陳璐玲

摘 ?要：該文主要描述AR型車載抬頭顯示系統(tǒng)的光學系統(tǒng)設計，系統(tǒng)采用離軸設計方式，投影視場角達到了10°×3°，投影距離實現(xiàn)3 m～10 m連續(xù)可調。風擋式抬頭顯示系統(tǒng)設計原理為圖像源上的圖像信息經過平面或曲面反射鏡，第一次反射至另一自由曲面反射鏡上，接著經過自由曲面反射鏡，第二次反射投射至擋風玻璃，擋風玻璃作為成像組件進行第三次反射，最終將光線入射至駕駛員眼睛。該設計將投影圖像源入射的第一反射鏡設置為可調反射鏡，以此來實現(xiàn)虛像成像平面的連續(xù)可調，系統(tǒng)設計優(yōu)化完成后，對系統(tǒng)多重結構組態(tài)進行成像質量分析。

關鍵詞：抬頭顯示系統(tǒng)HUD;投影距離可調;多重結構

中圖分類號：U463.6 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

抬頭顯示器系統(tǒng) HUD 是一種車載視覺輔助系統(tǒng)，駕駛員通過該系統(tǒng)即可在視線平視的情況下，觀察到疊加在周邊環(huán)境路況上的重要行車信息，駕駛者可以避免低頭觀察儀表盤或導航儀上的信息，導致目光脫離路面引發(fā)交通事故[1]。

一般車廠大多對AR型HUD要求能在3 m和10 m同時顯示圖像，3 m顯示車速、限速提醒等信息，10 m顯示導航、車輛航道偏移提示等信息[2]。但在車輛行駛過程中，低速和停止狀態(tài)下，虛像成像平面如果在10 m時，會使顯示信息穿透進入前車，造成不適。為適應車輛的不同行駛狀態(tài)，將方案設計成為投影距離3 m～10 m連續(xù)可調。該文將投影圖像源入射的第一反射鏡設置為可調反射鏡，而且第一反射鏡的尺寸小、重量輕，有助于電機完成高精度控制，實現(xiàn)系統(tǒng)體積的小型化。

1 光學系統(tǒng)基本原理

1.1 AR-HUD 系統(tǒng)的結構

抬頭顯示系統(tǒng)中的AR是一種實時計算攝像車輛行駛外界環(huán)境位置、角度變化，加上相應圖像、視頻等在虛像屏幕上，把虛擬信息疊加在現(xiàn)實世界進行互動的技術。

該文所研究的AR抬頭顯示系統(tǒng)光學系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示，采用步進電機實現(xiàn)圖像變焦和成像角度調節(jié)。其中用一步進電機連接絲桿機構，驅動反射鏡在位置2和位置3之間進行距離調節(jié)，用另一步進電機帶動渦輪蝸桿進行反射鏡角度調節(jié)，可以實現(xiàn)投影平面在焦平面2和焦平面3之間變動。

整個系統(tǒng)的工作流程為HUD控制器采集車輛行駛環(huán)境信息，根據焦平面距離控制算法自動計算最佳目標焦平面位置，反饋電機控制及驅動模塊移動第一反射鏡，完成投影平面距離調節(jié)。

1.2 AR-HUD 系統(tǒng)設計指標

該設計中AR-HUD系統(tǒng)光學需求見表1，顯示圖像亮度、視場角及眼動范圍等需求與目前車廠常見的技術指標要求基本一致，但車廠大多對AR型HUD的要求是能在3 m和10 m投影距離處同時顯示。3 m位置一般都處于車頭引擎蓋向外0.5 m處，即使在跟車狀態(tài)下，虛像也不會進入前車車身內部的影響視覺體驗。而要想實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術中虛實融合的特點，使虛擬信息能夠較完美的疊加到現(xiàn)實世界中，虛像投影到7 m～8 m位置是AR-HUD 的基本要求，而10 m以上則是更讓人眼感覺舒適的距離位置。

2 光學放大系統(tǒng)設計與測試分析

2.1 設計思路

風擋型抬頭顯示系統(tǒng)設計結構一般都采用離軸設計。常見的設計方案為LCD或DLP圖像源上的圖像信息，經過平面或曲面反射鏡，第一次反射至另一自由曲面反射鏡上，接著經過自由曲面反射鏡，第二次反射投射至擋風玻璃，擋風玻璃作為成像組件進行第三次反射，最終將光線入射至駕駛員眼睛。

在HUD設計過程中，起第二次反射作用的自由曲面反射鏡提供了主要放大作用，而由于擋風玻璃也是一自由曲面，第二反射鏡如果只使用對稱的面型設計會引來像差，所以設計中一般都使用XY多項式自由曲面[3]。第一反射鏡的作用主要是折疊光路，使結構更為緊湊，一般視場角要求較小時，使用平面鏡結構，而AR-HUD要求的水平視場角一般都>10°，因此更多的使用XY多項式自由曲面。設計過程中通過第一、第二反射鏡自由曲面中凹凸鏡的半徑值匹配，可以有效消除虛像面的畸變。

Zemax 提供了一個實用的功能多重結構設計，可以用來優(yōu)化和分析在3m～10m范圍內的成像質量。而且為了使駕駛員在眼動范圍內都可以觀察到完整虛像，也同樣采用多重結構的定義方法來模擬眼睛在不同位置處的視覺效果。

表2的數(shù)據編輯器中顯示了不同組態(tài)的設置數(shù)據，展示了4個組態(tài)下的反射鏡位置信息。

根據表2可知，THIC位置 0表示投影虛像與眼點的距離，分別為3 m、5 m、8 m、10 m，THIC位置13反應了第一反射鏡相對于另一位置固定的曲面反射鏡的位置變化。PAR3 位置 13則反應了第一反射鏡相對于轉軸的傾角變化。

2.2 設計仿真結果

系統(tǒng)優(yōu)化設計完成后，根據Zemax自帶的像差分析圖表來衡量設計結果是否滿足需求指標。

根據人眼極限可分辨率1'計算，彌散斑半徑應該

抬頭顯示系統(tǒng)投影距離10 m時，畸變特性如圖2所示，眼動范圍130 mm（水平）×50 mm（垂直）內，不同位置處的畸變最大值為2.32%，小于目標值5%，滿足車載抬頭顯示系統(tǒng)對虛像顯示畸變的要求。

抬頭顯示系統(tǒng)投影距離10 m時，雙眼視差特性如圖3所示，垂直、水平（Dipvergence、Convergence）方向雙眼視差均<1.5 mrad 、3 mrad，設計滿足需求。

投影距離在在不同結構組態(tài)如3 m，5 m，8 m等時，彌散斑 RMS 半徑都在85μm 范圍內，最大畸變控制在5%以內，垂直、水平方向雙眼視差均<1.5 mrad 、3 mrad，成像質量穩(wěn)定，系統(tǒng)設計合理。

光學放大系統(tǒng)中，擋風玻璃除了面型會帶來像差，雙層的玻璃結構更會導致重影，當視差>0.02°，人眼可以觀察到重影現(xiàn)象[4]。現(xiàn)有的常用解決方案是在汽車風擋玻璃內，加一個有楔形角的PVB夾層，使內外層玻璃產生夾角，以此來消除重影。不同投影距離位置，PVB夾層的楔形角要求不同，投影距離越遠，楔形角要求越小，通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)投影距離在7 m位置處的最佳楔形角可以兼容整個3 m～10 m可調距離范圍，使每個位置處視差都能滿足<0.02°。

2.3 AR-HUD 系統(tǒng)樣機實測結果

如圖4所示為該設計的AR-HUD的道路實測照片，分別在投影距離3 m、5 m處的顯示效果。圖4（a）中的HUD控制器采集車輛行駛環(huán)境信息，發(fā)現(xiàn)前車距離較近，自動計算最佳目標焦平面位置在3 m處。圖4（b）中顯示的是投影距離調整到5 m處的增強現(xiàn)實顯示效果。

3 結語

該文設計了一款投影距離連續(xù)可調的車載抬頭顯示系統(tǒng)的光學系統(tǒng)，系統(tǒng)采用離軸虛像顯示的方式，并用 Zemax 的多重結構設計功能優(yōu)化和分析在3 m～10 m處的成像質量。

該設計能夠在僅增加很少硬件成本的條件下，利用軟件算法和電機控制第一反射鏡位置，使抬頭顯示器輸出投影在合適焦平面距離上的投影圖像，提高駕駛員的用戶體驗，進而提高抬頭顯示器的安全輔助性能，提升駕駛安全性。

參考文獻

[1]王東平.車載抬頭顯示系統(tǒng)的研究[D].南京：南京郵電大學，2015.

[2]楊飛，林紹華，吳春建.抬頭顯示系統(tǒng)在汽車上的應用[J].輕型汽車技術，2013（11）：24-26.

[3]冉舒文，江海波，劉顯明.車載抬頭顯示LCD像源照明系統(tǒng)設計[J].燈與照明，2020，44（1）：1-5.

[4]歐高焓，江海波，張靖，等.基于雙自由曲面的增強現(xiàn)實抬頭顯示系統(tǒng)設計[J].汽車實用技術，2019（16）：70-73.