技術文章 | HUD技術中光學設計的簡化方法——基于CODE-V軟件

平視顯示器（Head Up Display, HUD）技術在當今的汽車世界中無處不在。HUD技術是避免因為低頭觀察儀盤儀表而發生的分心駕駛的一種常用方法，而減少駕駛員分心的時間、使駕駛員能夠始終關注路況，則意味著減少意外交通事 故的發生。

一、HUD技術應用背景介紹

HUD技術在航空和汽車應用領域已經有很多年了。大概從20世紀80年代開始，汽車的前擋風玻璃就被認為是實現HUD技術的組合器（Combiner, HUD系統的組成部分）?？紤]到全球每年有135萬人死于和車輛相關的意外事 故，許多制造商仍在繼續探索有效的方法，將諸如HUD等安全技術應用到更多的車輛上。

HUD系統通過相關接口將指定的實時信息投射到駕駛員的視線中，疊加到周圍環境和車輛前方道路的視野（圖1，圖2）。為獲取駕駛信息，駕駛使用HUD技術汽車的駕駛員只需要將視線偏移5°-10°，而同樣的情況下，觀察傳統儀盤儀表的駕駛員則需要將視線偏移15°-25°；另外，儀表盤和路面的照度水平通常有較大差值，觀察不便，而使用HUD技術的汽車則沒有這種缺 陷。

這種技術方法幫助駕駛員在查看車內儀盤儀表上的信息時減少了分心的情況，從而避免分心時出現特殊狀況而發生的危險事 故，有效保障了駕駛時獲取汽車行駛狀況信息的安全性。

圖1   HUD技術在汽車中的運用（夜晚）

圖2   HUD技術在汽車中的運用（白天）

二、基于CODE-V軟件的HUD簡化光學設計方法

1.傳統HUD光學設計方法

       常見的HUD光學裝置如圖3.其中，EyeBox（目視箱）用于模擬人眼，Freeform Combiner(自由曲面組合器)一般是汽車的擋風玻璃，Fold mirror（折疊鏡）和Freeform Primary(一階自由曲面)組成透鏡模塊。

圖3   HUD的光學裝置架構

       HUD光學設計中，為了滿足校正球差（corrected spherical aberration）和正弦條件等要求，從而提高顯示能力，一般采用多自由曲面裁剪設計，使得此時的自由曲面具有一定角度的傾斜（圖4）。在根據經驗決定不同自由曲面的裁剪方式后，即可實現多自由曲面裁剪設計。這種設計方法中的裁剪過程相對較為復雜，導致整個光學設計過程效率低下。

圖4 具有一定曲率的自由曲面

2.基于軟件仿真的單自由曲面HUD光學設計

單自由曲面光學設計基于CODE-V建模軟件和LightTools光學仿真軟件。主要設計步驟如下：

（1）   CODE-V軟件中將初始的幾何結構設置為雙鏡共焦反射系統，使用汽車的擋風玻璃作為HUD組合器。

（2）   根據光路可逆的原理，利用將CAD幾何圖形直接導入CODE-V軟件進行光線追蹤能力和可視化能力，建立汽車的擋風玻璃和車架的模型（圖5）。

（3）   利用CODE-V軟件約束誤差優化函數，根據封裝約束條件和折疊鏡位置情況，調整HUD系統的幾何結構。

（4）   將靠近LCD panel的折疊鏡設計為y型環形反射鏡，而將一階自由曲面反射鏡設置為Q2D自由曲面（非球面）。

（5）   利用正交多項式對到達Eye Box的真實光線的高度進行優化，調整折疊鏡的位置以防止空間中的重疊和遮擋。本文采用8階Q2D自由曲面（非球面）多項式，利用優化選項中的誤差函數放寬畸變約束，從而平衡單自由曲面中自由度不夠和校正殘余像差與畸變之間的關系。

（6）   利用LightTools光學仿真軟件來發現自由曲面反射器的雜散光問題。通過仿真發現，本設計中起初選擇的矩形鏡的尺寸過大，導致一些雜散照明到達Eye Box，在修正設計中對折疊鏡的幾何結構進行了必要的調整，以校正模擬圖像，優化后的透鏡數據如圖6。

圖5   單曲面光學設計架構

圖6   視覺分析后HUD光學設計透鏡數據

3.單自由曲面光學設計實現效果

       一般衡量HUD技術顯示效果的指標有：MTF（Modulation TransferFunction, 調制傳遞函數）、失真、傾斜和收斂度量，其中重要的指標是MTF。本文實現的單曲面設計的HUD所得到的MTF曲線如圖7，相關的指標如圖8所示。

圖7   MTF曲線

圖8 單自由曲面設計目標指標和實際指標

三、結果與討論

       本文提出了一種利用真實光線位置的約束和曲面自由度來設計單曲面自由度HUD的方法。在考慮人類在2.5米距離處的視覺敏銳度的情況下，一個成功的自由曲面設計可以在誤差允許的情況下實現較好的成像性能。隨著自由曲面制造技術的改進，基于單個自由曲面的緊湊型系統在實際成像應用中會變得更加常見。由于能夠通過CODE-V軟件和仿真軟件發現和控制校正失真，因此，即使不能實現雙自由曲面設計的光學系統性能，也可以考慮單自由曲面下HUD的性能以獲得可接受的視覺效果。本文展示了基于Q2D自由曲面的單曲面自由曲面HUD系統的設計過程。該系統的光學設計優化是通過對自由度和光學系統效果進行靈活的平衡設計來實現的。本文展示了HUD系統的視覺性能指標的結果。