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KR102564136B1 - 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템 - Google Patents

선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템 Download PDF

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KR102564136B1
KR102564136B1 KR1020210100712A KR20210100712A KR102564136B1 KR 102564136 B1 KR102564136 B1 KR 102564136B1 KR 1020210100712 A KR1020210100712 A KR 1020210100712A KR 20210100712 A KR20210100712 A KR 20210100712A KR 102564136 B1 KR102564136 B1 KR 102564136B1
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hoe
sun visor
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optical element
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신동학
오용석
김재홍
박완용
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주식회사 홀로랩
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Abstract

본발명은 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템에 관한 것으로, 차량에서 정보를 받아와 빔프로젝터로 송출하는 영상제어부;
영상제어부로부터 정보를 받아 영상을 표현하는 빔프로젝터 모듈;
스크린, 하우징, 부속물을 포함하는 영상표시부;
영상표시부의 스크린에 결상된 영상을 HOE 소자부로 반사시키는 거울;
부속물을 포함하는 영상반사부, 영상반사부에서 반사되는 영상을 홀로그램 허드영상으로 변환해 주며, 홀로그래픽 광학소자(HOE), 부속물을 포함하는 HOE 광학소자부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 방법에 관한 것으로, R, G, B 세 개의 레이저 빔들이 여러 개의 거울을 통해서 하나의 빔으로 합쳐지고, 빔분할기(BS)를 거치면서 기준빔 및 신호빔, 2개의 빔으로 나누어지며,
하나의 레이저 광원에서 신호빔과 기준빔으로 나누어서 특정한 방향으로 HOE 기록 매질로 빔을 구면파 형태로 입사시키며,
홀로그램 기록매질에 대한 기준빔의 입사각 및 거리는 레이저 프로젝션 모듈의 빛이 스크린에서 HOE로 입사하는 각도 및 HOE까지 진행한 거리에 맞춰지며, 홀로그램 기록매질에 대한 신호빔의 입사각 및 거리는 각각 HOE를 통하여 관측되는 허드 영상의 주 관측각도 및 허드영상의 투영거리에 맞추는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 제작 방법 및 시스템은 넓은 관측영역(Eyebox) 제공이 가능하며, 큰 면적의 허드영상 제공이 가능하며, 긴 투영거리의 허드영상 제공이 가능하며, 제품 소형화가 가능하며, 고반사율 및 고투과율을 동시 충족 가능하며, 평면 반사판의 사용이 가능하며, 전방주시에 친화적인 제품구조 설계가 가능하며 탈부착 형태의 단순하고 사용에 편리한 제품 구조를 가지는 현저한 효과가 있다.
경상북도 구미시 구미전자정보기술원의 신전자산업 제품화 기술개발사업에서 지원하는 "선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템 개발" 과제(3200090000)를 통해 개발된 기술입니다.

Description

선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템{Method and system for manufacturing sun visor type holographic head-up display}
본 발명은 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템에 관한 것으로, 차량정보 및 주행정보를 운전자에게 보다 안전하고 편안하게 제공하기 위하여, 자동차 내부의 선바이저(sunvisor)(또는 근처)에 장착되는 선바이저형 디스플레이 구조를 가지며, 홀로그래피 기술로 제작되는 홀로그래픽 광학소자(HOE)를 사용하여, 넓은 관측영역(Eyebox) 제공이 가능하며, 큰 면적의 허드영상 제공이 가능하며, 긴 투영거리의 허드영상 제공이 가능하며, 제품 소형화가 가능하며, 고반사율 및 고투과율을 동시 충족 가능하며, 평면 반사판의 사용이 사용하며, 전방주시에 친화적인 제품구조 설계가 가능하며 탈부착 형태의 단순하고 사용에 편리한 제품 구조를 가지는 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 헤드업디스플레이(HUD, head up display)는 전투기 분야에서 응용하기 시작하여 최근에는 항공기 및 차량에 적용되고 있어서 조종사나 운전자가 시선을 분산시키지 않고도 각종 운전정보를 볼 수 있게 해 준다.
특히, 차량용 HUD의 경우에는 운전 중 주기적으로 시선을 네비게이션, 계기판 등으로 이동하게 되고 이는 전방 주시 태만으로 인해 교통사고의 주요 원인으로 지적되고 있다.
또한 사람의 눈은 원거리에 위치한 전방 물체를 보거나 단거리에 놓인 네비게이터, 스마트폰 등을 볼 때 초점이 맺히는 거리가 달라진다.
이로 인하여 순간적인 사물 인지 혼선, 어지러움, 피로감 등 생리적인 문제가 발생할 수 있으며, 이것들은 안전 운행에 지장을 줄 수 있다.
속도, RPM 등의 차량정보 및 주행방향, 교통상황 등의 주행정보를 운전자에게 안전하고 편안한 영상을 제공하는 HUD가 차량에 탑재되어, 편안하고 안전한 주행에 큰 도움을 준다.
차량용 HUD가 보통 대시보드 내외부에 설치되는 것과 달리, 선바이저형 HUD 제품의 경우에는 자동차 내부 천장의 선바이저 위치 또는 그 근방에 설치된다.
운전자의 눈높이를 고려하면, 대시보드 내외부에 놓이는 HUD에서 허드영상을 볼 때에 시선이나 머리가 약간 하향으로 향하게 된다.
사람에 따라서 이러한 점이 불편하거나 피로감 증대의 원인이 될 수 있다.
반면에 선바이저형 HUD의 경우에는 허드영상의 높이가 전방 주시선과 비슷하거나 약간 상향에 놓일 수 있다.
그러므로 운전자에 따라서 이러한 허드영상 위치가 더 편안하고 안전할 수 있다.
특히 고속주행 시에 원거리 전방주시에는 선바이저형 HUD가 대시보드형 HUD보다 적합하다고 생각될 수 있다.
그리고 종래특허기술의 일례로서 등록특허공보 등록번호 10-1781535호에는
차량 객실 내로 유입되는 태양광을 차단하도록 상기 차량의 실내 일측에 회전 가능하게 결합되는 바디;
상기 바디가 기 설정된 각도 범위 내에 위치하는 경우 활성화되어, 차량의 실내 영상을 획득하는 카메라;
상기 바디의 실내측면인 제1 면에 구비되는 제1 디스플레이;
상기 바디의 실외측면인 제2 면에 구비되는 제2 디스플레이; 및 상기 제1 및 제2 디스플레이를 제어하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 실내 영상에 기초하여, 탑승자의 존재 여부를 판단하고, 상기 탑승자의 존재 여부 판단에 기초하여, 상기 제1 및 제2 디스플레이 중 적어도 하나를 활성화하고, 적어도 하나의 그래픽 객체를 상기 활성화된 디스플레이에 표시하는, 선바이저 장치가 공개되어 있다.
또한, 등록특허공보 등록번호 10-0928307호에는 시야 확보를 위한 선바이저 및 작동 방법이 공개되어 있다.
그런데 기존의 선바이저형 HUD는 애프터마켓용 제품이 대부분이며, 다음과 같은 특징 및 제약사항들이 존재한다. 반사식 광학소자(오목거울)을 주로 사용한다. 관측영역(Eyebox)이 협소하다. 관측되는 허드영상의 크기가 작은 편이다. 제공되는 영상의 투영거리가 짧은 편이다. 제품 소형화가 쉽지 않다. 반사판이 고반사율 및 고투과율을 동시에 충족할 수 없다. 반사판의 곡률로 인하여 전방 물체가 왜곡되어 보이는 현상이 발생하여 전방 인식을 저해할 수 있다. 제품 설계 시에 반사판의 반사각 조건을 반드시 만족시켜야 한다. 허드 영상의 크기를 증가시킬 경우, 제품의 부피가 커지게 되고, 허드영상의 왜곡도 커지게 된다.
본 발명은 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이를 제작함에 있어 차량정보 및 주행정보를 운전자에게 보다 안전하고 편안하게 제공하기 위하여, 자동차 내부의 선바이저(sunvisor)(또는 근처)에 장착되는 선바이져형 디스플레이 구조를 가지며, 홀로그래피 기술로 제작되는 홀로그래픽 광학소자(HOE)를 사용하여, 넓은 관측영역(Eyebox) 제공이 가능하며, 큰 면적의 허드영상 제공이 가능하며, 긴 투영거리의 허드영상 제공이 가능하며, 제품 소형화가 가능하며, 고반사율 및 고투과율을 동시 충족 가능하며, 평면 반사판의 사용이 가능하며, 전방주시에 친화적인 제품구조 설계가 가능하며 탈부착 형태의 단순하고 사용에 편리한 제품 구조를 가지는 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 제작 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템에 관한 것으로, 차량에서 정보를 받아와 빔프로젝터로 송출하는 영상제어부;
영상제어부로부터 정보를 받아 영상을 표현하는 빔프로젝터 모듈;
스크린, 하우징, 부속물을 포함하는 영상표시부;
영상표시부의 스크린에 결상 된 영상을 HOE 소자부로 반사시키는 거울;
부속물을 포함하는 영상반사부, 영상반사부에서 반사되는 영상을 홀로그램 허드영상으로 변환해 주며, 홀로그래픽 광학소자(HOE), 부속물을 포함하는 HOE 광학소자부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 HOE 광학소자부에서 HOE의 배치 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 방법에 관한 것으로, R, G, B 세 개의 레이저 빔들이 여러 개의 거울을 통해서 하나의 빔으로 합쳐지고, 빔분할기(BS)를 거치면서 기준빔 및 신호빔, 2개의 빔으로 나누어지며, 하나의 레이저 광원에서 신호빔과 기준빔으로 나누어서 특정한 방향으로 HOE 기록 매질로 빔을 구면파 형태로 입사시키며, 홀로그램 기록매질에 대한 기준빔의 입사각 및 거리는 레이저 프로젝션 모듈의 빛이 스크린에서 HOE로 입사하는 각도 및 HOE까지 진행한 거리에 맞춰지며, 홀로그램 기록매질에 대한 신호빔의 입사각 및 거리는 각각 HOE를 통하여 관측되는 허드 영상의 주 관측각도 및 허드영상의 투영거리에 맞추는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 제작 방법 및 시스템은 넓은 관측영역(Eyebox) 제공이 가능하며, 큰 면적의 허드영상 제공이 가능하며, 긴 투영거리의 허드영상 제공이 가능하며, 제품 소형화가 가능하며, 고반사율 및 고투과율을 동시 충족 가능하며, 평면 반사판의 사용이 가능하며, 전방주시에 친화적인 제품구조 설계가 가능하며 탈부착 형태의 단순하고 사용에 편리한 제품 구조를 가지는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명 시스템의 활용 개념도.
도 3은 본 발명 시스템의 상세 구성도.
도 4는 본 발명 시스템의 HOE를 제작하기 위한 HOE 제작장치의 광학적 구성도.
도 5는 도 4의 HOE 제작장치에 의해서 실제로 제작된 여러가지 HOE들. (a)녹색, (b)빨강, (c)2컬러(녹색+빨강).
도 6은 본 발명 시스템 동작의 광학적인 원리.
도 7은 본 발명 시스템의 상세한 편의 기능. (a)각도조절 기능, (b)접은 상태.
도 8은 본 발명 시스템의 시제품 구동 시연결과 사진.
본 발명에 대해 구체적으로 기술하면, 도 1은 본 발명 시스템의 블록도이다. 본 발명 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템은 차량에서 정보를 받아와 빔프로젝터로 송출하는 영상제어부, 영상제어부로부터 정보를 받아 영상을 표현하는, 빔프로젝터 모듈, 스크린, 하우징, 부속물을 포함하는 영상표시부, 영상표시부의 스크린에 결상된 영상을 HOE 소자부로 반사시키는 (평면 또는 곡면) 거울, 부속물을 포함하는 영상반사부, 영상반사부에서 반사되는 영상을 홀로그램 허드영상으로 변환해 주며, 홀로그래픽 광학소자(HOE), 부속물을 포함하는 HOE 광학소자부로 구성된다.
도 2는 본 발명 시스템의 활용 개념도이다.
선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이는 영상 제어부, 영상표시부, 영상반사부, HOE 광학소자부로 구성된다.
영상표시부 내부에 레이저 프로젝션 모듈 및 스크린이 포함되어 있다.
영상반사부에서 곡면뿐만 아니라 평면거울도 사용될 수 있는데, 곡면거울을 사용하면 영상왜곡이 증가하게 되지만, 평면거울을 사용하면 이것을 방지할 수 있다.
HOE 광학소자부의 HOE는 홀로그래피 이론을 따르는 광학적인 장치에서 제작되는 반사형 회절광학소자로서, 보통 평면 필름 형태로 제작되며, 오목거울을 대체하여 반사형 렌즈 역할을 수행한다.
영상표시부에서 쏘아지는 원 영상의 빛은 영상반사부(거울)에서 반사되고, HOE 광학소자부(HOE)에서 회절되면서 운전자의 눈에 입사(투영)하게 된다.
그 결과, 운전자는 HOE를 통해서 전방에 위치하는, 확대된 홀로그램 영상(허드영상)을 관측하게 된다.
도 3은 본 발명 시스템의 상세 구성도이다.
HUD 영상표시부에서 초록색 부분이 레이저 프로젝션 모듈이고, 스크린은 레이저 프로젝션 모듈 앞의 결상거리에 수직으로 배치된다.
영상반사부와 HOE 광학소자부는 영상표시부에 긴 지지대로 연결되어 있으며, 각 부는 지지대에서 장/탈착이 가능한 구조이다.
영상반사부를 지지하는 지지대는 손으로 밀어서 영상표시부 내부로 삽입이 가능하도록 제작되며, HOE 광학소자부의 지지대는 손으로 젖혀서 영상표시부에 접히도록 제작된다.
영상반사부 지지대의 거리를 조절하면, 운전자에게 관측되는 허드영상의 위치나 크기를 조절할 수 있다.
HOE 광학소자부 지지대의 각을 조절하면, 허드영상의 투영각 또는 관측각을 조절할 수 있다.
기존 허드 장치에서는 영상반사부에 곡면거울(오목거울)을 사용할 수 밖에 없지만, 본 발명에서는 영상반사부에 평면거울을 사용할 수 있으며, 영상왜곡을 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명 시스템의 HOE를 제작하기 위한 HOE 제작장치의 광학적 구성도이다.
그림에서 M은 거울, SF는 공간필터, BS는 빔분할기이다.
R, G, B 세 개의 레이저 빔들이 여러 개의 거울을 통해서 하나의 빔으로 합쳐지고, 빔분할기(BS)를 거치면서 기준빔 및 신호빔, 2개의 빔으로 나누어진다.
하나의 레이저 광원에서 2개의 빔 (신호빔과 기준빔)으로 나누어서 특정한 방향으로 HOE 기록 매질로 빔을 구면파 형태로 입사시킨다.
홀로그램 기록매질에 대한 기준빔의 입사각 및 거리는 레이저 프로젝션 모듈의 빛이 스크린에서 HOE로 입사하는 각도 및 HOE 까지 진행한 거리에 맞춘다.
또한 홀로그램 기록매질에 대한 신호빔의 입사각 및 거리는 각각 HOE를 통하여 관측되는 허드 영상의 주 관측각도 및 허드영상의 투영거리에 맞춘다.
HOE에 대한 성능 설계가 바뀌게 되면, 도 4의 광학적 구조를 변경하여 설계를 충족하는 HOE를 제작할 수 있다.
도 5는 도 4의 HOE 제작장치에 의해서 실제로 제작된 여러가지 HOE들을 보여준다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 단색 광원, 즉 각각 G 및 R 레이저로 제작된 HOE의 사진이고, 도 5(c)는 2개의 광원(G, R)으로 구성된 2컬러 광원으로 제작된 HOE를 보여준다.
도 6은 본 발명 시스템 동작의 광학적인 원리를 보여준다.
도 6을 바탕으로 하여, HOE 성능 설계가 이루어지기 때문에, 도 6에서 각 요소의 위치가 명확히 결정되어야 한다.
레이저 프로젝션 모듈에서 투사된 영상이 스크린에 결상되어, 스크린 영상을 형성한다.
스크린 영상에서 발산된 빛은 영상반사부의 거울에 의해서 HOE 광학소자부의 HOE로 반사된다.
렌즈 역할을 하는 HOE에 입사하는 빛은 회절(반사)되어 운전자의 눈으로 향하게 되며, HOE 전방에 결상되는 홀로그램 허드영상이 운전자에게 관측된다.
HOE 광학소자부에서 HOE의 배치 각도를 조절할 수 있도록 설계하고, HOE 배치각도가 바뀌면 관측되는 홀로그램 허드영상의 수직방향 위치가 변하게 된다.
따라서 HOE의 배치 각도를 적절히 조절하면, 운전자는 홀로그램 허드영상을 보다 편안하게 관측할 수 있다.
도 7은 본 발명 시스템의 상세한 편의 기능을 나타낸다.
본 발명의 장치는 도 7(a)와 같이 거울 및 HOE의 각도 조절이 가능하도록 제작된다.
영상반사부의 거울이 지지대에 연결되는 연결부위에 회전이 가능하도록 제작되며, 반사 거울의 회전 각도는 0° ~ 90° 범위 내에서 가능하다.
그리고 HOE 지지대가 허드 본체(영상표시부)에 연결되는 연결부위에 회전이 가능하도록 제작되며, HOE의 회전 각도는 0° ~ 90° 범위 내에서 가능하다.
관측자는 허드영상의 관측이 용이하도록 거울과 HOE의 각도를 조절할 수 있다.
본 발명의 장치는 제품의 부피를 고려하여, 도 7(b)와 같이 HOE 광학소자부 및 영상반사부를 접을 수 있도록 제작된다.
따라서 운전자가 허드 기능을 사용하지 않을 때에는 운전에 방해되지 않도록 도 7(b)와 같이 접을 수 있다.
도 8은 본 발명 시스템의 시제품 구동 시연결과 사진을 나타낸다.
도 8의 시제품은 도 6의 설계를 바탕으로 제작되었다.
관측자는 허드영상의 관측이 용이하도록 거울과 HOE의 각도를 조절할 수 있다.
본 발명의 장치는 제품의 부피를 고려하여 제작하였으며 모양은 도 7와 같이 제작된다.
도 8(b)는 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이의 홀로그램 재생 영상이다.
1 : 홀로그램 기록매질 2 : 유리
3 : 빔분할기 4 : 거울
5 : 공간필터
10 : 영상표시부 20 : 영상반사부
30 : 운전자 40 : HOE광학소자부
50 : 영상제어부 60 : 홀로그램 HUD 영상
6 : 레이저(빔)프로젝션모듈 7 : 스크린
8 : 스크린영상 70 : HOE

Claims (3)

  1. 차량에서 정보를 받아와 빔프로젝트로 송출하는 영상제어부(50);
    영상제어부(50)로부터 정보를 받아 영상을 표현하는 레이저 프로젝션 모듈(6);
    스크린, 하우징, 부속물을 포함하는 영상표시부(10);
    영상표시부의 스크린에 결상된 영상을 HOE 소자부로 반사시키는 거울(4);
    부속물을 포함하는 영상반사부(20), 영상반사부(20)에서 반사되는 영상을 홀로그램 허드영상으로 변환해 주며, 홀로그래픽 광학소자(HOE, 70)을 포함하는 HOE 광학소자부(40);를 포함하여 구성되는 것으로,
    상기 HOE 광학소자부(40)에서 HOE(70)의 배치 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템에 있어서,
    상기 영상반사부(20)와 HOE 광학소자부(40)는 영상표시부(10)에 지지대로 연결되어 있으며, 영상반사부(20)를 지지하는 지지대는 손으로 밀게 되면 영상표시부(10) 내부로 삽입이 가능하도록 제작되며, HOE 광학소자부(40)의 지지대는 손으로 젖히게 되면 영상표시부(10)에 접히도록 제작되며, 영상반사부(20) 지지대의 거리를 조절하면, 운전자에게 관측되는 허드영상의 위치나 크기를 조절할 수 있으며, HOE 광학소자부(40) 지지대의 각을 조절하면, 허드영상의 투영각 또는 관측각을 조절할 수 있는 것으로,
    R, G, B 세 개의 레이저 빔들이 여러 개의 거울을 통해서 하나의 빔으로 합쳐지고, 빔분할기(BS)를 거치면서 기준빔 및 신호빔, 2개의 빔으로 나누어지며,
    하나의 레이저 광원에서 2개의 빔인 신호빔과 기준빔으로 나누어서 특정한 방향으로 HOE 기록 매질로 빔을 구면파 형태로 입사시키며,
    홀로그램 기록매질에 대한 기준빔의 입사각 및 거리는 레이저 프로젝션 모듈의 빛이 스크린에서 HOE로 입사하는 각도 및 HOE 까지 진행한 거리에 맞추고,
    또한 홀로그램 기록매질에 대한 신호빔의 입사각 및 거리는 각각 HOE를 통하여 관측되는 허드 영상의 주 관측각도 및 허드영상의 투영거리에 맞추는 것을 특징으로 하는 선바이저형 홀로그래픽 헤드업디스플레이 시스템
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  3. 삭제
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