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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用離軸設(shè)計(jì)方式，投影視場(chǎng)角達(dá)到了10°×3°，投影距離實(shí)現(xiàn)3 m～10 m連續(xù)可調(diào)。風(fēng)擋式抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理為圖像源上的圖像信息經(jīng)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(jīng)過自由曲面反射鏡，第二次反射投射至擋風(fēng)玻璃，擋風(fēng)玻璃作為成像組件進(jìn)行第三次反射，最終將光線入射至駕駛員眼睛。該設(shè)計(jì)將投影圖像源入射的第一反射鏡設(shè)置為可調(diào)反射鏡，以此來實(shí)現(xiàn)虛像成像平面的連續(xù)可調(diào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后，對(duì)系統(tǒng)多重結(jié)構(gòu)組態(tài)進(jìn)行成像質(zhì)量分析。

關(guān)鍵詞：抬頭顯示系統(tǒng)HUD;投影距離可調(diào);多重結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463.6 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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?qū)Ш絻x上的信息，導(dǎo)致目光脫離路面引發(fā)交通事故[1]。

一般車廠大多對(duì)AR型HUD要求能在3 m和10 m同時(shí)顯示圖像，3 m顯示車速、限速提醒等信息，10 m顯示導(dǎo)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?fàn)顟B(tài)下，虛像成像平面如果在10 m時(shí)，會(huì)使顯示信息穿透進(jìn)入前車，造成不適。為適應(yīng)車輛的不同行駛狀態(tài)，將方案設(shè)計(jì)成為投影距離3 m～10 m連續(xù)可調(diào)。該文將投影圖像源入射的第一反射鏡設(shè)置為可調(diào)反射鏡，而且第一反射鏡的尺寸小、重量輕，有助于電機(jī)完成高精度控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體積的小型化。

1 光學(xué)系統(tǒng)基本原理

1.1 AR-HUD 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

抬頭顯示系統(tǒng)中的AR是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝像車輛行駛外界環(huán)境位置、角度變化，加上相應(yīng)圖像、視頻等在虛像屏幕上，把虛擬信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行互動(dòng)的技術(shù)。

該文所研究的AR抬頭顯示系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像變焦和成像角度調(diào)節(jié)。其中用一步進(jìn)電機(jī)連接絲桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)反射鏡在位置2和位置3之間進(jìn)行距離調(diào)節(jié)，用另一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿進(jìn)行反射鏡角度調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)投影平面在焦平面2和焦平面3之間變動(dòng)。

整個(gè)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(jù)焦平面距離控制算法自動(dòng)計(jì)算最佳目標(biāo)焦平面位置，反饋電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)模塊移動(dòng)第一反射鏡，完成投影平面距離調(diào)節(jié)。

1.2 AR-HUD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

該設(shè)計(jì)中AR-HUD系統(tǒng)光學(xué)需求見表1，顯示圖像亮度、視場(chǎng)角及眼動(dòng)范圍等需求與目前車廠常見的技術(shù)指標(biāo)要求基本一致，但車廠大多對(duì)AR型HUD的要求是能在3 m和10 m投影距離處同時(shí)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(huì)進(jìn)入前車車身內(nèi)部的影響視覺體驗(yàn)。而要想實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中虛實(shí)融合的特點(diǎn)，使虛擬信息能夠較完美的疊加到現(xiàn)實(shí)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(xué)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

2.1 設(shè)計(jì)思路

風(fēng)擋型抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一般都采用離軸設(shè)計(jì)。常見的設(shè)計(jì)方案為L(zhǎng)CD或DLP圖像源上的圖像信息，經(jīng)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(jīng)過自由曲面反射鏡，第二次反射投射至擋風(fēng)玻璃，擋風(fēng)玻璃作為成像組件進(jìn)行第三次反射，最終將光線入射至駕駛員眼睛。

在HUD設(shè)計(jì)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(fēng)玻璃也是一自由曲面，第二反射鏡如果只使用對(duì)稱的面型設(shè)計(jì)會(huì)引來像差，所以設(shè)計(jì)中一般都使用XY多項(xiàng)式自由曲面[3]。第一反射鏡的作用主要是折疊光路，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，一般視場(chǎng)角要求較小時(shí)，使用平面鏡結(jié)構(gòu)，而AR-HUD要求的水平視場(chǎng)角一般都>10°，因此更多的使用XY多項(xiàng)式自由曲面。設(shè)計(jì)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(gè)實(shí)用的功能多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以用來優(yōu)化和分析在3m～10m范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。而且為了使駕駛員在眼動(dòng)范圍內(nèi)都可以觀察到完整虛像，也同樣采用多重結(jié)構(gòu)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(jù)編輯器中顯示了不同組態(tài)的設(shè)置數(shù)據(jù)，展示了4個(gè)組態(tài)下的反射鏡位置信息。

根據(jù)表2可知，THIC位置 0表示投影虛像與眼點(diǎn)的距離，分別為3 m、5 m、8 m、10 m，THIC位置13反應(yīng)了第一反射鏡相對(duì)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(yīng)了第一反射鏡相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的傾角變化。

2.2 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)Zemax自帶的像差分析圖表來衡量設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足需求指標(biāo)。

根據(jù)人眼極限可分辨率1'計(jì)算，彌散斑半徑應(yīng)該

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

抬頭顯示系統(tǒng)投影距離10 m時(shí)，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(shè)計(jì)滿足需求。

投影距離在在不同結(jié)構(gòu)組態(tài)如3 m，5 m，8 m等時(shí)，彌散斑 RMS 半徑都在85μm 范圍內(nèi)，最大畸變控制在5%以內(nèi)，垂直、水平方向雙眼視差均<1.5 mrad 、3 mrad，成像質(zhì)量穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

光學(xué)放大系統(tǒng)中，擋風(fēng)玻璃除了面型會(huì)帶來像差，雙層的玻璃結(jié)構(gòu)更會(huì)導(dǎo)致重影，當(dāng)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(fēng)擋玻璃內(nèi)，加一個(gè)有楔形角的PVB夾層，使內(nèi)外層玻璃產(chǎn)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(yuǎn)，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(gè)3 m～10 m可調(diào)距離范圍，使每個(gè)位置處視差都能滿足<0.02°。

2.3 AR-HUD 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果

如圖4所示為該設(shè)計(jì)的AR-HUD的道路實(shí)測(cè)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(dòng)計(jì)算最佳目標(biāo)焦平面位置在3 m處。圖4（b）中顯示的是投影距離調(diào)整到5 m處的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示效果。

3 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一款投影距離連續(xù)可調(diào)的車載抬頭顯示系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用離軸虛像顯示的方式，并用 Zemax 的多重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能優(yōu)化和分析在3 m～10 m處的成像質(zhì)量。

該設(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)，進(jìn)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(xiàn)

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