抬頭顯示系統(tǒng)的雜散光分析與仿真

袁敏敏　張淑芳

【摘? 要】隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們對安全駕駛的重視，汽車安全配置也更豐富。汽車抬頭顯示系統(tǒng)作為提高行車安全配置之一，配置率也逐年提高。HUD是一個光學產品，其雜散光會嚴重影響產品品質和行車安全。在產品設計中消除雜散光干擾，對提高成像品質尤為重要。本文簡單介紹HUD雜散光典型路徑、雜散光仿真以及消除方法。

【關鍵詞】抬頭顯示；雜散光；ZEMAX；光跡追蹤

中圖分類號：U463.67? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：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

隨著人們對駕駛安全和駕駛舒適度的越來越重視，車載抬頭顯示系統(tǒng)（Head-up Display，HUD）近年也倍受關注。車輛的抬頭顯示系統(tǒng)是一種基于人機工程學優(yōu)化的儀表系統(tǒng)，可以把車輛的重要信息，如車速、擋位、車道偏離、導航、胎壓等信息，通過前風擋玻璃投影的方式顯示在車輛前方。駕駛員無需低頭，即可了解車輛行駛狀態(tài)，增加行車安全。但是設計不良的HUD有可能存在干擾駕駛員視線和判斷的問題，從而對行車安全造成威脅。

雜散光就是上述干擾因素中重要的一點。對于雜散光的定義有各種說法，總的來說，雜散光是光學系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產生于漏光、投射光學表面的殘余反射和鏡筒內壁等非光學表面的殘余反射，以及由光學表面品質問題產生的雜散光[1]。

研究雜散光的來源是解決雜散光問題最有針對性的手段[2]。根據(jù)雜散光光源與光學系統(tǒng)相對位置，光源可分為外光源和內光源。從外光源發(fā)出的光線形成的雜散光稱為外雜散光，從內光源發(fā)出的光線形成的雜散光稱為內雜散光[3]。

下面將通過分析雜散光典型路徑，對實際光學系統(tǒng)建模、仿真，找出雜散光來源并提出消除建議。

2? HUD雜散光典型路徑

HUD系統(tǒng)正常的光線路徑是光線由PGU發(fā)出，經過小反射鏡反射到大反射鏡，再經過大反射鏡的反射，出射到前風擋玻璃，經由前風擋玻璃再次反射進入人眼，在視線前方成像。圖1為HUD光路示意圖。

HUD系統(tǒng)為了匹配不同身高和駕駛習慣的駕駛員，通過曲面鏡一定角度的旋轉實現(xiàn)擴大眼盒范圍，這樣導致反射鏡在任意一個特定的位置時，邊界余量較大，這大大增加了雜散光產生的機率。

HUD系統(tǒng)的雜散光產生主要來自兩部分：一部分為外部光線進入車內，在HUD表面或內部多次反射后在風擋玻璃反射進入人眼，造成成像干擾；另一部分由HUD內部像源光線經過內部不正常光路出射到風擋玻璃，反射進入人眼造成干擾。

HUD系統(tǒng)除上述主要光學部件之外還有布置在出口位置的防塵膜和減少漏光的遮光罩等部件，如圖2所示。下面將分別對外部和內部雜散光路徑進行分析。

2.1? 外部雜散光

外部雜散光的產生原因主要是由外光源引起，比如太陽光、路燈燈光等。由于前風擋玻璃的透明屬性，外部光線很容易進入車內，產生造成干擾的雜散光，由太陽光（環(huán)境光）造成的雜散光路徑主要有以下兩類，如圖3所示。

2.2? 內部雜散光

內部雜散光主要是由HUD內部高亮度像源產生的。像源發(fā)出的光線除去正常路徑之外，還在內部光學反射鏡之間多次反射、在透射元件表面反射、機械結構表面散射等，其內部路徑主要歸類為以下幾類，如圖4所示。

3? 雜散光仿真及消除方法

根據(jù)上文分析的雜散光典型路徑，借助計算機對當前的設計方案有目的地進行仿真分析，找出雜散光產生部件，有針對地優(yōu)化，提高設計效率。

目前國內外廣泛使用的雜散光仿真分析軟件有ASAP、tracepro、optiCAD等[3]，光學設計綜合軟件code V、ZEMAX也有很強的雜散光分析能力。本文采用ZEMAX對HUD系統(tǒng)的雜散光進行仿真分析，找出雜散光路徑并進行消除。

在ZEMAX非序列模式中，導入HUD各部件，并附相應的材料屬性，外部與內部雜散光分析光源設置不同，下文將詳細說明。

3.1? 外部雜散光仿真

對于HUD系統(tǒng)，我們只關注可進入人眼的雜散光情況。光線從外部進入車內，經過HUD系統(tǒng)后進入人眼，利用光線可逆原理，簡化仿真模型，將人眼設置為光源進行光線追跡，找出產生雜散光的部件進行優(yōu)化。

HUD系統(tǒng)各部件導入序號見表1，并進行光線追跡。

3.1.1? 外部雜散光（a）

這類雜散光主要是由防塵膜反射造成，光跡追蹤后可以通過路徑4-1-2-1找出。這部分雜散光可以通過出光口設置合理的高度來遮擋。如圖5a所示，不設置出光口時，大范圍的環(huán)境光可以通過防塵膜反射進入人眼。圖5b中設置了一定高度的出光口后，逆向光線并沒有通過防塵膜反射到玻璃，說明環(huán)境光并不會通過防塵膜反射進人眼范圍。這部分雜散光可以將防塵膜設計一定的弧度和一定高度的出光口去消除。

3.1.2? 外部雜散光（b）

這類雜散光是外部光線進入HUD內部，在像源面反射后原路返回，經過前風擋玻璃反射進入眼盒范圍。這部分仿真按照表1中雜散光（b）導入各部件，并進行光跡追蹤，可用路徑6-1-2-3-4-5-…進行排查。如圖6的仿真結果顯示，像源面通過設計合理的角度來避免這部分雜散光的出現(xiàn)。

值得說明的是，這部分光線雖然不會按照進入路線原路返回，但若是遮光罩表面不做消光處理，進入的光線在遮光罩表面反射，同樣會產生雜散光?？赏ㄟ^將遮光罩賦散射材質進行仿真，本文只說明典型路徑，不做分析。

3.2? 內部雜散光

內部雜散光的仿真采用正向光路，將像源面設置為光源。同樣的，只關心可進入眼盒范圍內的部分，因此在仿真中，將眼盒設置為探測器來查看眼盒內是否有雜散光進入。各部件導入序號如表2所示，進行光跡追蹤后分析結果。

本文中只關注進入眼盒范圍的雜散光，并將眼盒設置成探測器，所以可以用ZEMAX中的字符串（H7）很容易找到撞擊到探測器的光線路徑，如圖7所示。

圖8中的a、b、c分別用軟件字符串篩選出2.2中對應的雜散光a、b、c路徑。其中內部雜散光a可通過內部光學結構合理布局和遮光罩消除。將防塵膜與內部光學結構設定合理的距離來避免雜散光b。對于雜散光c，將遮光罩盡量縮緊，光學部件邊界余量合理來避免。同樣值得注意的是，除了遮光罩做消光處理外，光學反射鏡側邊也須做消光處理，如圖8d所示的雜散光就是由曲面鏡上邊界側邊反射產生的。

4? 總結

根據(jù)文中雜散光的路徑分析和仿真，HUD系統(tǒng)外部和內部造成的雜散光可通過以下幾種方法來消除：①優(yōu)化系統(tǒng)結構，優(yōu)化機械結構；②增加消雜光光闌；③系統(tǒng)內部噴消光漆或貼消光絨；④使用合理的遮光罩。

綜上所述，本文只是簡單地將HUD系統(tǒng)中常見的雜散光進行分析，建立簡單的材料模型進行仿真說明HUD典型雜光。遺憾的是，實際生產中，雜散光產生的緣由遠比設計仿真中復雜，這就需要在實際的生產及驗證中不斷地去發(fā)現(xiàn)、思考和總結，再反過來豐富仿真環(huán)境，盡量在設計階段將危害嚴重的雜散光消除。

參考文獻：

[1] 岑兆豐，李曉彤，朱啟華. 光學系統(tǒng)雜散光分析[J]. 紅外與激光工程，2007，36（3）：300-304.

[2] 原育凱. 光學系統(tǒng)雜散光的消除方法[J]. 大氣與環(huán)境光學學報，2007，2（1）：6-10.

[3] 韓星，吳含笑，王瀧儀. 復合光學系統(tǒng)雜散輻射分析及抑制[J]. 應用光學，2019，40（1）：1-6.

（編輯? 楊? 景）