抬头显示系统的杂散光分析与仿真

袁敏敏　张淑芳

【摘  要】随着汽车工业的发展和人们对安全驾驶的重视，汽车安全配置也更丰富。汽车抬头显示系统作为提高行车安全配置之一，配置率也逐年提高。HUD是一个光学产品，其杂散光会严重影响产品品质和行车安全。在产品设计中消除杂散光干扰，对提高成像品质尤为重要。本文简单介绍HUD杂散光典型路径、杂散光仿真以及消除方法。

【关键词】抬头显示；杂散光；ZEMAX；光迹追踪

中图分类号：U463.67    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0078-03

Analysis and Simulation on HUD Stray Light

YUAN Min-min，ZHANG Shu-fang

（Technical Research Centre，Wuhu Automotive Prospective Technology

Research Institute Co.，Ltd.，Wuhu 241009，China）

【Abstract】With more focus on safely driving and development of automobile industry，the security configuration is more sufficient. The HUD has been increasingly equipped，as a significant safety system. HUD as an optical device，the stray light effects the secure driving intensively. Therefore，it's important to reduce the stray light to ensure the quality of display. This paper introduces the typical path of HUD stray light， simulation of stray light， and elimination methods.

【Key words】HUD；stray light；ZEMAX；ray trace

1  概述

随着人们对驾驶安全和驾驶舒适度的越来越重视，车载抬头显示系统（Head-up Display，HUD）近年也倍受关注。车辆的抬头显示系统是一种基于人机工程学优化的仪表系统，可以把车辆的重要信息，如车速、挡位、车道偏离、导航、胎压等信息，通过前风挡玻璃投影的方式显示在车辆前方。驾驶员无需低头，即可了解车辆行驶状态，增加行车安全。但是设计不良的HUD有可能存在干扰驾驶员视线和判断的问题，从而对行车安全造成威胁。

杂散光就是上述干扰因素中重要的一点。对于杂散光的定义有各种说法，总的来说，杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，产生于漏光、投射光学表面的残余反射和镜筒内壁等非光学表面的残余反射，以及由光学表面品质问题产生的杂散光[1]。

研究杂散光的来源是解决杂散光问题最有针对性的手段[2]。根据杂散光光源与光学系统相对位置，光源可分为外光源和内光源。从外光源发出的光线形成的杂散光称为外杂散光，从内光源发出的光线形成的杂散光称为内杂散光[3]。

下面将通过分析杂散光典型路径，对实际光学系统建模、仿真，找出杂散光来源并提出消除建议。

2  HUD杂散光典型路径

HUD系統正常的光线路径是光线由PGU发出，经过小反射镜反射到大反射镜，再经过大反射镜的反射，出射到前风挡玻璃，经由前风挡玻璃再次反射进入人眼，在视线前方成像。图1为HUD光路示意图。

HUD系统为了匹配不同身高和驾驶习惯的驾驶员，通过曲面镜一定角度的旋转实现扩大眼盒范围，这样导致反射镜在任意一个特定的位置时，边界余量较大，这大大增加了杂散光产生的机率。

HUD系统的杂散光产生主要来自两部分：一部分为外部光线进入车内，在HUD表面或内部多次反射后在风挡玻璃反射进入人眼，造成成像干扰；另一部分由HUD内部像源光线经过内部不正常光路出射到风挡玻璃，反射进入人眼造成干扰。

HUD系统除上述主要光学部件之外还有布置在出口位置的防尘膜和减少漏光的遮光罩等部件，如图2所示。下面将分别对外部和内部杂散光路径进行分析。

2.1  外部杂散光

外部杂散光的产生原因主要是由外光源引起，比如太阳光、路灯灯光等。由于前风挡玻璃的透明属性，外部光线很容易进入车内，产生造成干扰的杂散光，由太阳光（环境光）造成的杂散光路径主要有以下两类，如图3所示。

2.2  内部杂散光

内部杂散光主要是由HUD内部高亮度像源产生的。像源发出的光线除去正常路径之外，还在内部光学反射镜之间多次反射、在透射元件表面反射、机械结构表面散射等，其内部路径主要归类为以下几类，如图4所示。

3  杂散光仿真及消除方法

根据上文分析的杂散光典型路径，借助计算机对当前的设计方案有目的地进行仿真分析，找出杂散光产生部件，有针对地优化，提高设计效率。

目前国内外广泛使用的杂散光仿真分析软件有ASAP、tracepro、optiCAD等[3]，光学设计综合软件code V、ZEMAX也有很强的杂散光分析能力。本文采用ZEMAX对HUD系统的杂散光进行仿真分析，找出杂散光路径并进行消除。

在ZEMAX非序列模式中，导入HUD各部件，并附相应的材料属性，外部与内部杂散光分析光源设置不同，下文将详细说明。

3.1  外部杂散光仿真

对于HUD系统，我们只关注可进入人眼的杂散光情况。光线从外部进入车内，经过HUD系统后进入人眼，利用光线可逆原理，简化仿真模型，将人眼设置为光源进行光线追迹，找出产生杂散光的部件進行优化。

HUD系统各部件导入序号见表1，并进行光线追迹。

3.1.1  外部杂散光（a）

这类杂散光主要是由防尘膜反射造成，光迹追踪后可以通过路径4-1-2-1找出。这部分杂散光可以通过出光口设置合理的高度来遮挡。如图5a所示，不设置出光口时，大范围的环境光可以通过防尘膜反射进入人眼。图5b中设置了一定高度的出光口后，逆向光线并没有通过防尘膜反射到玻璃，说明环境光并不会通过防尘膜反射进人眼范围。这部分杂散光可以将防尘膜设计一定的弧度和一定高度的出光口去消除。

3.1.2  外部杂散光（b）

这类杂散光是外部光线进入HUD内部，在像源面反射后原路返回，经过前风挡玻璃反射进入眼盒范围。这部分仿真按照表1中杂散光（b）导入各部件，并进行光迹追踪，可用路径6-1-2-3-4-5-…进行排查。如图6的仿真结果显示，像源面通过设计合理的角度来避免这部分杂散光的出现。

值得说明的是，这部分光线虽然不会按照进入路线原路返回，但若是遮光罩表面不做消光处理，进入的光线在遮光罩表面反射，同样会产生杂散光。可通过将遮光罩赋散射材质进行仿真，本文只说明典型路径，不做分析。

3.2  内部杂散光

内部杂散光的仿真采用正向光路，将像源面设置为光源。同样的，只关心可进入眼盒范围内的部分，因此在仿真中，将眼盒设置为探测器来查看眼盒内是否有杂散光进入。各部件导入序号如表2所示，进行光迹追踪后分析结果。

本文中只关注进入眼盒范围的杂散光，并将眼盒设置成探测器，所以可以用ZEMAX中的字符串（H7）很容易找到撞击到探测器的光线路径，如图7所示。

图8中的a、b、c分别用软件字符串筛选出2.2中对应的杂散光a、b、c路径。其中内部杂散光a可通过内部光学结构合理布局和遮光罩消除。将防尘膜与内部光学结构设定合理的距离来避免杂散光b。对于杂散光c，将遮光罩尽量缩紧，光学部件边界余量合理来避免。同样值得注意的是，除了遮光罩做消光处理外，光学反射镜侧边也须做消光处理，如图8d所示的杂散光就是由曲面镜上边界侧边反射产生的。

4  总结

根据文中杂散光的路径分析和仿真，HUD系统外部和内部造成的杂散光可通过以下几种方法来消除：①优化系统结构，优化机械结构；②增加消杂光光阑；③系统内部喷消光漆或贴消光绒；④使用合理的遮光罩。

综上所述，本文只是简单地将HUD系统中常见的杂散光进行分析，建立简单的材料模型进行仿真说明HUD典型杂光。遗憾的是，实际生产中，杂散光产生的缘由远比设计仿真中复杂，这就需要在实际的生产及验证中不断地去发现、思考和总结，再反过来丰富仿真环境，尽量在设计阶段将危害严重的杂散光消除。

参考文献：

[1] 岑兆丰，李晓彤，朱启华. 光学系统杂散光分析[J]. 红外与激光工程，2007，36（3）：300-304.

[2] 原育凯. 光学系统杂散光的消除方法[J]. 大气与环境光学学报，2007，2（1）：6-10.

[3] 韩星，吴含笑，王泷仪. 复合光学系统杂散辐射分析及抑制[J]. 应用光学，2019，40（1）：1-6.

（编辑  杨  景）