(JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) (Regular Paper) 20 6, (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) ISSN

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1 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) (Regular Paper) 20 6, (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) ISSN (Online) ISSN (Print) a) A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles Yongseok Chi a),. 0.47inch LCD 3m.. Abstract A portable head up display (HUD) using the optical combiner lens with a 0.47inch LCD panel for a portable multi-windows virtual display is proposed. The proposed system consists of several micro panels, optical devices, and RGB 3in1 light-emitting diodes (LED) for making the full color display, and video and audio format for the high definition multimedia interface (HDMI) for the connecting between HUD and mobile phone. The multi-windows HUD is designed as an alternative to conventional built-in type HUD targeting the mass volume aftermarket at an affordable price. Keyword : Virtual Display, Head Up Display, Mobile Interface, LED, and Vehicle a) (Division of Mechatronics Engineering, Dongseo University, Busan, Republic of Korea) Corresponding Author : (Yonseok Chi) ys.chi@gdsu.dongseo.ac.kr Tel: ORCID: Manuscript received September 16, 2015; Revised October 26, 2015; Accepted November 10, , ( ).

2 : (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) ( ). () (3m). (Windshield), (Instrument panel). (50cm),., (3m). (Head Up Display) [1] (, ), [2]. 1 (Windshield),, Fig, 2. An unwanted double image of HUD system with windshield type 1. Fig. 1. The windshield type of HUD system for vehicles. ( 2).,.. (Mono color)

(JBE Vol. 20, No. 6, November 2015).,.,. (Windshield type) (Combiner) 0.47inch 2 LCD,.,. LED,, (Red, Green, Blue) 24bits. LCD LED. (Windshield type) (Combiner). 0.47inch 2 LCD (Combiner).,.. (Windshield) (Built-in).

3 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015).,.,. (Windshield type) (Combiner) 0.47inch 2 LCD,.,. LED,, (Red, Green, Blue) 24bits. LCD LED. (Windshield type) (Combiner). 0.47inch 2 LCD (Combiner).,.. (Windshield) (Built-in).. (Combiner), m 7inch (ray tracing). ( ) 1.8inch LCD (asymmetric and aspherics) (Folding mirror, Concave mirror) (off-axis) (anti reflective coating). (windshield) 3. (Windshield) ( ) (Combiner) ( ) Fig. 3. The windshield type (Left) and Combiner type (Right) optical ray tracing of HUD system for vehicles

arctan arctan EMB, D, LE, S, F, FOV. 5. Fig. 5. The geometry for EMB and FOV of head up display 4. (Combiner) Fig.

4 : (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) ( ) [3]., [4]. 15%~30%. 100mm, 30mm, (on-axis) (x y ) ( 4). (object) (image) (backward rey tracing), (zoom). arctan arctan EMB, D, LE, S, F, FOV. 5. Fig. 5. The geometry for EMB and FOV of head up display 4. (Combiner) Fig. 4. The partial transmissive aspheric optical component of a combiner lens (eye motion box) (field of view). (field of view), 5.., [5]. 6 ( ). ( ),

5 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) 6. (Combiner) Fig. 6. The optical structure and virtual distance of HUD system with a combiner lens 20%.. LCD,.. (Windshield) (Built-in). 3m,.,. ( ) ( 7).. HDMI 1.4a, MHL(Mobile High-Definition Link) HDMI Wi-Fi 7. (Combiner) Fig. 7. The circuit diagram of HUD system with a combiner lens

지용석 : 다중 화면으로 구성된 차량용 헤드업 디스플레이에 대한 연구 (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) 신 모듈을 사용하여 HDMI로 변환 받아 콘텐츠를 전송받도록 하였다.

6 지용석 : 다중 화면으로 구성된 차량용 헤드업 디스플레이에 대한 연구 (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) 신 모듈을 사용하여 HDMI로 변환 받아 콘텐츠를 전송받도록 하였다. 아날로그 영상과 사운드를 공급하기 위해 오디오 코덱과 비디오 입 력 채널을 적용하였다. 조도 센서와 Real Time Counter (RTC)를 적용하여 외부 밝기 환경에 따라 LED 광원의 밝 기를 제어하여 색에 대한 시인성을 분석하여 개선시켰다. 광원 효율 증대를 위해 온도센서와 냉각기를 적용하여 온 도에 따른 LED 효율을 증대시켰다. LED에 인가하는 전류 하였고, 헤드업 디스플레이는 Wi-Fi 송 933 면을 동시에 디스플레이 시킬 수 있는 구조를 연구하였다. 수평, 수직화면 비율을 각각 H, V로 정의한다면, 수평화면 증가시킨 nh, Y (n: 정수)로 구성된 화면을 연구하 였다. 기존 4:3 혹은 16:9 영상 비율의 LCD 패널에서 허상 크기를 수평 방향으로 2배 이상으로 확장시키는 8:3 혹은 32:9 화면 비율을 구현하기 위하여 다중 LCD 패널과 컴바 이너 렌즈의 광학 균일성(Uniformity) 구현, 그리고 조명 광 비율을 학계와 다중 회로를 구성하였다. 다중 허상영상 화면을 동 두 개의 허 를 Pulse Width Modulation (PWM) 방식으로 제어하였고, 시에 구현하기 위하여 하나의 컴바이너 렌즈에 이를 통하여 LED 상 영상을 배치시키는 광학 시스템을 구현하였다 (그림 8). 접합 온도 감소시키는 효과를 통해 헤드 업 디스플레이에서 필요한 밝기를 구현하였다. 기존의 수평, 수직화면 비율의 헤드업 디스플레이 시스 템으로부터 수평 방향으로 화면을 확장시켜 여러 영상 화 임 범위의 변화에 따라 왜곡 보정을 요소를 적용하여 이중 LCD 패널과 LED를 적 그림 9는 허상 영상이 양안 움직 용한 조명 시스템(back light unit : BLU) 구조와 전체 시스 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

4 93 방송공학회논문지 제20권 제6호, 2015년 11월 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) 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 타 패널의 크기와 광 효율, 그리 고 왜곡 정도, 비구면 렌즈 반사율과 공차분석 등을 통하여 2개 화면의 밝기 균일성(brightness uniformity)을 구현하였 다.

7 4 93 방송공학회논문지 제20권 제6호, 2015년 11월 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015) 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 타 패널의 크기와 광 효율, 그리 고 왜곡 정도, 비구면 렌즈 반사율과 공차분석 등을 통하여 2개 화면의 밝기 균일성(brightness uniformity)을 구현하였 다. LCD 패널 앞단에 왜곡 보정을 위한 광학 렌즈를 실험 하였고, 최종 시스템에서는 왜곡 보정을 위한 광학 렌즈 구 성을 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 템 기구 디자인을 나 내었다. 면 가공을 최적화하고 구현하였다. 류 그림 10은 전 를 인가할 때 Pulse Width Modulation (PWM) 방식을 적용하여 LED의 구동 효율을 증가시켰고, 냉각을 위하여 Heat sink를 사용하였다. 0.47inch의 투 과형 LCD 패널을 사용하여 컴바이너 렌즈를 통하여 두개 광원 의 허상 영상을 구현하였다. HDMI 입력단자를 통하여 2개 선 무선(Mira-cast 방식)으로 각 의 스마트 폰의 영상을 유 과 각 입력 받아 2개의 허상 영상을 사람의 눈으로부터 3m 이 상의 거리에 구현하였다. HDMI 영상 입력 방식은 스마트 프로그램을 디스플레이 하기 위하여 적용하였다. 그림 8의 좌측 영상은 스마트 폰의 내 비게이션 프로그램과 미니 맵 정보를 무선으로 HUD에 구 현한 영상이며, 우측 영상은 2개 화면의 밝기 균일성을 확 인하기 위하여 영상신호 없이 광원만을 동작시킨 백색 영 상을 가리킨다. 2개 화면의 밝기 균일성은 각각 83.4%와 82.2%로 LCD 패널의 구조적 특성을 고려할 때, 우수한 성 능을 나타내었다. 구현된 2개의 허상 영상 크기는 각각 8inch이며, 구현된 밝기는 외부 조도에 따라 가변 될 수 있 도록 설계하였다. 구현된 광원 의 최대 밝기(display bright폰의 다양한 콘텐츠와 응용 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)

: (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) ness) 5000cd/m2,,, (Red, Green, Blue) 24bits.. 4-1... modulation transfer function(mtf). 1. Table 1.

8 : (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) ness) 5000cd/m2,,, (Red, Green, Blue) 24bits modulation transfer function(mtf). 1. Table 1. The specification of HUD system with a combiner lens Parts of HUD Items Specification Input resolution 1920 x 1080 pixels (Max) Output resolution 800 x 600 pixels Electronics CVBS(Composite) Max. 1.0V Vp-p parts Digital video interface HDMI Dimming level 6 steps (off to Max) System Cooling algorithm Altitude Detection Display panel size Dual 0.47inch LCD Virtual distance : eye to combiner 700 mm Virtual distance : combiner to image 2300 mm Optical Distortion around ±5% Pupil size 4mm Projector Contrast around 1:300 parts LCD viewing angle around 80 degree Display brightness 5000cd/m2 Eye motion box Width 100 ~ 150mm Height 12 ~44mm Virtual image size S : Equation(2-1) 8inch 11. Fig. 11. The distortion analysis of dual windows image in HUD system using a combiner lens

9 (JBE Vol. 20, No. 6, November 2015), 11. (pincushion) 5%. (bi-linear interpolation) TV 1%... (Windshield) (Built-in),. LCD. LCD LED. LCD 2, Micro Electro Mechanical System(MEMS) Digital Mirror Display(DMD) OLED.,. (uniformity),.. (Stand-alone).. 126CC 250CC. (References) [1] S. Okabayashi and M. Sakata et al, Development of Practical Head-Up Display for Production Vehicle Application, SAE890559, 1989 [2] M. Weihrauch, G. Meloeny, and TC. Goesh, The First Head Up Display Introduce by General Motors, SAE890288, 1989 [3] 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 [4] E. Melzer and K. Moffitt, Head-Mounted Displays, p60-p63, 1997 [5] U.S. Department of Defence, Human engineering design criteria for military systems and equipment, and facilities. MIL-STD-1472D. 1989

: (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) - 1996 2 : ( ) - 2008 2 : ( ) - 2014 8 : ( ) - 1998 1 ~ 2000 11 : LG - 2000 12 ~ 2004 4 SDI PDP -

10 : (Yongseok Chi: A Portable Head Up Display System with A Multi Windows for Vehicles) : ( ) : ( ) : ( ) ~ : LG ~ SDI PDP ~ : LG ~ : - ORCID: - : Virtual Display, Head Up Display, Head Mounted Display, Wearable Display, Projector, IP-CCTV, LED and Laser.

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(JBE Vol. 21, No. 5, September 2016) (Regular Paper) 21 5, 2016 9 (JBE Vol. 21, No. 5, September 2016) http://dx.doi.org/10.5909/jbe.2016.21.5.816 ISSN 2287-9137 (Online) ISSN 1226-7953 (Print) LED a)