Aberration-Corrected Holographic Optical Element-Based Head-Up Display Using Freeform Mirrors = 자유곡면 거울을 사용한 홀로그래픽 광학 소자 기반 헤드업 디스플레이의 수차 보정

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation examines a head-up display (HUD) optical system that uses a photopolymer-based reflection holographic optical element (HOE) as the combiner. Freeform mirrors and polarization optics are added to the HOE. The design goal is to maintain image quality over a 100 mm x 50 mm eyebox. Aberrations are corrected by the freeform mirrors.
First, a two-mirror vertically folded layout is designed. The HOE is attached to the inner surface of the windshield. Two X-Y polynomial freeform mirrors are placed between the display plane and the HOE. A design method that combines backward and forward ray tracing is used. In the backward step, rays start from the eyebox, pass through the HOE and the two mirrors, and arrive at the display plane. Their intersection points define point-source positions. In the forward step, rays start from these point sources and propagate to the eyebox. The RMS angular blur is evaluated with respect to a virtual image at infinity. The mirror parameters are optimized so that this blur becomes small.
Next, a two-mirror horizontal layout is proposed. The two freeform mirrors are shifted in the horizontal direction instead of being stacked vertically. This change reduces the vertical height of the projection optics. In this layout, one HOE recording point is treated as a design variable. The HOE recording conditions and the freeform relay optics are optimized together.
Finally, a holographic HUD with three eyebox-height modes is proposed. A polarizing beam splitter (PBS) and a quarter-wave plate (QWP) are inserted between the two freeform mirrors. A single HOE, one pair of freeform mirrors, and the PBS-QWP module are shared by all three modes. The eyebox height is adjusted by ±50 mm around a nominal position. Only the position and tilt of the display panel are changed, and all other optics remain fixed.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 포토폴리머 기반 반사형 홀로그래픽 광학 소자(HOE)를 결합면으로 사용하는 HUD 광학 구조를 다룬다. 여기에 자유곡면 거울과 편광 광학계를 결합한다. 목표는 100 mm x 50 mm 아이박스에서 영상 화질을 유지하는 것이다. 수차는 자유곡면 거울로 보정하도록 설계하였다.
먼저 두 개의 자유곡면 거울을 수직 방향으로 쌓은 2-거울 수직 접힘 구조를 설계하였다. HOE는 앞유리 안쪽 면에 부착하였다. 두 개의 X–Y 다항식 자유곡면 거울은 디스플레이와 HOE 사이에 배치하였다. 역방향과 정방향 광선 추적을 함께 사용하는 설계 방법을 도입하였다. 역방향 단계에서는 아이박스에서 출사한 광선을 HOE와 두 거울을 거쳐 디스플레이 평면까지 추적하여 점광원 위치를 정의하였다. 정방향 단계에서는 이 점광원에서 출사한 광선을 아이박스까지 추적하였다. 무한대에 형성되는 가상영상을 기준으로 RMS 각도 블러를 평가하였다. 이 값이 작아지도록 거울 파라미터를 최적화하였다.
다음으로 두 자유곡면 거울을 수평 방향으로 분리한 2-거울 수평 재구성 구조를 제안하였다. 거울을 수직 적층 대신 수평 방향으로 이동하여 투영 광학계의 수직 높이를 줄였다. 이 구조에서는 HOE의 한 기록점을 설계 변수에 포함하였다. HOE 기록 조건과 자유곡면 중계 광학계를 동시에 최적화하였다.
마지막으로 세 가지 아이박스 높이 모드를 가지는 홀로그래픽 HUD 구조를 제안하였다. 두 자유곡면 거울 사이에 편광분리프리즘(polarizing beam splitter, PBS)과 사분파장판(quarter-wave plate, QWP)을 배치하였다. 하나의 HOE와 한 쌍의 자유곡면 거울, PBS–QWP 모듈을 세 모드가 함께 사용하도록 설계하였다. 아이박스 높이는 기준 위치를 중심으로 ±50 mm 범위에서 조정하였다. 이때 디스플레이 패널의 위치와 기울기만 바꾸고 다른 광학 소자는 모두 고정하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• 1 Introduction 1
• 1.1 Research background and motivation 1
• 1.2 Holographic optical elements and volume gratings 2
• 1.3 Automotive HUDs and the need for HOE-based optics 5
• 1.4 Freeform mirrors for aberration correction 6
• 1.5 Scope and organization 8
• 2 Design of a two-mirror HOE HUD optical system using combined backward and forward ray tracing 10
• 2.1 Introduction 10
• 2.2 System layout and design 11
• 2.3 Backward and forward ray tracing design method 12
• 2.4 Optimization of the freeform mirrors 14
• 2.5 Imaging performance evaluation 16
• 2.5.1 Performance evaluation based on backward ray tracing 16
• 2.5.2 Performance evaluation based on forward ray tracing 19
• 2.6 Discussion and conclusion 21
• 3 Design of a horizontally reconfigured two-mirror freeform HUD optics 23
• 3.1 Introduction 23
• 3.2 System layout and design 25
• 3.3 Backward and forward ray tracing design method 26
• 3.4 Optimization of the freeform mirrors 28
• 3.5 Imaging performance evaluation 30
• 3.5.1 Performance evaluation based on backward ray tracing 30
• 3.5.2 Performance evaluation based on forward ray tracing 33
• 3.6 Discussion and conclusion 35
• 4 Holographic head-up display with large, aberration-corrected, height-adjustable eyebox 37
• 4.1 Introduction 37
• 4.2 System layout and design 38
• 4.3 Backward and forward ray tracing design method 40
• 4.4 Optimization of the freeform mirrors 43
• 4.5 Imaging performance evaluation 45
• 4.5.1 Performance evaluation based on backward ray tracing 45
• 4.5.2 Performance evaluation based on forward ray tracing 45
• 4.6 Discussion and conclusion 49
• 5 Conclusion 51
• Appendix 58
• 초 록 59