HUD는 투시형 정보 전시장치로서 최근에 마이크로 디스플레이와 LED 기술의 발달로 소형화가 이루어져 점차 응용분야를 넓혀가고 있다. 본 논문에서는 마이크로 디스플레이 장치인 DLP를 이용하여 영상 전시영역 5인치 급의 양안 관측용 소형 헤드업 디스플레이(HUD) 광학계를 설계하였다. 소형 경량화된 HUD를 설계하기 위하여 광학계의 각 설계요소를 분석하였고 DLP, 프로젝젼 광학계 및 오목렌즈형 영상결합기의 특성들과 설계방식을 살펴보았다. 각 광학계의 연결구조 분석을 통하여 세부 설계사양을 설정하고 광학계를 상세 설계하였다. 프로젝션 광학계와 오목렌즈형 영상결합기 사이에 백색 확산 반사체를 넣어 접은 형태로 구성하여 광학계를 각각 독립적으로 설계하였다. 투사 영상의 전시거리는 약 2m ~ 무한대 까지 조정이 가능하고 관측거리는 1m로 설정하였다. 해상도는 HD($1,280{\times}720$화소) 급으로 1 ~ 2화소 까지 인식이 가능하여 각종 문자, 기호를 판독할 수 있다. 또한, 컬러영상 구현이 가능하여 네비게이션 지도, 주간카메라 영상 및 열상카메라 영상 등을 전시할 수 있다.
HUD는 투시형 정보 전시장치로서 최근에 마이크로 디스플레이와 LED 기술의 발달로 소형화가 이루어져 점차 응용분야를 넓혀가고 있다. 본 논문에서는 마이크로 디스플레이 장치인 DLP를 이용하여 영상 전시영역 5인치 급의 양안 관측용 소형 헤드업 디스플레이(HUD) 광학계를 설계하였다. 소형 경량화된 HUD를 설계하기 위하여 광학계의 각 설계요소를 분석하였고 DLP, 프로젝젼 광학계 및 오목렌즈형 영상결합기의 특성들과 설계방식을 살펴보았다. 각 광학계의 연결구조 분석을 통하여 세부 설계사양을 설정하고 광학계를 상세 설계하였다. 프로젝션 광학계와 오목렌즈형 영상결합기 사이에 백색 확산 반사체를 넣어 접은 형태로 구성하여 광학계를 각각 독립적으로 설계하였다. 투사 영상의 전시거리는 약 2m ~ 무한대 까지 조정이 가능하고 관측거리는 1m로 설정하였다. 해상도는 HD($1,280{\times}720$ 화소) 급으로 1 ~ 2화소 까지 인식이 가능하여 각종 문자, 기호를 판독할 수 있다. 또한, 컬러영상 구현이 가능하여 네비게이션 지도, 주간카메라 영상 및 열상카메라 영상 등을 전시할 수 있다.
The HUD has recently been downsized due to the development of micro display and LED technology as a see through information display device, gradually expands the application areas. In this paper, using a DLP micro display device designed a compact head-up display(HUD) optical system for biocular obs...
The HUD has recently been downsized due to the development of micro display and LED technology as a see through information display device, gradually expands the application areas. In this paper, using a DLP micro display device designed a compact head-up display(HUD) optical system for biocular observation of the image exhibition area 5 inches. It was analyzed for each design element of the optical system in order to design a compacted HUD. DLP, projection optical system and concave image combiner were discussed the design approach and the characteristics. Through a connection structure analysis of each optical system, detailed design specifications were set up and designed the optical system in detail. Put a folded configuration in the form of a white diffuse reflector between the projection lens and concave image combiner was designed to be independent, respectively. Distance of the projected image is adjustable up to approximately 2m ~ infinity and observation distance is 1m. Resolution could be recognized by 1 ~ 2pixels in HD($1,280{\times}720pixels$) class, various characters and symbols could be read. In addition, color navigation map, daytime video camera and thermal imaging cameras can be displayed.
The HUD has recently been downsized due to the development of micro display and LED technology as a see through information display device, gradually expands the application areas. In this paper, using a DLP micro display device designed a compact head-up display(HUD) optical system for biocular observation of the image exhibition area 5 inches. It was analyzed for each design element of the optical system in order to design a compacted HUD. DLP, projection optical system and concave image combiner were discussed the design approach and the characteristics. Through a connection structure analysis of each optical system, detailed design specifications were set up and designed the optical system in detail. Put a folded configuration in the form of a white diffuse reflector between the projection lens and concave image combiner was designed to be independent, respectively. Distance of the projected image is adjustable up to approximately 2m ~ infinity and observation distance is 1m. Resolution could be recognized by 1 ~ 2pixels in HD($1,280{\times}720pixels$) class, various characters and symbols could be read. In addition, color navigation map, daytime video camera and thermal imaging cameras can be displayed.
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문제 정의
본 논문에서는 마이크로 디스플레이 장치인 DLP를 이용하여 휴대가 가능한 투시형 컬러전시기로서 다양한 플랫폼에 간단히 장착하여 쓸 수 있는 헤드업 디스플레이 광학계 설계 방식에 대하여 논의하였으며 광학계를 상세 설계하고 분석하였다.
가설 설정
한눈으로 볼 수 있는 시야각은 순간(instantaneous)시야각이라 한다. 본 설계에서는 영상결합기에서 투영되는 영상 크기 및 관측거리를 고려하여 전체시야각은 약 ± 6°, 순간 시야각은 약 4°로 설정하였다.
제안 방법
DMD, Fly's eye 렌즈 조명광학계, 프로젝젼 광학계 및 오목렌즈형 영상결합기(양안접안경)의 특성과 설계방식을 살펴보고 최적의 연결구조 분석을 통하여 설계 사양을 설정하였다. Zemax 13(2014) 광학 설계 및 분석 소프트웨어를 사용하여 프로젝션광학계와 영상결합기를 상세설계 하였다.
DMD부터 눈 위치인 입사동(entrance pupil) 까지 설계하려면 중간에 상면을 하나 두어야 하고, 광학계 길이를 줄이기 위해 경로를 접었다. 반사경을 영상결합기 사이에 두면 반사경에 비친 주변 영상이 영상결합기를 통하여 관측된다.
일반적인 프로젝션 광학계는 물체거리가 무한대인 결상광학계(infinite to focal)에서 물체거리를 수십 내지 수m로 줄여 설계하며, 구조 및 설계과정이 결상광학계와 비슷한 특성을 가진다. 따라서 스크린의 크기를 각도로 환산하여 물체거리가 무한대인 결상광학계를 설계한 다음, 물체거리를 스크린 거리로 설정하여 설계한다. 물체 거리가 수 m인 프로젝터의 광학계 까지 이러한 방식으로 설계된다.
영상결합기 위치를 조정하면 무한대에서 2m까지 투영된 영상이 보이는 거리를 조절할 수 있다. 또한, 외부풍경의 왜곡을 줄이기 위하여 영상결합기는 1배율의 무초점 (afocal) 조건을 만족하도록 설계하였다.
본 논문에서 마이크로 디스플레이 장치인 DLP를 이용하여 영상 전시영역 5인치 급의 양안관측용 소형 헤드업 디스플레이(HUD) 광학계를 설계하였다.
본 논문에서는 0.45” DMD chip의 사양에 따른 투사 광학계와 영상결합기(양안접안경)의 구조 및 렌즈들을 소프트웨어를 이용하여 상세 설계하고 시뮬레이션 분석을 하였다. 투사광학계와 영상결합기는 설계에 따라 제작하여야 하며, DMD chip과 구동 보드 및 조명광학계는 모듈화된 상용품을 적용하여 광학시스템 설계를 구현할 수 있다.
본 논문에서는 DMD(Digital Micromirror Device)마이크로 디스플레이, Fly's eye lens 조명광학계, 투사광학계 및 오목렌즈형 영상결합기(양안접안경)가 일체형으로 한 몸체 안에 들어갈 수 있는 소형의 고휘도 반사식 HUD 광학계를 설계하였다.
본 논문에서는 관측거리 1,000mm 기준에서 HD (92만 화소) 급 full-color 영상을 양안으로 관측할 수 있도록 관측영역(eye-box) 6인치 이상인 HUD를 설계하였다. 외부영상이 관측거리에 따라 크기가 변하는 것처럼 HUD에서 생성된 영상도 관측거리에 따라서 크기가 변하므로 관측거리에 따라 FOV와 디옵터, 영상결합기 크기를 잘 선정하여야 한다.
LCoS 및 DMD에 LED 광원과 Fly's eye 렌즈 조명광학계를 쓰면 소형화가 쉽다. 본 설계에서는 DMD에 LED 광원과 Fly's eye 렌즈 조명광학계를 적용한 HUD를 고려하였다.
본 연구의 소형 프로젝션 광학계는 DLP의 영상을 반사체 면에 확대하여 전달하는 기능을 하며 일반 프로젝션 광학계보다 물체거리가 수십 mm로 짧고 배율이 3 ~ 4배 이상인 비대칭 구조를 이룬다. 용도 및 기능은 프로젝션 광학계이므로 광원광학계 구조와 프로젝션 광학계의 위치 및 스크린 위치에 따른 설계요소를 반영하여야 한다.
8 까지 조절 할 수 있다. 영상결합기의 성능 평가는 관측 위치를 이동시키면서 eye-box 내에서 수행했다. 분해능은 전 영역에서 DMD의 1 ~ 2화소를 식별할 수 있는 60 ~ 120초를 만족하였다[8].
반사경을 영상결합기 사이에 두면 반사경에 비친 주변 영상이 영상결합기를 통하여 관측된다. 이를 방지하기 위하여 반사경 대신 스크린 역할을 하는 백색 확산 반사체(White Optical Diffuse Reflector)를 적용하였다. 반사경은 초점 위치뿐만 아니라 두 광학계 사이 어디든지 놓을 수 있지만 반사체는 반드시 초점면에 위치해야 한다.
빛은 그 속을 통과하면서 고르게 섞여 반대 방향으로 나온다. 이를 시준렌즈로 세기가 균일화된 평행광을 만들어 DMD에 조사시켜 준다. 광학계 길이가 길고 집광렌즈로 집속시킨 빔을 광 파이프라인에 잘 넣을 수 있도록 미세 정렬 절차를 거쳐야 한다.
입사동(눈동자 동공 크기)은 4mm, 동공 간 간격은 65mm, 순간시계는 4°로 분석하였다. 그림 12, 13에서 MTF는 8 lp/mm 기준으로 중심영역이 약 60%, 최외곽이 약 40% 이상으로 전체 영상전시 영역에서 1 ~ 2화소를 선명히 볼 수 있는 해상도이다.
HUD는 Head-Up Display의 두문자어로 비행기 조종사가 계기판을 내려다보는 동안 전방주시를 못하여 발생하는 위험을 줄이기 위하여 고개를 들고 앞을 보면서 비행정보를 획득할 수 있도록 만든 장치이다. 캐노피(canopy)전면의 계기판 위쪽에 투명유리판을 두고 기호, 문자 등을 투영시켜 외부풍경과 겹쳐 보이도록 하였다. 이러한 HUD는 비상시 조종사의 반응속도를 빠르게 하고 눈의 피로도 줄여준다.
프로젝션 광학계와 영상결합기 사이에 백색 확산 반사체를 넣어 접은 형태로 분리하여 설계하였고, 일체형의 컴팩트한 휴대용 장치로 제작이 가능하다. 관측 중심 영역에서 DMD의 1화소를 식별할 수 있었고 시스템 왜곡수차는 -4.
대상 데이터
본 논문의 HUD 광학계는 조명광학계, 투사광학계와 오목렌즈형 영상결합기로 구성되는데 그림 7의 레이아웃과 같다. 광학설계의 기준이 되는 DMD(DLP4500, Video and data display용 모델)는 화소배열 1,280×800, 1 화소의 크기가 가로, 세로 각각 7.6㎛이며 전시영역의 크기는 가로 9.73mm, 세로 6.08mm 이다. 광학계는 한 하우징에 구성할 수 있는 구조로 프로젝션 광학계가 영상을 확대시켜 반사체(스크린)에 투사시킨 후 투사된 영상을 반사식 양안접안경으로 관측하는 방식이다.
한편, 렌즈의 굴절능으로 인한 외부영상의 왜곡을 제거하기 위하여 영상결합기 렌즈는 1배율의 무초점(afocal) 조건을 만족하도록 설계하여야 한다. 본 설계의 영상결합기는 비구면 1매로 설계하였으며, 플라스틱 재질(E48R)에 설계 목표사양은 표 4와 같고 렌즈 설계 데이터는 표 5와 같다.
프로젝션 광학계의 설계 목표사양은 표 2와 같고 렌즈 설계 데이터는 표 3과 같다. 화소는 HD급에 맞추어 1,280×720 화소만 고려하여 설계하였다.
성능/효과
용도 및 기능은 프로젝션 광학계이므로 광원광학계 구조와 프로젝션 광학계의 위치 및 스크린 위치에 따른 설계요소를 반영하여야 한다. 또한, 마이크로 디스플레이 앞에 field-flattener 렌즈도 넣을 수 없고 조명광학계 프리즘이 삽입될 공간을 확보하기 위하여 긴 후초점길이를 가지면서 물체거리는 최대한 짧게 해야 전체적인 광학계 길이를 줄일 수 있다.
후속연구
HD(92만 화소) 급으로 full-color 구현이 가능하고 각종 문자, 기호뿐만 아니라 네비게이션 지도, 주간카메라 영상이나 열상카메라 영상 등의 전시가 가능하다. 소형화된 HUD는 차량, 헬기, 함정 등 다양한 플랫폼에서 디스플레이 장치로 사용할 수 있으며, 견고화된 DLP가 개발되면 군용 무기체계의 전시기로도 활용이 가능할 것으로 기대된다. 향후 Full HD급 해상도 및 큰 전시영역을 구현하기 위한 2개의 DMD를 적용한 광학계 설계 연구등이 필요하다.
소형화된 HUD는 차량, 헬기, 함정 등 다양한 플랫폼에서 디스플레이 장치로 사용할 수 있으며, 견고화된 DLP가 개발되면 군용 무기체계의 전시기로도 활용이 가능할 것으로 기대된다. 향후 Full HD급 해상도 및 큰 전시영역을 구현하기 위한 2개의 DMD를 적용한 광학계 설계 연구등이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시야각은 무슨 각도인가?
HUD 광학계에서 주요 설계인자는 시야각, 관측거리, 시준, 관측영역(eye-box), 밝기 등이며 이들은 상호 연관적이다[1-3]. 시야각(Field of View, FOV)은 관측자가 볼 수 있는 영상결합기의 전시영상과 외부풍경의 수직과 수평 각도이다. 시야각이 넓을수록 보는 영역이 커져 추가적인 영상정보를 얻을 수 있다.
DLP 프로젝터가 과거에 가진 문제점은 무엇이며 그 문제는 어떻게 해결되었는가?
DLP 프로젝터는 휴대용, 회의용 및 극장용 프로젝터로 널리 쓰이고 있다. 예전에는 할로겐램프 등의 백색광원에서 RGB 삼원색을 만들기 위하여 컬러 필터를 돌려 부피가 크고 소음이 있었으나, RGB 삼원색의 고효율 LED를 써서 구조가 단순해지고 크기도 현격히 줄어들었다.
HUD는 무엇인가?
HUD는 Head-Up Display의 두문자어로 비행기 조종사가 계기판을 내려다보는 동안 전방주시를 못하여 발생하는 위험을 줄이기 위하여 고개를 들고 앞을 보면서 비행정보를 획득할 수 있도록 만든 장치이다. 캐노피(canopy)전면의 계기판 위쪽에 투명유리판을 두고 기호, 문자 등을 투영시켜 외부풍경과 겹쳐 보이도록 하였다.
참고문헌 (8)
Robert B. Wood and Peter J. Howells, "The Avionics Handbook, Head-Up Displays, SECTION I Elements(Chap 4)", pp. 1-8, CRC Press LLC, 2001.
Andres Ingman, "The Head Up Display Concept", School of Aviation Lund University, pp. 1-10, 2005.
James E. Melzer & Kirk Moffitt, "Head-Mounted Displays: Designing for the User", pp. 59-69, Lexington, KY, 2011.
James E. Melzer, "The Avionics Handbook, Head-Mounted Displays, SECTION I Elements(Chap 5)", pp. 5-6, CRC Press LLC, 2001.
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