Ⅰ. 서 론
사람의 눈의 초점 거리는 시간에 비례하여 적응하는 특성을 지닌다. 사물 거리에 따른 눈의 적응력은 원거리와 근거리 사물의 위치 차에 따라서, 그리고 연령과 사람의 성별에 따라서 적응하는(소요되는) 시간의 차이가 발생한다. 그렇기 때문에 사물의 거리 변경에 따른 눈의 초점 인지(적응) 시간은 고속으로 움직이는 비행기와 자동차를 운전하는 사람에게는 잠재적 사고의 위험성으로 존재한다.
최초 헤드업 디스플레이는 항공기(전투기) 조종사에게 다양한 정보를 전달하기 위한 허상 영상을 눈으로부터 일정거리(3m) 이상에 디스플레이 시키는 기술로서 사용되었다. 항공기의 안전과 주변 상황에 빠르게 대응하기 위하여 조종사의 시야는 앞 유리(Windshield)를 통하여 원거리를 주시해야 하며, 동시에 초근거리에 위치한 계기판(Instrument panel)을 통해 디스플레이 되는 항공기의 다양한 시스템 정보를 인지해야 되는 어려움을 겪었다. 조종사의 눈의 초점거리는 원거리 사물에서 초근거리 (50cm) 이내의 사물로 자주 이동해야 되고, 이러한 거리 차에서 발생하는 초점 시간은 치명적인 위험한 상황을 초래하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 각종 비행 시스템 정보를 조종사의 시야 아래로 배치하지 않고, 일정거리(3m) 이상에 허상 영상으로 구현하여 원거리와 근거리 사물의 거리 차를 감소 시켰다. 또한 실제 사물과 각종 시스템 정보를 중첩시킬 수 있는 허상 영상으로 항공기 정보를 디스플레이 시킬 수 있는 헤드업 디스플레이(Head Up Display) 기술을 개발하였다[1]. 1988년부터 자동차 업체에서는 차량의 다양한 정보(속도계, 내비게이션 정보)를 허상을 통해 운전자에게 전달하기 위하여 헤드업 디스플레이를 장착하였고, 운전자에게 는 안전성과 편의를 제공하였다[2].
그림 1과 같이 완성차 업체에서는 헤드업 디스플레이를 탑재하기 위하여 기존의 앞 유리(Windshield)에 반사 물질을 코팅시켜 영상을 운전자에게 전달시키고, 동시에 운전시야를 방해하지 않는 반사율을 적용하고 있으며, 이를 위한 높은 기술력을 보유하고 있으나 생산 공정에 높은 비용을 추가되는 결과를 가져왔다. 이러한 고비용은 자동차 판매가에 반영되어 고가의 자동차에만 헤드업 디스플레이가 적용되고 있다. 결과적으로 많은 운전자에게 편의와 안전을 제공하기 위하여 저비용의 제품이 동반이 필요하다. 반면 단순히 영상을 자동차의 앞 유리에 반사시키는 구조의 디스플레이는 사람의 눈에서 영상의 거리가 짧아 헤드업 디스플레이로서의 기능을 하지 못하고 있다.
그림 1.자동차 탑재된 앞 유리 구조로 구성된 헤드업 디스플레이 시스템 Fig. 1. The windshield type of HUD system for vehicles
반사 코팅 물질은 자동차 앞 유리를 통하여 입사되는 빛의 투과와 반사 비율을 조정하는 역할을 한다. 더불어 헤드업 디스플레이에서 구현하는 영상의 이중상 (그림 2)을 제거하는 효과가 있어야 한다. 이중상이란 영상을 겹쳐 보이게 만드는 현상으로 운전자에게 정확한 정보를 전달할 수없게 하며, 눈의 피로를 가중시켜 잠재적 사고의 위험에 노출시키게 한다. 이중상이 발생하지 않도록 헤드업 디스플레이를 구현할 수 있는 기술력이 더욱 요구되고 있다.
그림 2.앞 유리 구조로 구성된 헤드업 디스플레이 시스템의 이중상 영상 Fig, 2. An unwanted double image of HUD system with windshield type
기존의 헤드업 디스플레이는 한정된 색(Mono color)을 통하여 제한된 콘텐츠와 제한된 차량의 정보만을 전달하는 구조로 구성되어 운전자의 다양한 요구와 편의를 제공하는데 한계점을 지니고 있다. 특히 스마트 폰의 발달은 자동차 운전자에게 다양한 내비게이션 정보와 부가 기능 등의 콘텐츠를 제공하고 있으나, 이러한 다양한 영상 정보를 자동차에 디스플레이 할 수 없다는 기술적 제약을 가지고 있다. 또한 기존의 헤드업 디스플레이는 작은 허상 크기로 인하여 운전자가 영상 정보를 쉽게 인식할 수 없는 어려움을 가지고 있으며, 이것은 수직 방향으로 허상을 확대시킬 수 없는 광학 설계의 물리적 한계와 자동차의 제한된 운전 시야에 기인한다.
본 논문에서는 기존의 앞 유리 구조(Windshield type)의 헤드업 디스플레이가 갖는 여러 기술적 문제점을 해결하기 위하여 컴바이너(Combiner) 렌즈와 0.47inch 크기를 가진 2개의 LCD를 적용하여 허상 영상을 확대시켰고, 다채널영상을 표현할 수 있는 구조의 헤드업 디스플레이를 연구하였다. 다채널 화면의 헤드업 디스플레이는 기존의 수평, 수직화면 비율의 헤드업 디스플레이에서 수평방향으로 화면을 확장시켜 여러 영상 화면을 동시에 디스플레이 시킬 수 있는 구조이다. 또한 고휘도 LED를 적용하여 기존 헤드업 디스플레이의 제한된 단색 표현력을 개선시켜 적색, 황색, 녹색(Red, Green, 그리고 Blue)의 24bits의 색 표현력을 구현하였다. LCD 패널과 친환경 고휘도 LED는 운전자가 사물과 영상 정보를 쉽게 구별할 수 있도록 밝기와 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. Ⅱ장 본문에서는 기존의 앞 유리 구조(Windshield type)의 헤드업 디스플레이와 컴바이너(Combiner) 렌즈 구조에 대하여 기술하였고 본 논문의 회로 구성에 대하여 설명하였다. Ⅲ장에서는 0.47inch 크기를 가진 2개의 LCD를 적용한 컴바이너(Combiner) 구조의 다중 허상 화면의 헤드업 디스플레이 시스템에 대하여 기술하였다. Ⅳ장에서는 실험에 대한 평가와 정리를 하였으며, Ⅴ장에서는 논문의 결론에 대해 서술하였다.
Ⅱ. 헤드업 디스플레이 구조 분석
기존 헤드업 디스플레이는 자동차의 앞 유리(Windshield)에 반사코팅을 삽입하여 영상을 구현하는 구조(Built-in)이기에 크고 복잡하고 자동차 엔진 룸의 온도 영향과 공간 제약으로 인하여 여러 문제점이 존재한다. 가장 큰 문제점은 허상 영상의 작은 크기와 제한된 콘텐츠로 인하여 사용자에게 다양한 정보 전달에 어려움을 가지고 있다. 반면에 컴바이너(Combiner) 렌즈를 적용한 구조는 공간적 제약을 해결할 수 있으나, 허상 영상의 크기를 확대시키기 어려운 단점은 동일하게 나타난다.
그림 3은 사람의 눈으로부터 2.5m거리에 허상 크기 7inch를 디스플레이하기 위한 광학 경로 추적(ray tracing)디자인을 나타내었다. 기존 자동차(좌측 그림)의 광 경로추적은 1.8inch 크기의 LCD 패널로부터 비대칭 비구면(asymmetric and aspherics)의 광학 렌즈(Folding mirror, Concave mirror)를 통해 비등 축(off-axis)을 기준으로 투사된 영상을 사람의 양안이 허상으로 인식할 수 있도록 반사와 투과가 가능하게 하는 코팅물질(anti reflective coating)을 앞 유리 적용하여 광학 디자인하였다. 우측의 그림은 본연구의 자동차의 앞 유리(windshield)없이 허상 영상을 다채널로 동시에 표현할 수 있는 컴바이너(또는 윈도우 렌즈)렌즈 구조의 헤드업 디스플레이 광학 경로 추적 디자인을 나타내었다[3]. 컴바이너 구조의 헤드업 디스플레이는 비구면 투과형 광학 렌즈로 구성하였고, 원치 않는 이중상을 제거하기 위하여 렌즈 앞뒷면 표면에 반사각이 서로 다른 렌즈를 사용하였다[4]. 또한 렌즈의 반사율은 헤드업 시스템 전체 밝기를 고려하여 15%~30% 내외로 설계하였다. 광학설계는 고정된 사람 머리의 양안 크기를 가로 100mm, 세로 30mm로 설계 사양으로 구성하였고, 컴바이너 반사경 형상은 축대칭(on-axis) 비구면(x축과 y축이 다른 비구면 구성)으로 구성하였다 (그림 4). 또한 광학 결상 설계는 허상이미지(object)에서 디스플레이 패널(image)로 역방향 경로 추적(backward rey tracing)을 사용하였고, 영상크기를 확대시키는 다중 줌(zoom) 설계 시 요구되는 성능을 강화시키기 위하여 왜곡 값을 최소화하였다.
그림 3.자동차 앞 유리(Windshield) 구조(좌)와 컴바이너(Combiner)렌즈 구조(우)의 헤드업 디스플레이 광학 경로 추적 디자인 Fig. 3. The windshield type (Left) and Combiner type (Right) optical ray tracing of HUD system for vehicles
그림 4.컴바이너(Combiner)렌즈의 축대칭 비구면 구성 형상 Fig. 4. The partial transmissive aspheric optical component of a combiner lens
고정되어 있는 사람이 양안 움직임 범위(eye motion box)안에서 허상 영상을 편안가게 보기 위해서는 다중 줌을 이용하여 다중계 구성 설계를 한다. 양안 위치는 1차원 변위에서 2차원적으로 변화함으로써 모든 영역을 만족시키기 위해 비구면 설계를 한다. 시야각(field of view)과 양안 움직임 범위는 아래 식과 같이 정의한다.
여기서 EMB는 양안 움직임 범위를 가리키며, D는 렌즈의 직경을 가리키며, LE는 렌즈로부터 눈의 거리를 뜻하며, S는 허상 영상의 크기를 가리키며, F는 초점 거리를, FOV는 시야각을 의미한다.
시야각(field of view)과 양안 움직임 범위는 렌즈 직경과 눈으로부터 사물의 거리 관계로부터 결정되며, 만일 렌즈로부터 눈의 거리가 증가하면 시야각과 눈의 이동 범위는 그림 5와 같이 감소한다. 즉 양안 움직임 범위와 시야각은 렌즈의 직경에 비례한다. 시야각을 증가시키기 위하여 컴바이너 렌즈의 직영을 증가시키거나, 양안으로부터 컴바이너 렌즈까지의 거리를 줄이도록 설계한다[5].
그림 5.양안 움직임 범위와 시야각의 기하 광학 Fig. 5. The geometry for EMB and FOV of head up display
그림 6은 컴바이너(또는 윈도우 렌즈)렌즈 구조의 헤드업 디스플레이의 허상 영상 구현과 기구 디자인 구조에 대해 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 허상 영상의 크기와 사람의 눈으로부터 허상 영상까지의 거리와 광학적 영상화질(이중상과 콘트라스트) 특성 등은 기존 헤드업 디스플레이의 광학 성능과 유사 혹은 그 이상의 높은 수준을 나타내었으며, 반대로 헤드업 디스플레이 광학 구성의 크기는 기존 대비 20% 수준의 작은 크기로 자동차 설치의 용이성과 다중 영상을 구현할 수 있는 공간적 구성을 확보하였다. 이것은 수직 방향으로 허상 영상을 확대시킬 수 없는 광학설계의 물리적 한계와 자동차 특성으로 인한 공간적 협소를 수평 방향으로 영상을 확장시키는 기술로서 구현하였다. 연구에서 적용한 다중 LCD 패널과 조명 광학계, 그리고 회로 구성을 통하여 복수의 허상 영상을 구현하였다.
그림 6.컴바이너(Combiner)렌즈로 구성된 헤드업 디스플레이 광학 구조와 허상 거리 Fig. 6. The optical structure and virtual distance of HUD system with a combiner lens
Ⅲ. 다중 화면의 헤드업 디스플레이
기존 헤드업 디스플레이는 자동차의 앞 유리(Windshield)에 반사코팅을 삽입하여 영상을 구현하는 구조(Built-in)이기에 복잡한 자동차 엔진 룸의 온도 영향과 공간 제약으로 인하여 허상 영상 크기를 확대시킬 수 없는 어려움이 있다. 또한 헤드업 디스플레이로부터 출력되는 허상 영상은 운전자의 눈으로부터 3m 이상의 거리에 투영되어야 운전자의 안전과 편의를 동시에 만족 시킬 수 있기 때문에, 이를 구현하는 광학 기술적 한계를 안고 있다. 본 논문은 자동차 앞유리의 수직 방향의 공간적, 안전적 제약으로 인해 허상 영상을 확대시킬 수 없는 단점을 해결하기 위하여 수평 방향으로 허상 영상을 확대시키는 다중 허상 화면을 구현하였다. 컴바이너(윈도우 렌즈)렌즈 구조의 헤드업 디스플레이는 기존 자동차에 탑재된 앞 유리 구조와 다른 병렬 영상회로 구성을 설계하였다 (그림 7). 이중 영상을 화면을 구현하기 위하여 영상 제어부와 오디오 회로부를 병렬로 구성하였다. 다양한 영상 콘텐츠를 입력받기 위하여 영상 입력은 HDMI 1.4a를 채택하였으며, 스마트 폰의 콘텐츠는 MHL(Mobile High-Definition Link)에서 HDMI 변환 케이블을 통한 Wi-Fi 무선 방식으로 헤드업 디스플레이에 전송하였고, 헤드업 디스플레이는 Wi-Fi 송신 모듈을 사용하여 HDMI로 변환 받아 콘텐츠를 전송받도록 하였다. 아날로그 영상과 사운드를 공급하기 위해 오디오 코덱과 비디오 입력 채널을 적용하였다. 조도 센서와 Real Time Counter (RTC)를 적용하여 외부 밝기 환경에 따라 LED 광원의 밝기를 제어하여 색에 대한 시인성을 분석하여 개선시켰다. 광원 효율 증대를 위해 온도센서와 냉각기를 적용하여 온도에 따른 LED 효율을 증대시켰다. LED에 인가하는 전류를 Pulse Width Modulation (PWM) 방식으로 제어하였고, 이를 통하여 LED 접합 온도 감소시키는 효과를 통해 헤드업 디스플레이에서 필요한 밝기를 구현하였다.
그림 7.컴바이너(Combiner)렌즈로 구성된 헤드업 디스플레이의 회로 구성도 Fig. 7. The circuit diagram of HUD system with a combiner lens
기존의 수평, 수직화면 비율의 헤드업 디스플레이 시스템으로부터 수평 방향으로 화면을 확장시켜 여러 영상 화면을 동시에 디스플레이 시킬 수 있는 구조를 연구하였다. 수평, 수직화면 비율을 각각 H, V로 정의한다면, 수평화면 비율을 증가시킨 nH, Y (n: 정수)로 구성된 화면을 연구하였다. 기존 4:3 혹은 16:9 영상 비율의 LCD 패널에서 허상크기를 수평 방향으로 2배 이상으로 확장시키는 8:3 혹은 32:9 화면 비율을 구현하기 위하여 다중 LCD 패널과 컴바이너 렌즈의 광학 균일성(Uniformity) 구현, 그리고 조명 광학계와 다중 회로를 구성하였다. 다중 허상영상 화면을 동시에 구현하기 위하여 하나의 컴바이너 렌즈에 두 개의 허상 영상을 배치시키는 광학 시스템을 구현하였다 (그림 8).
그림 8.컴바이너(Combiner)렌즈로 구성된 다중 화면 광학 경로 디자인 Fig. 8. The optical ray tracing design of HUD system with a combiner lens for a multi windows
그림 9는 허상 영상이 양안 움직임 범위의 변화에 따라 왜곡 보정을 요소를 적용하여 이중 LCD 패널과 LED를 적용한 조명 시스템(back light unit : BLU) 구조와 전체 시스템 기구 디자인을 나타내었다. 패널의 크기와 광 효율, 그리고 왜곡 정도, 비구면 렌즈 반사율과 공차분석 등을 통하여 2개 화면의 밝기 균일성(brightness uniformity)을 구현하였다. LCD 패널 앞단에 왜곡 보정을 위한 광학 렌즈를 실험하였고, 최종 시스템에서는 왜곡 보정을 위한 광학 렌즈 구성을 시스템에 포함시키지 않았다. 그림에서 LCD 패널의 기구 프레임 두께를 이용하여 2개 실제 화면(active image)의 간격을 구현하였고, 중심이 편심화된 비구면 광학계인 컴바이너 렌즈의 제작은 미리 기구적인 형상을 가공 후에 면 가공을 최적화하고 구현하였다.
그림 9.다중 화면 구성을 위한 BLU와 시스템 디자인 Fig. 9. The BLU and system design of HUD using dual panels and LEDs for a multi windows
그림 10은 전류를 인가할 때 Pulse Width Modulation(PWM) 방식을 적용하여 LED의 구동 효율을 증가시켰고, 광원 냉각을 위하여 Heat sink를 사용하였다. 0.47inch의 투과형 LCD 패널을 사용하여 컴바이너 렌즈를 통하여 두개의 허상 영상을 구현하였다. HDMI 입력단자를 통하여 2개의 스마트 폰의 영상을 유선과 무선(Mira-cast 방식)으로 각각 입력 받아 2개의 허상 영상을 사람의 눈으로부터 3m 이상의 거리에 구현하였다. HDMI 영상 입력 방식은 스마트폰의 다양한 콘텐츠와 응용 프로그램을 디스플레이 하기 위하여 적용하였다. 그림 8의 좌측 영상은 스마트 폰의 내비게이션 프로그램과 미니 맵 정보를 무선으로 HUD에 구현한 영상이며, 우측 영상은 2개 화면의 밝기 균일성을 확인하기 위하여 영상신호 없이 광원만을 동작시킨 백색 영상을 가리킨다. 2개 화면의 밝기 균일성은 각각 83.4%와 82.2%로 LCD 패널의 구조적 특성을 고려할 때, 우수한 성능을 나타내었다. 구현된 2개의 허상 영상 크기는 각각 8inch이며, 구현된 밝기는 외부 조도에 따라 가변 될 수 있도록 설계하였다. 구현된 광원 의 최대 밝기(display bright-ness)는 대략 5000cd/m2이며, 적색, 황색, 녹색(Red, Green, 그리고 Blue)의 24bits의 색 표현력을 구현하였다.
그림 10.다중 화면의 허상 디스플레이 영상(좌)과 컴바이너(Combiner)렌즈로 구성된 다중 화면 광학 시스템(우) Fig. 10. The dual windows image of HUD(Right) and optical design of HUD system with a combiner lens(Left)
Ⅳ. 평가
다중 허상 영상 화면을 동시에 구현하기 위하여 하나의 컴바이너 렌즈에 두 개의 허상 영상을 배치시키는 결상계의 사양과 회로 사양에 대한 요소를 표 4-1에 나타내었다.
표 1.컴바이너 렌즈를 사용한 헤드업 디스플레이의 설계 사양 Table 1. The specification of HUD system with a combiner lens
요구되는 광학 성능을 확보하기 위하여 성능 개선을 위한 최적화 설계를 하였다. 최적화의 목적은 주어진 제한 조건을 만족시키며 구현 가능한 최상의 성능을 확보하기 위한 것이다. 모든 줌 위치에서의 왜곡과 modulation transfer function(MTF) 성능을 확인하면서 최적화를 진행하였다.
성능 평가 요소로는 입력 비디오 영상의 표준과 디스플레이 되는 허상 사이즈 등이 있으며, 그 가운데 가장 중요한 두 개 영상 화면의 왜곡 정도에 대한 평가를 그림 11과 같이 분석하였다. 영상의 왜곡 현상은 화면 끝단에서 바늘 모양 왜곡(pincushion)으로 나타나고 있으며 이러한 왜곡 현상은 기준 왜곡 5% 이내의 성능을 만족하고 있다. 그러나 왜곡은 향후 이중 선형 필터(bi-linear interpolation)와 포인터 필터 등의 메시 필터를 적용하여 연구하여 TV 왜곡 1% 수준 이내로 개선시키려 한다. 또한 수평 방향으로 두 허상 영상 간의 간격이 운전자에게 미치는 영향도 등에 대해 장기적으로 분석 연구할 계획이다.
그림 11.다중 화면의 왜곡 분석 Fig. 11. The distortion analysis of dual windows image in HUD system using a combiner lens
Ⅴ. 결 론
기존 헤드업 디스플레이는 자동차의 앞 유리(Windshield)에 반사코팅을 삽입하여 영상을 구현하는 구조(Built-in)이기에 허상 크기의 제약을 가지고 있으며, 시스템의 온도 특성과 색 표현에 많은 제약을 가지고 있다. 본 연구에서는 수평 방향으로 허상 영상을 넓히는 다중 LCD 패널 구조를 적용하여 다채널 윈도우 구조의 헤드업 디스플레이를 구현하였다. 초소형 LCD 패널과 친환경 LED 광원을 적용 제어하였고 광학 설계 기술을 통하여 다양한 화면을 운전자에 다중 화면을 통하여 동시에 선명한 영상을 제공하는 효과를 얻었다. 광학 구조는 LCD 패널을 2개 이상의 다중으로 사용하거나, Micro Electro Mechanical System(MEMS) 구조의 Digital Mirror Display(DMD) 혹은 OLED 패널을 다중으로 사용할 수 있다. 또한 스마트 폰과 같은 멀티미디어 장치, 영상 카메라 등의 영상정보를 유무선의 디지털 영상 전송 방식을 통해 허상으로 디스플레이 시키는 기술을 구현하였다. 광학 렌즈의 화면 균일성(uniformity), 밝기와 콘트라스트를 증가시킬 수 있는 다수의 초소형 광원을 사용하여 뛰어난 화면 재현과 영상 화질을 구현하는 효과를 얻었다. 이러한 다중 화면의 헤드업 디스플레이를 통하여 제한된 허상 크기를 확대하여 다양한 영상 정보를 동시에 다중으로 운전자에게 제공하여 안전과 편의를 도모할 수 있도록 하였다. 컴바이너 구조의 다중 화면 헤드업 디스플레이 기술은 거치(Stand-alone)형 헤드업 디스플레이 시장을 형성할 것으로 예상한다. 헤드업 디스플레이 보급화를 통하여 자동차 운전자의 편의를 도모하며 나아가 모터사이클에 적용되어 운전자에게 운전 정보와 다양한 콘텐츠를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 헤드업 디스플레이 적용 접근성이 용이한 126CC에서 250CC 이상의 배기량을 가진 모터사이클 분야의 빠른 적용이 예상된다.
참고문헌
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- S. Shin and Y. Chi et al, Portable virtual display system design with a eye box motion for Motor vehicles, Proc. SPIE 8167, Optical Design and Engineering IV, 2011
- E. Melzer and K. Moffitt, Head-Mounted Displays, p60-p63, 1997
- U.S. Department of Defence, Human engineering design criteria for military systems and equipment, and facilities. MIL-STD-1472D. 1989