차량용 차세대 HUD 시스템 설계 문제 해결

DLP, 향상된 VID 및 WFOV 구현으로 차세대 증강현실 HUD 구현

2018년 03월호 지면기사  /  텍사스 인스트루먼트

자동차 OEM은 포화색(saturated color)으로 밝은 도로에서 생성된 가상 이미지와 넓은 시야각을 제공하는 진정한 증강현실(AR) HUD 시스템을 원한다. TI DLP 프로젝션 기술은 원거리 가상 이미지에서 고휘도, 색포화도, 기계적 패키징을 최적화하는 옵션들, 여러 유형의 고체 광원 사용 등을 통해 차세대 HUD를 위한 넓은 시야각을 구현한다.



TI DLP 프로젝션은 휴대용 프로젝터, 회의실, 디지털 시네마 극장을 포함한 다양한 디스플레이 애플리케이션에 널리 활용되는 성숙한 기술이다. DLP 기술은 첨단 헤드업 디스플레이(Head-Up Display, HUD) 시스템에 요구되는 넓은 시야각(Wide Field of View, WFOV)과 긴 가상 이미지 거리(Virtual Image Distances, VID)를 구현한다. AR HUD 디스플레이 광학, DLP 기술을 이용한 HUD(DLP HUD) 설계를 위한 광원 선택, 높은 다이내믹 레인지의 LED 제어 시스템에 대해 소개한다.

증강현실 HUD 디스플레이 광학

DLP 자동차 프로젝션 시스템은 HUD 시스템에서 차세대 증강현실 디스플레이에 필요한 WFOV를 구현할 수 있는 여러 가지 특징을 갖추고 있다. DLP 기술은 WFOV와 가상 이미지 위치가 멀리 있는 디스플레이에서 광학 장치의 설계 유연성, 기계적 부피 관리 및 열관리에 있어서 뚜렷한 장점을 제공한다.

HUD 광학 시스템의 목표는 일반적으로 운전자에게 약 2 m 이하의 시야 거리에서 가상 이미지를 보여주는 것이다. 이 가상 이미지는 속도, 내비게이션, 기타 운전자를 지원하는 실시간 정보 등의 계기판(instrument cluster) 데이터가 포함될 수 있다.

이 정보의 특성상 허용되는 VID는 2 m이다. AR HUD 디스플레이는 주행 차선은 물론, 인접 차선에서 발생하는 이벤트와 관련된 정보, 진출 신호, 방향지시, 도로 위험 요소 관련 안전 정보 등을 추가한다. 속성상 AR HUD는 보다 긴 가상 이미지 거리(7.5 m~20 m)와 더 넓은 시야각(10°~15°)을 요구한다. 가상 이미지 거리가 늘어나면 운전자는 화면상 정보와 도로를 번갈아 보지 않고 주의를 빼앗기지 않는 범위에서 도로와 화면을 동시에 볼 수 있는 장점이 있다.

DLP HUD 광학 시스템은 하나 또는 두 개의 곡면 미러, 디퓨저 스크린(diffuser screen), PGU(Picture Generation Unit)로 이루어진다. PGU는 광원인 DMD(Digital Micromirror Device), 드라이브 전자장치, DMD를 디퓨저 스크린 위에 투영하는 데 필요한 광학계 등으로 구성된다. 그림 1은 이 시스템의 일반적인 형태다.
오늘날 자동차의 대시보드 공간은 필요한 구조용 빔과 공조 덕트, 스티어링 컬럼으로 인해 제한을 받는다. 이러한 요소는 HUD 시스템에서 사용할 수 있는 공간과 모양을 제한한다. 그림 1의 HUD 광학 시스템에서 알 수 있듯이, 수직 FOV의 변화는 광경로 영역의 증가로 인해 HUD 미러에 필요한 물리적 크기 및 공간을 현저하게 축소 또는 확장시킬 수 있다. FOV를 확장하려면 자동차 제조사들은 계기판 뒤쪽에 추가로 공간을 확보할 수 있도록 구조를 변경해야 한다.

AR HUD 미러 크기

둘 다 같은 FOV를 가지고 있다고 가정할 때, AR HUD 미러는 표준 HUD에서 볼 수 있는 것보다 그리 크지 않다. 가상 이미지 거리가 2.4 m~10 m이므로, 미러 폭은 17% 가량 증가할 것으로 예상된다. 표준 HUD를 주어진 대시보드 내에 넣을 공간이 있다면, AR HUD도 별다른 수정 없이 설치할 수 있을 것이다.

가상 이미지 거리와 FOV 기반의 간단한 기하학적 계산을 이용해, 필요한 주요 미러의 크기를 계산할 수 있다. 그림 2는 아이박스(eyebox)가 140 mm인 10° 와이드 FOV HUD에 대한 미러 폭 증가와 가상 이미지 거리를 비교한 것이다. 아이박스에서 이 계산에 사용된 주 HUD 미러까지의 거리는 1 m이다. 가상 이미지 거리가 약 10 m를 넘으면 미러 폭은 약간 증가한다.

AR HUD용 디퓨저 스크린

AR HUD는 밝기를 최대 15,000 cd/m²까지 생성해, 밝은 일광 조건에서 가상 이미지를 입힐 때 콘텐츠가 잘 보여야 한다. 현재 이용할 수 있는 차량용 HUD 중에서 이 정도의 밝기를 낼 수 있는 것은 없다. DLP HUD는 공학용 디퓨저 스크린을 통해 광속을 효율적으로 사용함으로써 이 수준의 밝기를 구현한다.

DLP 기반 HUD에는 디퓨저가 HUD 광학계의 이미지 평면에 위치한다. 이는 다이렉트뷰 패널이 이미지 평면에 있는 다이렉트뷰 기술(LED 등) 기반의 HUD와는 대조적이다. 디퓨저 스크린은 제한된 산란각을 생성하도록 특별히 설계됐기 때문에, 랑베르(Lambertian) 산란 표면에 대해 밝기 증가를 가져온다. 이러한 밝기 증가와 산란 프로파일은 최종 소비자가 원하는 적절한 아이박스 형태와 통일성, 밝기를 제공하도록 설계를 조정할 수 있다.

디퓨저 스크린의 밝기 증가는 가상 이미지 밝기에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 파라미터들을 조정해 전체 시스템 효율을 극대화할 수 있다. 또한 디퓨저 스크린은 고정된 광학 요소가 아니기 때문에, 크기와 위치를 최적화할 수 있다. 이를 통해 광학 설계자는 HUD 광학 레이아웃의 유연성을 높여 기계적 부피를 최소화하고 대시보드에서 가용한 공간에 맞출 수 있다.

일광 열부하

HUD의 FOV 내에서 윈드실드를 통과하는 햇빛은 초점을 맞춰 이미지 평면에 집중된다. AR 시스템의 경우, 이 효과는 원거리 가상 이미지와 AR에 필요한 넓은 FOV에 의해 두드러진다. DLP HUD 설계의 디퓨저 스크린은 패시브 요소이므로 햇빛에 탄력적으로 만들 수 있다. 또한 디퓨저 스크린은 PGU를 직사광선으로부터 격리하는 기능도 한다.

그 결과, DLP 칩은 디퓨징 스크린에서의 산란과 PGU 프로젝션 렌즈의 작은 개구(aperture)가 DMD로 가는 햇빛의 양을 추가로 제한하기 때문에, 이러한 햇빛으로부터 보호된다. 디퓨저 스크린은 수동부품이면서 편광에 둔감하기 때문에 열부하 상태에서도 성능에 큰 변화가 없다.

가상 이미지 거리와 확대

AR HUD 시스템의 FOV, 가상 이미지 거리, 확대 배율은 기존 소형 HUD에 비해 훨씬 크다. 확대율(magnification ratio)은 디퓨저 이미지 스크린 크기 대비 가상 이미지 크기이며, 가상 이미지 거리에 따라 변한다. 그림 3은 고정 73 mm 와이드 디퓨저 스크린 이미지에서의 확대율과 10° 와이드 HUD FOV에서의 여러 가지 가상 이미지 거리들을 비교한 것이다. 모든 광학 및 메커니즘을 그대로 유지했을 때, 이미지의 확대율은 10 m에서보다 20 m에서 2배 더 커진다.
AR HUD 광학에서, 가상 이미지 거리는 HUD 광학에 대한 디퓨저 스크린의 작은 병진운동에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 12 mm 미만일 수 있는 스크린 위치를 조금 조정해 가상 이미지 거리를 10 m에서 20 m로 늘릴 수 있다.
 

AR HUD와 웨지드 윈드실드

가상 이미지 거리가 짧은 HUD 디스플레이는 윈드실드의 전후면 반사로 인해 생성된 이중 이미지를 제거하기 위해 웨지드 윈드실드(Wedged Windshield)가 필요하다. 웨지드 윈드실드는 가상 이미지 거리가 긴 AR HUD에서는 더 이상 필요 없다.

이는 OEM에게 상당한 비용절감을 가져다준다. 그림 4는 윈드실드의 전후면 반사로 인한 이중 이미지를 제거하는 데 필요한 웨지 각을 밀리라디안(milliradian)으로 보여준다. 이 구성은 평면 윈드실드 근사치를 기반으로, 윈드실드 두께는 5 mm, 굴절률은 1.5, 하향 굴절각은 2°, 경사각은 30°라고 가정한 것이다.
 

AR HUD 광학계 요약

AR HUD는 더 많은 정보를 더 편리한 방식으로 운전자에게 보여줄 수 있다는 점에서 기존 HUD에 비해 장점이 많다. 기존 HUD와 AR HUD 간에 커진 HUD 미러 크기는 최소한이다. 일광 집중 레벨의 증가, 밝기 필요량 증가, 더 커진 FOV 및 길어진 가상 이미지 거리 등으로 인해 이미지에 가해지는 스트레스는 모두 DLP 기술을 기반으로 한 HUD에 의해 수용될 수 있다.

DLP HUD의 광원 선택

DLP 기술은 여러 다양한 종류의 광원을 사용할 수 있다. 이러한 광원으로는 램프, LED, 레이저/형광체, 다이렉트 레이저 등이 있다. 자동차 환경에 적합한 광원 선택은 성능 사양을 만족시킬 뿐만 아니라 엄격한 온도 및 품질 요건도 충족해야 한다.
자동차 고유의 요건을 넘어, 가장 효율적인 방식으로 가장 많은 양의 빛을 결합하려면, 그 광원을 디스플레이 장치에 “광학적으로 매칭”시켜야 한다. 광원과 디스플레이 장치의 에탕듀(Etendue)는 이러한 “광학 매칭”을 평가하는 방법이다.

에탕듀는 해당 광이 얼마의 면적과 각도로 “퍼져나가는지” 특성을 규정하는 것이다. 에탕듀 매칭에서는 디바이스들의 면적(디스플레이 장치와 광원)과 나가고/들어오는 광의 방사/어드미턴스 각도를 모두 고려해야 한다. 그림 5는 광원(source), 디스플레이 장치, 광원과 디스플레이 장치를 연결하는 단일 광학 요소로 구성된 간단한 광학 시스템 레이아웃을 보여준다. 또한 그림 5는 광원과 디스플레이 장치의 에탕듀를 정의하고 있다.

Etenduesystem ≈ Etenduesource ------------------------------------------------ (1)
Etendue = π*Aproj * n²sin²θ(mm²*sr) ----------------------------------------- (2)
여기서 η = 굴절률 -------------------------------------------------------------- (3)
θ = 반각 ------------------------------------------------------------------------- (4)
Aproj= 투사 면적 ---------------------------------------------------------------- (5)
 

DLP 프로젝션 시스템의 경우, 픽셀 크기와 해상도에 따라 DMD의 투사 면적은 11.1 mm²에서 461.9 mm²까지이다. 이 DMD는 입출력 광원뿔(light cones)을 중첩하지 않고도 반각(θ)이 12°인 빛을 수용할 수 있다. 이처럼 큰 면적 범위는 DMD가 적절한 크기의 광원과 매칭되도록 한다. HUD 시스템의 경우, DMD 디바이스의 전형적인 투사 면적은 약 22.2 mm²이며, 에탕듀는 3.02 mm² sr이다.

LED 광원

LED 광원은 매우 다양한 크기와 색상으로 제공된다. LED는 일반 조명, TV, 프로젝션 시스템에 쓰이면서 규모의 경제를 달성하고 있다. LED는 밝은 프로젝터 모델은 물론, 초소형 프로젝터에도 적용된다. LED는 표면적 발광이며 크기가 약 0.5 mm²에서 12 mm²이다. 전형적인 프로젝션을 위한 LED 에탕듀는 약 1.15 mm² ~ 5.90 mm² sr이다.

LED는 대량생산 중이며, 일부는 자동차 인증을 받았다. 스페클은 문제가 아니며, LED는 높은 접합온도에서 작동할 수 있다. 그림 6은 일반적인 LED 순차 조명 설계를 보여준다.
 

레이저-형광체 광원

레이저-형광체 광원이 프로젝터 설계에 점점 더 많이 사용되고 있다. 카시오 XJA256은 청색 448 nm 멀티모드 레이저로 밝힌 회전 녹색 형광체 휠(spinning green phosphor wheel)을 이용해 LED 광원이 제공하는 적색광 및 청색광과 함께 녹색광
을 생성하는 최초의 프로젝터 중 하나였다.

BMW와 아우디는 헤드라이트에 레이저-형광체 조명을 이용한다고 발표했다. 레이저 또는 다중 레이저 어레이는 매우 작은 광 스폿으로 해당 면적을 작게 마킹해 형광체를 밝힐 수 있지만, 형광체 발광은 랑베르 식이며, 광학은 약 80° 정도의 각도(θ)까지만 수집할 수 있다.

이 각도는 LED 광원과 비슷하지만, 레이저가 비추는 이 작은 영역이 더 작은 에탕듀 광원을 만들어낼 수 있다. 일반적인 레이저/형광체 발광의 에탕듀는 약 0.76 mm²~3.05 mm² sr이다. 그림 7은 일반적인 레이저-형광체 순차 조명 설계를 보여준다.
 

다이렉트 RGB 레이저 광원

레이저 광원은 면적과 반각이 모두 작기 때문에 광원으로서 이점이 있다. 가장 낮은 에탕듀를 제공하므로, 매우 작은 광학 설계를 가능하게 한다. 프로젝터 설계에 사용되는 일반적인 레이저는 에탕듀가 약 1.7×10-5 mm² sr인데, 이후 이것을 늘려 스페클을 처리하게 된다. 프로젝터 시스템 설계는 LED 조명 시스템 설계와 비슷해 보이지만, 레이저 광원이 LED 광원을 대신한다.

디지털 시네마 프로젝터는 다이렉트 RGB 레이저를 이용해 배치된다. 프로젝션 시스템에서 레이저의 광범위한 사용을 가로 막는 주된 장애물은 동작 온도, 비용, 스페클 관리, 규제 준수, 효율이다. 이러한 장애물은 다이렉트 RGB 레이저의 자동차 인증을 제한한다.

요약하면, DLP 프로젝션 시스템은 LED, 레이저-형광체, 다이렉트 RGB 레이저 시스템과 잘 어울린다. 현재 LED 광원이 자동차 시스템에 사용되고 있고, 레이저-형광체 시스템은 소비자 프로젝터는 물론, 자동차 애플리케이션으로도 진출할 계획이다. RGB 다이렉트 레이저는 자동차 분야에서 실용화되기 전에 넘어야할 장애물이 많다.

높은 다이내믹 레인지의 LED 제어 시스템

HUD 애플리케이션은 매우 어두운 밤에 3 cd/m² 미만의 이미지를 표시하면서, 낮 시간에도 15,000 cd/m² 이상의 밝기를 지원하려면 다이내믹 레인지가 매우 높아야 한다. 또한 이 범위는 자동차 애플리케이션에서 요구하는 넓은 주변 온도범위(-40℃~85℃)에서 구현돼야 한다. DLP3030-Q1은 -40℃~105℃의 동작 온도 범위를 지원하므로 주변 온도 범위가 85 ℃ 이상을 넘어도 다소 여유가 있다.

HUD용 DLP LED 제어 시스템은 www.ti.com에 있는 DLPA043 애플리케이션 보고서에 설명돼 있다. 이 애플리케이션 보고서에는 DLP HUD 개념 시스템을 이용해 실온 데이터만 수집돼 있다.

그 이후로, 이 시스템은 한층 더 최적화돼 다이내믹 레인지가 개선되고, 온도마다 백색점 제어가 한층 더 엄격해졌다.
그림 8에서, TI HUD 시스템에서 측정된 출력 밝기는 -40℃~85℃ 주변 온도에서 측정됐다. 결과에 의하면, 두 사례 모두에서 디밍 비율이 5000:1 보다 크게 나타났다. -40 ℃에서 최소 밝기는 2.95 cd/m²이고, 최대 밝기는 18,000 cd/m² 이상이었다.

85 ℃에서 최소 밝기는 2.73 cd/m²이고, 최대 밝기는 15,000 cd/m² 이상이었다. 이러한 결과는 모든 자동차 조건에서 필요한 다이내믹 레인지를 달성할 수 있음을 보여준다.
 
넓은 다이내믹 레인지를 달성하는 것 외에도 백색점을 유지해야 한다. 이를 TI 시스템에 구현하기 위해, D65는 대부분의 HDTV에서 사용하는 표준인 백색점으로 선택됐다. 이 백색점은 목표 색도 값이 x=0.313, y=0.329이다. 그림 9는 다이내믹 레인지에서 측정된 색도 데이터가 목표 백색점 근처에서 정확히 유지되고 있음을 보여준다. 목표 색도 점(chromaticity point)에서의 총 변동량은 전체 다이내믹 레인지와 -40℃~85℃ 주변 온도에서 모두 ±0.005 미만이다.

정리하면, DLP HUD 개념으로 구현된 LED 드라이버 제어 시스템은 주변 온도 -40℃~85℃의 자동차 온도 조건에서 동작할 때 필요한 다이내믹 레인지와 백색점 제어를 실현한다.
 
HUD에 대한 새로운 관점


운전석은 사실상 운전에만 집중할 수 있는 환경이 아니다. 안전을 위해 운전자의 눈은 속도계, 라디오, 연료 게이지보다는 항상 도로를 주시해야 한다. 차량용 HUD 시스템은 운전자 시야에 직접 정보를 제공함으로써 주의산만을 방지할 수 있는 도구다.
오늘날 자동차는 온보드 센서, 카메라, V2X 통신이 추가됨에 따라 정보의 양이 기하급수적으로 증가하고 있다. 이러한 정보를 모두 이용하기 위해서는 운전자에게 효과적으로 전달할 수 있는 수단이 필요하다.

???????현재 HUD는 12도 이상의 시야각(Field of View, FOV)과 긴 가상 이미지 거리(VID)를 지원하기 때문에, 운전자는 한 차선만 보고 주행할 수 있다. 소형 2차 디스플레이에서 대형 1차 디스플레이로 전환하려면, 이미지 품질과 함께 다양한 조명 조건에서 일관된 가독성이 중요하다. 또한 FOV와 VID의 증가는 보다 높은 휘도와 전력 효율을 요구한다.

넓은 FOV와 높은 휘도는 운전자에게 보기 쉬운 이미지를 제공한다. HUD는 변화무쌍한 일광 조건에서 가독성을 보장하기 위해 다양한 도로와 일조 조건에서 적절한 명암비를 제공할 수 있도록 15,000에서 30,000 cd/m² 사이의 가상 이미지를 생성할 수 있어야 한다. 전력을 최소화하면서 넓은 FOV와 고휘도를 달성하기 위해서는 효율적인 이미지가 필요하다.

HUD 시스템의 FOV가 증가함에 따라, HUD 광학장치가 수집하는 태양 에너지 양도 증가한다. 또한 운전자가 적절한 지점에서 이미지를 볼 수 있도록 VID가 증가함에 따라 태양 에너지가 HUD 내부 이미지에 더 집중된다. 이 두 가지 요인은 좁은 영역에서 수집되는 열량으로 인해 이미지에 손상을 줄 수 있다. DLP 기술 기반의 HUD 시스템은 확산형 스크린 소재(diffusing screen material)를 활용해 HUD 시스템의 내부 이미지를 생성한다. 이것은 두 가지 이점을 제공한다. 우선 태양 에너지를 흡수하지 않고 빛을 확산시킨다. 또 하나는 그 자체가 열원이 되지 않는다. 이러한 속성으로 인해 시스템은 증강현실 HUD 시스템에 필요한 넓은 FOV 및 긴 VID로 확장할 수 있다.

HUD는 차량용 HMI 전략의 중요한 부분이 되고 있으며, 기술 통합으로 특히 향상된 주행 경험을 제공한다. HUD가 소형 2차 디스플레이에서 대형 1차 디스플레이로 전환되면서 이미지 품질, 가독성, 신뢰성에 대한 기대가 높다. HUD 설계자는 기존 자동차 환경조건뿐만 아니라 새로운 요건을 충족시키는 문제에 직면해 있다. DLP 기술은 차세대 HUD 시스템 개발에 유력한 후보가 될 수 있다.

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