基于雙自由曲面的增強現實抬頭顯示系統設計＊

歐高焓，江海波，張靖，鄭立興，尹韶云

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院集成光電技術研究中心，重慶 400714；2.中國科學院大學，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（HUD），通過光學鏡片的反射或折射，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出現在視野之內[1]。車載HUD 作為一種駕駛輔助系統，避免了駕駛員被混雜的信息吸引注意力，以致對突發的行駛狀況不能及時地做出回應[2]，有效地提升了車輛駕駛的安全性。同時，與傳統的儀表盤相比，HUD 系統在信息的呈現上會更為直觀，降低了新手司機面對復雜路況時手足無措的風險，對駕駛員來說也更為便利。

車載HUD 系統可分為三種類型：直接反射式、間接集成式、擋風玻璃集成式[3]。直接反射式HUD 直接將中控臺上水平放置的圖像，通過擋風玻璃反射形成虛像。此虛像沒有經過精密地光學設計，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 系統設計，但是顯示效果均不理想。因此，根據車型深度定制的擋風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 系統開展了研究。南京郵電大學的王東平使用了DLP 微投影作為系統的像源，設計出了一套HUD 系統[3]，但是系統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 的設計。長春理工大學王興的設計了一個投影距離為2m、虛像大小為9.15°×6.81°的傳統HUD 系統[4]。而來自同一大學的王睿設計了一個投影距離為2.5m、虛像大小為12°×6.75°的傳統HUD系統[5]。自由曲面在這兩個HUD 系統起到了重要的作用，但在設計時，擋風玻璃均被當作平面處理，忽略了擋風玻璃對系統成像所帶來的影響。南京理工大學蔡錦浩的衍射平視顯示系統[6]、航空工業光電所相廣鑫的全息波導[7]，相比于傳統HUD 的透射反射式結構做出了創新，在將來都有望被用于實際HUD 系統中，但目前的實用化進程仍有不小的挑戰。

增強現實（AR）可以在用戶觀察到的真實自然環境中添加計算機生成的文字，圖像，3D 模型等信息，增強用戶對真實環境的理解，擴展了與真實環境交互的能力[8]。將AR 技術與HUD 技術相結合，將會大幅提升顯示體驗，是HUD 的一個重要發展方向，但二者的結合對HUD 光學系統提出了更高的要求。首先，AR-HUD 的虛像投影距離需要變得更遠，至少要達到7.5m，而傳統的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準，橫向至少要達到10°，而傳統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 系統的實際應用，對其結構進行了梳理，并依據與車企、配件廠商合作的實際經驗，闡明了AR-HUD 設計所需達到的各項系統參數。給出了一種雙自由曲面的結構的設計思路，成功地設計出了一套投影距離7.5m，虛像尺寸10°×3°的AR-HUD 系統，滿足了遠投影距離，大視場角的設計需求。同時展示了采用金剛石車削、3D 打印等精密加工技術制作出了AR-HUD 系統樣機，并對其顯示效果進行了實測。

1 光學系統基本原理

1.1 AR-HUD 系統的結構

AR-HUD系統可分為電子信息處理系統、光電顯示像源、光學放大系統三大組成部分[9]。 電子信息系統收集汽車行駛的數據，為光電顯示像源提供顯示內容；光電顯示像源為光學放大系統提供一個高分辨率的像源，作為光學系統的起點；光學放大系統通過光學鏡片的反射或折射，再通過擋風玻璃的鏡面反射，使像源在駕駛者視線前方成放大的虛像。本文主要研究光學放大系統的設計。

光學放大系統由像源、光學鏡片、擋風玻璃組成。本文中的AR-HUD 系統與傳統的HUD 系統相比，采用了雙自由曲面的結構，原因如下：首先，由于實際的擋風玻璃在造型設計上均有一定的彎曲，通過這樣的擋風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。因此需要在光學系統中引入自由曲面來進行像差的矯正；其次，為了滿足HUD 系統在增強現實技術下的應用，其投影距離至少要達到7.5m、視場角至少要達到10°×3°。此時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化設計調節。光學放大系統的示意圖如圖1所示。

圖1 車載抬頭顯示光學放大系統示意圖

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

1.2 AR-HUD 系統設計指標

AR-HUD 系統主要的設計指標有：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，其中人眼與擋風玻璃的具體相對位置由汽車廠商調研確定。傳統HUD 系統的VID 一般為2.5m，即虛像位于車頭引擎蓋正上方。AR-HUD 系統為了滿足增強現實虛實融合的特點，其虛像必須比傳統HUD 系統投得更遠，即VID 更大。依據與車廠合作的實際經驗，VID 達到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際大小。更大的視場角意味著虛像在人的視野中所占據的尺寸更大，也更利于HUD 系統與外界景物融合的增強現實技術的應用。VID 與FOV 的示意如圖2 所示。

圖2 車載HUD 系統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 系統中的一個重要參數。在以默認眼睛位置為中心的矩形區域內，眼睛在任意位置都可以看到完整的虛像，不會被光學系統的孔徑遮擋。這個矩形區域就是Eyebox。眼動范圍的示意如圖3 所示。

圖3 車載HUD 系統眼動范圍示意圖

體積也是AR-HUD 系統能實際運用到車輛上的重要指標。汽車廠商需要在光學系統設計之前預留出空間給HUD系統，這部分空間原有的布置會被打亂。HUD 的設計也需要盡量地緊湊，減小體積。合理的布局鏡片是減小體積的方法。

HUD 系統需要有一個可以調節的亮度動態范圍。依據汽車廠商的調研，在日光下，實際最高亮度普遍需達到10000nit。估計擋風玻璃的反射率為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達到61728nit。

綜上，依據與車企、配件廠商的合作經驗，對AR-HUD系統的設計提出了一些具體的指標，如表1 所示。

表1 AR-HUD 系統設計參數

2 光學放大系統設計與加工結果

2.1 設計思路

經過多次的布局嘗試，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。光學放大系統由像源、自由曲面折疊鏡、自由曲面主反射鏡，消重影擋風玻璃組成。系統結構圖如圖4 所示，像源發出的光線，通過折疊鏡、主鏡的反射，再由擋風玻璃反射至眼睛。

圖4 光學放大系統示意圖

HUD 系統光路的設計思路為反向設計。光路以眼點為分界分為理想光路與實際光路兩部分。理想光路是從理想虛像直接到眼睛處，實際光路從眼睛經過擋風玻璃與兩個反射鏡，最終到達像源面。若是設計時從一個理想的虛像出發，在像源面上可以成一個滿意的實像，則根據光路可逆原理，實際像源通過此系統就能夠形成滿意的虛像。

光學放大系統中，擋風玻璃對光學系統有很大影響。首先，擋風玻璃的面型會帶來像差，因此在設計的過程中不可將之簡化為平板玻璃。先將擋風玻璃內表面的面型用三維軟件提取坐標點陣，再用數學工具擬合出面型的自由曲面表達式，以便光學設計軟件的調用。其次，車用擋風玻璃采用的是雙層夾膠玻璃，其在受到撞擊時不會整體粉碎，從而提高了安全性。但雙層玻璃會導致重影，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]。

光學系統內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，導致人眼在部分位置時看到的像不完整。

光學放大系統兩個鏡片均采用XY 多項式自由曲面，其多項式的系數作為優化設計的主要變量。首先針對Eyebox中心的眼點建立優化函數，進行優化設計。待初步優化后將眼點移置Eyebox 的四角，同時針對這四個位置建立相應的優化函數，再與之前的中心視點的優化函數組成一個整體優化函數，從而進行系統的優化設計。

2.2 設計仿真結果

設計的結果從四個指標來評價：光跡圖、點列圖、MTF調制傳遞函數、格柵畸變圖。光跡圖上各點表示各個視場所成的像點的空間位置。光跡圖可以直觀地確定成像的空間位置及粗略估計畸變大小，從而調整像源面的空間位置和進一步優化系統畸變。中心視點的光跡圖如圖5（a）所示。

圖5 畸變評價圖

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

點列圖與MTF 調傳遞函數可以評價光學系統的成像質量。當設置瞳孔直徑設為4mm，眼睛位于Eyebox 中心處時的點列圖如圖6（a）所示。九個視場的散點均落在艾里斑之內，表明光學系統有較好的像差表現。此時MTF 調制傳遞函數如圖6（b）所示。從圖上可以看出，依據本像源的尺寸與分辨率，當最大空間頻率為7.63 時，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 中心處時光學系統的成像效果已滿足要求。

圖6 成像質量評價圖

將眼睛置于Eyebox 的四個頂點處時，同樣可得到如下結論：各個點列圖中各點均保持在艾里斑之內；MTF 雖有劣化，但當空間頻率為7.63 時，所有視場都能保持在0.4 以上。此時四點的畸變值見表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 系統在Eyebox 矩形框內成像都能達到較好的水平，滿足了增強顯示技術實現所需的光學要求。

2.3 AR-HUD 系統樣機實測結果

圖7 自由曲面反射鏡片

HUD 樣機所使用的自由曲面主鏡與折疊鏡加工采用高強度的航空鋁，經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。實機整體如圖8 所示，其外殼由3D 打印技術制造。

在如圖8 的實驗環境中，搭建了實驗臺架，對AR-HUD與擋風玻璃進行了實際的定位與裝配。其最終的顯示效果如圖9（a）、9（b）所示。從圖中可以看出，虛像的距離估計已達7.5m 以上，圖像清晰，畸變較小，達到AR-HUD 的實用標準。

圖8 車載HUD 系統實驗環境

圖9 車載HUD 系統樣機顯示效果

3 結論

本文首先介紹AR-HUD 系統的結構組成，并根據與車企、配件商的合作經驗給出了AR-HUD 系統具體的設計指標。然后，本文給出了一種雙自由曲面的結構的AR-HUD 系統設計思路，通過光學仿真軟件的優化設計與評價，完成了AR-HUD 光學系統整體設計，其指標滿足了增強現實技術下AR-HUD 更遠距離、更大視角的新要求。最后，本文展示了AR-HUD 原型樣機的實機測試效果，圖像顯示清晰、畸變較小，符合設計要求。本AR-HUD 系統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 的產業化解決一項重大難題。