KR20230156170A - 이미지 프로젝터 - Google Patents

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KR20230156170A
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optical
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KR1020237037744A
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Inventor
제미슨 크리스마스
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엔비직스 엘티디
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Abstract

차량 내 화상을 표시하도록 배치된 헤드 업 디스플레이가 제공되고, 상기 헤드 업 디스플레이는 전방 유리의 상부 영역에 배치된 제1 광학 서브 시스템 및 윈드스크린의 하부 영역에 인접한 차량의 대시 보드의 아래에 배치된 제2 광학 서브 시스템을 포함한다. 제1 광학 서브 시스템은 광 필드를 출력하도록 배열된다. 제1 광학 서브 시스템은 광원 및 공간 광 변조기를 포함한다. 광원은 광을 방출하도록 배열된다. 공간 광 변조기는 광원으로부터 광을 수신하도록 배열되고 공간 광 변조기에 디스플레이된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조한다. 제2 광학 서브 시스템은 제1 광학 서브 시스템으로부터 광 필드를 수신하고 차량의 윈드스크린에 광 필드를 투사하여 윈드스크린에 가상 이미지를 형성하도록 배열된다.

Description

이미지 프로젝터{Image Projector}
본 발명은 프로젝터 및 헤드 업 디스플레이에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자동차와 같은 차량용 홀로그램 프로젝터 및 헤드 업 디스플레이에 관한 것이다. 본 발명은 또한 홀로그램 투영 방법 및 헤드 업 디스플레이에서 가상 이미지를 투영하는 방법에 관한 것이다.
물체에서 산란된 광은 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 이러한 진폭 및 위상 정보는 예컨대 잘 알려진 간섭 기술에 의해 감광성 플레이트 상에 캡쳐 되어 홀로그래픽 기록 또는 간섭 줄무늬를 포함하는 "홀로그램"을 형성할 수 있다. 홀로그램은 원 객체를 나타내는 2 차원 또는 3 차원 홀로그래픽 재구성(reconstruction) 또는 재생(replay) 이미지를 형성하기에 적절한 광을 조사함으로써 구성될 수 있다.
컴퓨터 생성 홀로그래피(computer-generated holography)는 수치적으로 간섭 프로세스(interference process)를 시뮬레이션 할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램 "CGH"는 프레넬(Fresnel) 또는 푸리에(Fourier) 변환과 같은 수학적 변환에 기초한 기술에 의해 계산될 수 있다. 이러한 유형의 홀로그램은 프레넬 또는 푸리에 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 푸리에 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 표현 또는 객체의 주파수 도메인 표현으로 간주될 수 있다. CGH는 또한 예컨대 가간섭성 광선 추적(coherent ray tracing) 또는 포인트 클라우드 기법(point cloud technique)에 의해 계산될 수 있다.
CGH는 입사광의 진폭 및/또는 위상을 변조하도록 형성된 공간 광 변조기, "SLM", 상에 인코딩 될 수 있다. 광 변조는 예컨대 전기적으로 어드레스 가능한 액정, 광학적으로 어드레스 가능한 액정 또는 마이크로 미러를 사용하여 달성될 수 있다.
SLM은 셀들(cells) 또는 요소들(elements)로 지칭될 수 있는 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 화소들을 포함할 수 있다. 광 변조 방식은 이진(binary), 다중 레벨(multilevel) 또는 연속(continuous)일 수 있다. 대안적으로, 이 장치는 연속적일 수 있으며(즉, 화소로 구성되지 않은), 이에 따라 광 변조는 장치 전체에 걸쳐서 연속적일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기로부터 반사되어 출력된다는 점에서 반사형(reflective)일 수 있다. 공간 광 변조기는 변조 광이 공간 광 변조기를 투과하여 출력된다는 점에서 투과형(transmissive)일 수도 있다.
기재된 기술을 이용하여 이미징을 위한 홀로그래픽 프로젝터가 제공될 수 있다. 이러한 프로젝터는 예를 들어, 헤드업 디스플레이 "HUD" 및 근안 장치(near-eye devices)를 포함하는 헤드마운트 디스플레이 "HMD"에 적용된다.
운전석 공간은 자동차와 같은 차량 내에서 더욱 고급화 되고 있으며, 특히, 향상된 운전자 보조 시스템이 탑재됨에 따라 더욱 그러한 추세이다. 헤드 업 디스플레이는 일반적으로 대시 보드 아래 공간에서 상대적으로 큰 부피, 예컨대 15리터를 차지한다. 헤드 업 디스플레이의 구성 요소를 수용하기 위해 대시 보드 아래에서 더 적은 공간이 사용되는 헤드 업 디스플레이가 개시된다.
본 발명의 양태들은 첨부된 독립 청구항들에서 정의된다.
화상 생성 유닛은 홀로그램 프로젝터를 포함할 수 있고, 여기서 화상은 컴퓨터 생성 홀로그램의 홀로그램 재구성이다. 화상은 표시 표면(display surface)으로 작용하는 수광 표면에 형성될 수 있다. 이하에서 자세히 설명된 홀로그램 프로젝터를 기반 HUD는, 홀로그램 처리의 효율성 및 레이저 광원 사용에 대한 특유의 적합성으로 인해 현재 사용 가능한 경쟁 기술보다 훨씬 더 큰 명암 비를 제공할 수 있다.
헤드 업 디스플레이는 홀로그램 프로세서를 포함할 수 있다. 화상은 홀로그램 재구성일 수 있다. 홀로그램 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 공간 광 변조기로 출력하도록 배열될 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 차량의 윈드스크린의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배열될 수 있다.
시스템은 윈드스크린에서 공간적으로 변조된 빛을 반사함으로써 윈드스크린을 사용하여 화상의 가상 이미지를 형성하도록 배열될 수 있다. 광원은 레이저일 수 및/또는 화상의 광은 레이저 광일 수 있다. 공간 광 변조기는 실리콘 공간 광 변조기 상의 액정일 수 있다. 영상은 수광 표면에서 공간 변조된 광의 간섭 과정에 의해 형성될 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 대응하는 화상의 수학적 변환에, 선택적으로, 푸리에 또는 프레넬 변환에 대응할 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 또는 프레넬 홀로그램일 수 있다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 포인트 클라우드 방식으로 컴퓨터 생성된 홀로그램일 수 있다. 공간 광 변조기는 광원으로부터의 광의 위상을 공간적으로 변조하도록 배열될 수 있다. 공간 광 변조기는 광원으로부터의 광의 진폭을 공간적으로 변조하도록 배열될 수 있다.
그러나, 일부 실시예들은 단지 예시로서 홀로그램 프로젝션 기반 화상 생성 유닛을 기술한다. 본 발명은 백 라이트 액정 디스플레이, 레이저 스캐닝 디스플레이, 디지털 마이크로 미러 장치(Digital Micro-mirror Device; "DMD"), 형광 디스플레이 및 플라즈마 디스플레이를 포함하는 모든 유형의 화상 생성 유닛에 동일하게 적용될 수 있다.
차량 내 화상을 표시하도록 배치된 헤드 업 디스플레이가 제공되고, 상기 헤드 업 디스플레이는 전방 유리의 상부 영역에 배치된 제1 광학 서브 시스템 및 윈드스크린의 하부 영역에 인접한 차량의 대시 보드의 아래에 배치된 제2 광학 서브 시스템을 포함한다. 제1 광학 서브 시스템은 광 필드를 출력하도록 배열된다. 제1 광학 서브 시스템은 광원 및 공간 광 변조기를 포함한다. 광원은 광을 방출하도록 배열된다. 공간 광 변조기는 광원으로부터 광을 수신하도록 배열되고 공간 광 변조기에 디스플레이된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조한다. 제2 광학 서브 시스템은 제1 광학 서브 시스템으로부터 광 필드를 수신하고 차량의 윈드스크린에 광 필드를 투사하여 윈드스크린에 가상 이미지를 형성하도록 배열된다.
광 필드는 공간적으로 변조된 광에 해당한다. 즉, 광 필드와 공간적으로 변조된 광은 연관되어 있으며 하나는 다른 하나로부터 파생될 수 있다. 이와 관련하여, 광 필드는 공간적으로 변조된 광을 나타낸다고 볼 수도 있다. 광 필드는 공간적으로 변조된 광일 수 있다. 즉, 광 필드의 파면과 공간 변조된 빛의 파면은 크기가 다를 수 있지만 동일한 진폭 및 위상 분포를 가질 수 있다(예: 공간 변조된 광은 확대되어 광 필드를 형성함). 그러나, 광 필드의 파면은 또한 공간 광 변조기에 의해 형성된 공간 변조된 광의 파면의 푸리에 또는 프레넬 변환과 같은 더 복잡한 변환일 수 있다. 예시에서, 공간적으로 변조된 광은 주파수(또는 푸리에) 영역의 광 필드를 나타낸다. 예를 들어, 공간 변조된 광은 광 필드를 형성하기 위해 처리, 예컨대, 푸리에 또는 프레넬 변환 처리될 수 있다. 푸리에 또는 프레넬 변환은 후술하는 바와 같이 홀로그램에 통합된 소프트웨어 렌즈에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 푸리에 또는 프레넬 변환은 정확하게 배치된 렌즈와 같은 물리적 광학 구성 요소에 의해 수행될 수 있다.
일반적으로 헤드 업 디스플레이의 구성 요소는 대시 보드 아래 할당된 부피에 맞도록 설계된 단일 유닛으로 조립된다. 그러나, 헤드 업 디스플레이 장치는 윈드스크린 상에 적절한 크기의 이미지를 형성하기 위해 작은 디스플레이 장치(일반적으로 불과 몇 센티미터)에서 이미지를 확대하는데 필요한 큰 광학 투사로 인해 상대적으로 크다(차량의 다른 전자 시스템에 비해). 본 명세서에 설명된 헤드 업 디스플레이는 윈드스크린의 상부 영역(즉, 윈드스크린의 상부에 근접한 영역)에 배치된 주요 구성 요소 및 대시 보드 아래에 배치된 주요 구성 요소를 포함한다. 특히, 헤드 업 디스플레이는 공간적으로 분리된(또는 변위 된) 두 개의 광학 서브 시스템으로 나뉜다. 유리하게는 대시 보드 아래에서 사용되는 부피가 작다. 특히 차량이 발전하고 시야 각이 더 높은 HUD에 대한 수요가 증가함에 따라 대시 보드 아래 공간의 중요성이 커지기 때문에 유리하다.
제1 광학 서브 시스템에서 제2 광학 서브 시스템으로의 광학 경로는 윈드스크린의 일반 평면과 실질적으로 평행할 수 있다. 제1 광학 서브 시스템에서 제2 광학 서브 시스템으로의 광학 경로는 윈드스크린의 전반적인 평면의 30cm(예를 들어, 20 또는 10cm) 이내와 같이 윈드스크린의 표면에 근접할 수도 있다.
제1 광학 서브 시스템은 화상을 출력하는 화상 생성 유닛일 수 있다. 이 경우 광 필드는 화상이고 가상 이미지는 화상의 가상 이미지이다. 이 구조에서, 제1 광학 서브 시스템은 화상을 생성하는 측면을 담당하고 제2 광학 서브 시스템은 투영하는 측면을 담당한다. 따라서 시스템은 편리하게 모듈 식이며 서브 시스템은 필요에 따라-즉, 다른 차량에 대해 또는 다른 사양을 제공하도록- 개별적으로 조정되거나 변경될 수 있다.
공간적으로 변조된 광은 제1 광학 서브 시스템의 수광 표면 상에 화상을 형성할 수 있다. 수광 표면은 반점 감소 또는 아이 박스 확장과 같은 추가 기능을 제공하는데 사용할 수 있다.
공간적으로 변조된 광은 공간 광 변조기와 제2 광학 서브 시스템 사이의 자유 공간에서 영상을 형성할 수 있다. 수광 표면이 없기 때문에 부품 수를 줄이고 광학 손실을 줄일 수 있다.
제1 광학 서브 시스템은 홀로그램 데이터로 인코딩된 공간 변조된 광을 투사할 수 있다. 이 경우 제1 광학 서브 시스템의 출력은 화상에 해당하는 / 관련되는 광 필드이지만 화상 자체는 아니다. 광 필드는 화상의 푸리에 변환일 수 있다. 이 경우 광 필드는 공간적으로 변조된 라이트이다.
관찰자의 눈 렌즈는 공간 변조된 광의 광학 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 유리하게는, 인간 눈의 초점 거리가 적응 가능하기 때문에, 홀로그램 이미지가 관찰자로부터 다른 거리에 나타나도록 만들어질 수 있다. 즉, 재생 평면의 위치가 동적으로 변경될 수 있다. 따라서, 이중 평면(dual plane) 헤드 업 디스플레이와 같은 다중 평면이 제공된다. 대안적으로, 제2 광학 서브 시스템은 공간 변조된 광의 광학 푸리에 변환을 수행하도록 배열될 수 있다.
제1 광학 서브 시스템은 다음과 같은 위치, 내부 루프 라이너 내부; 백미러 하우징 상에; 루프 라인 전자 패널 상에; 또는 선 바이저 상에 배치될 수 있다. 따라서, 주요 핵심 부품들은 대시 보드 아래보다 공간적 가치가 낮은 차량 영역에 핵심 부품이 배치된다.
제2 광학 서브 시스템은 미러와 같은 적어도 하나의 반사 요소를 포함할 수 있다. 이를 통해, 예를 들어 굽힌 광학 경로를 사용하여 이미지를 광학적으로 처리하는데 사용할 수 있는 광학 표면을 제공하도록 공간 효율적인 광학 시스템을 형성할 수 있다. 제2 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 광 파워를 가질 수 있다. 이 기능은 요구되는 이미지 확대를 제공한다. 제2 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 프리폼 광학체일 수 있거나, 화상의 광을 수신하는 윈드스크린 영역에서 윈드스크린의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배열된 프리폼 광학 표면을 포함할 수 있다. 이것은 향상된 이미지 품질을 제공한다. 적어도 하나의 반사 요소는 헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광이 전파되는 것을 허용하고 헤드 업 디스플레이를 통한 상이한 파장을 갖는 광이 전파되는 것을 억제하도록 배열된 레이저-라인 선택 필터를 포함할 수 있다. 이는 시스템을 통과하는 태양 광의 양을 크게 줄이고 그와 관련된 문제(예: 이미지의 광학적 유실 또는 공간 광 변조기와 같은 열 손상 광학 부품)를 완화한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제2 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광을 전파하고 억제하도록 배열된 편광 필름 또는 그 위에 코팅과 같은 편광기를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 헤드 업 디스플레이를 통해 직교 편광을 갖는 빛의 전파를 감쇠 또는 차단한다. 다시 말하지만, 이것은 시스템을 통과하는 햇빛의 감소로 이어진다.
제1 광학 서브 시스템은 실질적으로 평면일 수 있고 광원으로부터의 광을 공간 광 변조기로 안내하고 공간 광 변조기로부터의 공간 변조된 광을 연속적인 광 경로를 따라 도파관의 출력으로 안내하도록 배열된 실질적으로 평면인 도파관을 포함할 수 있다. 따라서 적응적이며 루프에 부착하거나 내부 루프-라이너 구조 내에 장착하기에 적합한 폼 팩터를 갖는 실질적으로 평면 구조가 제공되어 객실 공간에 미치는 영향을 최소화한다. 도파관 내의 연속적인 광 경로는 도파관의 표면에서 내부 전반사에 의해 도파관의 종축에 대해 복수회 횡단할 수 있다.
제1 광학 서브 시스템은 미러와 같은 적어도 하나의 반사 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 광학 정렬을 유지하는데 사용될 수 있는 조정 가능한(예: 비틀림 / 기울기) 구성 요소가 제공된다. 또한 추가적인 설계 유연성이 제공된다. 제1 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 광 파워를 가질 수 있다. 따라서, 제2 광학 서브 시스템에 대한 요구(예: 광 파워 제공 요구)가 완화될 수 있다. 제1 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 프리폼 광학체 일 수 있거나, 화상의 광을 수신하는 윈드스크린 영역에서 윈드스크린의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배열된 프리폼 광학 표면을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 반사 요소는 헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광이 전파되는 것을 허용하고 헤드 업 디스플레이를 통해 상이한 파장을 갖는 광이 전파되는 것을 억제하도록 배열된 레이저-라인 선택 필터를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광을 전파하고 억제하도록 배열된 편광 필름 또는 그 위에 코팅과 같은 편광기를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 헤드 업 디스플레이를 통해 직교 편광을 갖는 빛의 전파를 감쇠 또는 차단한다.
차량의 헤드 업 디스플레이 시스템이 제공되며, 상기 시스템은: 광 필드를 출력하도록 배열된 화상 생성 유닛을 포함하는 제1 광학 서브 시스템; 및 상기 제1 광학 서브 시스템으로부터 광 필드를 수신하고 상기 광 필드를 차량의 윈드스크린 상에 투영하여 윈드스크린 상에 가상 이미지를 형성하도록 배열된 제2 광학 서브 시스템을 포함하며, 상기 제1 광학 서브 시스템은 윈드스크린의 상부 영역 및 제2 광학 서브 시스템은 윈드스크린의 하부 영역에 근접한 차량의 대시 보드 내에 배치된다.
화상을 표시하도록 배열된 차량에 헤드 업 디스플레이가 제공되며, 헤드 업 디스플레이는: 홀로그램 광 필드를 출력하도록 배열된 제1 광학 서브 시스템을 포함하고, 여기서 제1 광학 서브 시스템은 광원을 포함하며, 광을 방출하도록 배열된 광원; 광원으로부터 광을 수신하고 공간 광 변조기에 표시되는 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 화상의 광을 공간적으로 변조하여 홀로그램 광 필드를 형성하도록 배열된 공간 광 변조기(홀로그램 광 필드는 주파수 도메인 표현 임) ; 및 컴퓨터 생성 홀로그램을 공간 광 변조기로 출력하도록 배열된 홀로그램 프로세서를 포함하고; 및 상기 제1 광학 서브 시스템으로부터 홀로그램 광 필드를 수신하고 상기 홀로그램 광 필드를 차량의 윈드스크린 상에 투영하여 윈드스크린 상에 가상 이미지를 형성하도록 배열된 제2 광학 서브 시스템을 포함하며, 상기 제1 광학 서브 시스템은 윈드스크린의 상부 영역에 배치되고 제2 광학 서브 시스템은 윈드스크린의 하부 영역에 근접한 차량의 대시 보드 내에 배치된다. 홀로그램 광 필드는 공간 광 변조기에 표시된 홀로그램에 따라 공간적으로 변조된 파면을 갖는 광 필드이다.
영상을 표시하도록 배열된 차량 내에 헤드 업 디스플레이가 제공되며, 헤드 업 디스플레이는 영상을 출력하도록 배열된 제1 광학 서브 시스템을 포함하며, 상기 제1 광학 서브 시스템은, 광을 방출하도록 배열된 광원; 상기 광원으로부터의 광을 수신하고 상기 공간 광 변조기에 표현된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 영상을 형성하는 공간 변조 광을 출력하도록 배열된 공간 광 변조기; 및 컴퓨터 생성 홀로그램을 공간 광 변조기로 출력하도록 배열된 홀로그램 프로세서를 포함하고; 및 제1 광학 서브 시스템으로부터의 화상의 광을 수신하고 화상의 광을 차량의 앞 유리에 투사하여 앞 유리에 화상의 가상 이미지를 형성하도록 배열된 제2 광학 서브 시스템을 포함하고, 여기서 제1 광학 서브 시스템은 서브 시스템은 윈드스크린의 상부 영역에 배치되고 제2 광학 서브 시스템은 윈드스크린의 하부 영역에 근접한 차량의 대시 보드 내에 배치된다.
본 명세서에서 "화상의 광"이라는 용어는 화상을 형성하는 빛을 지칭하기 위해 사용된다. "화상의 광"은 단색 또는 다색일 수 있다. “화상의 광”은 합성 색상일 수 있다. 예를 들어, "화상의 광"은 적색, 녹색 및 청색 빛을 포함할 수 있다. "화상의 광"이 편광 될 수 있다.
당업자는 정상적인 사용 중에 차량 내 대시 보드의 위치를 익숙히 알고 있을 것이다. 본 개시에 따른 제2 광학 서브 시스템은 차량의 대시 보드 "아래"에 배치되는 것으로 설명된다. 이 용어는 두 번째 광학 서브 시스템이 대시 보드 표면 아래에 있음을 표현하는데 사용된다. 보다 구체적으로, 제2 광학 서브 시스템의 전체 체적은 정상 사용시 차량의 대시 보드 표면 아래에 위치한다. 예를 들어, 제2 광학 서브 시스템은 대시 보드 내부 또는 대시 보드 내부에 배치될 수 있다. 계기판 뒤와 윈드스크린 앞의 가장 바깥 쪽 상단 표면을 A- 표면 또는 "토퍼(topper)"라고도 한다. 따라서 두 번째 광학 서브 시스템은 토퍼의 A면 아래에 있다고 말할 수 있다.
본 개시에 따르면, "레이저-라인 선택 필터"는 레이저-라인 광이 설명된 광 경로상에서 전파되도록 허용하지만, 비 레이저-라인 광이 광 경로상에서 더 이상 전파되는 것을 허용하지 않는다. 즉, "레이저 라인 선택 필터"는 광학 시스템에서 레이저 라인이 아닌 빛을 제거한다. 예를 들어, "레이저 라인 선택 필터"는 비 레이저 라인 광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, "레이저 라인 선택적 필터"는 레이저 라인 파장을 갖는 빛을 제외한 모든 광학 파장을 흡수할 수 있다. 대안적으로, 필터는 예를 들어 레이저-라인 광에 대해 우선적으로 투과하거나 우선적으로 반사함으로써 이러한 선택적 기능을 달성할 수 있다. 마찬가지로, 본 개시에 따른 "편광-선택 필터"는 광학 시스템으로부터 비 우선적 편광을 갖는 광을 제거하는 필터를 지칭한다. 용어 "레이저 라인"은 중심 파장 및 30 nm 미만, 선택적으로 15 nm 미만, 추가 선택적으로 5 nm 미만의 전파 반 최대를 갖는 좁은 대역폭을 지칭하기 위해 사용된다.
"홀로그램"이라는 용어는 객체에 대한 진폭 정보 또는 위상 정보, 또는 그들의 몇몇 조합들을 포함하는 기록을 지칭하는데 사용된다. "홀로그래픽 재구성(holographic reconstruction)"이란 용어는 홀로그램을 조광하여 형성되는 물체의 광학적 재구성을 지칭하는 용어이다. "재생 평면(replay plane)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성이 완전히 형성되는 공간 내의 평면을 지칭한다. "재생 필드(replay field)"라는 용어는 공간 광 변조기로부터 공간-변조된 광을 수신할 수 있는 재생 평면의 부 영역(sub-area)을 지칭한다. "이미지", "재생 이미지" 및 "이미지 영역(image region)"이라는 용어는 홀로그래픽 재구성을 형성하도록 광에 의해 조광되는 재생 필드의 영역을 가리킨다. 일부 실시예들에서, "이미지"는 "이미지 화소"로 지칭될 수 있는 불연속적인 스폿들(discrete spots)을 포함할 수 있다.
"인코딩", "쓰기(writing)" 또는 "어드레싱(addressing)"은 각각의 화소의 변조 레벨을 개별적으로 결정하는 복수의 제어값을 SLM의 복수의 화소들에 제공하는 프로세스를 기술하는 데 사용된다. SLM의 화소들은 복수의 제어 값을 수신하는 것에 응답하여 광 변조 분포를 "디스플레이"하도록 구성될 수 있다. 따라서, SLM은 홀로그램을 "디스플레이"한다고 할 수 있으며, 홀로그램은 광 변조 값 또는 레벨의 배열로 간주될 수 있다.
허용 가능한 품질의 홀로그래픽 재구성은 원래의 객체와 관련된 위상 정보만을 포함하는 "홀로그램"으로부터 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 홀로그래픽 기록은 위상-한정 홀로그램으로 지칭될 수 있다. 일부 실시예들은 단지 예로서 위상-한정 홀로그램과 관련된다. 실시예들은 위상-한정 홀로그램에 관련되나 본 발명은 진폭-한정 홀로그래피에도 동등하게 적용 가능하다.
본 발명은 또한 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 사용하여 홀로그래픽 재구성을 형성하는데 동일하게 적용 가능하다. 일부 실시예에서, 이것은 원래 객체와 관련된 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 소위 완전-복소 홀로그램을 사용하는 복소 변조에 의해 달성된다. 이러한 홀로그램은 홀로그램의 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)이 진폭 및 위상 성분을 갖기 때문에 완전-복소 홀로그램으로 불릴 수 있다. 각 화소에 할당된 값(그레이 레벨)은 진폭 및 위상 성분을 갖는 복소수로 표현될 수 있다. 일부 실시예에서, 완전-복소 컴퓨터 생성 홀로그램이 계산된다.
위상 값, 위상 성분, 위상 정보, 또는 간단히, 컴퓨터 생성 홀로그램 또는 공간 광 변조기의 화소들의 위상을 "위상-지연"의 약자로서 참조할 수 있다. 즉, 기술된 임의의 위상 값은 사실 그 화소에 의해 제공된 위상 지연의 양을 나타내는 숫자(예를 들어, 0 내지 2π범위인)이다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 화소가 위상 값 π/2를 갖는 것으로 기술된다면, 이는 전달된 광의 위상을 π/2라디안만큼 변경할 것이다. 일부 실시예들에서, 공간 광 변조기의 화소 각각은 복수의 가능한 변조 값들(예를 들어, 위상 지연 값들)에서 동작 가능하다. "그레이 레벨"이란 용어는 복수의 이용 가능한 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, "그레이 레벨"이란 용어는 상이한 위상 레벨들이 상이한 그레이 정도를 제공하지 않더라도, 편의상 위상-한정 변조기의 복수의 가용 위상 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다. "그레이 레벨"이란 용어는 또한 복소 변조기에서 복수의 가용 복소 변조 레벨을 지칭하는데 사용될 수 있다.
상이한 실시예들 및 실시예들의 그룹이 후술하는 상세한 설명에 개별적으로 개시될 수 있지만, 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 임의의 특징은 임의의 실시예들 또는 실시예들의 그룹의 임의의 다른 특징 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다. 즉, 본 개시에 개시된 특징들의 모든 가능한 조합 및 순열이 고려된다.
구체적인 실시예들은 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다:
도 1은 스크린 상에 홀로그래픽 재구성을 생성하는 반사형 SLM을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 예시적인 Gerchberg-Saxton 타입 알고리즘의 첫 번째 반복을 도시한다.
도 2b는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 2c는 Gerchberg-Saxton 형 알고리즘의 대안적인 두 번째 및 후속 반복을 도시한다.
도 3은 반사형 LCOS SLM의 개략도이다.
도 4는 차량 내 HUD 예시를 도시한다.
도 5는 제1 그룹의 실시예들을 도시한다.
도 6은 제2 그룹의 실시예들을 도시한다.
도 7은 제3 그룹의 실시예들을 도시한다.
도 8은 제4 그룹의 실시예들을 도시한다.
도 9는 제5 그룹의 실시예들을 도시한다.
도면 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.
본 발명은 다음에 설명되는 구성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구 범위의 전체 범위로 확장한다. 즉, 본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며 설명의 목적으로 제시된 기재된 구성에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
단수형의 용어는 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
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 서술함에 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)"라는 기재가 사용되지 않는 한, 비연속적 경우를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 본 명세서에서 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 청구 범위를 벗어남 없이 제1요소로 지칭될 수 있다.
상이한 구성의 특징들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 연결되거나 결합될 수 있으며, 다양한 형태로 서로 상호 작용할 수 있다. 어떤 구성은 서로 독립적으로 수행될 수도 있고, 서로 연계되어 함께 수행될 수도 있다.
광학 구성
도 1은 컴퓨터 생성 홀로그램이 단일 공간 광 변조기 상에 인코딩 되는 실시예를 도시한다. 컴퓨터 생성 홀로그램은 재구성을 위한 객체의 푸리에 변환이다. 따라서 홀로그램은 객체의 푸리에 도메인 또는 주파수 도메인 또는 스펙트럼 도메인 표현이라고 말할 수 있다. 일 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘 장치, “LCOS” 상의 반사형 액정이다. 홀로그램은 공간 광 변조기 상에 인코딩 되고, 홀로그래픽 재구성은 재생 필드, 예컨대 스크린 또는 디퓨져와 같은 수광 부재 또는 스크린에 형성된다.
예컨대 레이저나 레이저 다이오드 같은 광원(110)은 콜리메이팅 렌즈(Collimating Lens, 111)를 통해 SLM(140)에 조사하도록 배치된다. 콜리메이팅 렌즈는 광이 SLM 상에 전체적으로 평면 파면으로 입사되도록 만든다. 파면의 방향은(예컨대, 투명층의 평면 대비 완전 직각으로부터 2도 또는 3도 정도 떨어진) 약간 오프노멀(Off-Normal)하다. 다른 실시들예에서, 전체적으로 평면 파면은 예를 들어 빔 스플리터를 사용하여 수직 입사 방식으로 제공된다. 도 1에 도시된 예시에서, 이러한 배치는, 광원으로부터 오는 광이 SLM의 후방면의 미러에 반사되며 출사 파면(Exiting Wavefront, 112)을 형성하기 위해 위상-변조층(phase-modulating layer)과 상호작용하게 한다. 출사 파면(112)은 스크린(125)에 초점이 맞춰진 푸리에 변환 렌즈(120)를 포함하는 광학계에 적용된다. 보다 구체적으로, 푸리에 변환 렌즈(120)는 SLM(140)으로부터 변조 된 광 빔을 수신하고 스크린(125)에서 홀로그래픽 재구성을 생성하기 위해 주파수 공간 변환을 수행한다.
특히, 이러한 유형의 홀로그램에서 홀로그램의 각 픽셀들이 전체 재구성에 관여한다. 재생 필드 상의 특정 지점들(또는 이미지 픽셀들)과 특정 광 변조 요소들(또는 홀로그램 픽셀들) 간에는 일대일 상관 관계가 없다. 즉, 광 변조층으로부터 출사되는 변조된 광은 재생 필드에 걸쳐서 분배된다.
이 실시예들에서, 공간 내 홀로그램 재구성의 위치는 푸리에 변환 렌즈의 굴절력(dioptric power)(집속력)에 의해 결정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 푸리에 변환 렌즈는 물리적인 렌즈이다. 즉, 푸리에 변환 렌즈는 광학 푸리에 변환 렌즈이고 푸리에 변환은 광학적으로 수행된다. 임의의 렌즈가 푸리에 변환 렌즈 역할을 할 수는 있으나 수행하는 푸리에 변환의 정확도에 관하여 그 렌즈의 성능이 제한될 것이다. 당업자는 광학 푸리에 변환을 수행하기 위해 렌즈를 어떻게 사용해야 하는 지 이해할 것이다.
홀로그램 계산
일부 실시예에서, 컴퓨터 생성 홀로그램은 푸리에 변환 홀로그램, 또는 단순히 푸리에 홀로그램 또는 푸리에 기반 홀로그램이고, 여기서 이미지는 양의 렌즈의 푸리에 변환 특성을 이용하여 파-필드(far-field)에서 재구성된다. 푸리에 홀로그램은 재생면의 원하는 광 필드를 푸리에 변환하여 렌즈 평면에 오도록 계산된다. 컴퓨터 생성 푸리에 홀로그램은 푸리에 변환을 사용하여 계산될 수 있다.
푸리에 변환 홀로글램은 게르흐버그-섹스톤(Gerchberg-Saxton) 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 계산 될 수 있다. 또한, 게르흐버그-섹스톤 알고리즘은 공간 도메인 내 진폭-한정 정보(예컨대, 화상) 로부터 푸리에 도메인 내 홀로그램(예를 들어, 푸리에 변환 홀로그램)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 즉, 객체에 관한 위상 정보는 공간영역 내의 진폭-한정 정보로부터 "얻어질(retrieved)" 수 있다. 몇몇 실시예들에서 컴퓨터 생성 홀로그램은 게르흐버그-섹스톤 알고리즘 또는 그 다양한 변환 응용법들을 이용해 진폭-한정 정보로부터 계산된다.
게르흐버그-색스톤 알고리즘은, 각각의 평면 A와 B에서 광빔(light beam) IA(x, y) 및 IB(x, y)의 강도 단면(intensity cross-sections)이 각각 단일 푸리에 변환으로 상호 연관되어 있는 상황을 고려한다. 주어진 강도 단면에서, 평면 A 및 B에서의 각각의 위상 분포에 대한 근사치인 ΨA(x, y) 및 ΨB(x, y) 가 구해진다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 반복 프로세스(iterative process)를 따름으로써 이 문제에 대한 해결책을 찾는다. 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 공간 영역과 푸리에(스펙트럼 또는 주파수) 영역 사이에서 IA(x, y) 및 IB(x, y)를 대표하는 데이터 세트(진폭 및 위상)를 반복적으로 전달하면서(repeatedly transferring) 공간적 및 스펙트럼 제약(constraints)을 반복적으로 적용한다. 공간 및 스펙트럼 제약 조건은 각각 IA(x, y) 및 lB(x, y)이다. 공간 또는 스펙트럼 영역의 제약 조건은 데이터 세트의 진폭에 부여된다. 해당 위상 정보는 일련의 반복을 통해 얻어진다.
몇몇 실시예들에서, 위상한정 홀로그램은 영국 특허 제2,498,170 호 또는 제2,501,112 호에 기술 된 바와 같은 게르흐버그-색스톤 알고리즘에 기반한 알고리즘을 사용하여 계산되며, 이는 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다. 다만, 본 명세서에 기술된 위상 한정 홀로그램을 계산하는 것은 단지 예시로서 기술된 것에 불과하다. 이 실시예들에서, 게르흐버그-색스톤 알고리즘은 알려진 진폭 정보 T[x, y]를 나타내는 데이터 세트에 푸리에 변환의 위상 정보 Ψ[u, v]를 획득하고, 여기서, 진폭 정보 T[x, y]는 대상 이미지(예컨대, 화상)를 나타낸다. 크기 및 위상은 푸리에 변환에 의해 본질적으로 결합되기 때문에, 변환된 크기 및 위상은 계산된 데이터 세트의 정확도와 관련된 유용한 정보를 내포한다. 이에, 이 알고리즘은 진폭 및 위상 정보 모두를 피드백 하는 방식으로 반복적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이 실시예들에서, 위상 정보 Ψ[u, v]만이 이미지 평면에서 대상 이미지를 표현하는 홀로그램을 형성하기 위해 홀로그램으로서 사용된다. 홀로그램은 위상 값들의 데이터 세트(예, 2D 어레이)이다.
다른 실시예들에서, 게르흐버그-섹스톤 알고리즘에 기반한 알고리즘이 완전 복소 홀로그램(fully-complex hologram)을 계산하기 위해 사용된다. 완전 복소 홀로그램은 크기 성분 및 위상 성분을 갖는 홀로그램이다. 홀로그램은 복소 데이터 값을 갖는 데이터 세트(예를 들어, 2D 어레이)이며, 여기서 각각의 복소 값은 크기 성분 및 위상 성분을 가진다.
몇몇 실시예들에서, 이 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 간주 될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복소수 데이터의 2 개의 성분은 알고리즘의 여러 단계들에서 상이하게 처리된다.
도 2a는 위상-한정 홀로그램을 계산하기 위한 일부 실시예에 따른 알고리즘의 제1반복을 도시한다. 알고리즘에 대한 입력은 화소 또는 데이터 값의 2D 어레이를 포함하는 입력 이미지(210)이며, 여기서 각 화소 또는 데이터 값은 크기 또는 진폭 값이다. 즉, 입력 이미지(210)의 각 화소 또는 데이터 값은 위상 성분을 갖지 않는다. 따라서, 입력 이미지(210)는 크기-한정 또는 진폭-한정 또는 세기-한정 분포로 간주될 수 있다. 이러한 입력 이미지(210)의 일례는 프레임의 시간적 시퀀스를 포함하는 비디오 또는 화상의 한 프레임이다. 알고리즘의 제1반복은 랜덤 위상 분포(또는 랜덤 위상 시드)(230)를 사용하여, 초기 복소 데이터 세트(starting complex data set)의 각각의 데이터 요소가 크기 및 위상을 포함하도록, 입력 이미지의 각 화소에 랜덤 위상 값을 할당하는 단계를 포함하는 데이터 형성 단계(202A)에서 시작한다. 초기 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제1프로세싱 블록(250)은 초기 복소 데이터 세트를 수신하고 복소 푸리에 변환을 수행하여 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성한다. 제2프로세싱 블록(253)은 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하여 홀로그램(280A)을 출력한다. 일부 실시예에서, 홀로그램(280A)은 위상-한정 홀로그램이다. 이들 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 각각의 위상 값을 양자화하고 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 각 진폭 값을 1로 설정한다. 각 위상 값은 위상-한정 홀로그램을 "표시"하는데 사용될 공간 광 변조기의 화소 상에 표현될 수 있는 위상 레벨에 따라 양자화된다. 예를 들어, 공간 광 변조기의 각 화소가 256 개의 상이한 위상 레벨을 제공하면, 홀로그램의 각 위상 값은 256개의 가능한 위상 레벨 중 하나의 위상 레벨로 양자화된다. 홀로그램(280A)은 입력 이미지를 나타내는 위상-한정 푸리에 홀로그램이다. 다른 실시예에서, 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 실시예에서, 제2프로세싱 블록(253)은 홀로그램(280A)을 형성하기 위해 복수의 허용 가능한 복소 변조 레벨 중 하나로 각각의 복소 데이터 값을 제한한다. 제한 단계는 복소수 평면에서 각 복소 데이터 값을 가장 가까운 허용 복소수 변조 레벨로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 홀로그램(280A)은 스펙트럼 또는 푸리에 또는 주파수 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 이 시점에서 정지한다.
그러나, 다른 실시예에서, 알고리즘은 도 2A의 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 계속된다. 즉, 도 2a의 점선 화살표를 따르는 단계는 선택적이다(즉, 모든 실시예에 필수적인 것은 아님).
제3 프로세싱 블록(256)은 제2프로세싱 블록(253)으로부터 수정된 복소 데이터 세트를 수신하고, 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 형성하기 위해 역 푸리에 변환을 수행한다. 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트는 공간 도메인에서의 입력 이미지를 나타낸다고 말할 수 있다.
제4프로세싱 블록(259)은 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트를 수신하고, 진폭 값(211A)의 분포 및 위상 값(213A)의 분포를 추출한다. 선택적으로, 제4프로세싱 블록(259)은 진폭 값들(211A)의 분포를 평가한다. 구체적으로, 제4프로세싱 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 값들(211A)과 입력 이미지(210)의 분포 사이의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 허용 가능한 것으로 결정할 수 있다. 즉, 진폭 값들(211A)의 분포와 입력 이미지(210)의 차이가 충분히 작으면, 제4프로세싱 블록(259)은 홀로그램(280A)이 입력 이미지(210)를 충분히 정확하게 나타내는 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비교 과정에서 역 푸리에 변환된 복소 데이터 세트의 위상 값(213A)의 분포는 무시된다. 진폭 값들(211A) 및 입력 이미지(210)의 분포를 비교하기위한 임의의 수의 상이한 방법들이 이용될 수 있으며, 본 개시는 임의의 특정 방법에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 평균 제곱 차이가 계산되고, 평균 제곱 차이가 임계값 보다 작은 경우, 홀로그램(280A)은 수용 가능한 것으로 간주된다. 제4프로세싱 블록(259)이 홀로그램(280A)이 수용 가능하지 않다고 결정하면, 알고리즘의 추가 반복이 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 비교 단계는 필수적인 것은 아니며, 다른 실시예에서, 수행된 알고리즘의 반복 횟수는 미리 결정되거나 미리 설정되거나 사용자 정의된다.
도 2b는 알고리즘의 두 번째 반복 및 알고리즘의 임의의 반복을 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 처리 블록을 통해 피드백 된다. 제1반복에서, 데이터 형성 단계(202A)는 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 랜덤 위상 분포(230)와 결합하여 제1복소 데이터 세트를 형성한다. 그러나, 두 번째 및 후속 반복에서, 데이터 형성 단계(202B)는(i) 알고리즘의 이전 반복으로부터의 위상 값(213A)의 분포와(ii) 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 합하여 복소 데이터 세트를 형성하는 단계를 포함한다.
도 2b의 데이터 형성 단계(202B)에 의해 형성된 복소 데이터 세트는 도 2A를 참조하여 기술된 것과 동일한 방식으로 처리되어 제2반복 홀로그램(280B)을 형성한다. 따라서 여기에서 프로세스의 설명은 반복되지 않는다. 알고리즘은 제2반복 홀로그램(280B)이 계산되면 중단될 수 있다. 그러나, 알고리즘의 임의의 수의 추가 반복이 수행될 수 있다. 제3프로세싱 블록(256)은 제4프로세싱 블록(259)이 요구되거나 더 많은 반복이 요구되는 경우에만 요구된다는 것을 이해할 것이다. 출력 홀로그램(280B)은 일반적으로 반복마다 개선된다. 그러나 실제로는, 측정 가능한 개선이 관찰되지 않거나, 처리 시간의 증가라는 부정적 효과가 추가 반복을 수행하는 긍정적 이점 보다 커지는 시점이 도달한다. 따라서, 알고리즘은 반복적이고 수렴적으로 기술된다.
도 2c는 두 번째 및 후속 반복의 대안적인 실시예를 나타낸다. 선행 반복의 위상 값(213A)의 분포는 알고리즘의 프로세싱 블록을 통해 피드백 된다. 진폭 값(211A)의 분포는 대안적인 진폭 값의 분포를 위해 소거된다. 이 대안적인 실시예에서, 대안적인 진폭 값의 분포는 이전 반복의 진폭 값(211)의 분포로부터 도출된다. 특히, 프로세싱 블록(258)은 이전 반복의 진폭 값들(211)의 분포로부터 입력 이미지(210)의 진폭 값들의 분포를 감산하고, 그 차이를 이득 계수 α만큼 스케일링하고, 입력 이미지(210)로부터 스케일링 된 차분을 감산한다. 이는 다음의 방정식에 의해 수학적으로 표현되며, 아래 첨자 텍스트 및 숫자는 반복 횟수를 나타낸다.
여기서:
F'는 역 푸리에 변환이고;
F는 순방향 푸리에 변환이고;
R[x, y]는 제3프로세싱 블록(256)에 의해 출력된 복소 데이터 세트이고;
T[x, y]는 입력 또는 대상 이미지이고;
∠는 위상 성분이고;
ψ는 위상-한정 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 실시예에서, 이득 계수 α는 반복 횟수에 의존한다. 일부 실시예에서, 이득 계수 α는 단지 반복 횟수의 함수이다.
도 2c의 실시예는 다른 모든 면에서 도 2a 및 도 2b의 실시예와 동일하다. 위상-한정 홀로그램 ψ(u, v)는 주파수 또는 푸리에 도메인에서의 위상 분포를 포함한다고 볼 수 있다.
몇몇 실시예에서, 푸리에 변환은 홀로그램 데이터에 렌즈 데이터를 포함함으로써 계산방식으로 수행된다. 즉, 홀로그램은 렌즈를 나타내는 데이터와 물체를 나타내는 데이터를 포함한다. 이들 실시예에서, 도 1의 물리적인 푸리에 변환 렌즈(120)는 생략된다. 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서는 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터를 어떻게 계산하는 지가 알려져 있다. 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터는 소프트웨어 렌즈로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 굴절률과 공간적으로 가변하는 광 경로 길이로 인해 렌즈의 각 지점에서 발생하는 위상 지연의 정도를 계산하여 위상-한정 홀로그램 렌즈를 형성할 수 있다. 예를 들어 볼록 렌즈 중앙의 광학 경로 길이는 렌즈 가장자리의 광학 경로 길이보다 길다. 진폭-한정 홀로그램 렌즈는 프레넬 존 플레이트에 의해 형성될 수 있다. 또한, 물리적 푸리에 렌즈 없이 푸리에 변환이 수행될 수 있도록 렌즈를 나타내는 홀로그램 데이터와 물체를 나타내는 홀로그램 데이터를 어떻게 결합하는 지가 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에 알려져 있다. 일부 실시예에서, 렌즈화 데이터(lensing data)는 단순 벡터 가산과 같은 단순 가산에 의해 홀로그램 데이터와 결합된다. 일부 실시예에서, 물리적 렌즈는 푸리에 변환을 수행하기 위해 소프트웨어 렌즈와 함께 사용된다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 홀로그램 재구성은 원거리 필드에서 발생하도록 푸리에 변환 렌즈는 모두 생략된다. 추가 실시예에서, 홀로그램은 격자 데이터-, 즉 빔 스티어링과 같은 격자의 기능을 수행하도록 배열된 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 생성 홀로그램 분야에서 이러한 홀로그램 데이터를 계산하고 이를 물체를 나타내는 홀로그램 데이터와 결합하는 방법은 알려져 있다. 예를 들어, 블레이즈 격자(blazed grating) 표면의 각 지점에 의해 발생하는 위상 지연을 모델링하여 위상-한정 홀로그램 격자를 형성할 수 있다. 진폭-한정 홀로그램 격자는 진폭-한정 홀로그램의 각도 조정을 제공하기 위해 객체를 나타내는 진폭-한정 홀로그램에 단순히 중첩될 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 또는 광학들에 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 푸리에 홀로그램 및 게르흐버그-색스톤 타입 알고리즘에 관한 것이다. 본 개시는 포인트 클라우드 방법에 기초한 것과 같은 다른 기술에 의해 계산된 프레넬 홀로그램 및 홀로그램에도 동등하게 적용 가능하다.
광 변조
공간 광 변조기는 컴퓨터 생성 홀로그램을 디스플레이 하는 데 사용될 수 있다. 홀로그램이 위상-한정 홀로그램인 경우, 위상을 변조하는 공간 광 변조기가 필요하다. 홀로그램이 완전-복소 홀로그램인 경우, 위상 및 진폭을 변조하는 공간 광 변조기가 사용될 수 있거나 위상을 변조하는 제1공간 광 변조기 및 진폭을 변조하는 제2공간 광 변조기가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 공간 광 변조기의 광 변조 소자(즉, 화소)는 액정을 포함하는 셀이다. 즉, 일부 실시예에서, 공간 광 변조기는 광학 능동 소자가 액정인 액정 장치이다. 각각의 액정 셀은 복수의 광 변조 레벨을 선택적으로 제공하도록 구성된다. 즉, 각 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 실시예에서, 공간 광 변조기는 실리콘(LCOS) 공간 광 변조기 상의 반사형 액정이지만, 본 발명은 이러한 유형의 공간 광 변조기에 한정하지 않는다.
LCOS 장치는 작은 개구(예를 들어, 폭이 수 센티미터) 내의 조밀한 어레이의 광 변조 소자 또는 화소를 제공한다. 화소는 통상 약 10미크론 이하이어서 수 도 수준의 회절각을 가지며, 이는 광학 시스템이 콤팩트 할 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 화소를 구동하는 회로를 반사 표면 아래에 묻을 수 있다. 결과적으로 개구율이 높아진다. 즉, 화소는 밀집되어 있어 화소 간에 낭비되는 공간(dead space)이 거의 없음을 의미한다. 이는 재생 필드에서의 광학 노이즈를 감소시키므로 유리하다. LCOS SLM은 화소가 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 소자는 단결정 실리콘 기판(302)을 사용하여 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 제2배향층(305) 사이에 배치된다.
사각 전극(301) 각각은, 투명전극(307) 영역 상부와 중간에 개재되는 액정물질과 함께, 종종 화소로 지칭되는 제어 가능한 위상 변조 소자(308)를 형성한다. 유효 화소 영역, 즉 충전율은 화소(301a) 사이의 공간까지 고려하여 광학적으로 활성인 총 화소의 비율이다. 각각의 전극(301)에 인가된 투명전극(307)에 대한 전압을 제어함으로써, 위상 변조된 요소의 액정 물질의 특성은 변화될 수 있고, 따라서 그에 입사되는 입사광에 가변 지연을 제공한다. 이렇게 함으로써 파면(wavefront)에 위상-한정 변조가 가해지는 한편 어떤 진폭 효과도 발생하지 않는다.
전술한 LCOS SLM는 공간적으로 변조된 광을 반사에 의해 출력한다. 반사형 LCOS SLM은 신호 라인, 게이트 라인 및 트랜지스터가 미러 면 아래에 있으며, 높은 충전율(일반적으로 90 % 이상) 및 고해상도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 반사형 LCOS 공간 광 변조기를 사용하는 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.
헤드 업 디스플레이
도 4는 자동차와 같은 차량의 HUD를 보여준다. 차량의 윈드스크린(430) 및 보닛(또는 후드)(435)이 도 4에 도시되어 있다. HUD는 화상 생성 유닛, "PGU", 410 및 광학 시스템(420)을 포함한다.
이 예시에서, PGU(410)는 광원, 수광 표면(light receiving surface) 및 화상의 이미지 콘텐츠를 컴퓨터 제어하도록 배열된 프로세서(또는 컴퓨터)를 포함한다. PGU(410)는 수광 표면 상에 이미지 또는 이미지 시퀀스를 생성하도록 배열된다. 수광 표면은 스크린 또는 확산 기일 수 있다. 일부 실시예에서, 수광 표면은 플라스틱(즉, 플라스틱으로 제조된 것)이다.
광학 시스템(420)은 입력 포트, 출력 포트, 제1 미러(421) 및 제2 미러(422)를 포함한다. 제1 미러(421) 및 제2 미러(422)는 광학 시스템의 입력 포트로부터의 광을 광학시스템의 출력 포트로 안내하도록 배열된다. 보다 구체적으로, 제2 미러(422)는 PGU(410)로부터 화상의 광을 수신하도록 배치되고, 제1 미러(421)는 제2 미러(422)로부터 화상의 광을 수신하도록 배치된다. 제1 미러(421)는 또한 수신된 화상의 광을 출력 포트로 반사하도록 배치된다. 이에, 입력 포트로부터 출력 포트까지의 광 경로는 입력 포트로부터 제2 미러(422)까지의 제1 광 경로(423)(또는 제1 광 경로 구성 요소) 및 제2 미러로부터 제1 미러(421)까지의 제2 광 경로(424)(또는 제2 광 경로 구성 요소)를 포함한다. 물론 제1 미러로부터 출력 포트까지의 제3 광 경로(또는 광 경로 구성 요소)가 있지만 도 4에서는 참조 번호를 할당하지 않았다. 도 4에 표시된 광학 구조는 광 경로의 형상에 기인하여 "z-fold" 구조라고 지칭될 수 있다.
HUD는 광학 시스템(420)의 출력 포트로부터의 화상의 광이 윈드스크린(430)에 입사되고 윈드스크린(430)에 의해 적어도 부분적으로 HUD의 사용자(440)에게 반사되도록 차량 내에 구성되며 위치된다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 광학 시스템은 윈드스크린에서 공간적으로 변조된 광을 반사함으로써 윈드스크린에서 각 화상의 가상 이미지를 형성하도록 배열된다. HUD의 사용자(예: 자동차 운전자)는 윈드스크린(430)에서 화상의 가상 이미지(450)를 시인한다. 따라서, 실시예에서, 광학 시스템은 차량의 윈드스크린에 각 화상의 가상 이미지를 형성하도록 배열된다. 가상 이미지(450)는 자동차의 보닛(435) 아래에 이격되어 형성된다. 예를 들어, 가상 이미지는 사용자(440)로부터 1 내지 2.5 m 거리에 있을 수 있다. 화상의 광이 광학 시스템(420)에 의해 윈드스크린(430) 및 사용자(440)에게 지향되도록 광학 시스템(420)의 출력 포트는 자동차의 대시 보드에 있는 개구에 정렬된다. 이 구조에서, 윈드스크린(430)은 광학 컴바이너로서 기능한다. 일부 실시예에서, 광학 시스템은 시스템에 포함된 추가적인 광학 컴바이너 상에 각 화상의 가상 이미지를 형성하도록 배열된다. 윈드스크린(430) 또는 추가적인 광학 컴바이너(포함된 경우)는 실제 장면의 광과 화상의 광을 결합한다. 따라서 HUD는 화상의 가상 이미지를 포함하는 증강 현실을 제공할 수 있다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 증강 현실 정보는 내비게이션 정보 또는 자동차 속도와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 화상을 형성하는 광은 브루스터(Brewster) 각도(편광 각도라고도 함) 또는 브루스터 각도의 5도 이내, 예컨대, 브루스터(Brewster) 각도의 2도 이내로 윈드스크린에 입사함으로써 출력된다.
일부 실시예에서, 제1 미러 및 제2 미러는, HUD의 물리적 크기를 과도하게 증가시키지 않고 광 경로 길이를 증가시키기 위해 입력에서 출력으로 광 경로를 굽히도록 배열된다.
PGU(410)의 수광 표면에 형성된 화상은 폭과 높이가 몇 센티미터에 불과할 수 있다. 따라서, 제1 미러(421) 및 제2 미러(422)는 전체적으로 또는 개별적으로 확대를 시킨다. 즉, 제1 미러 및/또는 제2 미러는 광 파워(즉, 굴절력(dioptric power) 또는 집속력(focusing power))를 가질 수 있다. 따라서 사용자(440)는 PGU에 의해 형성된 화상의 확대된 가상 이미지(450)를 시인한다. 제1 미러(421) 및 제2 미러(422)는 또한 일반적으로 복잡한 곡선 형태를 갖는 윈드스크린(430)에 의해 야기되는 것과 같은 광학적 왜곡을 보정할 수 있다. 굽혀진 광학 경로와 미러의 광 파워는 함께 화상의 가상 이미지를 적절하게 확대할 수 있도록 한다.
실시예들에서, PGU(410)는 홀로그램 프로젝터 및 스크린 또는 확산기와 같은 수광 표면을 포함한다. 상기 개시에 따르면, 홀로그램 프로젝터는 광원, 공간 광 변조기 및 홀로그램 프로세서를 포함한다. 공간 광 변조기는 공간 광 변조기 상에 표시된 홀로그램에 따라 광을 공간 변조하도록 배열된다. 홀로그램 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 제공하도록 배열된다. 일부 실시예에서, 홀로그램 프로세서는 복수의 컴퓨터 생성 홀로그램을 포함하는 저장소(예를 들어, 메모리)로부터의 출력을 위해 컴퓨터 생성 홀로그램을 선택한다. 다른 실시예에서, 홀로그램 프로세서는 컴퓨터 생성 홀로그램을 실시간으로 계산하고 출력한다. 일부 실시예에서, PGU(410)에 의해 형성된 각각의 화상은 수광 표면상의 홀로그램 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 화상은 수광 표면에서 공간 변조된 광의 간섭에 의해 형성된다.
실시예들은 도 5 내지 도 9를 참조하여 아래에서 설명된다. 이들 도면은 차량의 윈드스크린, 보닛 및 루프의 내장/내부 벽 만을 도시한다. 의심의 여지가 없도록, 제1 광학 서브 시스템과 제2 광학 서브 시스템은 차량 내부, 즉 차량의 외벽 안쪽에 배치된다.
도 5는 제1 실시예 그룹을 나타낸다. 제1 광학 서브 시스템에서 관찰자까지의 광학 경로(560)가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 5는 윈드스크린(530), 보닛(550) 및 루프(540)를 갖는 차량을 도시한다. 도 5는 또한 차량 캐빈의 루프 라이너(roof liner) 내부와 같이 차량의 루프에 직접 또는 간접적으로 고정되거나 장착된 제1 광학 서브 시스템(510)을 및 대시 보드 아래에 장착된 제2 광학 서브 시스템(520)을 도시한다. 제1 광학 서브 시스템(510) 및 제2 광학 서브 시스템(520)은 차량의 운전자와 같은 관찰자를 위한 HUD를 형성하기 위해 협력 구동한다.
구동 중에, 제1 광학 서브 시스템(510)은 화상을 표시하도록 배열되고 제2 광학 서브 시스템(520)은 제1 광학 서브 시스템(510)으로부터 화상의 광을 수신하여 수신된 화상의 광을 윈드스크린(530)에 투사하도록 배열된다. 예를 들어, 수신된 화상의 광을 윈드스크린에 투사하는 단계는 화상의 광을 재지향하거나 화상의 광을 반사하는 것을 포함할 수 있다. 수신된 화상의 광을 투사하는 단계는 또한 예컨대, 수차(aberrations) 또는 윈드스크린의 복잡한 형상을 보정함으로써 가상 이미지의 품질을 개선하기 위해 화상을 확대하고/하거나 수신된 광 필드를 조작하는 단계를 포함할 수 있다. 광학적 배열은 화상의 광이 관찰자에게 반사되도록 한다. 화상의 광은 실질적으로 브루스터 각도로 앞 유리에 입사 된다. 도 5에서 점선으로 표시된 것처럼 차량의 보닛 아래에 멀리 떨어진 곳에 화상의 가상 이미지가 표시된다.
도 6은 제2 실시예 그룹을 나타낸다. 구체적으로, 도 6은 예컨대, 차량 캐빈의 루프 라이너 내부와 같이, 차량의 루프에 직접 또는 간접적으로 고정되거나 장착된 PGU(615) 및 대시 보드 아래에 장착된 프리폼 미러(freeform mirror)(625)을 보여준다. 이 실시예에서, 제1 광학 서브 시스템은 PGU(615)를 포함하고 제2 광학 서브 시스템은 프리폼 미러(625)를 포함한다. 다시 한번, 의심의 여지가 없이, PGU(615)는 차량 외부에 있지 않다. PGU(615) 및 프리폼 미러(625)는 차량 운전자와 같은 관찰자를 위한 HUD를 총체적으로 형성한다. 예를 들어, 제1 광학 서브 시스템으로부터 제2 광학 서브 시스템을 통해 관찰자까지 명료한/ 차단되지 않은 광학 경로를 제공하기 위해 각각의 루프 라이너 및 대시 보드에는 개구가 필요할 수 있다고 이해 될 수 있다. 도시된 실시예에서, PGU(615)는 수광 표면 상에 화상을 형성하도록 배열된 홀로그램 프로젝터이고, 화상은 공간 광 변조기 상에 디스플레이 되는 홀로그램의 홀로그램 재구성이다. 그러나 PGU는 앞서 설명한 바와 같이 모든 유형의 PGU가 될 수 있다.
작동 시, PGU(615)는 화상을 생성하도록 배치되고 프리폼 미러(625)는 PGU(615)로부터 화상의 광을 수신하여 수신된 화상의 광을 윈드스크린(530)에 투사하도록 배치된다. 수신된 화상의 광을 투사하는 단계는 화상의 광을 반사하고 화상을 확대하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 수신된 화상의 광을 투사하는 단계는 가상 이미지를 왜곡하는 윈드스크린의 수차 및/또는 복잡한 형상을 보정하는 단계를 더 포함한다.
프리폼 미러(625)는 PGU(615)로부터의 화상의 광을 입력으로서 수신하고, 수신된 화상의 광을 윈드스크린(530)에 반사하여 출력하도록 배열된다. 윈드스크린(530)은 프리폼 미러(625)으로부터 반사된 화상의 광을 수신하며 관찰자에게 화상의 광을 반사시켜 관찰자가 화상의 가상 이미지를 관찰자의 전방에서, 예컨대 보닛 아래에 이격되게 볼 수 있도록 한다.
선택적으로, 제1 광학 서브 시스템은 PGU와 프리폼 미러 사이의 광학 경로 상에 미러를 더 포함할 수 있다. 이 미러는 PGU로부터 화상의 광을 수신하고 수신된 화상의 광을 프리폼 미러로 반사하도록 배열될 수 있다. PGU 및 추가 미러는 차량 캐빈의 루프 라이너 내부와 같이 윈드스크린의 상부 영역에 근접한 제1 광학 서브 시스템을 전체적 함께 형성한다. 프리폼 미러는 제1 광학 서브 시스템의 미러로부터 화상의 광을 수신하고 앞서 설명된 바와 같이 수신된 화상의 광을 윈드스크린(530)으로 반사한다.
도 7은 제3 실시예 그룹을 도시한다. 제1 광학 서브 시스템은 PGU를 포함한다. PGU는 레이저 다이오드(716), 콜리메이팅 표면(collimating surface)(718), 광 도파관(optical waveguide)(717), LCOS SLM(719) 및 스크린 또는 확산기와 같은 수광 표면(721)을 포함한다. LCOS SLM(719)은 본 개시에 따라 홀로그램을 디스플레이하도록 배열된다. 홀로그램은 푸리에 변환을 수행하도록 배열된 소프트웨어 렌즈를 포함한다. 수광 표면(721)은 표시된 홀로그램에 대응하는 홀로그램 재구성이 그 위에 형성되도록 소프트웨어 렌즈의 초점 거리에 위치한다. 따라서 PGU의 화상은 수광 표면(721)에 형성된다. 도 7에 도시된 구성 요소들은 축척이 맞춰진 것은 아니며 제1 광학 서브 시스템은 예를 들어 캐빈의 부피를 줄이지 않도록 상당한 부피를 추가함이 없이 루프 라이닝에 통합될 수 있는 얇은 물리적 형태를 갖는다. 광 도파관(717)은 당업자에게 알려진 방식으로 내부 전반사를 사용하여 입력부로부터 출력부까지 광을 안내하도록 구성된다. 광 도파관(717)에 대한 입력부는 레이저 다이오드(716)로부터 콜리메이팅 된 광을 수신한다. 레이저 다이오드(716)가 콜리메이팅 된 광을 방출하거나, 대안적인 콜리메이팅 요소가 레이저 다이오드(716)와 LCOS SLM(719) 사이에 위치하는 경우, 콜리메이팅 표면(718)은 생략될 수 있다. 콜리메이팅 표면(718)은 선택적 특징이다. 광 도파관(717)은 레이저 다이오드(716)로부터의 광을 LCOS SLM(719)으로 안내하고 이는 디스플레이된 홀로그램에 따라 광을 공간적으로 변조한다. 화상은 수광 표면(721)에 형성되고 프리폼 미러(625)는 수광 표면(721)으로부터 화상의 광을 수신하도록 배열된다. 프리폼 미러(625)는 제2 그룹의 실시예들 따라 화상의 광을 윈드스크린에 반사시킨다.
선택적으로, 렌즈 또는 형상 표면과 같은 광학 파워를 제공하는 추가 광학 요소가 LCOS SLM(719)과 수광 표면(721) 사이에 포함될 수 있다. 이 광학 요소는 소프트웨어 렌즈 대신 푸리에 변환을 수행하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 소프트웨어 렌즈를 가지면서 광학 요소가 소프트웨어 렌즈와 함께 푸리에 변환을 전체적으로 함께 수행하도록 구성될 수 있다. 즉, 푸리에 변환을 수행하는데 필요한 광 파워는 소프트웨어 렌즈와 추가 광학 요소 사이에서 분배될 수 있다.
도 8은 도 7의 수광 표면(721)이 생략된 실시예들의 제4 그룹을 나타낸다. 도 8에서, 홀로그램 재구성은 재생 평면(822)의 자유 공간에 형성된다. 즉, 물리적 구성 요소는 재생 평면(822)에 존재하지 않는다. 그러나, 제1 광학 서브 시스템은 앞서 설명된 것과 동일한 방식으로 홀로그램 재구성을 형성한다. 수광 표면이 누락되는 것을 보상하기 위해 제2 광학 서브 시스템을 변경할 필요가 없다. 그러나, 당업자는 수광 표면이 확산된 경우 수광 표면을 생략하면 HUD 시스템의 소위 아이 박스의 크기가 줄어들 수 있다고 이해할 수 있으나 다만, 이는 본 개시의 범위 외에서 다른 방식으로 기술될 수도 있다.
대안적으로, (홀로그램) 재생 평면은 제2 광학 서브 시스템의 이후 단에 형성될 수 있다. 이 대안예에서, 프리폼 광학체(625)의 광 파워는 푸리에 변환에 기여할 수 있거나 심지어 푸리에 변환에 요구되는 모든 필요 광 파워를 제공할 수 있다. 선택적으로 재생 평면은 관찰 평면, 즉 관찰자의 눈을 포함하는 평면과 일치할 수 있다.
도 9는 관찰자에게 투사된 광 패턴이 홀로그램 재구성이 아닌 홀로그램 광 필드(즉, 홀로그램 기록에 직접 대응)인 제5 실시예 그룹을 나타낸다. 따라서 도 9는 필요한 푸리에 변환이 관찰자의 눈 렌즈에 의해 수행된다는 점에서 도 8과 다르다. 이에 홀로그램 재구성은 관찰자 앞에 있는 여유 공간에서 형성되지 않는다. 의심의 여지가 없도록 LCOS SLM(919)를 포함한 시스템의 광학 구성 요소는 개별적으로 또는 총체적으로 푸리에 변환을 수행하지 않는다. 실제로, 홀로그램 패턴이 투사되고, 관찰하는 사람의 눈에 있는 렌즈의 광학 파워가 필요한 푸리에 변환을 수행한다. 제2 광학 서브 시스템은 차량의 보닛 아래로 홀로그램의 이미지를 투영하는 프리폼 미러(925)를 포함한다. 이 경우, 프리폼 미러(925)는 홀로그램의 이미지를 확대할 수 있고 선택적으로 시스템의 광학 수차 또는 윈드스크린의 복잡한 형태를 보정할 수 있다.
설명된 실시예 또는 실시예의 그룹 중 임의의 것에서, 대시 보드 내의 제2 광학 서브 시스템은 복수의 미러와 같은 복수의 광학 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리폼 미러(625/925)는 복수의 광학 요소로 대체될 수 있다. 2 개 또는 3 개의 미러 - 프리폼 미러(625/925)와 동일한 기능을 총체적으로 수행한다. 이 예에서 광학적 처리 - 예: 프리폼 미러(625/925)에 의해 수행되는 확대, 수차 보정 등은 복수의 광학 요소, 예를 들어, 2개 또는 3개의 미러로 분배될 수 있다. 당업자는 기술된 HUD를 제공하기 위해 렌즈 및 필터와 같은 임의의 다른 종래의 광학체가 제2 광학 서브 시스템에 어떻게 포함될 수 있는지 이해할 것이다.
설명된 실시예 또는 실시예의 그룹 중 임의의 것에서, 레이저 다이오드와 같은 레이저가 광원으로 사용되기 때문에 화상의 광은 협대역(파장)일 수 있다. 따라서 제1 또는 제2 광학 서브 시스템의 광학 구성 요소 중 적어도 하나는 레이저 라인 필터와 같은 파장 선택 필터를 포함할 수 있으며, 이는 화상의 광이 설명된 광학 시스템을 통해 전파되지만 광학 시스템에서 다른 파장의 빛을 감쇠 또는 제거할 수 있다. 예를 들어, 프리폼 미러(625/925)는 화상의 광을 반사하지만 원하지 않는 적외선 및 / 또는 자외선을 포함하는 태양의 빛과 같은 다른 파장의 빛을 흡수하거나 투과하도록 배열된 반사 레이저 라인 필터를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 설명된 임의의 실시예 또는 실시예 그룹에서, LCOS 장치와 같은 편광 민감성 장치가 공간 광 변조기로서 사용되기 때문에 화상의 광이 선형 편광 될 수 있다. 따라서, 제1 또는 제2 광학 서브 시스템의 광학 구성 요소 중 적어도 하나는 직교 편광의 태양 광과 같은 직교 편광의 미광을 감쇠 또는 제거하기 위해 편광기 또는 편광 코팅과 같은 편광 필름을 포함할 수 있다.
추가 특징들
실시예는 단지 예로서 전기적으로 활성화된 LCOS 공간 광 변조기를 지칭한다. 본 개시의 교시는, 예컨대 임의의 전기적으로 활성화된 SLM, 광학적으로 활성화된 SLM, 디지털 마이크로 미러 디바이스 또는 마이크로 전자 기계적 디바이스와 같은 본 발명에 따른 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시할 수 있는 임의의 공간 광 변조기 상에서 동일하게 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 광원은 레이저 다이오드와 같은 레이저이다. 일부 실시예에서, 수광 표면은 확산기 표면 또는 확산기와 같은 스크린이다.
일부 실시예에서, HUD를 제공하기 위해 차량에 설치된 홀로그램 투영 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 트럭, 밴, 트럭, 오토바이, 기차, 비행기, 보트 또는 선박과 같은 자동차 차량일 수 있다.
홀로그래픽 재구성의 품질은 화소화 된 공간 광 변조기를 사용함에 따른 회절 특성에 의한 결과로서 소위 0차(zero order) 문제에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 0차 광은 "잡음"으로 간주될 수 있으며, 예를 들어 SLM으로부터의 경면 반사광 및 다른 원하지 않는 광을 포함한다.
푸리에 홀로그램의 예에서, 이러한 "잡음"는 푸리에 렌즈의 초점 위치에 초점을 맞추어 홀로그래픽 재구성의 중심에 밝은 지점을 만든다. 0차 광은 단순히 차단될 수 있지만, 밝은 스폿을 어두운 스폿으로 교체하는 것을 의미할 것이다. 일부 실시예는 0차 광의 평행화된(collimated) 광선 만을 제거하는 각도 선택 필터를 포함한다. 또한, 실시예는 유럽특허 제2,030,072 호에 개시된 0차(zero-order)를 관리하는 방법을 포함하며, 상기 특허는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다.
일부 실시예에서, 홀로그램의 크기(각 방향의 픽셀 수)는 공간 광 변조기의 크기와 동일하며 이에 홀로그램은 공간 광 변조기를 채운다. 즉, 홀로그램은 공간 광 변조기의 모든 픽셀을 사용한다. 다른 실시예에서, 홀로그램의 크기는 공간 광 변조기의 크기보다 작다. 이러한 다른 실시예 중 일부에서, 홀로그램의 일부(즉, 홀로그램의 픽셀의 연속적인 서브 세트)가 미사용 픽셀에서 반복된다. 이 기술은 공간 광 변조기의 표면 영역이, 적어도 홀로그램의 서브 세트를 나타내는 다수의 "타일"로 분할되는 "타일링"으로 지칭 될 수 있다. 따라서 각 타일은 공간 광 변조기보다 크기가 작다.
홀로그램 재생 필드의 크기(즉, 홀로그램 재구성의 물리적 또는 공간적 범위)는 공간 광 변조기의 픽셀 간격(즉, 공간 광 변조기의 인접한 광 변조 요소 또는 픽셀 사이의 거리)에 의해 결정된다. 재생 필드에서 형성될 수 있는 가장 작은 특징점은 "해상도 요소", "이미지 스폿"또는 "이미지 픽셀"이라고 할 수 있다. 일반적으로 공간 광 변조기의 각 픽셀은 사각형 모양이다. 사각형 개구(quadrangular aperture)의 푸리에 변환은 sinc 함수이므로 각 이미지 픽셀은 sinc 함수이다. 보다 구체적으로, 재생 필드에 있는 각 이미지 픽셀의 공간 강도 분포는 sinc 함수이다. 각각의 sinc 함수는 피크 강도인 1 차 회절 차수 및 1 차 차수로부터 방사상으로 연장되는 일련의 감소된 강도인 더 높은 회절 차수를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 각 sinc 함수의 크기(즉, 각 sinc 함수의 물리적 또는 공간적 범위)는 공간 광 변조기의 크기(즉, 광 변조 요소 또는 공간 광 변조 픽셀의 어레이에 의해 형성된 개구의 물리적 또는 공간적 범위)에 의해 결정된다. 특히, 광 변조 픽셀 어레이에 의해 형성된 개구가 클수록 이미지 픽셀이 작아진다. 일반적으로 작은 이미지 픽셀을 갖는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, "타일링"기술은 이미지 품질을 증가시키기 위해 구현된다. 특히, 일부 실시예는 홀로그래픽 재구성으로 보내지는 신호 내용의 양을 최대화하면서 이미지 화소의 크기를 최소화하기 위해 타일링 기술을 구현한다.
일부 실시예에서, 공간 광 변조기에 기록된 홀로그래픽 패턴은 적어도 하나의 전체 타일(즉, 완전한 홀로그램) 및 타일의 적어도 하나의 부분(즉, 홀로그램의 화소의 인접한 서브 세트)을 포함한다.
홀로그래픽 재구성은 공간 광 변조기에 의해 정의된 전체 윈도우의 0차 회절 차수 내에서 생성된다. 제1 및 후속 차수는 이미지와 겹치지 않도록 충분히 이격되어 공간 필터를 사용하여 차단될 수 있는 것이 바람직하다.
실시예들에서, 홀로그래픽 재구성은 컬러이다. 본 명세서에 개시된 예에서, 3개의 상이한 컬러 광원 및 3개의 대응하는 SLM이 복합 컬러를 제공하기 위해 사용된다. 이들 예는 공간적으로 분리된 컬러, "SSC(spatially-separated colour)"로 지칭될 수 있다. 본 개시 내용을 포함하는 변형 예에서, 각각의 컬러에 대한 상이한 홀로그램은 동일한 SLM의 상이한 영역에 디스플레이 된 다음 합성 컬러 이미지를 형성하기 위해 결합된다. 그러나, 통상의 기술자라면 본 개시의 장치 및 방법 중 적어도 일부가 복합 컬러 홀로그램 이미지를 제공하는 다른 방법에 동일하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
이러한 방법 중 하나로 프레임 순차 색상(FSC: Frame Sequential colour) 방법이 알려져 있다. 예시적인 FSC시스템에서, 3개의 레이저(적색, 녹색 및 청색)가 사용되며, 각각의 레이저는 단일 SLM에서 연속적으로 발사되어 비디오의 각 프레임을 생성한다. 관찰자가 3개의 레이저에 의해 형성된 이미지의 조합으로부터 다색 이미지를 볼 정도로 충분히 빠른 속도로 컬러가(적색, 녹색, 청색, 적색, 녹색, 청색 등) 순환된다. 따라서 각 홀로그램은 색상별로 구분된다. 예를 들어 초당 25프레임의 비디오에서 첫 번째 프레임은 초당 75분의 1 초 동안 빨간색 레이저를 발사한 다음, 초당 1/75초 동안 녹색 레이저를 발사하고, 최종적으로 청색 레이저는 1/75초 동안 발사될 것이다. 그런 다음 빨간색 레이저로 시작하여 다음 프레임이 생성되는 방식이다.
FSC 방식의 장점은 각 컬러에 대해 전체 SLM이 사용된다는 것이다. 이는 SLM의 모든 화소가 각각의 컬러 이미지로 사용되기 때문에 생성된 세가지 색 이미지의 화질이 손상되지 않을 것을 의미한다. 반면, FSC방법의 단점은, 각 레이저가 단지 1/3시간을 사용하기 때문에 생성된 전반적인 이미지가 SSC방법에 의해 생성된 이미지보다 1/3배 정도로 어둡다는 것이다. 이러한 단점은 레이저를 오버드라이브(overdriving)하거나 보다 강한 레이저를 사용함으로써 잠재적으로 해결될 수 있으나, 이는 더 많은 전력을 요구하고, 고비용을 수반하며, 시스템이 덜 콤팩트 하게 된다.
SSC 방법의 장점은 3 개의 레이저가 동시에 발사되어 이미지가 밝아진다는 것이다. 그러나 공간 제한으로 인해 하나의 SLM 만 사용해야하는 경우 SLM의 표면적을 세 부분으로 나눌 수 있으며 실질적으로 세 개의 개별 SLM처럼 작동한다. 이것의 단점은 각각의 단색 이미지에 대해 이용 가능한 SLM 표면적의 감소로 인해 각각의 단색 이미지의 품질이 저하된다는 것이다. 따라서 다색 이미지의 품질이 저하된다. 사용 가능한 SLM 표면적의 감소는 SLM의 더 적은 화소가 사용될 수 있음을 의미하므로 결과적으로 이미지의 품질이 저하된다. 해상도가 낮아짐에 따른 이미지 품질 저하를 의미한다. 실시예는 영국특허 제2,496,108호에 개시된 개선된 SSC 방법을 이용하며, 상기 특허는 그 전체로서 원용되어 본 명세서에 통합된다.
예시들은 가시 광선으로 SLM을 조명하는 것을 설명하지만, 당업자는 광원 및 SLM이 적외선 또는 자외선을, 예를 들어 본 명세서에 개시된 바와 같이, 지향하는 것에도 동등하게 사용될 수 있다고 이해할 것이다. 예를 들어, 당업자는 사용자에게 정보를 제공 할 목적으로 적외선 및 자외선을 가시광으로 변환하는 기술을 알고 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시는 이러한 목적을 위해 인광체 및/또는 양자점 기술을 사용하는 것으로 확장된다.
일부 실시예는 2D 홀로그래픽 재구성을 단지 예로서 기술한다. 다른 실시예에서, 홀로그래픽 재구성은 3D 홀로그래픽 재구성이다. 즉, 일부 실시예에서, 각각의 컴퓨터 생성 홀로그램은 3D 홀로그래픽 재구성을 형성한다.
여기에 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 판독 가능 매체"라는 용어는 솔리드-스테이트 메모리 칩, 광학 디스크, 자기(magnetic) 메모리의 예시적인 형태의 하나 이상의 유형 및 비 일시적 데이터 저장소(예를 들어, 데이터 볼륨)를 포함하지만, 디스크 또는 이들의 임의의 적절한 조합을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 실행을 위한 명령어는 캐리어 매체에 의해 전달될 수 있다. 이러한 캐리어 매체의 예는 일시적인 매체(예를 들어, 명령을 전달하는 전파 신호)를 포함한다.
첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 개시는 첨부된 청구 범위 및 그 등가물의 범위 내의 모든 변경 및 변형을 포함한다.

Claims (9)

  1. 화상을 표시하도록 배열된 차량용 헤드 업 디스플레이에 있어서,
    광 필드를 출력하도록 배열된 제1 광학 서브 시스템으로서:
    광을 방출하도록 배열된 광원;
    광원으로부터 광을 수신하는 공간 광 변조기로서, 공간 변조된 광을 상기 광 필드로 출력하기 위해 상기 공간 광 변조기에 디스플레이된 컴퓨터 생성 홀로그램에 따라 상기 광을 공간적으로 변조하도록 배열된 공간 광 변조기를 포함하는 제1 광학 서브 시스템;
    상기 컴퓨터 생성 홀로그램을 상기 공간 광 변조기로 출력하도록 배열되는 홀로그램 프로세서; 및
    상기 제1 광학 서브 시스템으로부터 상기 광 필드를 수신하고 차량의 윈드스크린에 상기 광 필드를 투사하여 윈드스크린에 가상 이미지를 형성하도록 배열된 제2 광학 서브 시스템을 포함하되, 상기 제2 광학 서브 시스템은 미러와 같은 적어도 하나의 반사 요소를 포함하며,
    상기 제1 광학 서브 시스템은 상기 윈드스크린의 상부 영역에 인접하여 배치되도록 형성되고 상기 제2 광학 서브 시스템은 상기 윈드스크린의 하부 영역에 인접한 차량의 대시 보드 하부에 배치되도록 형성되고,
    상기 제1 광학 서브 시스템과 상기 제2 광학 서브 시스템은 공간적으로 분리되어 단일 프로젝터(single projector)를 형성하며,
    상기 제1 광학 서브 시스템에 의해 출력되는 상기 광 필드는 홀로그램/주파수 도메인의 화상 표현을 포함하는 홀로그램 광 필드이고,
    상기 제2 광학 서브 시스템에 의해 상기 윈드스크린에 투사되는 상기 광 필드는 상기 홀로그램 광 필드에 해당되는 헤드 업 디스플레이.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가상 이미지는 상기 화상의 가상 이미지인 헤드 업 디스플레이.
  3. 제1 항에 있어서,
    관찰자의 렌즈가 공간적으로 변조된 광의 광학 푸리에 변환을 수행하는 헤드 업 디스플레이.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 서브 시스템은: 차량 루프 상에; 내부 지붕 라이너 내부; 백미러 하우징에; 루프 라인 전자 패널에서; 또는 선 바이저에 배치되는, 헤드 업 디스플레이.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는,
    프리폼 광학체 또는 화상의 광을 받는 앞 유리 영역에서 윈드스크린의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배열된 프리폼 광학 표면; 및/또는
    헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광이 전파되는 것을 허용하고 상이한 파장을 갖는 광이 헤드 업 디스플레이를 통해 전파되는 것을 억제하도록 배열된 레이저-라인 선택 필터
    를 포함하는 헤드 업 디스플레이.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 서브 시스템은, 실질적으로 평면이고, 광원으로부터의 광을 공간 광 변조기로 안내하며 공간 광 변조기로부터의 공간적으로 변조된 광을 연속적인 광 경로를 따라 도파관의 출력부로 안내하도록 배열된 실질적으로 평면인 도파관을 포함하는 헤드 업 디스플레이.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 서브 시스템은 미러와 같은 적어도 하나의 반사 요소를 포함하는 헤드 업 디스플레이.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는 광 파워를 갖는 헤드 업 디스플레이.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광학 서브 시스템의 적어도 하나의 반사 요소는,
    프리폼 광학체 또는 화상의 광을 수신하는 윈드스크린의 영역 내에서 윈드스크린의 형상을 적어도 부분적으로 보상하도록 배열된 프리폼 광학 표면; 및/또는
    헤드 업 디스플레이를 통해 화상의 광이 전파되는 것을 허용하고 헤드 업 디스플레이를 통해 다른 파장을 갖는 광이 전파되는 것을 억제하도록 배열된 레이저-라인 선택 필터
    를 포함하는 헤드 업 디스플레이.
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