基于雙自由曲面的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

歐高焓，江海波，張靖，鄭立興，尹韶云

（1.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院集成光電技術(shù)研究中心，重慶 400714；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.重慶矢崎儀表有限公司，重慶 401123）

前言

抬頭顯示系統(tǒng)（HUD），通過光學(xué)鏡片的反射或折射，將提供信息的像源放大為虛像，并投影到載具駕駛員的視線正前方一定距離處，使外界的景物與行駛信息可同時(shí)出現(xiàn)在視野之內(nèi)[1]。車載HUD 作為一種駕駛輔助系統(tǒng)，避免了駕駛員被混雜的信息吸引注意力，以致對突發(fā)的行駛狀況不能及時(shí)地做出回應(yīng)[2]，有效地提升了車輛駕駛的安全性。同時(shí)，與傳統(tǒng)的儀表盤相比，HUD 系統(tǒng)在信息的呈現(xiàn)上會更為直觀，降低了新手司機(jī)面對復(fù)雜路況時(shí)手足無措的風(fēng)險(xiǎn)，對駕駛員來說也更為便利。

車載HUD 系統(tǒng)可分為三種類型：直接反射式、間接集成式、擋風(fēng)玻璃集成式[3]。直接反射式HUD 直接將中控臺上水平放置的圖像，通過擋風(fēng)玻璃反射形成虛像。此虛像沒有經(jīng)過精密地光學(xué)設(shè)計(jì)，其成像的垂直高度、投影距離均不理想；間接集成式HUD 有自帶的反射屏（Combiner），但由于體積的限制，反射屏尺寸無法做大，成像的尺寸因此較小。直接反射式與間接集成式均用于汽車的后裝HUD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是顯示效果均不理想。因此，根據(jù)車型深度定制的擋風(fēng)玻璃集成式是目前最為主流的選擇。

近年來，有許多研究者對HUD 系統(tǒng)開展了研究。南京郵電大學(xué)的王東平使用了DLP 微投影作為系統(tǒng)的像源，設(shè)計(jì)出了一套HUD 系統(tǒng)[3]，但是系統(tǒng)整體是間接集成式的，采用單一非球面反射屏，不適用于更大尺寸HUD 的設(shè)計(jì)。長春理工大學(xué)王興的設(shè)計(jì)了一個(gè)投影距離為2m、虛像大小為9.15°×6.81°的傳統(tǒng)HUD 系統(tǒng)[4]。而來自同一大學(xué)的王睿設(shè)計(jì)了一個(gè)投影距離為2.5m、虛像大小為12°×6.75°的傳統(tǒng)HUD系統(tǒng)[5]。自由曲面在這兩個(gè)HUD 系統(tǒng)起到了重要的作用，但在設(shè)計(jì)時(shí)，擋風(fēng)玻璃均被當(dāng)作平面處理，忽略了擋風(fēng)玻璃對系統(tǒng)成像所帶來的影響。南京理工大學(xué)蔡錦浩的衍射平視顯示系統(tǒng)[6]、航空工業(yè)光電所相廣鑫的全息波導(dǎo)[7]，相比于傳統(tǒng)HUD 的透射反射式結(jié)構(gòu)做出了創(chuàng)新，在將來都有望被用于實(shí)際HUD 系統(tǒng)中，但目前的實(shí)用化進(jìn)程仍有不小的挑戰(zhàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）可以在用戶觀察到的真實(shí)自然環(huán)境中添加計(jì)算機(jī)生成的文字，圖像，3D 模型等信息，增強(qiáng)用戶對真實(shí)環(huán)境的理解，擴(kuò)展了與真實(shí)環(huán)境交互的能力[8]。將AR 技術(shù)與HUD 技術(shù)相結(jié)合，將會大幅提升顯示體驗(yàn)，是HUD 的一個(gè)重要發(fā)展方向，但二者的結(jié)合對HUD 光學(xué)系統(tǒng)提出了更高的要求。首先，AR-HUD 的虛像投影距離需要變得更遠(yuǎn)，至少要達(dá)到7.5m，而傳統(tǒng)的HUD 普遍在2.5m 左右，即位于汽車引擎蓋前端的上方附近。其次AR-HUD 的虛像大小若以視場角為衡量標(biāo)準(zhǔn)，橫向至少要達(dá)到10°，而傳統(tǒng)HUD 典型值為7°，為獲得高的沉浸感，顯示的分辨率也需要大幅的提升。

本文針對車載AR-HUD 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了梳理，并依據(jù)與車企、配件廠商合作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，闡明了AR-HUD 設(shè)計(jì)所需達(dá)到的各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)。給出了一種雙自由曲面的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，成功地設(shè)計(jì)出了一套投影距離7.5m，虛像尺寸10°×3°的AR-HUD 系統(tǒng)，滿足了遠(yuǎn)投影距離，大視場角的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)展示了采用金剛石車削、3D 打印等精密加工技術(shù)制作出了AR-HUD 系統(tǒng)樣機(jī)，并對其顯示效果進(jìn)行了實(shí)測。

1 光學(xué)系統(tǒng)基本原理

1.1 AR-HUD 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

AR-HUD系統(tǒng)可分為電子信息處理系統(tǒng)、光電顯示像源、光學(xué)放大系統(tǒng)三大組成部分[9]。 電子信息系統(tǒng)收集汽車行駛的數(shù)據(jù)，為光電顯示像源提供顯示內(nèi)容；光電顯示像源為光學(xué)放大系統(tǒng)提供一個(gè)高分辨率的像源，作為光學(xué)系統(tǒng)的起點(diǎn)；光學(xué)放大系統(tǒng)通過光學(xué)鏡片的反射或折射，再通過擋風(fēng)玻璃的鏡面反射，使像源在駕駛者視線前方成放大的虛像。本文主要研究光學(xué)放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

光學(xué)放大系統(tǒng)由像源、光學(xué)鏡片、擋風(fēng)玻璃組成。本文中的AR-HUD 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的HUD 系統(tǒng)相比，采用了雙自由曲面的結(jié)構(gòu)，原因如下：首先，由于實(shí)際的擋風(fēng)玻璃在造型設(shè)計(jì)上均有一定的彎曲，通過這樣的擋風(fēng)玻璃鏡面反射所成之像必然會被引入像差與畸變，而且這種誤差是不可忽視的。因此需要在光學(xué)系統(tǒng)中引入自由曲面來進(jìn)行像差的矯正；其次，為了滿足HUD 系統(tǒng)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的應(yīng)用，其投影距離至少要達(dá)到7.5m、視場角至少要達(dá)到10°×3°。此時(shí)單自由曲面不足以滿足矯正像差的要求，而雙自由曲面可以提供額外的參量供優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)。光學(xué)放大系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 車載抬頭顯示光學(xué)放大系統(tǒng)示意圖

光電顯示像源系統(tǒng)的主要選擇有陰極射線管（CRT）、 液晶顯示（LCD）和數(shù)字光處理（DLP）三種，CRT 最早于飛機(jī)上使用，但由于體積、功耗過大，壽命較低等缺點(diǎn)，已被其他技術(shù)取代[10]。LCD 廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)HUD 系統(tǒng)中，但是在亮度、對比度、可靠性上有所欠缺。DLP 微型投影方案，利用系統(tǒng)中DMD 這種MEMS 芯片，可以使HUD 系統(tǒng)達(dá)到與LCD 相比更高的亮度、動態(tài)范圍，和更寬的顯示視場角，并且在熱負(fù)荷的控制方面更為優(yōu)秀[11]。因此本文中的ARHUD 系統(tǒng)選用DLP 作為整個(gè)系統(tǒng)的像源。

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

AR-HUD 系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)有：投影虛像距離（VID）、視場角（FOV）、眼動范圍（Eyebox）、下視角、體積、亮度。

投影虛像距離VID 指從人眼到虛像的直線距離，其中人眼與擋風(fēng)玻璃的具體相對位置由汽車廠商調(diào)研確定。傳統(tǒng)HUD 系統(tǒng)的VID 一般為2.5m，即虛像位于車頭引擎蓋正上方。AR-HUD 系統(tǒng)為了滿足增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛實(shí)融合的特點(diǎn)，其虛像必須比傳統(tǒng)HUD 系統(tǒng)投得更遠(yuǎn)，即VID 更大。依據(jù)與車廠合作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，VID 達(dá)到7.5m 才能滿足AR-HUD 的要求。

視場角FOV 指虛像橫縱方向的長度對人眼的張角。FOV與VID 共同決定了虛像的實(shí)際大小。更大的視場角意味著虛像在人的視野中所占據(jù)的尺寸更大，也更利于HUD 系統(tǒng)與外界景物融合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。VID 與FOV 的示意如圖2 所示。

圖2 車載HUD 系統(tǒng)視場角與虛像距離示意圖

下視角指的是人眼與虛像中心的連線與水平面的夾角。下視角確定了虛像的空間高度位置。眼動范圍Eyebox 是AR-HUD 系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)。在以默認(rèn)眼睛位置為中心的矩形區(qū)域內(nèi)，眼睛在任意位置都可以看到完整的虛像，不會被光學(xué)系統(tǒng)的孔徑遮擋。這個(gè)矩形區(qū)域就是Eyebox。眼動范圍的示意如圖3 所示。

圖3 車載HUD 系統(tǒng)眼動范圍示意圖

體積也是AR-HUD 系統(tǒng)能實(shí)際運(yùn)用到車輛上的重要指標(biāo)。汽車廠商需要在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前預(yù)留出空間給HUD系統(tǒng)，這部分空間原有的布置會被打亂。HUD 的設(shè)計(jì)也需要盡量地緊湊，減小體積。合理的布局鏡片是減小體積的方法。

HUD 系統(tǒng)需要有一個(gè)可以調(diào)節(jié)的亮度動態(tài)范圍。依據(jù)汽車廠商的調(diào)研，在日光下，實(shí)際最高亮度普遍需達(dá)到10000nit。估計(jì)擋風(fēng)玻璃的反射率為20%，兩塊自由曲面反射鏡的反射率為90%，則可逆推出像源的亮度最高應(yīng)達(dá)到61728nit。

綜上，依據(jù)與車企、配件廠商的合作經(jīng)驗(yàn)，對AR-HUD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了一些具體的指標(biāo)，如表1 所示。

表1 AR-HUD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 光學(xué)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工結(jié)果

2.1 設(shè)計(jì)思路

經(jīng)過多次的布局嘗試，排除了橫向折疊而采用了縱向折疊的空間布置方式，以更大限度地利用空間。光學(xué)放大系統(tǒng)由像源、自由曲面折疊鏡、自由曲面主反射鏡，消重影擋風(fēng)玻璃組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，像源發(fā)出的光線，通過折疊鏡、主鏡的反射，再由擋風(fēng)玻璃反射至眼睛。

圖4 光學(xué)放大系統(tǒng)示意圖

HUD 系統(tǒng)光路的設(shè)計(jì)思路為反向設(shè)計(jì)。光路以眼點(diǎn)為分界分為理想光路與實(shí)際光路兩部分。理想光路是從理想虛像直接到眼睛處，實(shí)際光路從眼睛經(jīng)過擋風(fēng)玻璃與兩個(gè)反射鏡，最終到達(dá)像源面。若是設(shè)計(jì)時(shí)從一個(gè)理想的虛像出發(fā)，在像源面上可以成一個(gè)滿意的實(shí)像，則根據(jù)光路可逆原理，實(shí)際像源通過此系統(tǒng)就能夠形成滿意的虛像。

光學(xué)放大系統(tǒng)中，擋風(fēng)玻璃對光學(xué)系統(tǒng)有很大影響。首先，擋風(fēng)玻璃的面型會帶來像差，因此在設(shè)計(jì)的過程中不可將之簡化為平板玻璃。先將擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面的面型用三維軟件提取坐標(biāo)點(diǎn)陣，再用數(shù)學(xué)工具擬合出面型的自由曲面表達(dá)式，以便光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的調(diào)用。其次，車用擋風(fēng)玻璃采用的是雙層夾膠玻璃，其在受到撞擊時(shí)不會整體粉碎，從而提高了安全性。但雙層玻璃會導(dǎo)致重影，影響最終的成像效果。而有楔角的夾層使得兩層玻璃形成夾角，可消除重影[12]。

光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的反射鏡片為兩片自由曲面反射鏡，分為主鏡與折疊鏡。主鏡是任何HUD 系統(tǒng)中最主要部分，是提供放大倍率與矯正像差的主力。折疊鏡的作用一是將光路折疊，使系統(tǒng)更為緊湊；二是輔助提供放大倍率與矯正像差的參量；三是可以更為靈活地控制像源、折疊鏡、主鏡三者間的距離，使光路不會被鏡片侵入，導(dǎo)致人眼在部分位置時(shí)看到的像不完整。

光學(xué)放大系統(tǒng)兩個(gè)鏡片均采用XY 多項(xiàng)式自由曲面，其多項(xiàng)式的系數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要變量。首先針對Eyebox中心的眼點(diǎn)建立優(yōu)化函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。待初步優(yōu)化后將眼點(diǎn)移置Eyebox 的四角，同時(shí)針對這四個(gè)位置建立相應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)，再與之前的中心視點(diǎn)的優(yōu)化函數(shù)組成一個(gè)整體優(yōu)化函數(shù)，從而進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)的結(jié)果從四個(gè)指標(biāo)來評價(jià)：光跡圖、點(diǎn)列圖、MTF調(diào)制傳遞函數(shù)、格柵畸變圖。光跡圖上各點(diǎn)表示各個(gè)視場所成的像點(diǎn)的空間位置。光跡圖可以直觀地確定成像的空間位置及粗略估計(jì)畸變大小，從而調(diào)整像源面的空間位置和進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)畸變。中心視點(diǎn)的光跡圖如圖5（a）所示。

圖5 畸變評價(jià)圖

格柵畸變圖及畸變百分比可以從直觀與定量兩方面評價(jià)成像的畸變大小。眼睛位于Eyebox 中心處時(shí)格柵畸變圖如圖5（b）所示，矩形網(wǎng)格為理想成像位置，而散點(diǎn)云為實(shí)際成像位置，兩者相比可以看出畸變的程度。此時(shí)的畸變百分比為5.09%。

點(diǎn)列圖與MTF 調(diào)傳遞函數(shù)可以評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。當(dāng)設(shè)置瞳孔直徑設(shè)為4mm，眼睛位于Eyebox 中心處時(shí)的點(diǎn)列圖如圖6（a）所示。九個(gè)視場的散點(diǎn)均落在艾里斑之內(nèi)，表明光學(xué)系統(tǒng)有較好的像差表現(xiàn)。此時(shí)MTF 調(diào)制傳遞函數(shù)如圖6（b）所示。從圖上可以看出，依據(jù)本像源的尺寸與分辨率，當(dāng)最大空間頻率為7.63 時(shí)，MTF 值都位于0.5 以上，且已逼近衍射極限。這表明在眼睛位于Eyebox 中心處時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的成像效果已滿足要求。

圖6 成像質(zhì)量評價(jià)圖

將眼睛置于Eyebox 的四個(gè)頂點(diǎn)處時(shí)，同樣可得到如下結(jié)論：各個(gè)點(diǎn)列圖中各點(diǎn)均保持在艾里斑之內(nèi)；MTF 雖有劣化，但當(dāng)空間頻率為7.63 時(shí)，所有視場都能保持在0.4 以上。此時(shí)四點(diǎn)的畸變值見表2，從表中可以看出，畸變大小均在4.67%至5.60%之間。

綜合考慮，此AR-HUD 系統(tǒng)在Eyebox 矩形框內(nèi)成像都能達(dá)到較好的水平，滿足了增強(qiáng)顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)要求。

2.3 AR-HUD 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)測結(jié)果

圖7 自由曲面反射鏡片

HUD 樣機(jī)所使用的自由曲面主鏡與折疊鏡加工采用高強(qiáng)度的航空鋁，經(jīng)金剛石精密車削加工成型。加工后的反射鏡面需要鍍上一層介質(zhì)膜，以防鋁氧化以致失去光滑的鏡面。加工后的主鏡與折疊鏡如圖7（a）、7（b）所示。實(shí)機(jī)整體如圖8 所示，其外殼由3D 打印技術(shù)制造。

在如圖8 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，搭建了實(shí)驗(yàn)臺架，對AR-HUD與擋風(fēng)玻璃進(jìn)行了實(shí)際的定位與裝配。其最終的顯示效果如圖9（a）、9（b）所示。從圖中可以看出，虛像的距離估計(jì)已達(dá)7.5m 以上，圖像清晰，畸變較小，達(dá)到AR-HUD 的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 車載HUD 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖9 車載HUD 系統(tǒng)樣機(jī)顯示效果

3 結(jié)論

本文首先介紹AR-HUD 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并根據(jù)與車企、配件商的合作經(jīng)驗(yàn)給出了AR-HUD 系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)。然后，本文給出了一種雙自由曲面的結(jié)構(gòu)的AR-HUD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，通過光學(xué)仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與評價(jià)，完成了AR-HUD 光學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，其指標(biāo)滿足了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下AR-HUD 更遠(yuǎn)距離、更大視角的新要求。最后，本文展示了AR-HUD 原型樣機(jī)的實(shí)機(jī)測試效果，圖像顯示清晰、畸變較小，符合設(shè)計(jì)要求。本AR-HUD 系統(tǒng)的體積依然不夠緊湊，今后若能在體積上有新的突破，則會為AR-HUD 的產(chǎn)業(yè)化解決一項(xiàng)重大難題。