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KR20200070256A - 헤드업 디스플레이용 축방향 비대칭 이미지 소스 - Google Patents

헤드업 디스플레이용 축방향 비대칭 이미지 소스 Download PDF

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KR20200070256A
KR20200070256A KR1020207011207A KR20207011207A KR20200070256A KR 20200070256 A KR20200070256 A KR 20200070256A KR 1020207011207 A KR1020207011207 A KR 1020207011207A KR 20207011207 A KR20207011207 A KR 20207011207A KR 20200070256 A KR20200070256 A KR 20200070256A
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KR
South Korea
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mirror
axis
pupil
output
waveguide
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KR1020207011207A
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Inventor
로리 토마스 알렉산더 밀스
마이클 데이비드 시몬즈
Original Assignee
배 시스템즈 피엘시
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Priority claimed from GB1717178.6A external-priority patent/GB2567662B/en
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Abstract

피벗가능 미러(700)가 있는 디지털 미러 디바이스(500) 및 미러(700)의 비대칭 각도 조명(702)을 활용하는 이미지 투영 시스템(11, 12).

Description

헤드업 디스플레이용 축방향 비대칭 이미지 소스
본 발명은 헤드업 디스플레이, 특히 이러한 디스플레이용 이미지 소스에 관한 것이다.
헤드업 디스플레이는 이미지를 사용자의 실제 배경 뷰에 이미지를 오버레이하기 위하여, 사용자가 통과해서 보는 투명 컴포넌트를 활용한다. 사용자의 눈은 보통 방식으로 그러한 주변으로부터 광을 수광하고, 사용자의 눈은 헤드업 디스플레이 시스템으로부터의 광도 수광한다. 따라서 헤드업 디스플레이로부터의 이미지가 실제 배경에 오버레이된다.
헤드업 디스플레이의 투명 컴포넌트는 사용자에 의해 사용되는 장비(예를 들어 항공기의 조종석)의 고정된 위치에, 또는 컴포넌트가 사용자의 머리와 함께 움직여서 사용자의 눈과 관련하여 고정된 위치에 유지되도록 사용자의 머리에(예를 들어 안경, 또는 헬멧에) 장착될 수 있다.
헤드업 디스플레이의 기본적인 요건은, 출력 퓨필이라고 불리는, 이미지 소스로부터 사용자가 시청하기 위해 요구되는 위치로 광을 커플링하는 것이다. 이것은 도 1에 단면도로 개략적으로 도시된 바와 같은 도파관 시스템을 활용하여 달성될 수 있다.
이미지 투영 시스템(11, 12)은 이미지를 시스템의 출력 퓨필에 위치된 사용자의 눈(1)으로 커플링하는 도파관(10) 내로 이미지를 투영한다. 사용자가 도파관을 통해 실세계를 보도록 도파관 보디(10)는 광학적으로 투명하고, 투영 시스템(11, 12)으로부터의 이미지가 이러한 뷰에 오버레이된다.
투영 광학기(12)는 투영된 이미지를 도파관의 입력 퓨필에 걸쳐 분산시키도록 배치된다. 이러한 퓨필에서의 근-거리장은 퓨필에 걸친 광의 공간적 분포를 나타내는 반면에, 원거리장은 이미지 정보를 나타낸다(이미지의 각 픽셀은 이산 광선 각도에 의해 표현됨). 사용자에게 디스플레이된(즉, 출력 퓨필에서의) 이미지는 눈으로부터 멀게(무한대) 포커싱되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이것이 투영된 이미지가 오버레이되는 실세계 이미지의 초점 거리일 수 있기 때문이다.
입력 격자(13)는 광선(14)을 도파관 보디(10) 내로 커플링한다. 입력 격자(13)는 광선(14)을 내부 전반사에 의해서 광선이 도파관(10) 내에 포획되는 각도로 회절시키는 회절형 격자일 수 있다. 출력 격자(15)는, 광이 도파관에서 벗어나고 눈(1)의 위치와 일치하게 위치되는 출구 퓨필로 전파되도록, 광을 그 원래의 각도로 다시 회절시킨다. 출력 격자(15)도 회절형 격자일 수 있다. 도파관(10) 및 입력 및 출력 격자(13, 15)는 입력 및 출력 퓨필 사이에서 광선 방향을 보존하여 색채 및 각도 이미지 정보를 보존하도록 구성된다. 즉, 출력 퓨필에서의 광의 원거리장은 입력 퓨필에서의 원거리장과 매칭된다. 당업계에서 알려진 바와 같이, 입력 격자(13) 및 출력 격자(15)에 대하여 다른 커플링 구조체가 활용될 수 있다.
명확화를 위하여 도면에서는 하나의 선(14)이 표시되지만, 이해될 수 있는 것처럼 이것은 소정 각도 범위에서의 광선을 나타낸다. 또한 입력 광은 공간적으로 분산되고 따라서 광선(14)도 이미지 투영 시스템(11, 12)에 의해 생성된 출구 퓨필에 걸쳐 분산된 광선을 나타낸다.
사용자의 눈을 디바이스에 유연하게 정렬시킬 수 있게 하기 위하여, 도파관(10)에 의해 생성되는 출력 퓨필은 전체 가시 범위가 "아이박스(eyebox)"라고 알려지는 위치 범위로부터 관찰될 수 있도록 충분히 커야 한다. 예를 들어, 10mm 직경보다 큰 출력 퓨필이 바람직할 수 있다. 도파관 시스템은, 출력 퓨필이 입력 퓨필보다 커서, 이미지 투영 시스템(11, 12)의 입력 퓨필 요건을 감소시키도록, 입력 퓨필을 확장하도록 설계될 수 있다. 이러한 확장은 일반적으로 퓨필 모사라고 알려져 있다. 확장은 원거리장을 보전하고 근 거리장에 걸쳐 일정한 휘도를 유지하면서 수행돼야 한다.
이러한 확장은 도파관(10) 내의 회절 구조체(15 및 16) 양자 모두를 활용하여 달성될 수 있다. 퓨필 확장은 당업계에 공지된 기법을 사용하여 퓨필의 하나의 차원 또는 두 개의 수직 차원에서 제공될 수 있다.
두 차원에서 퓨필이 확장되면 1차원의 확장보다 설계가 더 어려워진다. 특히 큰 색채 범위에 걸쳐서 2 차원의 확장이 된 출력 퓨필의 근-거리장에 걸쳐서 균일한 조도를 얻는 것은 어려울 수 있고, 도파관 광학기가 정밀하게 설계되고 제조되어야 한다.
이에 반해, 단일 차원 확장은 훨씬 간단하지만, 하나의 차원에서의 이용가능한 출구 퓨필 크기를 투영 소스에 의해 제공되는 것으로 한정한다. 도 2a는 오직 일차원으로 도파관(201) 내에서 확장되는 입력 퓨필(200)의 개략도를 도시한다. 출력 퓨필(202)은 x-방향으로는 확장되지만 y-방향에서 퓨필 크기는 유지되어, 비대칭 아이박스(203)가 된다. 결과적으로, 단일 차원 확장 도파관을 투영 디바이스와 결합하면, 프로젝터에 의해 제공되는 출구 퓨필은 통상적으로, 대칭인 아이박스(207)를 제공하는, 입력 퓨필(204), 2D 확장용 도파관(205), 및 출력 퓨필(206)에 대해서 도 2b에 도시된 바와 같은 도파관 확장에 대한 직교 축에서 더 커야 한다.
반사성 마이크로디스플레이 디바이스가, 적절하게 큰 출구 퓨필을 생성하기 위하여 사용될 수 있는 다른 복잡한 광학 요소와 공동으로 사용될 수 있지만, 이러한 시스템은 물리적으로 크고 달성가능한 이미지 품질이 열화되게 할 수 있다.
도 3은 입력 원뿔(301)에 의해 조명되는 단일 DMD 미러(300)의 개략도를 도시한다. 미러는 출력 원뿔(302)을 생성하는 플랫(flat)-상태에서 도시된다. 미러(300)는 도면의 평면에 수직인 축(303) 중심으로 틸팅한다. 온-상태에서 미러(300)는 반-시계방향으로 틸트되어 출력 원뿔(304)을 생성한다. 오프-상태에서 미러는 시계방향으로 틸트되고 출력 원뿔(305)을 생성한다. 도 3에 도시되는 DMD의 스타일은 흔히 "다이아몬드 픽셀" 아키텍처라고 알려져 있다. DMD의 다른 타입에서, 각각의 미러는, 미러 표면이 상태들 사이에서 여러 축들을 따라 이동하도록, 한 포인트 중심으로 이동될 수 있다; 이러한 DMD 디바이스는 일반적으로 "틸트 및 롤(tilt and roll)" 디바이스라고 알려져 있다.
온-상태 출력 원뿔(304)만이 이미지 투영 광학기에 의해 수집되어야 하고, 따라서 출력 원뿔(304)은 플랫-상태 및 오프-상태 출력 원뿔(302, 305)과 중첩되어서는 안 된다. 도 3의 것과 같은 DMD 디바이스의 통상적인 미러는 +/-12°만큼 틸트될 수 있는데, 이것은 인접한 출력 원뿔들 사이에서 중첩하는 것을 피하기 위해서는 최대 조명 원뿔각이 24°(+/- 12°)라는 것을 의미한다. DMD의 조명은 마이크로미러 디바이스의 총 면적에 걸쳐 있는데, 이것이 투영 시스템에 의해 달성가능한 가시 범위를 규정한다. 조명 원뿔각은 투영 시스템의 퓨필 크기를 규정한다. 즉, DMD 이후의 투영 광학기는 광의 공간적 분포를 각도 분포(원거리장)로 그리고 각도 분포를 공간적 분포로 전환하여, 출력 퓨필에 위치된 눈이 DMD에 의해 생성된 이미지를 관찰하게 한다.
도 4는 출구 퓨필(400)을 생성하기 위한 DMD-기반 이미지 프로젝터의 근축(paraxial) 디자인을 보여준다. DMD는 401에 표현된다. 도면의 위쪽 절반은 DMD(401)의 X-축(해당 축에서는 디바이스가 더 큼)을 보여주고, 도면의 아래쪽 절반은 DMD(401)의 Y-축(해당 축에서는 미러 어레이가 더 작음)을 보여준다.
DMD(401)는 광원(미도시)에 의하여, 각도 조명 원뿔(angular illumination cone)에서 광으로 공간적으로 균일하게 조명된다. 광선 번들(402 및 403)은 401의 중앙 영역으로부터의 반사를 나타내고, 광선 번들(404-407)은 401의 에지로부터의 반사를 나타낸다. 번들(402-407)의 원뿔각은 DMD 평면(401)에 있는 조명 소스의 원뿔각에 대응한다.
근축 렌즈 시스템(408)은 DMD로부터의 광을 포커싱하여 출구 퓨필(400)을 생성한다.
예시적인 구성에서 DMD 어레이(401)는 10mm x 6.25mm일 수 있다. 광학 시스템은 전체 DMD 어레이(301)를 조명하여 결과적으로 투영 렌즈를 통해 40° x 25° 가시 범위를 제공하도록 설계될 수 있다. 24°의 최대 조명 원뿔각을 사용함으로써, 6mm 직경의 출구 퓨필(300)이 제공된다.
도파관 시스템 내의 하나의 차원에서의 확장을 사용하면 예시적인 시스템 출력 퓨필(아이박스)이 확장되지 않은 차원에서 6mm로 제한되고, 이것은 불충분할 수 있기 때문에 2 차원의 확장이 필요하다.
그러므로, 적절한 크기의 출력 퓨필을 제공하기 위한 개선된 헤드업 디스플레이 시스템이 요구된다.
이하 설명되는 실시예는 공지된 시스템의 단점 중 임의의 것 또는 전부를 해결하는 구현형태들로 한정되지 않는다.
이러한 개요는 아래의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념들의 선택을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 개요는 청구된 요지의 키 특징들 또는 본질적 특징들을 식별하기 위해 의도된 것이 아니며, 청구된 요지의 범위를 결정하는 데에 도움을 주도록 이용되는 의도도 아니다.
헤드업 디스플레이용 이미지 투영 장치로서, 복수 개의 피벗가능 미러를 포함하는 디지털 미러 디바이스; 미러에 걸쳐서 공간적으로 그리고 입력 원뿔에 걸쳐서 각지게(angularly) 분포되는 입사광으로 상기 피벗가능 미러를 조명하도록 구성되는 조명 소스; 및 상기 조명 소스로부터의 광이 상기 피벗가능 미러로부터 반사된 후에 도파관 내로 커플링되도록 정렬되는 광 도파관을 포함하고, 상기 입력 원뿔은 비대칭이고, 축에서의 상기 피벗가능 미러의 최대 틸트 각도보다 큰, 축에서의 원뿔각(cone angle)을 가지는, 이미지 투영 장치가 제공된다.
피벗가능 미러는 단일 축에서 피벗할 수 있다.
피벗가능 미러는 평면도에서 사면형일 수 있고 미러 둘레의 두 꼭지점들 사이의 축 중심으로 피벗할 수 있다.
디지털 미러 디바이스는 다이아몬드 픽셀 디바이스일 수 있다.
입력 원뿔각은 미러 피벗 축에 직교하는 축에 따라 24°일 수 있고 미러 피벗 축에 평행한 축에 따라 24°보다 클 수 있다.
상기 이미지 투영 장치는, 상기 디지털 미러 디바이스의 출력을 출력 퓨필에 투영하기 위한 렌즈 배열체를 더 포함할 수 있고, 출력 퓨필은 공간적으로 비대칭이다.
이미지 투영 장치는 디스플레이의 출력 퓨필에 커플링되도록 자신의 출력을 도파관 내로 투영할 수 있다.
도파관은 퓨필 모사를 통해 입력 퓨필을 확장하여, 사용자에게 더 큰 출구 퓨필을 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 내용은 다른 도파관 디자인보다 작고 가볍지만 부유 광 경로를 생성하지 않는 도파관을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시에 의하여 설명될 것이다:
도 1은 도파관 구조체의 단면을 도시한다;
도 2는 일차원 및 이차원 차원 확장의 개략도를 도시한다;
도 3은 DMD 미러로부터의 반사들의 개략도를 도시한다;
도 4는 근축 투영 시스템을 도시한다;
도 5는 DMD 어레이의 개략도를 도시한다;
도 6은 DMD 어레이로부터의 단일 미러를 보여준다;
도 7은 비대칭 조명 시의 DMD 어레이로부터의 단일 미러를 보여준다;
도 8은 비대칭 조명 시의 DMD 어레이로부터의 출력 퓨필을 보여준다; 그리고
도 9는 비대칭 조명 시의 근축 투영 시스템을 도시한다.
본 발명의 추가적인 세부 사항, 양태 및 실시예가 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시적인 방식으로 설명될 것이다. 도면에 있는 요소들은 간결하고 명확하도록 도시되며 반드시 척도에 맞게 도시된 것은 아니다. 이해를 돕기 위해서 유사한 참조 번호가 개별 도면 내에 포함되었다.
도 5는, 각각의 미러의 틸트 축이 대칭의 모서리-모서리 선 주위에 있고 미러가 단일 축 중심으로 틸트하는 DMD 어레이(500)의 평면도를 도시한다. 이러한 타입의 DMD는 현재 개시되는 내용에서 사용될 수 있는 디바이스의 타입의 일 예이지만, 다른 타입의 DMD 어레이도 활용될 수 있다. 예를 들어, 미러가 단일 축 상에서 피벗하지만 축의 상이한 정렬로 피벗하는 DMD가 활용될 수 있고, 또는 미러가 두 개 이상의 축 중심으로 피벗하는 DMD가 활용될 수 있다. 도 6은 단일 미러(600) 및 Y-축 중심의 그 피벗 축(601)의 확대도를 도시한다. 미러(600)는 입력 원뿔(602)에 의해 조명되고 원뿔(603)은 출력 원뿔을 나타낸다.
도 7은 비대칭 출력 퓨필(701)을 생성하도록 조명되는 어레이의 단일 미러(700)의 개략도를 도시한다. 입력 조명 원뿔(702)은 비대칭이 되도록 구현된다. Z 축(도면 평면을 벗어나는 축)에서 입력 원뿔은 전술된 24°로 제약되어, 온/플랫/오프 출력 원뿔들 사이에 중첩이 없게 된다. 조명 원뿔은 비대칭이어서, Y-축에 평행한 원뿔각이 Z-축에서의 원뿔각보다 크게 한다. 이러한 구성의 배향에 기인하여, 출력 퓨필 크기를 각도 제한할 요구 사항이 없다(종래의 광학적 디자인 제한에 의존하는 것이 아님). 예시적인 구성에서 조명 원뿔은 24° x 40°일 수 있다. 일반적으로, 어느 축에서의 원뿔각은 해당 축에서의 최대 미러 틸트 각도보다 클 수 있다. 특정한 예에서, 미러는 하나의 축 중심으로만 틸트한다. 도 8은 미러 상태들 각각에 대한 출력 퓨필을 도시하는데, X-방향에서의 상태들 사이의 상호작용의 부족을 유지하면서 Y-방향에서의 확장된 퓨필을 보여준다. 일 예에서, 미러는 다른 축들 중심으로는 이동하지 않으면서 도 7의 Y-축 중심으로 피벗한다.
도 9는 전술된 비대칭 조명을 활용하는 근축 시스템을 도시한다. DMD 디바이스(900)는 도 2에 대하여 전술된 것과 같은 치수를 가지고, 40° x 25°의 동일한 가시 범위가 출력 퓨필(901)에 제공된다. X-축에서, 조명 각도는 도 3에 대하여 설명된 것과 같게 24°이지만, Y-축에서는 예시적인 광선 번들(902, 903, 904)이 더 큰 원뿔각, 예를 들어 40°를 가진다. 근축 투영 시스템(905)은 6mm x 10.25mm의 근축 출구 퓨필(901)을 제공한다.
도 9의 비대칭 출력 퓨필(901)은 사용자에게 투영되도록 HUD의 도파관 내로 투영될 수 있다. 한 차원에서만 확장되는 것 도파관에 의해 제공되어 시스템에 대해 20mm(6mm로부터 확장됨) x 10.25mm의 출력 퓨필을 제공할 수 있다. 따라서, 한 차원에서만 확장시키면 허용가능한 출력 퓨필 크기가 제공될 수 있다. 따라서, DMD 이미지 소스 시스템(휘도에서의 연관된 이점을 가짐)은 일차원 확장과 조합되어 활용될 수 있어서, 이러한 기술의 이점들을 얻게 된다.
상기 설명은 특정한 파라미터를 가지는 예시적인 DMD 디바이스를 사용하여 제공되었다. 그러한 파라미터들은 오직 설명을 편하게 하기 위하여 제공되었고, 본 명세서에서 설명되는 원리는 상이한 파라미터를 가지는 디바이스에 적용된다.
전술된 설명에서 측면-다이아몬드(side-diamond) 디바이스가 일 예로서 사용되었지만, 미러가 피벗하는 다른 타입의 디바이스가 동일한 원리에 따라서 활용될 수 있다. 이와 유사하게, 정방형 미러가 일 예로서 사용되었지만, 다른 형상이 사용될 수도 있다.
본 발명이 몇 가지 실시예와 연관하여 설명된 바 있지만, 이것은 본 명세서에 설명된 특정 형태로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 추가하여, 비록 어떤 특징이 특정 실시예와 관련하여 설명된 것으로 보일 수 있지만, 당업자는 설명된 실시예의 다양한 특징들이 본 발명에 따라서 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 청구항에서, '포함하는'이라는 용어는 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.
더욱이, 청구항 내에서 특징들의 순서는 특징들이 수행되어야 하는 임의의 특정한 순서를 암시하지 않으며, 특히 방법 청구항에 있는 개개의 단계들의 순서는 이러한 단계들이 이러한 순서로 수행되어야 한다는 것을 암시하지 않는다. 오히려, 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 추가하여, 단수로 참조하는 것이 복수를 배제하는 것은 아니다. 따라서, '하나(a)', '하나의(an)', '제 1', '제 2' 등을 참조하는 것은 복수가 될 수 없다는 것이 아니다. 청구항에서, '포함하는(comprising)' 또는 "포함하는(including)"은 다른 요소의 존재를 배제하지 않는다.

Claims (8)

  1. 헤드업 디스플레이용 이미지 투영 장치로서,
    복수 개의 피벗가능 미러를 포함하는 디지털 미러 디바이스;
    미러에 걸쳐서 공간적으로 그리고 입력 원뿔에 걸쳐서 각지게(angularly) 분포되는 입사광으로 상기 피벗가능 미러를 조명하도록 구성되는 조명 소스; 및
    상기 조명 소스로부터의 광이 상기 피벗가능 미러로부터 반사된 후에 도파관 내로 커플링되도록 정렬되는 광 도파관을 포함하고,
    상기 입력 원뿔은 비대칭이고, 축에서의 상기 피벗가능 미러의 최대 틸트 각도보다 큰, 축에서의 원뿔각(cone angle)을 가지는, 이미지 투영 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피벗가능 미러는 단일 축 상에서 피벗하는, 이미지 투영 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피벗가능 미러는 평면도에서 사면형이고(four-sided), 미러 둘레의 두 꼭지점 사이의 축 중심으로 피벗하는, 이미지 투영 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 디지털 미러 디바이스는 다이아몬드 픽셀 디바이스인, 이미지 투영 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 원뿔각은, 미러 피벗 축에 수직인 축에 따라 24°이고, 상기 미러 피벗 축에 평행한 축에 따라 24°보다 큰, 이미지 투영 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 투영 장치는,
    상기 디지털 미러 디바이스의 출력을 출력 퓨필(output pupil)에 투영하기 위한 렌즈 배열체를 더 포함하고,
    상기 출력 퓨필은 공간적으로 비대칭인, 이미지 투영 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관은 디지털 미러 디바이스 조명에 의해 생성되는 출구 퓨필(exit pupil)을 하나의 축에서 확장시키는, 이미지 투영 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 입력 퓨필을 단일 차원에서의 퓨필 모사(replication)를 통해 확장시켜서, 더 큰 출구 퓨필을 사용자에게 제공하는, 이미지 투영 장치.
KR1020207011207A 2017-10-19 2018-10-09 이미지 투영 장치 및 이를 포함하는 헤드업 디스플레이 Active KR102821764B1 (ko)

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