某车载抬头显示光学系统设计研究

陈璐玲

摘  要：该文主要描述AR型车载抬头显示系统的光学系统设计，系统采用离轴设计方式，投影视场角达到了10°×3°，投影距离实现3 m～10 m连续可调。风挡式抬头显示系统设计原理为图像源上的图像信息经过平面或曲面反射镜，第一次反射至另一自由曲面反射镜上，接着经过自由曲面反射镜，第二次反射投射至挡风玻璃，挡风玻璃作为成像组件进行第三次反射，最终将光线入射至驾驶员眼睛。该设计将投影图像源入射的第一反射镜设置为可调反射镜，以此来实现虚像成像平面的连续可调，系统设计优化完成后，对系统多重结构组态进行成像质量分析。

关键词：抬头显示系统HUD;投影距离可调;多重结构

中图分类号：U463.6             文献标志码：A

0 引言

抬头显示器系统 HUD 是一种车载视觉辅助系统，驾驶员通过该系统即可在视线平视的情况下，观察到叠加在周边环境路况上的重要行车信息，驾驶者可以避免低头观察仪表盘或导航仪上的信息，导致目光脱离路面引发交通事故[1]。

一般车厂大多对AR型HUD要求能在3 m和10 m同时显示图像，3 m显示车速、限速提醒等信息，10 m显示导航、车辆航道偏移提示等信息[2]。但在车辆行驶过程中，低速和停止状态下，虚像成像平面如果在10 m时，会使显示信息穿透进入前车，造成不适。为适应车辆的不同行驶状态，将方案设计成为投影距离3 m～10 m连续可调。该文将投影图像源入射的第一反射镜设置为可调反射镜，而且第一反射镜的尺寸小、重量轻，有助于电机完成高精度控制，实现系统体积的小型化。

1 光学系统基本原理

1.1 AR-HUD 系统的结构

抬头显示系统中的AR是一种实时计算摄像车辆行驶外界环境位置、角度变化，加上相应图像、视频等在虚像屏幕上，把虚拟信息叠加在现实世界进行互动的技术。

该文所研究的AR抬头显示系统光学系统结构示意图如图1所示，采用步进电机实现图像变焦和成像角度调节。其中用一步进电机连接丝杆机构，驱动反射镜在位置2和位置3之间进行距离调节，用另一步进电机带动涡轮蜗杆进行反射镜角度调节，可以实现投影平面在焦平面2和焦平面3之间变动。

整个系统的工作流程为HUD控制器采集车辆行驶环境信息，根据焦平面距离控制算法自动计算最佳目标焦平面位置，反馈电机控制及驱动模块移动第一反射镜，完成投影平面距离调节。

1.2 AR-HUD 系统设计指标

该设计中AR-HUD系统光学需求见表1，显示图像亮度、视场角及眼动范围等需求与目前车厂常见的技术指标要求基本一致，但车厂大多对AR型HUD的要求是能在3 m和10 m投影距离处同时显示。3 m位置一般都处于车头引擎盖向外0.5 m处，即使在跟车状态下，虚像也不会进入前车车身内部的影响视觉体验。而要想实现增强现实技术中虚实融合的特点，使虚拟信息能够较完美的叠加到现实世界中，虚像投影到7 m～8 m位置是AR-HUD 的基本要求，而10 m以上则是更让人眼感觉舒适的距离位置。

2 光学放大系统设计与测试分析

2.1 设计思路

风挡型抬头显示系统设计结构一般都采用离轴设计。常见的设计方案为LCD或DLP图像源上的图像信息，经过平面或曲面反射镜，第一次反射至另一自由曲面反射鏡上，接着经过自由曲面反射镜，第二次反射投射至挡风玻璃，挡风玻璃作为成像组件进行第三次反射，最终将光线入射至驾驶员眼睛。

在HUD设计过程中，起第二次反射作用的自由曲面反射镜提供了主要放大作用，而由于挡风玻璃也是一自由曲面，第二反射镜如果只使用对称的面型设计会引来像差，所以设计中一般都使用XY多项式自由曲面[3]。第一反射镜的作用主要是折叠光路，使结构更为紧凑，一般视场角要求较小时，使用平面镜结构，而AR-HUD要求的水平视场角一般都>10°，因此更多的使用XY多项式自由曲面。设计过程中通过第一、第二反射镜自由曲面中凹凸镜的半径值匹配，可以有效消除虚像面的畸变。

Zemax 提供了一个实用的功能多重结构设计，可以用来优化和分析在3m～10m范围内的成像质量。而且为了使驾驶员在眼动范围内都可以观察到完整虚像，也同样采用多重结构的定义方法来模拟眼睛在不同位置处的视觉效果。

表2的数据编辑器中显示了不同组态的设置数据，展示了4个组态下的反射镜位置信息。

根据表2可知，THIC位置 0表示投影虚像与眼点的距离，分别为3 m、5 m、8 m、10 m，THIC位置13反应了第一反射镜相对于另一位置固定的曲面反射镜的位置变化。PAR3 位置 13则反应了第一反射镜相对于转轴的倾角变化。

2.2 设计仿真结果

系统优化设计完成后，根据Zemax自带的像差分析图表来衡量设计结果是否满足需求指标。

根据人眼极限可分辨率1'计算，弥散斑半径应该

抬头显示系统投影距离10 m时，畸变特性如图2所示，眼动范围130 mm（水平）×50 mm（垂直）内，不同位置处的畸变最大值为2.32%，小于目标值5%，满足车载抬头显示系统对虚像显示畸变的要求。

抬头显示系统投影距离10 m时，双眼视差特性如图3所示，垂直、水平（Dipvergence、Convergence）方向双眼视差均<1.5 mrad 、3 mrad，设计满足需求。

投影距离在在不同结构组态如3 m，5 m，8 m等时，弥散斑 RMS 半径都在85μm 范围内，最大畸变控制在5%以内，垂直、水平方向双眼视差均<1.5 mrad 、3 mrad，成像质量稳定，系统设计合理。

光学放大系统中，挡风玻璃除了面型会带来像差，双层的玻璃结构更会导致重影，当视差>0.02°，人眼可以观察到重影现象[4]。现有的常用解决方案是在汽车风挡玻璃内，加一个有楔形角的PVB夹层，使内外层玻璃产生夹角，以此来消除重影。不同投影距离位置，PVB夹层的楔形角要求不同，投影距离越远，楔形角要求越小，通过仿真分析，发现投影距离在7 m位置处的最佳楔形角可以兼容整个3 m～10 m可调距离范围，使每个位置处视差都能满足<0.02°。

2.3 AR-HUD 系统样机实测结果

如图4所示为该设计的AR-HUD的道路实测照片，分别在投影距离3 m、5 m处的显示效果。图4（a）中的HUD控制器采集车辆行驶环境信息，发现前车距离较近，自动计算最佳目标焦平面位置在3 m处。图4（b）中显示的是投影距离调整到5 m处的增强现实显示效果。

3 结语

该文设计了一款投影距离连续可调的车载抬头显示系统的光学系统，系统采用离轴虚像显示的方式，并用 Zemax 的多重结构设计功能优化和分析在3 m～10 m处的成像质量。

该设计能够在仅增加很少硬件成本的条件下，利用软件算法和电机控制第一反射镜位置，使抬头显示器输出投影在合适焦平面距离上的投影图像，提高驾驶员的用户体验，进而提高抬头显示器的安全辅助性能，提升驾驶安全性。

参考文献

[1]王东平.车载抬头显示系统的研究[D].南京：南京邮电大学，2015.

[2]杨飞，林绍华，吴春建.抬头显示系统在汽车上的应用[J].轻型汽车技术，2013（11）：24-26.

[3]冉舒文，江海波，刘显明.车载抬头显示LCD像源照明系统设计[J].灯与照明，2020，44（1）：1-5.

[4]欧高焓，江海波，张靖，等.基于双自由曲面的增强现实抬头显示系统设计[J].汽车实用技术，2019（16）：70-73.