헤드업 디스플레이 (HUD) Zemax OpticStudio, Speos

<고성능 HUD 설계, 분석 및 시각화 프로세스>

 

헤드업 디스플레이 (HUD) 란? 

헤드업 디스플레이(HUD)는 사용자의 시야 내에 중요한 정보를 투영하는 증강 현실 기술입니다. 운전 중 계기판을 내려다볼 필요 없이 도로를 보면서 속도, 내비게이션, 교통 정보 등을 확인할 수 있도록 도와줍니다.

 

HUD의 주요 응용 분야

• 자동차: 운전 중 시선을 유지하면서 속도, 내비게이션, 도로 표지 등을 확인 가능
• 항공기: 조종사가 고개를 돌리지 않고 비행 데이터를 확인
• 군사 및 중장비: 전투기, 군용 차량, 건설 장비에서 실시간 데이터 제공
• 비디오 게임: 증강 현실 헤드셋을 활용한 게임 내 정보 표시
• 의료: 스마트 안경 및 HUD 기술을 이용한 원격 진료, 수술 지원

 

HUD의 주요 구성 요소 및 유형

HUD는 일반적으로 세 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 광원(PGU, Picture Generation Unit): LED 등을 사용해 정보를 이미지로 생성
• 반사면: 전면 유리, 조합기, 평면 렌즈 등을 이용하여 정보를 시야에 표시
• 확대 시스템: 프리폼 미러, 도파관, 확대 렌즈 등을 사용해 정보를 확대

 

HUD의 작동 원리

• 이미지 생성: PGU가 데이터를 이미지로 변환
• 빛 투사: 생성된 이미지를 반사면으로 투영
• 확대: 반사되거나 굴절된 광선을 통해 이미지 확대
• 광학적 조합: 실제 시야와 디지털 이미지가 겹쳐 보이도록 조정

 

HUD의 장점

• 운전 중 시선 이동 최소화로 안전성 증가
• 중요한 정보를 신속하게 제공하여 운전자의 인식력 향상
• 초점 변화로 인한 눈의 피로 감소
• 자율주행 차량과 탑승자 간의 신뢰 구축

 

헤드업 디스플레이 설계

헤드업 디스플레이는 인간의 지각을 수반하므로 설계 및 테스트가 매우 복잡합니다. 엔지니어링 지표를 통해서는 설계자가 사양을 충족할 수 있지만, 인간의 경험이 프로세스에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 궁극적인 성공을 이룰 수 있습니다. 

그림 1 . 순차 모드의 Zemax OpticStudio HUD 설계.

 

HUD 설계자는 인간 구성 요소에 대처하기 위해 시뮬레이션을 사용합니다. 모델을 디지털 방식으로 테스트하고 검증함으로써 비용이 많이 드는 실제 프로토타입을 제작하기 전이나 제작하지 않고도 많은 시나리오와 기술적 과제를 사전에 해결할 수 있습니다. 이러한 과제는 다음과 같을 수 있습니다.

• 고스트 이미지, 뒤틀림 값 및 동적 왜곡
• 머리 위치 및 색맹과 같은 생리학적 차이
• 코팅된 전면 유리 또는 편광 안경으로 인한 색상 변화
• 투영된 이미지의 대비, 판독성 및 휘도
• 가독성 및 시력 안전을 방해하는 태양 

 

 

Ex) 햇빛 반사 시뮬레이션

 

엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 다양한 시나리오에서 햇빛의 반사가 HUD 정보의 판독성에 어떻게 영향을 미치는지 예측할 수 있습니다.

아래 시뮬레이션 결과는 미러의 HUD에 반사되는 햇빛을 보여줍니다. 4가지 결과는 HUD 하우징에 4개의 서로 다른 재료가 적용된 동일한 설정 및 햇빛 위치를 보여줍니다. 각각의 새로운 재료 사용 시 원치 않는 반사가 어떻게 눈에 띄게 줄어드는지 확인해 보십시오. 마지막 이미지에서 반사는 재료에 의해 완전히 흡수됩니다. 

 

 

 

그림 2. 일반 재료를 사용한 HUD 햇빛 반사

그림 3. Vantablack VBx2를 사용한 HUD 햇빛 반사

그림 4. Vantablack S-VIS를 사용한 HUD 햇빛 반사

그림 5. HUD 햇빛 반사: 고스트 이미지

HUD 설계 및 시뮬레이션

 

<고성능 HUD 설계, 분석 및 시각화 프로세스>

 

HUD는 인간의 지각을 고려해야 하므로 설계 과정이 복잡

• 고스트 이미지, 왜곡 보정
• 다양한 머리 위치, 색맹 등을 고려한 테스트
• 전면 유리 코팅, 편광 안경 등의 영향을 반영한 색상 조정
• 햇빛 반사로 인한 가독성 문제 해결

시뮬레이션 도구(예: Ansys Zemax OpticStudio, Ansys Speos)를 활용하면 실제 프로토타입을 제작하기 전에 다양한 환경에서 HUD의 성능을 테스트하고 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 햇빛 반사 시뮬레이션을 통해 반사 억제 재료를 적용해 가독성을 높이는 방법 등

 

헤드업 디스플레이는 운전, 항공, 의료 등 다양한 분야에서 정보 전달 방식의 혁신을 이끌고 있습니다. 시야를 방해하지 않으면서도 실시간으로 중요한 정보를 제공하는 것이 핵심이며 향후 HUD 기술이 발전함에 따라 증강 현실(AR)과의 결합이 더욱 활발해지고, 자율주행 및 스마트 기술과의 연계가 강화될 것으로 전망됩니다.