KR20240022615A - 복수의 영상 평면을 갖는, 광학 어셈블리 및 헤드업 디스플레이 - Google Patents

Abstract

화상 생성 장치(22)를 포함하는, 투사면(projection surface)(5) 상의 헤드업 디스플레이(10)용 광학 장치(11)로서, 상기 화상 생성 장치(22)가 적어도 1개의 화상 생성 유닛(26, 27) 및 화상 생성 장치(22)와 투사면(5) 사이의 빔 경로에 배치되는 적어도 1개의 파면 제어장치(23)를 포함하는, 광학 장치(11)를 개시한다. 상기 광학 장치(11)는 적어도 2개의 서로 다른 영상 평면들에 가상 영상(8, 18)을 생성하도록 설계되고, 상기 화상 생성 장치(22)는 적어도 제1 영역(26, 28)과 제2 영역(27, 28)을 가지며, 상기 파면 제어장치(23)는 상기 화상 생성 장치(22)와 서로 협력하여 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(26, 28)에서 생성된 영상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상(8)을 생성하도록 그리고 화상 생성 장치(22)의 제2 영역(27, 29)에서 생성된 영상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상(18)을 생성하도록 설계된다.

Description

복수의 영상 평면을 갖는, 광학 어셈블리 및 헤드업 디스플레이

본 발명은 헤드업 디스플레이(HUD)용 광학 장치, 및 헤드업 디스플레이에 관한 것이다.

현재 헤드업 디스플레이는 예를 들어 자동차의 앞유리, 항공기의 전면 스크린이나 관측창 등, 특히 차량의 관측창과 또한 연계되어 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 이들 관측창, 특히 앞유리의 곡면(curved surface)은 헤드업 디스플레이의 투사면으로 사용된다.

헤드업 디스플레이는 일반적으로 화상 생성 유닛(picture generating unit) 또는 프로젝터, 투사면(projection surface), 아이박스 및 가상 영상 평면(virtual image plane)으로 이루어진다. 화상 생성 유닛이나 프로젝터에 의해 화상 생성 평면에 영상이 생성된다. 영상이 투사면에 투사되고 투사면에서 아이박스로 투사된다. 아이박스는 평면 또는 공간 영역으로서, 관찰자는 아이박스에 투사된 영상을 가상 영상으로 인식하게 된다. 가상 영상 평면, 다시 말해 가상 영상이 생성되는 평면은 투사면 상에 또는 그 뒤에 배치된다.

기존 HUD 시스템에는 단 하나의 영상 평면과 단 하나의 화상 생성 평면이 있다(도 1 참조). 앞으로의 HUD 시스템에 바라는 시장의 요구를 충족하기 위해서는 HUD에서 다양한 영상 거리를 갖는 영상 평면 이상의 것을 실현하는 것이 필요하다. 시스템의 비용을 절감하고 안정성을 유지하려면 HUD 내 구성요소들을 가능한 한 고정적으로 설치하고 가동 부품을 배제시켜야 한다. 동시에, 설치 공간에 대한 상당한 증가가 요구되어서는 안 된다.

전술한 배경을 고려하여, 본 발명의 목적은 투사면 상의 헤드업 디스플레이에 유리한, 특히 다양한 영상 평면에서 가상 영상을 생성할 수 있도록 하는 광학 장치 및 유리한 헤드업 디스플레이를 제공하는 데에 있다.

이들 목적은 청구범위 제1항에 기재된 헤드업 디스플레이용 광학 장치와 제15항에 기재된 헤드업 디스플레이에 의해 달성된다. 본 발명의 추가적인 유리한 구성은 종속항에 기재되어 있다.

투사면 상의 헤드업 디스플레이를 위한 본 발명에 따른 광학 장치는 화상 생성 장치 및 상기 화상 생성 장치와 투사면 사이의 빔 경로에 배치되는 적어도 1개의 파면 제어장치를 포함한다. 화상 생성 장치는 적어도 1개의 화상 생성 유닛을 포함한다. 본 발명에 따른 광학 장치는 적어도 2개의 서로 다른 영상 평면들, 즉 영상 거리가 상이한 영상 평면들에 가상 영상을 생성하도록 설계된다. 본 명세서와 관련하여, 영상 거리는 가상 영상의 영상 평면과 아이박스 사이의 거리이다.

적어도 2개의 서로 다른 영상 평면을 형성하기 위해, 화상 생성 장치는 적어도 제1 영역과 제2 영역을 갖는다. 화상 생성 장치와 파면 제어장치는 서로 협력하여 화상 생성 장치의 제1 영역에서 생성된 화상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 그리고 화상 생성 장치의 제2 영역에서 생성된 화상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계된다. 다시 말해, 상기 적어도 2개의 서로 다른 또는 편향된 영상 평면은 광축을 따라 아이박스나 투사면으로부터 편향되어 다른 거리를 두고 위치한다.

본 발명에 따른 광학 장치는 영상 거리가 서로 다른 복수의 영상 평면이 헤드업 디스플레이에서 구현될 수 있다는 점에서 유리하다. 이 과정에서, 이를 위해 필요한 구성요소들을 헤드업 디스플레이에 고정되게 설치할 수 있다. 따라서 가동 부품들이 전혀 필요하지 않다. 이로써 견고한 광학 장치 및 그에 따른 견고한 헤드업 디스플레이가 가능해진다. 또한, 본 발명에 따른 광학 장치는 비용 효율적으로 생산될 수 있으며 선택적으로 기존의 헤드업 디스플레이를 적은 비용으로 개조할 수 있다.

화상 생성 장치의 제1 영역과 제2 영역은 공동 화상 생성 평면을 가질 수 있다. 다시 말해, 화상 생성 장치는 예컨대 분할된 하나의 화상 생성 평면만 갖는 단일 화상 생성 유닛 또는 구성요소를 가질 수 있다. 대안으로, 화상 생성 장치의 제1 영역은 제1 화상 생성 평면을 가질 수 있고, 화상 생성 장치의 제2 영역은 제2 화상 생성 평면을 가질 수 있다. 이러한 변형에서, 제1 화상 생성 평면과 제2 화상 생성 평면은 서로 다를 수 있다. 특히, 예를 들어, 2개의 서로 다른 구성요소나 화상 생성 유닛이 파면 제어장치로부터 편향되어 다른 거리를 두고 배치되는 식으로 존재할 수 있다. 이 변형은 특히 기존의 헤드업 디스플레이에 추가적인 화상 생성 장치 또는 유닛을 새로 장착함으로써 헤드업 디스플레이에 영상 거리가 서로 다른 복수의 영상 평면을 실현하는 데 적합하다.

상기 적어도 1개의 파면 제어장치는 바람직하게는 적어도 1개의 홀로그래픽 구조를 포함한다. 상기 적어도 1개의 홀로그래픽 구조는 바람직하게는 복수의 파장의 광을 회절시키도록 설계된다. 이를 위해, 한 가지 파장의 광을 각각 회절시키는 다수의 홀로그램 및/또는 복수의 파장의 광을 회절시키는 멀티플렉스 홀로그램을 홀로그램 스택 형태로 배열할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 상기 적어도 1개의 파면 제어장치는 자유-형상 표면을 갖는 적어도 1개의 광학 소자를 포함한다. 유리하게, 자유-형상 표면을 갖는 광학 소자는 화상 생성 장치와 홀로그래픽 구조 사이의 빔 경로에 배치된다. 복수의 자유-형상 표면은 예를 들어 이에 상응하는 복수의 광학 소자의 형태로 존재하거나 복수의 자유-형상 표면을 갖는 하나의 광학 소자의 형태로 존재할 수 있다. 개별 자유-형상 표면 각각은 화상 생성 장치 및/또는 특정 화상 생성 유닛의 특정 영역으로부터 방출된 광의 빔 성형을 위해 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 화상 생성 유닛 또는 제1 영역과, 상기 제1 화상 생성 유닛 또는 제1 영역으로부터 방출된 광의 빔 경로에 배치되는 제1 자유-형상 표면; 및 제2 화상 생성 유닛 또는 제2 영역과, 상기 제2 화상 생성 유닛 또는 제2 영역으로부터 방출된 광의 빔 경로에 배치되는 제2 자유-형상 표면이 존재할 수 있다.

적어도 홀로그래픽 구조 및/또는 추가적인 자유-형상 소자는 작은 설치 공간 내에 유리한 파면 제어장치를 실현할 수 있으며, 특히 상기 파면 제어장치는 화상 오류나 수차를 보정한다. 구체적으로는, 홀로그래픽 소자 및/또는 자유-형상 표면들의 도움으로, 왜곡, 초점이탈, 기울어짐, 난시, 영상 평면의 곡률, 구면수차, 고차 난시 및 코마 등과 같은 결상 수차를 보정할 수 있다. 자유-형상 표면을 포함하는 광학 소자는 자유-형상 표면에 상응하는 구성을 통해 해상도의 개선에 기여하며 결상 수차의 표적 보정을 가능하게 한다. 또한, 광학 소자는 자유-형상 표면으로 인해 설치 공간을 거의 차지하지 않는다. 다시 말해, 컴팩트한 구성의 헤드업 디스플레이의 결상 품질(imaging quality) 향상에도 상당한 기여를 한다.

더 넓은 의미로 자유-형상 표면은 국소적으로 정의되는 함수들, 특히 두 번 연속 미분가능한 국소적으로 정의되는 함수들을 이용하여 표현될 수 있는 복잡한 표면을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 국소적으로 정의되는 함수의 적합한 예로 (특히 구간별) 다항 함수 (특히, 다항식 스플라인, 이를테면 겹삼차 스플라인, 4차 이상의 고차 스플라인, 또는 다항식 비균일 유리 B-스플라인(NURBS))이 있다. 이들은, 적어도 주경선(principal meridian)을 따라, 원으로 표시되는, 예를 들어 구면, 비구면, 원주면(또는 기둥면) 및 원환체면과 같은 단순한 표면들과 구별되어야 한다. 특히, 자유-형상 표면은 축대칭 및 점대칭일 필요가 없고, 표면의 다양한 영역에서 평균 표면 굴절력 값에 대해 서로 다른 값을 가질 수 있다.

유리한 일 변형에서, 파면 제어장치는 적어도 제1 홀로그래픽 구조와 제2 홀로그래픽 구조를 포함하며, 이때 상기 제1 홀로그래픽 구조는 화상 생성 장치의 제1 영역에서 생성된 화상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계되고, 상기 제2 홀로그래픽 구조는 화상 생성 장치의 제2 영역에서 생성된 화상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계된다. 이런 식으로, 순전히 복수의 홀로그래픽 구조의 적절한 구성을 통해, 추가적인 설치 공간을 필요로 하지 않으면서, 영상 거리가 서로 다른 복수의 영상 평면을 갖는 헤드업 디스플레이를 구현할 수 있다.

특히, 제1 홀로그래픽 구조는 적어도 제1 파장의 광을 회절시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 홀로그래픽 구조는 기정된 색 공간의 세 가지 서로 다른 파장의 광을 회절시키도록 설계될 수 있다. 제2 홀로그래픽 구조는 적어도 제2 파장의 광을 회절시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제2 홀로그래픽 구조는 기정된 색 공간의 세 가지 파장의 광을 회절시키도록 설계될 수 있지만, 이들 파장은 제1 홀로그래픽 구조가 회절시키도록 설계된 파장들과는 다르다. 이 경우 제1 파장과 제2 파장 간의 차이는 기정된 한계값을 초과해야 한다. 예를 들어, 제1 홀로그래픽 구조는 제1 파장의 적색광을 회절시키도록 설계될 수 있고, 제2 홀로그래픽 구조는 상기 제1 파장과 약간 다른 제2 파장의 적색광을 회절시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 적색광의 이들 두 파장은 10 나노미터 이상 또는 20 나노미터 이상 서로 차이가 날 수 있다. 유사하게, 제1 홀로그래픽 구조와 제2 홀로그래픽 구조는 기정된 파장들의 녹색광 및 청색광을 회절시키도록 설계될 수 있으며, 이들 홀로그래픽 구조가 회절시키도록 설계된 개별 색상의 파장들은 거듭 말하지만 기정된 절대 차이 값만큼 서로 차이가 난다.

홀로그래픽 구조, 및/또는 자유-형상 표면을 포함하는 적어도 1개의 광학 소자는 각각 반사형 및/또는 투과형으로 구성될 수 있다. 이는 작은 설치 공간 내에 가변적 빔 경로들, 특히 포개지는 빔 경로들을 구현할 수 있도록 한다. 컴팩트한 구성의 헤드업 디스플레이 응용과 관련하여 자유-형상 표면을 갖는 광학 소자의 반사형 구성이 특히 유리한데, 그 이유는, 이런 식으로, 광학 소자가 특히 색수차와 같은 추가의 영상 오류를 유발하지 않으면서 높은 입사각에서도 빔 편향에 동시에 기여할 수 있기 때문이다.

바람직하게, 자유-형상 표면은 수차 또는 결상 수차 중 적어도 하나를 적어도 일부 보정하도록 설계된다. 앞서 언급한 결상 수차들 중 적어도 하나일 수 있다. 결상 수차(들)는, 예를 들어 헤드업 디스플레이와 관련하여, 특히 곡면 투사면의 경우에는 이러한 투사면에 의해 야기될 수 있고/있거나, 빔 경로의 기하학적 형태 및/또는 화상 생성 유닛에 의해 야기될 수 있다. 또한, 자유-형상 표면을 사용함으로써 해상도 및 그에 따른 결상 품질을 최적화할 수 있다.

바람직하게, 자유-형상 표면은 적어도 하나의 특정 매개변수에 따른 사상 함수에서 도출되는 표면 기하학적 형태를 갖는다. 이러한 적어도 하나의 특정 매개변수는 파면 제어장치의 응용분야에서 유래될 수 있다. 예를 들어, 자유-형상 표면의 모양에 영향을 미치는 한 매개변수로서 앞유리의 곡률 반경이 사용될 수 있다. 광학 소자는 특히 각각의 응용 기하학적 형태별로 수차를 교정할 수 있도록 복수의 자유-형상 표면을 가질 수 있다. 이는, 예를 들어 자동차에서의 응용과 관련하여, 기존의 앞유리의 특정 기하학적 형태에 맞게 특정 자유-형상 표면을 선택하거나 배치하는 식으로 조정 가능한 균일한 파면 제어장치를 사용할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 홀로그래픽 구조의 유리한 특징과 기능들을 설명하고자 한다.

홀로그래픽 구조는 적어도 2개의 홀로그래픽 소자를 포함할 수 있다. 상기 적어도 2개의 홀로그래픽 소자는 바람직하게는 빔 경로에 바로 연속적으로 배열된다. 다시 말해, 상기 적어도 2개의 홀로그래픽 소자 사이에는 어떠한 추가 광학 소자 또는 구성요소도 배치되지 않는다. 또한 상기 적어도 2개의 홀로그래픽 소자는 적어도 한 가지의 기정된 파장과 기정된 입사각 범위에 대해 반사적 특성을 나타내도록 구성된다. 한편, 바람직하게 이들 홀로그래픽 소자는 투과형 디자인을 갖는다.

적어도 부분적으로 반사형으로 구성된 2개의 홀로그래픽 소자를 바로 연속적으로 배열하여 사용하면 특히 헤드업 디스플레이와 관련하여 홀로그래픽 소자들의 개별 구성을 통해 결상 품질이 상당히 향상될 수 있다는 이점이 있다. 이 경우, 홀로그래픽 소자들은 설치 공간을 거의 차지하지 않으므로, 자동차용으로 설계되는 헤드업 디스플레이의 경우에서와 같이 매우 작은 설치 공간만이 허용될 때, 예를 들어, 파면 제어장치를 사용하여 결상 품질을 현저히 높일 수 있다. 특히 본 홀로그래픽 구조는 예를 들어 색수차 없이 광을 투과시키도록 구성된 광학 부품에 의해 달성되는 굴절력에 필적하는 높은 굴절력을 갖는다. 투과형 홀로그램과 비교하여, 특정 파장에 대한 반사형 홀로그램은 높은 효율과 더 높은 파장 선택성과 더불어 더 넓은 각도 스펙트럼을 제공한다. 이에 따라, 넓은 입사각 범위에도 불구하고 컬러 채널들을 서로 분리시킬 수 있다. 따라서 본 홀로그래픽 구조는 높은 효율과 동시에 넓은 시야(FOV)를 가능하게 하므로, 큰 개구수와 넓은 시야의 VR(가상 현실) 헤드업 디스플레이 및 AR(증강 현실) 헤드업 디스플레이 모두에 적합하다. 곡면 투사면을 갖는 헤드업 디스플레이의 다른 가능한 응용 분야로, 특히 자동차, 철도 차량, 항공기 또는 선박과 같은 차량의 앞유리는 물론 전반적으로는 관측창을 위한 헤드업 디스플레이를 예로 들 수 있다.

본 홀로그래픽 구조로 달성되는 또 다른 이점은 홀로그래픽 구조의 높은 회절각 덕분에, 아이박스 내로 반사되는 미사용 회절 차수로부터의 광 비율이 감소된다는 것이다. 또한, 높은 품질의 다색 영상 표현물을 생성할 수 있다.

바람직하게, 적어도 2개의 홀로그래픽 소자 각각은 다수의 홀로그램을 포함한다. 이 경우, 각 홀로그램은 적어도 하나의 특정 파장으로 기록되거나 생성된다. 홀로그래픽 소자는 예를 들어 스택 형태로 위로 하나씩 적층 배치될 수 있는 복수의 홀로그램을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 소자는 다수의(바람직하게는 복수의) 단색 홀로그램을 가질 수 있다. 이에 대한 대안으로, 홀로그래픽 소자는 적어도 두 가지의 특정 파장으로 기록되거나 생성되는 적어도 하나의 홀로그램을 포함할 수 있다. 바람직하게, 이러한 홀로그램은 특정 색 공간으로부터의 세 가지 서로 다른 파장으로 기록되거나(예를 들어 RGB 홀로그램 또는 CMY 홀로그램으로서 구성되거나), 또는 다른 색 공간의 다수의 개별 파장으로부터 형성된 홀로그램으로서 구성된다. 앞서 언급한 예에서, R은 적색, G는 녹색, B는 청색, C는 청록색(cyan), M은 자홍색(magenta), 그리고 Y는 황색을 각각 나타낸다.

따라서, 적어도 2개의 홀로그래픽 소자들 중 적어도 하나의, 바람직하게는 2개의 소자들은 서로 다른 파장들에 대해 반사되도록 구성된 적어도 2개의, 바람직하게는 3개의 홀로그램들을 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 적어도 2개의 홀로그래픽 소자들 중 적어도 하나의, 바람직하게는 2개의 소자들은 적어도 2개의, 바람직하게는 3개의 서로 다른 파장들에 대해 반사되도록 구성된 적어도 하나의 홀로그램을 포함할 수 있다. 다시 말해, 앞서 언급한 홀로그램들은 그에 상응한 서로 다른 파장들로 기록되었다.

한 홀로그래픽 소자의 개별 홀로그램들의 배열 또는 홀로그래픽 구조의 전체 홀로그램들의 배열을 홀로그램들 사이의 필터링 효과를 피하기 위한 하나의 자유도(degree of freedom)로 이용할 수 있다. 홀로그래픽 소자의 서로 다른 개별적 홀로그램들은, 광축과 일치할 수 있는 중심선 또는 중심축을 기준으로 또는 홀로그래픽 소자의 어떤 다른 특정 기하학적 매개변수를 기준으로, 옆으로 나란히 및/또는 앞뒤로 나란히 배열될 수 있다.

홀로그래픽 구조는 제1 홀로그래픽 소자와 제2 홀로그래픽 소자를 포함할 수 있으며, 각 홀로그래픽 소자의 복수의 홀로그램 또는 모든 홀로그램은, 이들이 설계된 파장을 제외하고는, 동일하거나 구성면에서 동일하다. 다시 말해, 제1 홀로그래픽 소자의 복수의 홀로그램 또는 모든 홀로그램은 동일하게 구성될 수 있으며 이들이 설계된 파장에 대해서만 서로 다를 수 있다. 마찬가지로, 제2 홀로그래픽 소자의 복수의 홀로그램 또는 모든 홀로그램은 동일하게 구성될 수 있으며 이들이 설계된 파장에 대해서만 서로 다를 수 있다.

바람직하게, 개별 홀로그램들의 배열과 관련하여 제1 홀로그래픽 소자는 제2 홀로그래픽 소자에 대해 미러 대칭을 이루어 배치된다. 예를 들어, 제1 홀로그래픽 소자는 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램, 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램 및 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램을 포함할 수 있으며, 이들 홀로그램은 언급된 순서대로 위로 하나씩 적층 배치된다. 마찬가지로, 제2 홀로그래픽 소자는 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램, 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램 및 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램을 포함할 수 있으며, 이들 홀로그램 또한 언급된 순서대로 위로 하나씩 적층 배치된다. 미러 대칭형 배치의 경우, 예를 들어 적색광으로 기록된 제1 홀로그래픽 소자의 홀로그램이 적색광으로 기록된 제2 홀로그래픽 소자의 홀로그램과 바로 인접해 배치되는 식으로, 제1 홀로그래픽 소자와 제2 홀로그래픽 소자가 위로 하나씩 적층 배치되거나 서로 이웃하게 배치된다. 대안으로는, 특정 방향을 기준으로, 제1 홀로그래픽 소자의 홀로그램들의 배열이 제2 홀로그래픽 소자의 홀로그램들의 배열과 동일할 수 있다. 예를 들어, 이들 두 홀로그래픽 소자의 홀로그램들이 특정 방향을 기준으로 RGB(R - 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램, G - 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램, B - 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램) 순서로 정렬될 수 있다. 즉, 한 홀로그래픽 소자의 홀로그램 R이 다른 홀로그래픽 소자의 홀로그램 B에 인접해 배치되는 식으로 홀로그램들이 서로 배열된다. 예를 들어 홀로그램들 RGB가 홀로그램들 GBR에 이웃하거나 인접하는 등, 기타 서로 다른 배열도 마찬가지로 가능하다.

또 다른 유리한 변형에서, 적어도 하나의 홀로그래픽 소자들의 복수의 홀로그램은 두 가지의구성 파면들(design wavefront)로 기록된다. 파장 및 입사각과 관련하여, 특히 제1 및/또는 제2 홀로그래픽 소자로 이루어진 홀로그래픽 소자들의 적어도 하나의 홀로그램의 적어도 한 가지 구성 파면은 이들 홀로그래픽 소자의 다른 홀로그램의 적어도 한 가지 구성 파면과 동일하다. 서로 다른 파장들에 대해 동일한 구성 파면들을 사용하면 적은 노력(또는 적은 비용) 및 높은 정밀도로 필요한 홀로그램들을 생성할 수 있다는 이점이 있다.

함께 연결되어 사용되는 구성 파면을 바람직하게는 평면파로 정의하며, 이는 서로 다른 파장들 사이의 필터링 효과를 최소화하고, 추가로는 한 색상에 할당된 홀로그램들의 서로에 대한 위치지정 허용 오차가 비-평면파 사용 시와 비교하여 더 관대하게 선택될 수 있다는 이점이 있다. 다시 말해, 결상 품질에 악영향을 미치지 않으면서, 광축 방향 및/또는 광축에 수직인 횡방향에서의 홀로그램 간 거리를 변경시키는 것이 가능하다.

바람직하게 홀로그래픽 구조, 특히 홀로그래픽 소자들 중 적어도 하나는 구형파를 평면파로 변환하도록 구성된다. 결과적으로, 홀로그래픽 구조, 특히 홀로그래픽 소자는 그의 용적 및 이에 따라 요구되는 설치 공간을 증가시키지 않아도 높은 굴절력을 갖는다. 게다가, 미러 상에서의 빔 단면적이 감소되어, 그 결과 미러의 크기 및 굴절력 둘 다 감소될 수 있다. 이는 또한 시스템 내부의 굴절력 분포가 개선되어 허용 공차에 덜 민감해지게 되므로 유리하다. 아울러, 홀로그래픽 소자들 중 적어도 하나의 소자는 자유-형상 파면을 평면 파면으로 변환하거나 구면 파면을 자유-형상 파면으로 변환하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 홀로그램은 적어도 하나의 자유-형상 파면을 갖는 파동(wave)으로 기록되거나 노출될 수 있다. 이로써, 다양한 수차를 보정할 수 있고 성능을 개선할 수 있다. 이러한 구성의 경우, 자유-형상 표면을 사용하여 생성될 수도 있는 것과 같은 임의의 파면을 갖는 광으로의 변환이 가능하다는 사실 덕분에, 자유-형상 표면을 갖는 구성요소들, 이를테면 렌즈 소자들 및/또는 미러들의 개수를 줄일 수 있다.

홀로그래픽 구조의 적어도 2개의 홀로그래픽 소자에 대한 구성 파면의 입사 방향을 서로 다른 파장들 사이의 필터링 효과를 피하기 위한 자유도로 이용할 수 있다. 또한 파장별로 입사 방향을 다르게 선택할 수 있다. 바람직하게, 적어도 두 가지의 파장, 바람직하게는 세 가지의 파장에 대한 구성 파면들이 각각의 홀로그래픽 소자에 대해 동일한 구성 파면들이며, 사용된 파장에서만 서로 다르다.

홀로그램들 사이의 거리 및 홀로그램의 두께는 파면 제어장치의 치수나 크기 또는 파면 제어장치를 포함하는 광학 장치의 치수나 크기에 비하면 무시해도 될 정도이다. 따라서 본 홀로그래픽 구조에서는 광축 방향의 크기로 인해 잠재적으로 야기되는 수차 현상이 일어나지 않는다. 또한, 홀로그래픽 소자의 구성 파면을 예를 들어 재료 수축 보상과 같은 재료 공차 보상을 위한 하나의 자유도로 이용할 수 있다. 이 경우, 전반적인 구성 파면들이 서로 약간씩 달라진다.

바람직하게, 적어도 2개의 홀로그래픽 소자들은 서로 1 mm 미만, 특히 0.5 mm 미만, 바람직하게는 0.1 mm 미만의 거리를 두고 배치된다. 이러한 이격 거리는 바람직하게는 0이거나 무시해도 될 정도로 작다. 그 결과, 우선, 높은 결상 품질을 얻게 되며, 추가로는 개별 홀로그래픽 소자들의 서로에 대한 상대적 위치를 후속으로 조정할 필요가 없게 된다.

홀로그래픽 구조는 층 또는 필름 또는 기판의 형태, 예를 들어 볼륨 홀로그램 또는 플레이트의 형태로 구성될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 홀로그래픽 구조는 평면 또는 곡면을 가질 수 있다. 홀로그래픽 구조는 예를 들어 커버유리 또는 다른 기존의 광학 부품에 또는 그 표면에 배치되거나 위치할 수 있다. 이런 식으로, 추가 설치 공간을 차지하지 않는다. 예를 들어, 파면 제어장치는, 투과형으로 구성되며 홀로그래픽 구조와 투사면 사이의 빔 경로에 배치되도록 설계된 광학 부품을 포함할 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 홀로그래픽 구조를 투과형으로 구성된 광학 부품의 한 표면(투사면들의 반대쪽을 향하는 표면)에 배치할 수 있다. 홀로그래픽 구조 및 투과형으로 제작된 광학 부품 둘 다 바람직하게는 동일한 곡률을 갖는 곡면으로 구성될 수 있다. 앞서 언급한 투과형으로 제작된 광학 부품은 예를 들어 소위 글레어 트랩(glare trap)일 수 있다. 이러한 글레어 트랩은 일반적으로 앞유리와 헤드업 디스플레이 사이의 한 위치에 배치되며, 햇빛을 특정 방향으로 반사하도록 설계되어 있어 햇빛이 헤드업 디스플레이를 통해 아이박스 방향으로 반사되지 않도록 한다. 이러한 구성 변형에서, 홀로그래픽 구조와 글레어 트랩은 바람직하게는 동일한 곡률로 구성되며 서로 바로 인접해 배치된다.

전반적으로, 파면 제어장치는, 홀로그래픽 소자를 통해, 사용 중의 광을, 기존의 굴절 광학 부품들에 의해 가능한 것보다, 훨씬 더 크거나 더 극단적으로 편향시킬 수 있다. 또한, 높은 품질의 다색 영상을 투사할 수 있다.

화상 생성 장치는 유리하게는 공간적으로 확장된 적어도 1개의 평면을 포함하며, 이때 평면은 기정된 방출 각도 범위 내로 광을 방출하고 이러한 방출되는 광의 파장에 대해 기정된 최대 대역폭으로 광을 방출하도록 설계된다. 바람직하게, 평면의 각각의 광 방출 지점은 산란 로브(scattering lobe) 형태로 또는 특정 각도 범위 내에서 광을 방출한다. 이는 예를 들어 디퓨저를 사용하여 달성될 수 있다. 바람직하게, 화상 생성 장치는 레이저 광, 특히 레이저 빔을 방출하도록 설계된다. 유리하게, 화상 생성 장치는 적어도 두 가지, 바람직하게는 적어도 세 가지의 서로 다른 파장의 레이저 광을 방출하도록 설계된다. 바람직하게 이는 한 특정 색 공간의 세 가지 서로 다른 파장들, 예를 들어 적색, 녹색 및 청색이거나, 또는 청록색, 자홍색 및 황색에 해당한다. 홀로그래픽 소자는 예를 들어 미러 및 렌즈 소자와 같은 다른 광학 부품에 비해 파장에 대해 더 민감하기 때문에, 화상 생성 장치를 방출된 광의 파장과 관련하여 기정된 최대 대역폭으로 구성하면 유리하다.

본 발명에 따른 광학 장치는 용적이 바람직하게는 10 리터 미만이다. 다시 말해, 10 리터 미만의 설치 공간을 차지한다. 특히 초소형으로 제작되고, 다시 말해 작은 설치 공간만 차지하고, 동시에 복수의 영상 평면에서 매우 높은 결상 품질을 보장하는 헤드업 디스플레이를 제공한다. 본 발명에 따른 광학 장치는 예를 들어 자동차, 항공기 또는 VR용 장치(예컨대, VR 안경(또는 고글))에 새로 장착시키기에 적합하다.

추가 변형에서, 파면 제어장치, 특히 적어도 1개의 홀로그래픽 구조는 서로 다른 영상 평면의 영상들을 스펙트럼적으로 분리하도록 또는 다양한 영상 평면에 대해 서로 다른 편광 상태를 생성하여 상기 영상들을 분리하도록 설계된다.

화상 생성 장치는 복수의 화상 생성 유닛을 포함할 수 있다. 특히, 제1 화상 생성 유닛은 화상 생성 장치의 제1 영역을 가질 수 있고, 제2 화상 생성 유닛은 화상 생성 장치의 제2 영역을 가질 수 있다. 다시 말해, 각각의 화상 생성 유닛은 기정된 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 기존의 헤드업 디스플레이 시스템을 특히 간단하고 비용 효율적으로 개조할 수 있게 된다.

또한, 파면 제어장치는 기정된 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 각각 설계된 복수의 홀로그래픽 구조를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 파면 제어장치는, 자유-형상 표면을 가지며 적어도 하나의 기정된 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 각각 설계된 복수의 광학 소자를 포함할 수 있다. 또한 이들 변형은 비용 효율적인 방식으로 적절한 홀로그래픽 구조 및/또는 자유-형상 소자를 통해 기존의 헤드업 디스플레이를 간단하고 비용 효율적으로 개조하도록 하여, 영상 거리가 상이한 2개 이상의 영상 평면을 갖는 헤드업 디스플레이를 실현하도록 한다.

본 발명에 따른 헤드업 디스플레이는 본 발명에 따른 전술한 광학 장치를 포함한다. 광학 장치는 위에 이미 명시된 기능 및 장점들을 갖는다. 투사면은 차량 앞유리의 표면이나 관측창일 수 있다. 투사면 또는 관측창은 곡면 형태를 가질 수 있다. 차량은 자동차, 항공기, 철도 차량 또는 선박일 수 있다. 관측창은 안경, 특히 스마트안경, 머리에 착용할 수 있는 투명 스크린, AR 안경 또는 AR 헬멧, 바이저 또는 현미경의 접안렌즈일 수 있다.

본 발명에 따른 헤드업 디스플레이는 시야각이 큰 복수의 영상 평면에 가상의 화상이 생성될 수 있도록 한다. 예를 들어, 적어도 10°, 바람직하게는 적어도 15° X 5°의 시야(FOV: 15°X 5°)의 시야를 가지며 아이박스로부터 특정 거리(예를 들어, 2 m 내지 12 m) 떨어진 곳에 보이는 직사각형 가상 화상을 생성할 수 있다. 아이박스는 치수가 최대 150 mm x 150 mm일 수 있다.

홀로그래픽 소자들의 적절한 구성 파동을 통해 가상 화상의 밝기와 균일도를 최적화할 수 있다. 또한, 화상 생성 유닛에서의 RGB 색 공간과 같은 혼색 계수를 조절하여 백색도의 균일도를 설정할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 한 예시적 실시예에 기반하여 본 발명을 더 상세히 설명하고자 한다. 바람직한 예시적 실시예들을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 예시하고 상세히 설명하였지만, 본 발명이 이러한 개시된 예들에 의해 제한되는 것은 아니며, 당업자는 본 발명의 보호 범주를 벗어나지 않으면서 다른 변형들을 도출할 수 있다.
첨부된 도면들이 반드시 모든 면에서 정확하고 일정한 비율로 표시된 것은 아니며, 명확성을 높이기 위해 확대되거나 축소된 형태로 표현되기도 한다. 이러한 이유로, 본원에 개시되는 기능적 세부사항은 제한적이 아닌, 본 발명을 다양한 방식으로 사용하고자 하는 당업자에게 지침을 제공하는 예시적 기초로서 단순히 이해되어야 한다.
본원에서 2개 이상의 일련의 구성요소에 사용되는 경우의 "및/또는"이란 표현은 열거된 구성요소들 중 어느 것이든 단독으로 사용될 수 있거나, 열거된 구성요소들 중 2개 이상을 조합하여 사용될 수 있음을 의미한다. 예를 들어 어떤 조성물이 구성요소 A, B 및/또는 C를 함유하는 것으로 설명된 경우, 해당 조성물은 A만 함유할 수 있거나, B만 함유할 수 있거나, C만 함유할 수 있거나, A와 B를 함께 함유할 수 있거나, A와 C를 함께 함유할 수 있거나, B와 C를 함께 함유할 수 있거나, A와 B와 C를 함께 함유할 수 있다.
도 1은 자동차 앞유리에 대한, 하나의 영상 평면을 갖는 헤드업 디스플레이의 빔 경로를 측면도로 개략적으로 도시한다.
도 2는 자동차 앞유리에 대한, 2개의 영상 평면을 갖는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 빔 경로를 측면도로 개략적으로 도시한다.
도 3은 동일한 광학 구성요소가 사용된 경우의 서로 다른 객체 평면들에 대한 빔 경로를 개략적으로 도시한다.
도 4는 서로 다른 광학 구성요소들이 사용된 경우의 동일한 객체 평면에 대한 빔 경로를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광학 장치를 포함한 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 제1 실시예 변형을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 광학 장치를 포함한 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 제2 실시예 변형을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 광학 장치를 포함한 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 제3 실시예 변형을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 광학 장치를 포함한 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이의 제4 실시예 변형을 개략적으로 도시한다.
도 9는 홀로그래픽 구조의 제1 변형을 개략적으로 도시한다.
도 10은 홀로그래픽 구조의 제2 변형을 개략적으로 도시한다.
도 11은 홀로그래픽 구조 내부에서의 빔 경로를 개략적으로 도시한다.

도 1은 하나의 영상 평면을 갖는 헤드업 디스플레이(10)의 빔 경로를 개략적으로 도시한다. 헤드업 디스플레이(10)는 화상 생성 유닛(1), 예를 들어 자동차 앞유리 형태의 투사면(5), 및 파면 제어장치(7)를 포함한다. 투사면(5)(예를 들어, 앞유리)은 곡면 형태로 구성될 수 있다. 차량 적용 시, 바람직하게 화상 생성 유닛(1)과 파면 제어장치(7)는 한 장착부(미도시)에 통합된 방식으로 배치된다. 헤드업 디스플레이(10)는 투사면(5)에, 특히 차량 앞유리의 표면에 또는 차량의 외부 영역에, 예를 들어 앞유리의 표면 뒤에 주행 방향으로 가상의 화상(8)을 생성하도록 구성된다. 빔 경로는 참조번호 6으로 표시되어 있다.

도시된 구성 변형에서, 파면 제어장치(7)는 홀로그래픽 구조(4) 및 광학 소자(3)를 포함하며, 상기 광학 소자는 반사되도록 구성되어 있고, 자유-형상 표면을 가지며, 화상 생성 유닛(1)과 홀로그래픽 구조(4) 사이에 화상 생성 유닛(1)으로부터 시작된 빔 경로(6)에 배치된다. 바람직하게 광학 소자(3)는 자유-형상 미러로서 구성된다.

화상 생성 유닛(1)은 파면 제어장치(7) 방향으로 광파를 방출한다. 출력되는 영상 정보 또는 화상 생성 유닛(1)에 의해 생성되는 화상은 참조번호 2의 화살표로 표시되어 있는 반면, 가상 영상은 참조번호 8의 화살표로 표시되어 있다. 파면 제어장치(7)는 결상 오류를 보정하고 필요한 경우에는 빔 경로를 확장하는 데 사용된다. 파면 제어장치(7)는 광파를 투사면(5) 방향으로, 특히 곡면 투사면 방향으로 가이드한다. 투사면(5)에서 광파는 아이박스(9) 방향으로 반사된다. 이 경우, 아이박스(9)는 헤드업 디스플레이(10)에 의해 생성되는 가상 영상(8)을 인지할 수 있도록 사용자가 위치해야 하거나 위치할 수 있는 영역을 나타낸다. 영상 평면은 가상 영상(8)의 영상 거리에 의해 정의된다.

도 2는 2개의 영상 평면을 갖는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이(10)의 빔 경로를 개략적으로 도시한다. 헤드업 디스플레이(10)는 본 발명에 따른 광학 장치(11)를 포함한다. 제1 영상 평면은 가상 영상(8)에 의해 정의된 영상 평면에 해당한다. 제2 영상 평면은 추가 가상 영상(18)에 의해 정의된다. 이에 해당하는 빔 경로는 참조번호 16으로 표시되어 있다. 제1 영상 평면과 제2 영상 평면은 영상 거리가 서로 다르다. 이 경우, 빔 경로(6, 16)에 공간적 중첩이 있을 수 있다.

도 3과 도 4는 본 발명의 기초가 되는 광학 원리를 설명한다. 광학 시스템을 단순화된 방식으로 초점 거리(f)와 광축(13)을 갖는 단일 렌즈 요소(12)로 간주하면, 도 3에 나타낸 바와 같이 객체(화상 생성 장치)(14, 17)와 영상(가상의 화상)(15, 19) 사이에 이미징 상태가 나타난다. 도 3은 동일한 광학 구성요소(12)를 사용한 경우의 상이한 객체 거리 또는 객체 간격(s1, s2)에 대한 영상(15, 19)의 빔 경로를 보여준다. 동일한 시스템(단 하나의 초점 거리(f))이 상이한 객체 간격(s1, s2) 또는 상이한 영상 간격(s1', s2') 중 어느 하나에 사용되는 경우, 2개의 서로 다른 영상 평면이 발생한다. 다시 말해, 객체 간격들이 동일한 단일 광학 시스템(PGU)을 통해서는 만족스러운 품질의 2개의 영상 간격(s1', s2')을 구현하는 것이 불가능하다.

화상 생성 유닛(1)의 동일한 화상 생성 평면이 두 가상 화상(15, 19) 모두에 사용되는 경우, 2개의 서로 다른 이미징 시스템(12a, 12b)이 필요하다. 이는 구성요소들(12a, 12b) 및 이들 구성요소(12a, 12b)의 위치가 도 4에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있음을 의미한다. 도 4는 서로 다른 광학 구성요소들(12a, 12b)이 사용된 경우의 동일한 객체 평면에 대한 영상의 빔 경로를 보여준다.

이하 도 5 내지 도 8을 기반으로 본 발명의 실시예 변형들을 더 자세히 설명하고자 한다. 도 5 내지 도 8은 각각 투사면(5) 및 본 발명에 따른 광학 장치(11)를 포함하는 본 발명에 따른 헤드업 디스플레이(10)를 나타낸다. 투사면(5)은 예를 들어 앞유리 또는 관측창일 수 있다.

각 경우에 광학 장치(11)는 화상 생성 장치(22), 및 상기 화상 생성 장치(22)와 투사면(5) 사이의 빔 경로에 배치되는 파면 제어장치(23)를 포함한다. 도시된 변형에서, 각 경우에 파면 제어장치(23)는 홀로그래픽 구조(24), 및 자유-형상 표면을 갖는 적어도 1개의 광학 소자(25)를 포함한다.

도 5에 나타낸 변형에서, 다양한 영상 평면은 2개의 화상 생성 유닛(26 및 27)에 의해 구현되며, 이때 제1 화상 생성 유닛(26)은 화상 생성 장치(22)의 제1 영역을 형성하고 제2 화상 생성 유닛(27)은 화상 생성 장치(22)의 제2 영역을 형성한다. 제1 화상 생성 유닛(26)과 제2 화상 생성 유닛(27)은 서로 다른 각각의 화상 생성 평면 또는 객체 평면을 갖는다. 도시된 변형에서, 제1 화상 생성 유닛(26)의 화상 생성 평면보다 제2 화상 생성 유닛(27)의 화상 생성 평면이 자유-형상 소자(25)에 더 가깝게 위치한다. 도 5에 나타낸 변형에서는 2개의 생성된 가상 영상 평면들에, 동일한 홀로그래픽 구조(24)와 자유-형상 미러로 구성된 동일한 광학 소자(25)가 사용된다. 또한, 예를 들어 적색-녹색-청색(RGB)에 활용되는 색 공간의 파장들은 생성된 2개의 영상 평면에 대해 동일하다. 도시된 예에서는, 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(26)에서 나오는 빔 경로의 광선이 참조번호 31의 화살표로 표시되어 있고, 화상 생성 장치(22)의 제2 영역(27)에서 나오는 빔 경로의 광선이 참조번호 32의 화살표로 표시되어 있다. RGB 색 공간의 대안으로 세 가지 파장의 서로 다른 색 공간을 사용할 수 있다. 세 가지 미만의 서로 다른 파장을 사용하는 구성, 예를 들어 한 가지 또는 두 가지의 파장만 사용하는 구성도 가능하다. 도 5에서 분명이 할 수 있듯이, 빔 경로의 공간적 중첩이 가능하다.

도 6에 나타낸 변형은 2개의 화상 생성 유닛 대신 단 하나의 화상 생성 유닛만이 존재한다는 점에서 도 5에 나타낸 변형과 다르다. 본 변형에서, 화상 생성 장치(22)에는 제1 영역(28)과 제2 영역(29)이 있으며, 이때 제1 영역(28)은 제1 영상 평면 내 영상을 위한 광선을 방출하고 제2 영역(29)은 제1 영상 표면과 다른 제2 영상 평면 내 영상을 위한 광선을 방출한다. 이렇게 구성된 화상 생성 장치(22)는 예를 들어 동일한 화상 생성 평면에 위치하지만 서로 다른 영상 평면에서 가상 영상을 생성하도록 설계된 개별 세그먼트들을 포함할 수 있다.

도 6에 나타낸 변형의 경우, 자유-형상 표면이 존재하는 2개의 서로 다른 광학 소자에 의해 파면 제어장치(23)의 범위 내에 다양한 영상 평면이 서로 분리된다. 구체적으로, 제1 자유-형상 미러(20) 및 제2 자유-형상 미러(30)가 존재하며, 이때 제1 자유-형상 미러(20)는 제1 영역(28)에 의해 방출된 광선을 홀로그래픽 구조(24) 방향으로 투사하고, 제2 자유-형상 미러(30)는 제2 영역(29)에 의해 방출된 광선을 홀로그래픽 구조(24)의 방향으로 투사한다. 도시된 변형에 대한 대안으로서, 해당 영역들과 일치하는 단 하나의 자유-형상 표면(25)을 제공하는 것이 가능하다. 도 5과 도 6에서, 제1 빔 경로(31)의 3개 광선은 도면에서 투사면(5)의 왼쪽 또는 더 위쪽으로 입사되어 제1 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계되고, 제2 빔 경로(32)의 3개 광선은 예시적 방식으로 각각 투사면(5)의 오른쪽 또는 더 아래쪽으로 입사되어 제1 영상 평면으로부터 편향되어 있는 제2 영상 평면에 가상 영상을 형성하도록 설계된다.

도 6에 도시된 변형에서 빔 경로들을 자유-형상 미러(25) 또는 영역들(20, 30)에서 분리하려면 2개의 가상 영상 평면이 광축에 수직으로 일정한 측면 간격을 두고 서로 이격되어야 한다. 예를 들어, 이는 영상 평면의 시야(FOV)에 대한 내려다보는 각도나 수직 영상 위치가 도 5에 표시된 변형보다 크게 선택되어야 함을 의미한다. 이 경우 2개의 빔 경로를 서로 다른 자유-형상 미러(20, 30)로 보정할 수 있다. 이런 식으로, 2개의 편향된 영상 평면을 실현하는 것이 가능하다. 2개의 가상 화상에 대한 영상 생성 평면들이나 객체 평면들이 동일한 화상 생성 영역 상에 배치될 수도 있지만 서로 다른 부분들이나 영역들, 예를 들어 서로 위나 아래에 또는 서로 옆에 배치될 수도 있다.

도 7에 나타낸 변형은 첫째로 화상 생성 장치의 두 영역(28, 29)이 편향 광파를 방출하도록 설계되었다는 점과 파면 제어장치(23)가 제1 홀로그래픽 구조(34)와 제2 홀로그래픽 구조(35)를 포함한다는 점에서 도 6에 나타낸 변형과 다르다. 이 경우, 제1 홀로그래픽 구조(34)는 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(28)에서 생성된 화상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계되고, 제2 홀로그래픽 구조(35)는 화상 생성 장치(22)의 제2 영역(29)에서 생성된 화상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 설계된다.

제1 영역(28)에 의해 방출된 제1 색상(31)의 광의 파장은 제2 영역(29)에 의해 방출된 제1 색상(36)의 광의 파장과 다르며, 그 파장 차이는 기정된 한계값을 초과(예를 들어 10 나노미터 초과)한다. 이때 광(31, 36)은 적색광일 수 있다. 제1 영역(28)에 의해 방출된 제2 색상(32)의 광의 파장은 제2 영역(29)에 의해 방출된 제2 색상(37)의 광의 파장과 다르며, 그 파장 차이는 기정된 한계값을 초과(예를 들어 10 나노미터 초과)한다. 이때 광(32, 37)은 녹색광일 수 있다. 제1 영역(28)에 의해 방출된 제3 색상(33)의 광의 파장은 제2 영역(29)에 의해 방출된 제3 색상(38)의 광의 파장과 다르며, 그 파장 차이는 기정된 한계값을 초과(예를 들어, 10 나노미터 초과)한다. 이때 광(33, 38)은 청색광일 수 있다. 제1 영역(28)과 제2 영역(29)은 또한 편향되어 있는 다른 색 공간들로부터 광을 방출하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(28)은 RGB 색 공간으로부터 광을 방출하도록 설계될 수 있고, 제2 영역(29)은 CMY 색 공간으로부터 광을 방출하도록 설계될 수 있다.

바람직하게, 제1 홀로그래픽 구조(34)는 제2 영역(29)에 의해 방출된 광을 회절시키는 데 효율적이지 않고, 제2 홀로그래픽 구조(35)는 제1 영역(28)에 의해 방출된 광을 회절시키는 데 효율적이지 않다. 따라서 다양한 영역에 의해 방출된 파장들은 2개의 가상 영상 평면에 대해 서로 다르게 선택된다. 바람직하게는, 기정된 한 색 공간의 2개의 파장 삼중선, 예를 들어 적색, 녹색 및 청색이 선택되며, 상기 파장 삼중선은 방출되는 영역에 따라 서로 다르다. 예를 들어, 제1 영역(28)은 제2 영역(29)이 방출하는 적색 광의 파장과 기정된 절대 차이 값만큼 다른 파장의 적색 광을 방출할 수 있다. 도시된 변형의 경우, 2개의 홀로그래픽 구조(34, 35)가 빔 경로에 연속적으로 배치된다. 원칙적으로는 서로 옆에 배치되는 것도 가능하다. 대안으로, 한 연관된 색상의 2개 파장의 격자들이 동일한 홀로그램에 기록될 수 있다. 다시 말해, 2개의 홀로그래픽 구조(34 및 35)의 2개의 청색 홀로그램이 공동(joint) 홀로그래픽 구조의 2개의 홀로그램(청색 멀티플렉스 홀로그램)에 기록되거나 노출될 수 있다. 도 10에 나타낸 예와 유사하게, 복수의 멀티플렉스 홀로그램, 예를 들어 RR' 홀로그램, GG' 홀로그램 및 BB' 홀로그램(즉, 6개의 홀로그램으로 구성된 스택 형태) 또는 임의의 다른 적합한 조합이 존재할 수 있다. 이는 기능성을 제한하지 않으면서 홀로그래픽 구조들의 개수를 줄일 수 있다.

도 8에 나타낸 실시예 변형은 도 5 내지 도 7을 기반으로 이미 설명한 다양한 변형을 조합한 경우이다. 2개의 서로 다른 화상 생성 유닛(26, 27)이 존재하며, 이들의 영상 생성 평면이 서로 다르게 위치하도록 배치된다. 또한, 이러한 2개의 화상 생성 유닛(26, 27)에 의해 방출된 파장들은 기정된 최소 절대값만큼 차이가 난다. 제1 화상 생성 유닛(26)에 의해 방출된 광은 제1 자유-형상 미러(20)에 의해 홀로그래픽 구조(24) 방향으로 반사된다. 제2 화상 생성 유닛(27)에 의해 방출된 광은 제2 자유-형상 미러(30)에 의해 홀로그래픽 구조(24)를 통해 반사되거나 홀로그래픽 구조(24) 옆을 지나가 투사면(5) 방향으로 반사된다. 도 8에 나타낸 변형에서 홀로그래픽 구조(24)은 제1 화상 생성 유닛(26)에 의해 방출되는 광 파장을 회절시키는 데에만 효율적이다. 제2 화상 생성 유닛(27)에 의해 방출되는 광의 파장들은 홀로그래픽 구조(24)에 의해 효율적으로 회절되지 않는다. 이는 제2 화상 생성 유닛(27)에 의해 방출되는 광(33)의 광 조형(light shaping)을 위해 단 하나의 자유-형상 표면(30)만 사용된다는 것을 의미한다. 이와 달리, 화상 생성 장치(26)에 의해 방출되는 광의 빔 경로(31)에는 해당 파장들에 매칭되는 자유-형상 표면(20)과 홀로그래픽 구조(24)가 사용된다.

이하, 적합한 홀로그래픽 구조(24)의 구성에 대한 변형들을 도 9 내지 도 11에 기반하여 설명하고자 한다.

도 9에 나타낸 홀로그래픽 구조(24)는 제1 홀로그래픽 소자(41) 및 제2 홀로그래픽 소자(42)를 포함한다. 도시된 실시예 변형에서, 제1 홀로그래픽 소자(41) 및 제2 홀로그래픽 소자(42) 각각은 위로 하나씩 적층 배치된 3개의 단색 홀로그램을 가지며, 예를 들어, 참조번호 51은 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램을 표시하고, 참조번호 52는 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램을 표시하며, 참조번호 53은 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램을 표시한다. 제1 홀로그래픽 소자(41)와 제2 홀로그래픽 소자(42)는 각각의 홀로그램들이 서로 미러 대칭적이 되도록 서로 상대적으로 배치된다. 도시된 변형에서, 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램들(51)은 서로 바로 인접해 배치되어 있다. 제1 홀로그래픽 소자(41)와 제2 홀로그래픽 소자(42)는 서로 바로 인접할 수 있거나 서로 근소한 거리(바람직하게는, 1 mm 미만의 거리)를 두고 배치될 수 있다.

도 9와 도 10에서, 빔 형태의 입사 광파를 참조번호 49의 화살표들로 표시하였고, 홀로그래픽 구조(24)에서 출사되는 광의 빔 경로를 참조번호 50의 화살표들로 표시하였다. 도 9에 도시된 변형에서, 각각의 홀로그래픽 소자(41, 42)의 서로 다른 개별 홀로그램들(51, 52, 53)은 광축일 수 있는 중심선 또는 중심축(43)을 기준으로 앞뒤로 나란히 배열된다. 또한 이들 각각의 홀로그래픽 소자(41, 42)의 서로 다른 개별 홀로그램들(51, 52, 53)은 중심선 또는 중심축(43)을 기준으로 옆으로 나란히 배열될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 파면 제어장치(24)의 추가 실시예 변형을 나타낸다. 도 9에 도시된 변형과 달리, 제1 홀로그래픽 소자(41) 및 제2 홀로그래픽 소자(42)는 각각 단 하나의 홀로그램을 포함하지만, 각각의 경우 다수의 서로 다른 파장들의 광을 사용하여 기록된다. 도시된 변형에서는 예를 들어 2개의 RGB 홀로그램이 있다. 홀로그램은 예를 들어 적색광으로 생성된 홀로그램 격자 구조, 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램 격자 구조 및 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램 격자 구조를 나타낸다.

도 11은 홀로그래픽 구조(24) 내의 빔 경로를 개략적으로 나타낸다. 설명의 편의를 위해, 제1 홀로그래픽 소자(41)와 제2 홀로그래픽 소자(42)를 서로 이격시켜 배치하였다. 그러나 이는 빔 경로를 설명하기 위한 것일 뿐이다. 이 경우, 입사광(49)은 특정 입사각 범위에 대해 파장별로 각각의 홀로그램(51 내지 53) 또는 홀로그램 격자 구조(51 내지 53)에서 반사된다. 즉, 특정 입사각의 청색광은 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램(53)에서 반사되고, 특정 입사각의 녹색광은 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램(52)에서 반사되며, 마찬가지로 적색광은 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램(51)에서 반사된다. 도시된 변형에서, 입사광(49)은 먼저 제2 홀로그래픽 소자(42)를 통해 투과되고 그런 후에는 제1 홀로그래픽 소자(41)에 의해 반사된다. 제1 홀로그래픽 소자(41)에 의해 반사된 빛(48)은 이어서 제2 홀로그래픽 소자(42)에서 반사되어, 홀로그래픽 구조에서 출사하며 파면(50)을 형성한다.

제1 홀로그래픽 소자(41)는 구형파를 평면파로 변환하도록 구성된다. 그 결과, 홀로그래픽 소자(24)는 그의 용적 및 이에 따라 요구되는 설치 공간을 증가시키지 않아도 높은 굴절력을 갖는다. 게다가, 미러 상에서의 빔 단면적이 감소되어, 그 결과 미러의 크기 및 굴절력 둘 다 감소될 수 있다. 이는 또한 시스템 내부의 굴절력 분포가 개선되어 허용 공차에 덜 민감해지게 되므로 유리하다. 전달되는 파면(48)이 바람직하게는 평면이다. 결과적으로, 파장 간의 필터 효과가 최소화된다. 또한, 이로 인해 홀로그래픽 소자들(41, 42)의 측면 방향 간 위치 정확도에 여유가 생긴다. 종래의 구성요소들과 비교하여, 제1 홀로그래픽 소자(41)는 오목 미러처럼 작용하고, 제2 홀로그래픽 소자(42)는 평면 미러처럼 작용한다. 전반적으로, 홀로그래픽 구조(24), 특히 제1 홀로그래픽 소자(41)와 제2 홀로그래픽 소자(42)로 구성된 홀로그램 스택은 최소 용적을 차지하되 정(positive) 렌즈의 기능을 갖추고 있다.

1 화상 생성 유닛
2 출력할 영상 정보
3 자유-형상 표면을 갖는 광학 소자
4 홀로그래픽 구조
5 투사면
6 빔 경로
7 파면 제어장치
8 가상 영상, 영상 평면
9 아이박스
10 헤드업 디스플레이
11 광학 장치
12 렌즈 요소
13 광축
14 객체
15 영상
16 제1 빔 경로
17 객체
18 가상 영상, 영상 평면
19 영상
20 자유-형상 미러
22 화상 생성 장치
23 파면 제어장치
24 홀로그래픽 구조
25 자유-형상 표면을 갖는 광학소자
26 화상 생성 유닛
27 화상 생성 유닛
28 제1 영역
29 제2 영역
30 자유-형상 미러
31 빔 경로
32 빔 경로
33 빔 경로
34 제1 홀로그래픽 구조
35 제2 홀로그래픽 구조
41 제1 홀로그래픽 소자
42 제2 홀로그래픽 소자
43 중심선
48 빔 경로
49 빔 경로
50 빔 경로
51 적색광을 사용하여 기록된 홀로그램
52 녹색광을 사용하여 기록된 홀로그램
53 청색광을 사용하여 기록된 홀로그램
s1 객체 거리
s2 객체 거리
s1' 영상 거리
s2' 영상 거리

Claims (16)

1. 화상 생성 장치(22)를 포함하는, 투사면(projection surface)(5) 상의 헤드업 디스플레이(10)용 광학 장치(11)에 있어서, 상기 화상 생성 장치(22)는 적어도 1개의 화상 생성 유닛(26, 27) 및 화상 생성 장치(22)와 투사면(5) 사이의 빔 경로에 배치되는 적어도 1개의 파면 제어장치(23)를 포함하는, 광학 장치(11)로서,
   상기 광학 장치(11)는 적어도 2개의 서로 다른 영상 평면들에 가상 영상(8, 18)을 생성하도록 설계되고, 상기 화상 생성 장치(22)는 적어도 제1 영역(26, 28)과 제2 영역(27, 29)을 가지며, 상기 화상 생성 장치(22)와 파면 제어장치(23)는 서로 협력하여 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(26, 28)에서 생성된 화상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상(8)을 생성하도록 그리고 화상 생성 장치(22)의 제2 영역(27, 29)에서 생성된 화상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상(18)을 생성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
2. 제1항에 있어서,
   화상 생성 장치(22)의 제1 영역(28)과 제2 영역(29)이 공동 화상 생성 평면을 가지거나, 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(26)이 제1 화상 생성 평면을 가지고 화상 생성 장치(22)의 제2 영역(27)이 제2 화상 생성 평면을 갖되, 제1 화상 생성 평면과 제2 화상 생성 표면이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 적어도 1개의 파면 제어장치(23)가 적어도 1개의 홀로그래픽 구조(24)를 포함하고/하거나, 자유-형상 표면을 갖는 적어도 1개의 광학 소자(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
4. 제3항에 있어서,
   상기 적어도 1개의 홀로그래픽 구조(24)가 복수의 파장의 광을 회절시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 파면 제어장치(23)는 적어도 제1 홀로그래픽 구조(34)와 제2 홀로그래픽 구조(35)를 포함하며, 상기 제1 홀로그래픽 구조(34)는 화상 생성 장치(22)의 제1 영역(28)에서 생성된 화상으로부터 제1 영상 평면에 가상 영상(8)을 생성하도록 설계되고, 상기 제2 홀로그래픽 구조(35)는 화상 생성 장치의 제2 영역(29)에서 생성된 화상으로부터 제2 영상 평면에 가상 영상(18)을 생성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
6. 제5항에 있어서,
   제1 홀로그래픽 구조(34)는 적어도 제1 파장의 광을 회절시키도록 설계되고, 제2 홀로그래픽 구조(35)는 적어도 제2 파장의 광을 회절시키도록 설계되며, 상기 제1 파장과 제2 파장 간의 차이가 기정된 한계값을 초과하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 홀로그래픽 구조(24), 및/또는 상기 적어도 1개의 광학 소자(25)가 반사형 및/또는 투과형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 홀로그래픽 구조(24)가 빔 경로(48, 49, 50)에 바로 연속적으로 배열되는 적어도 2개의 홀로그래픽 소자(41, 42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 홀로그래픽 구조(24)가 적어도 한 가지의 기정된 파장과 기정된 입사각 범위에 대해 반사적 특성을 나타내도록 구성된 적어도 2개의 홀로그래픽 소자(41, 42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 구조(24)가 적어도 2개의 홀로그래픽 소자(41, 42)를 포함하며, 적어도 1개의 홀로그래픽 소자(41, 42)는 스택 형태로 위로 하나씩 적층 배치된 복수의 홀로그램(51, 52, 53)을 포함하거나, 적어도 1개의 홀로그래픽 소자(41, 42)는 적어도 두 가지의 기정된 파장을 사용하여 기록된 적어도 1개의 홀로그램(51, 52, 53)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    파면 제어장치(23)가 서로 다른 영상 평면의 영상들을 스펙트럼적으로 분리하도록 또는 다양한 영상 평면에 대해 서로 다른 편광 상태를 생성하여 상기 영상들을 분리하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화상 생성 장치(22)가 복수의 화상 생성 유닛(26, 27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    파면 제어장치(23)가 기정된 영상 평면에 가상 영상(8, 18)을 생성하도록 각각 설계된 복수의 홀로그래픽 구조(34, 35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    파면 제어장치(23)가, 자유-형상 표면을 가지며 적어도 하나의 기정된 영상 평면에 가상 영상을 생성하도록 각각 설계된 복수의 광학 소자(20, 25, 30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치(11).
15. 투사면(5)을 포함하는 헤드업 디스플레이(10)로서,
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이(10).
16. 제15항에 있어서,
    상기 투사면(5)이 차량의 앞유리 또는 관측창의 표면인 것을 특징으로 하는 헤드업 디스플레이(10).