고 있으나 이는 하나의 예일 뿐 본 실시 예의 헤드업디스플레이장치는 3D 가상현실 및 증강현실을 구현하는 장치에 적용될 수 있다. 또한 본 실시 예는 소형 홀로그래픽 디스플레이를 제작하는데 적용될 수 있으며 비구면거울을 통해 수차를 보상한다면 거울의 크기를 소형화하여 적용할 수 있다.Although this embodiment mainly describes a head-up display device for a vehicle, this is only one example, and the head-up display device of this embodiment can be applied to devices implementing 3D virtual reality and augmented reality. In addition, this embodiment can be applied to manufacturing a small holographic display, and if aberration is compensated for through an aspherical mirror, the size of the mirror can be miniaturized.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at mainly with its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from a descriptive point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

Claims

a first aspheric mirror;
a second aspheric mirror disposed inclined at a predetermined angle with respect to the first aspherical mirror;
a polarization beam splitter disposed inclined at an angle with respect to an optical path between the first aspheric mirror and the second aspherical mirror to output incident light in the direction of the second aspherical mirror;
a 1/4 wave plate located between the polarization beam splitter and the second aspherical mirror;
a display unit outputting image light to the polarization beam splitter outside the optical path; and
A head-up display device comprising a; holographic optical element for receiving the light reflected from the first aspherical mirror and outputting it toward the user.

According to claim 1,
The head-up display device, characterized in that the holographic optical element is located on the windshield of the vehicle.

According to claim 1,
The head-up display device, characterized in that the position of the viewing area formed by the holographic optical element is changed by adjusting the positions of the first aspheric mirror and the second aspheric mirror.

In the image display method of a head-up display device including a polarization beam splitter and a 1/4 wave plate in an optical path between a first aspheric mirror and a second aspheric mirror,
entering the light output from the display unit into the polarization beam splitter;
the output light of the polarization beam splitter passing through the 1/4 wave plate and entering the second aspherical mirror;
entering the reflected light of the second aspherical mirror into the first aspherical mirror after passing through the 1/4 wave plate and the polarization beam splitter; and
and entering the reflected light of the first aspherical mirror into a holographic optical element.