3D HUD가 자동차의 발전을 주도합니다
3D 헤드업 디스플레이(HUD)는 미래의 운전 경험을 혁신하는 여러 포토닉스 기술 중 하나에 불과합니다.
2024년 9월 25일, Coherent
자동차 산업이 발전함에 따라 첨단 기술의 통합은 안전성, 편의성 및 전반적인 운전 경험 향상에 있어 중요한 요소가 되었습니다. 큰 주목을 끄는 혁신 기술 중에 3D 헤드업 디스플레이(HUD)가 있습니다. 포토닉스, 광학 기술 및 레이저 기술을 결합한 3D HUD는 대표적인 최첨단 차량용 디스플레이 시스템입니다. 여기서는 HUD의 작동 방식, 제작 방법 및 HUD의 발전 양상을 결정지을 미래 트렌드에 대해 알아보겠습니다.
헤드업 디스플레이 기본 사항
3D HUD는 운전자의 시야에 중요 정보를 투사하여 운전자가 도로를 주시하면서도 중요한 정보를 읽을 수 있도록 하는 일종의 증강 현실(AR) 디스플레이입니다. 자동차 HUD는 헤드 마운트 AR 디스플레이와 비슷하지만 교묘한 차이점이 하나 있습니다. 사용자가 안경을 착용하는 대신 차량 앞유리를 안경처럼 사용하여 디스플레이 출력과 실제 배경을 결합하는 것입니다.
결과적으로 HUD 디스플레이는 운전자가 보기에 떠 있는 것 같은 "가상 화면"으로 표시되며, 일반적으로 앞유리 앞에 1~2미터 정도 떨어져 보이게 됩니다. HUD 디스플레이를 실제 배경과 통합하면 운전자의 주의 산만이 줄어듭니다. 즉, 대시보드에 장착된 디스플레이를 읽을 때 도로에서 시선을 돌릴 필요가 줄어듭니다.
디스플레이 엔진은 다양한 렌즈, 거울 또는 두 가지 모두를 사용하여 이미지를 생성하고 이를 앞유리에 통합된 결합기에 투사합니다. 그러면 운전자는 앞유리를 통해 일반적인 풍경 중첩되어 투사된 디스플레이의 반사체를 보게 됩니다.
포토닉스: HUD의 심장
포토닉스는 빛 생성, 조작 및 감지의 과학으로 HUD 기능의 핵심 기술입니다. HUD 디스플레이의 주요 광자 요소는 다음과 같습니다.
레이저 다이오드와 LED는 주요 광원입니다. 특히, 레이저 다이오드는 밝기, 효율성, 작은 크기 때문에 선호되며, 고해상도 디스플레이를 구현할 수 있습니다. 빨간색, 녹색 및 파란색 레이저 다이오드를 결합하면 색 영역이 넓고 밝기가 높은 풀 컬러 디스플레이를 만들 수 있습니다. |
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이 광학 구조는 광원에서 디스플레이 표면으로 빛을 유도합니다. 고급 소재와 제작 기술로 최소한의 빛 손실과 높은 이미지 품질을 보장합니다. |
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빛을 조작하여 원하는 이미지를 만드는 렌즈와 거울이 여기에 포함됩니다. 회절 광학 소자(DOE)는 종종 정밀한 빛 형성 및 조정을 위해 사용됩니다. |
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빔 조정 |
MEMS(마이크로 전기 기계 시스템) 거울과 같은 반도체를 이용한 빔 조정 메커니즘은 레이저 빔을 정밀하게 제어하여, 동적인 고해상도 이미지를 생성할 수 있습니다. |
광학: 시각적 경험 형성
선명도와 초점을 유지하면서 HUD 이미지를 앞유리(그 다음 운전자의 눈)에 투사하려면 다양한 기타 광학 요소가 중대한 역할을 수행해야 합니다. 이러한 광학 요소에는 다음이 포함됩니다.
투사 렌즈 |
투사 렌즈는 광원에서 생성된 이미지를 확대하여 운전자가 쉽게 읽을 수 있는 크기로 앞유리에 투사합니다. |
결합기는 투사된 이미지를 실세 풍경에 덮어 씌우는 부분 반사 표면입니다. 고급 결합기는 홀로그램 광학 소자(HOE)를 사용하여 높은 투명성과 최소한의 왜곡을 보장합니다. |
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기존 렌즈와 다른 형태로 광학 시스템을 통한 앞유리 곡선 모양의 수월한 보정이 가능해집니다. 따라서 보다 작고 효율적인 HUD 디자인이 가능해 시야와 이미지 품질이 향상됩니다. |
3D HUD
기존 HUD는 휴대전화 화면, 태블릿, 기타 평판 디스플레이처럼 2D 정보를 표시합니다. 몰입형 양방향 경험을 제공하는 3D(입체) 디스플레이는 차세대 HUD입니다. 깊이 인식 기능을 통해 3D HUD는 상황 인식을 강화하고, 반응 시간을 개선하며, 보다 풍부한 콘텐츠를 제공할 수 있습니다.
3D HUD를 제작하려면 시스템에서 두 개의 약간 다른 이미지(각 눈에 하나씩)를 생성하여 투사해야 하므로 인간의 눈이 실제 세상에서 깊이를 인식하는 방식을 모방합니다. 개별 이미지를 각각의 눈에 전송하고(왼쪽 이미지는 왼쪽 눈으로, 오른쪽 이미지는 오른쪽 눈으로) 이를 정렬하여, 운전자의 눈 위치가 바뀌더라도 사용자에게 단일 3D 이미지로 계속 보이도록 하는 것이 과제입니다.
이 과제를 달성할 수 있는 한 가지 방법은 오늘날 많은 차량에 이미 존재하는 기술을 활용하는 것입니다. 그 중에도 운전자의 머리와 눈의 움직임을 추적하는 운전자 모니터링 시스템(DMS)이 유용합니다.
디스플레이에는 각 눈이 특정 픽셀만 볼 수 있도록 하는 광학 요소가 중첩되어 있습니다. 시차 장벽, 마이크로렌즈 어레이, 렌티큘러 렌즈, 홀로그램 광학 소자(HOE) 또는 기타 공간 선택 광학 장치가 있을 수 있습니다. 그 다음에 왼쪽 이미지 정보를 왼쪽 눈에만 보이는 픽셀에 넣고, 오른쪽 눈에는 그 반대로 넣도록 디스플레이에 지시합니다.
그러나 운전자의 머리가 고정되어 있지 않기 때문에 각 눈에 보이는 픽셀 세트는 지속적으로 바뀝니다. 따라서 DMS의 눈 추적 데이터를 사용해 디스플레이를 지속적으로 업데이트하고 왼쪽과 오른쪽 눈 뷰를 포함하는 픽셀을 이동합니다. 이렇게 하면 운전자가 자세를 변경하더라도 적절한 3D 효과가 유지됩니다.
최근에 사용된 보다 정교한 접근 방식은 이른바 "라이트 필드 디스플레이"입니다. 이 디스플레이는 두 개 이상의 이미지(왼쪽 및 오른쪽 눈 뷰)를 동시에 생성합니다. 또한 좁은 각도 범위에서 뷰를 각각 채널링하기 위해 일종의 광학 장치도 사용합니다.
결과적으로 모든 시청 자세에서 단일하고 고유한 뷰가 보이게 됩니다. 이러한 뷰는 좌우 눈의 뷰가 항상 "스테레오 쌍"을 형성하도록 생성됩니다. 이는 사용자가 3D로 해석할 수 있는 적절한 시차(깊이) 정보가 있는 이미지입니다. 사용자의 머리가 움직일 때는 서로 다른 뷰 쌍이 보이지만, 항상 사용자가 3D로 인식하는 쌍이 됩니다.
라이트 필드 3D HUD는 일반적으로 여러 관점에서 볼 수 있는 보다 자연스럽고 지속적인 3D 시청 환경을 조성합니다. 이에 따라 현실감을 높이고 눈의 피로를 줄여줍니다. 그러나 픽셀 이동 기반의 3D HUD보다 더 복잡하고 비용이 많이 들며 더 많은 전력을 소모할 수 있습니다.
운전자 시야를 개선하는 3D HUD: 미래 엿보기
HUD 디스플레이에 깊이 인식을 추가하면 시각적으로 부담되지 않으면서도 운전자에게 훨씬 더 많은 데이터를 제공할 수 있습니다. 사실, 우리는 본능적으로 깊이를 보도록 되어 있기 때문에 3D HUD에 표시된 정보는 실제로 이해하기 훨씬 쉽고 혼동할 가능성도 적습니다.
미래의 3D HUD에서 무엇을 기대할 수 있습니까? 분명한 가능성은 내비게이션 데이터입니다. 이는 이미 대부분의 2D HUD에 통합되어 있습니다. 하지만 3D 디스플레이는 "오늘날 화살표가 가리키는 곳"에 대한 시각적 모호성을 제거합니다.
LIDAR 데이터가 3D HUD의 기능을 향상시킬 수도 있습니다. 예를 들어, 장애물을 식별하고 차량 경로를 가로지를 가능성이 있는 다른 차량, 사람 또는 동물과 같은 동적 요소를 강조 표시할 수 있습니다. 이러한 실시간 정보는 HUD에 투사되어 운전자에게 중요한 상황 인식을 제공하고, 운전자는 적시에 정보에 입각하여 잠재적 위험에 대응할 수 있습니다.
웹의 데이터도 동적으로 표시할 수 있습니다. 예를 들어, HUD는 눈에 띄는 레스토랑을 강조하고, 주차 가능한 공간을 표시하고, 주유소 가격을 표시하고, EV 충전소에 대한 동적 정보를 제공하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.
3D HUD: 몰입감, 정보성, 안전성
3D 헤드업 디스플레이는 몰입감, 정보성, 안전성을 제공하여 자동차 산업에 혁명을 일으킬 것입니다. 최첨단 포토닉스, 광학 및 레이저 기술을 통합한 3D HUD는 현대 차량의 표준 기능이 될 준비가 되었습니다. 진보가 계속되고 새로운 트렌드가 등장함에 따라, 운전의 미래는 분명히 이 혁신적인 디스플레이 시스템으로 결정될 것이며, 모든 사람에게 더 안전한 도로, 더 즐거운 드라이빙이 실현될 것입니다.
