遠(yuǎn)距離成像汽車平視顯示光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃興洲，胡詩(shī)杰，湯國(guó)茂，楊 平，許 冰，張改娜

(1. 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京10049；3. 蘇州勝利精密制造科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

引言

汽車平視顯示系統(tǒng)(head up display，HUD)能夠通過OBD(車載自動(dòng)診斷系統(tǒng))接口讀取汽車行駛信息，并把行駛信息處理成圖像，圖像被特定光路投射到合成器(汽車前擋風(fēng)玻璃或者其他透明介質(zhì)板)上，然后反射到駕駛員眼睛中，形成一個(gè)位于駕駛員視線前方的虛像，這樣駕駛員無(wú)需低頭就可以掌握車速、轉(zhuǎn)速、異常提示等汽車信息[1-3]。汽車HUD還可以與智能手機(jī)連接，把手機(jī)導(dǎo)航等信息投射成虛像。因此，汽車HUD能夠避免駕駛員因低頭查看儀表盤或手機(jī)而產(chǎn)生的駕駛盲區(qū)時(shí)間，進(jìn)而減少因存在駕駛盲區(qū)時(shí)間而引發(fā)的交通事故。目前寶馬5系/7系、奧迪A6/A7、雷克薩斯GS等多款高端車型都配備了HUD系統(tǒng)，并得到了車主的廣泛認(rèn)可，根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)汽車公司對(duì)汽車HUD系統(tǒng)的研發(fā)剛起步。

汽車HUD投射的虛像到駕駛員眼睛的距離稱為虛像視距。胡宇[4]研究了汽車HUD顯示虛像的內(nèi)容布局、顏色、對(duì)比度、虛像視距等問題；王興[5]分析了HUD的像差特性，設(shè)計(jì)了虛像視距為2 m的汽車HUD光路結(jié)構(gòu)；王東平[6]在學(xué)位論文中研究了源圖像的顯示技術(shù)，提出了一種虛像視距為2.5 m的HUD光路結(jié)構(gòu)；王睿[7]對(duì)汽車HUD的光學(xué)構(gòu)造進(jìn)行了研究分析，提出了一種虛像視距為2.5 m的汽車HUD光路結(jié)構(gòu)。以上學(xué)者都是對(duì)虛像視距為2.5 m左右的汽車HUD光路進(jìn)行研究。

隨著近幾年汽車HUD的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)其提出了更高的要求，下一代汽車HUD將結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)，對(duì)車外的實(shí)時(shí)道路信息進(jìn)行識(shí)別，并將其顯示在汽車HUD虛像中，同時(shí)提供更加完善的導(dǎo)航信息和汽車儀表信息，這種汽車HUD被稱作AR-HUD[8-10]，是目前汽車HUD研發(fā)的前沿領(lǐng)域。汽車AR-HUD顯示內(nèi)容更加豐富，要求的虛像視距更遠(yuǎn)、虛像視場(chǎng)角更大[11]，目前行業(yè)內(nèi)提出的汽車AR-HUD虛像視距為7.5 m、視場(chǎng)角為10°×5°左右。

1 原理分析

1.1 設(shè)計(jì)原理

汽車AR-HUD系統(tǒng)主要包括虛像顯示光路、源圖像顯示模塊、信息控制電路，其中虛像顯示光路是整個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)，本文主要研究汽車AR-HUD虛像顯示光路的光學(xué)設(shè)計(jì)。

虛像是一種能夠被眼睛直接觀看到，而不能被光屏接收到的光學(xué)現(xiàn)象[12]。如圖1所示，源圖像的一點(diǎn)發(fā)出具有一定發(fā)散角α1的光束L1，經(jīng)過反射鏡M1、M2和汽車前擋風(fēng)玻璃的反射后，光束L2以發(fā)散角α2進(jìn)入人眼，大腦會(huì)以“光線沿直線傳播”的經(jīng)驗(yàn)對(duì)光線反向追跡，認(rèn)為光束L2以α2反向延長(zhǎng)的交點(diǎn)為物點(diǎn)，即虛像點(diǎn)。

圖1 虛像原理圖Fig. 1 Virtual image schematic diagram

1.2 技術(shù)指標(biāo)分析

根據(jù)調(diào)研，車速高于30 km/h時(shí)，駕駛員目視的中心距離約為7.5 m。當(dāng)車速較快、虛像視距為2.5 m時(shí)，駕駛員需要調(diào)節(jié)目視焦點(diǎn)查看虛像顯示內(nèi)容，汽車AR-HUD顯示的信息相對(duì)于傳統(tǒng)汽車HUD更為豐富，駕駛員查看虛像的頻率和時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，而過多切換目視焦點(diǎn)容易造成眼疲勞，為解決這種情況，目前行業(yè)內(nèi)提出的汽車AR-HUD虛像視距在7.5 m左右。

視場(chǎng)角是指所觀察的物體輪廓到觀察點(diǎn)連線的立體夾角，汽車AR-HUD虛像視場(chǎng)角是指虛像的邊緣與人眼瞳孔中心連線所構(gòu)成的立體角。虛像視場(chǎng)角過小時(shí)，駕駛員不易觀察虛像顯示的內(nèi)容，過大時(shí)虛像會(huì)遮擋駕駛員正常駕車視野。我國(guó)機(jī)動(dòng)車道寬度約為3.5 m，如圖2(a)所示。虛像視距為7.5 m時(shí)，機(jī)動(dòng)車道視場(chǎng)角θ1約為26°。由于汽車駕駛艙的構(gòu)造特點(diǎn)，如圖2(b)所示，駕駛員正常行駛中豎直方向視場(chǎng)角θ2約為11°。為保證駕駛員既能看到HUD虛像顯示信息，又能很好地觀察車道，目前行業(yè)內(nèi)提出的汽車AR-HUD視場(chǎng)角為10°(水平方向)×5°(豎直方向)左右。

圖2 視場(chǎng)角分析Fig. 2 Analysis ofFOV angle

虛像分辨率是影響駕駛員觀察到的虛像是否清晰的重要因素。根據(jù)人眼典型分辨角為1′，為避免虛像出現(xiàn)“馬賽克”現(xiàn)象，虛像像元相對(duì)于人眼的角度應(yīng)小于1′，在虛像視場(chǎng)角為10°(水平方向)×5°(豎直方向)時(shí)，虛像水平方向像素量至少為600 pixel，豎直方向像素量至少為300 pixel。為保證駕駛員能夠獲得更好的虛像清晰度和更高的亮度，本文選用基于DLP3030-Q1芯片組的背投式微投影系統(tǒng)作為源圖像模塊，投射的源圖像尺寸為70.49 mm×39.64 mm，分辨率為854×480 pixel。

汽車AR-HUD 的Eyebox是指駕駛員在能夠清晰看到虛像的情況下眼睛可活動(dòng)范圍。駕駛員正常駕車過程中頭部難免會(huì)有微小的晃動(dòng)，Eyebox的設(shè)計(jì)正是為了保證駕駛員在輕微晃動(dòng)時(shí)也能看清汽車HUD虛擬圖像。Eyebox的范圍是在豎直平面內(nèi)上下、左右的可活動(dòng)范圍，因?yàn)樘撓袷前l(fā)散光線進(jìn)入眼睛的成像結(jié)果，駕駛員在水平方向前后晃動(dòng)時(shí)不會(huì)影響對(duì)虛像的觀察，所以在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮前后晃動(dòng)的因素。如圖3所示，根據(jù)人雙目瞳孔的平均距離約為65 mm，目前相關(guān)論文[5-6]中提出的Eyebox水平方向?yàn)?20 mm左右，豎直方向?yàn)?0 mm左右，本文的Eyebox也取此數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 EyeboxFig. 3 Eyebox

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

由前文對(duì)虛像分辨率的分析可知，選用的源圖像分辨率為854×480 pixel，其長(zhǎng)寬比為1.8∶1。參考行業(yè)內(nèi)對(duì)AR-HUD虛像視場(chǎng)角的要求為10°×5°，結(jié)合源圖像的長(zhǎng)寬比，本文提出的虛像視場(chǎng)角為9.8°×5.5°。

根據(jù)虛像視距L為7.5 m，視場(chǎng)角為9.8°×5.5°，以虛像的水平方向作為參考進(jìn)行計(jì)算，虛像水平方向尺寸X為

(1)

由于虛像分辨率為854×480 pixel，則水平方向虛像每個(gè)像素尺寸為

(2)

要求光學(xué)傳遞函數(shù)MTF解析值，即光學(xué)系統(tǒng)在虛像空間的分辨率至少為

(3)

汽車AR-HUD系統(tǒng)虛像顯示光路的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光路設(shè)計(jì)指標(biāo)

汽車AR-HUD系統(tǒng)的虛像顯示內(nèi)容為彩色，設(shè)計(jì)光路時(shí)設(shè)置系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為486 nm～656 nm；虛像視距為7.5 m，虛像視場(chǎng)角為9.8°×5.5°左右，源圖像分辨率為854×480 pixel，Eyebox范圍為120 mm×50 mm。汽車AR-HUD光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)成放大虛像的目視系統(tǒng)，本文將人眼和虛像顯示光路作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，把人眼瞳孔作為系統(tǒng)孔徑光闌，駕車過程中人眼瞳孔直徑在1 mm～4 mm之間，為保證光線能夠充滿瞳孔，這里設(shè)置入瞳直徑為4 mm,源圖像尺寸為70.49 mm×39.64 mm；為保證虛像的成像質(zhì)量，要求系統(tǒng)虛像空間的光學(xué)傳遞函數(shù)在0.33 lp/mm處大于0.3，要求虛像的畸變率小于5%。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的汽車AR-HUD系統(tǒng)是利用汽車前擋風(fēng)玻璃作為組合器，系統(tǒng)的其他部分集成在汽車儀表臺(tái)中，由于儀表臺(tái)空間有限，采用了離軸反射式的光路結(jié)構(gòu)。汽車前擋風(fēng)玻璃為不規(guī)則面型，參與反射成像時(shí)會(huì)引入較大的像差，目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)特定車型的汽車前擋風(fēng)玻璃面型進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。因?yàn)椴煌囆偷钠嚽皳躏L(fēng)玻璃面型也不同，所以設(shè)計(jì)出的光學(xué)系統(tǒng)在不同車型中不能直接使用，但本文設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的布局具有通用性，在移植到其他車型中使用時(shí)，只需在本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化即可，有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。把某車型的前擋風(fēng)玻璃面型擬合成XYP多項(xiàng)式，然后導(dǎo)入光路中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。XYP多項(xiàng)式的表達(dá)式如(4)式：

(4)

表2為某車型的前擋風(fēng)玻璃擬合數(shù)據(jù)。

表2 擋風(fēng)玻璃擬合數(shù)據(jù)

離軸反射光路的設(shè)計(jì)一般是在同軸反射光路的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的[13-14]。本文將人眼和虛像顯示光路作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì),先建立了相應(yīng)的同軸反射系統(tǒng)，最后在Zemax中對(duì)其進(jìn)行離軸優(yōu)化，得到圖5光路結(jié)構(gòu)。

圖5 汽車AR-HUD虛像顯示光路Fig. 5 Virtual image display optical path ofautomobile AR-HUD

優(yōu)化后得到的汽車AR-HUD虛像顯示光路有效焦距為-309 mm，虛像視距為7.5 m，虛像視場(chǎng)角為9.8°×5.5°。因?yàn)槠嚽皳躏L(fēng)玻璃在虛像顯示光路中主要是反射作用，在光路設(shè)計(jì)時(shí)將其作為反射面考慮。圖6為汽車AR-HUD虛像顯示光路光線追跡圖。

圖6 光線追跡圖Fig. 6 Ray tracing map

優(yōu)化后的光路中汽車前擋風(fēng)玻璃、M2和M1的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括間距、Y方向離軸量、X方向旋轉(zhuǎn)量。

汽車前擋風(fēng)玻璃引入的高階像差，一般需要多片球面或非球面反射鏡進(jìn)行矯正，不利于縮小光路體積。自由曲面的面型自由度非常高，不僅能夠代替多片非球面矯正像差，還能最大限度地提高光學(xué)質(zhì)量，精簡(jiǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，隨著近幾年超精密加工技術(shù)的發(fā)展，自由曲面的加工與應(yīng)用也在快速發(fā)展。為控制汽車AR-HUD光路體積，同時(shí)保證成像質(zhì)量，M2反射鏡采用自由曲面。具體面型參數(shù)如表4所示。其中M1為球面反射鏡，M2為XYP多項(xiàng)式表示的自由曲面反射鏡。

表3 光路結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 面型參數(shù)

3 成像質(zhì)量分析

將人眼與虛像顯示光路作為整體進(jìn)行成像質(zhì)量評(píng)價(jià)。圖8(a)～8(e)分別是孔徑光闌在Eyebox范圍內(nèi)的中心、左上角、右上角、左下角、右下角位置時(shí)的虛像空間的光學(xué)傳遞函數(shù)，通過MTF曲線可以看出Eyebox中心成像質(zhì)量最好，在左上角、右上角時(shí)成像質(zhì)量稍差，在左下角、右下角時(shí)成像質(zhì)量較好。整體來(lái)說，孔徑光闌在Eyebox范圍內(nèi)的不同位置時(shí)，中心視場(chǎng)MTF值在0.33 lp/mm處大于0.6，全視場(chǎng)MTF值大于0.3。

圖8 系統(tǒng)MTF曲線Fig. 8 MTF curves ofsystem

圖9(a)～9(e)分別是人眼在Eyebox范圍內(nèi)的中心、左上角、右上角、左下角、右下角位置時(shí)的畸變值。從圖9中可以看到在Eyebox中心和邊緣位置畸變都小于2%，可見系統(tǒng)整體畸變較小，滿足設(shè)計(jì)值5%以內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)F-Tan(Theta)畸變Fig. 9 F-Tan (Theta) distortion

對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說，公差是評(píng)價(jià)其實(shí)際可行性的重要因素。公差要求過小代表光學(xué)系統(tǒng)加工、裝調(diào)難度很高，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中成像質(zhì)量不穩(wěn)定[15]。使用Zemax軟件對(duì)該系統(tǒng)的公差做了初步分析，按照表5給出的公差范圍，隨機(jī)抽取了1 000個(gè)蒙特卡羅樣本，得到的系統(tǒng)虛像面的光學(xué)傳遞函數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。從表6可知，在空間頻率0.33 lp/mm處系統(tǒng)90%以上的MTF值大于0.49，表明系統(tǒng)公差分配合理，容差能力較強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)需求。

表5 光學(xué)系統(tǒng)公差分配

表6 蒙特卡羅分析結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)汽車AR-HUD虛像顯示光路進(jìn)行了研究，分析了光路的技術(shù)要求，提出了具體參數(shù)，設(shè)計(jì)了一款有效焦距為-309 mm，虛像視距為7.5 m、視場(chǎng)角為9.8°×5.5°反射式光路結(jié)構(gòu)，并借助Zemax對(duì)入瞳在Eyebox內(nèi)的不同位置時(shí)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)虛像面在奈奎斯特空間頻率0.33 lp/mm處，中心視場(chǎng)MTF值大于0.6，全視場(chǎng)MTF值大于0.3，系統(tǒng)虛像畸變?cè)?%以內(nèi)。最后考慮到實(shí)際應(yīng)用，使用蒙特卡羅方法對(duì)系統(tǒng)公差分布做了初步分析，表明系統(tǒng)90%以上的MTF值大于0.49，驗(yàn)證了公差分配的合理性?？傮w來(lái)說，本文設(shè)計(jì)的汽車AR-HUD虛像顯示光路成像質(zhì)量良好，滿足人眼觀察圖像的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為汽車AR-HUD的未來(lái)發(fā)展提供了有力參考。