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车载HUD设计分析方法

编辑:南京光研 时间:2017-08-02 08:35
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一、简介
       抬头显示又叫平视显示系统(Head Up Display),简称HUD。平视显示技术是20世纪60年代初在光学瞄准具和雷达瞄准具的基础上发展起来的,这种瞄准器利用光学反射原理,将环状的瞄准圈光网投射在装置在座舱前端的一片玻璃或者是座舱罩上面,投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离上面,当飞行员瞄准目标的时候不会妨碍到眼睛的运作,维持清晰的显示。
       1988年平视显示技术开始应用于汽车上,通用汽车推出第一款车载平视显示器,仅仅用于显示车速。在高速行驶时,如果驾驶员低头观看仪表信息,在前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。HUD是利用平面镜成像原理,将显示器上的重要行车数据通过前挡风玻璃投射在正前方,驾驶员透过挡风玻璃往前方看的时候,能够轻易的将车外的景象与车辆信息通过挡风玻璃所成的像融合在一起,同时驾驶员不必在观察远方的道路和近处的仪表之间调节眼睛,可避免眼睛疲劳,确保驾驶舒适安全。
二、设计原理
       目前抬头显示多采用反射式结构,且独立式结构居多,因为采用挡风玻璃反设计难度大,成本高。但采用挡风玻璃反射,观看角度更加舒适,且不占用驾驶前台面上的空间。
图1 HUD原理示意图
       反射式结构是采用一块LED显示屏将需要显示的内容先做反转处理,在经过反射镜折叠反射之后,投射到挡风玻璃上,最终经挡风玻璃反射到人眼,人眼在约2米的位置看到反射的虚像。

三、性能需求
       根据实际需求,提出一个基本的设计指标要求,用以控制系统结构及优化结果。
       表1:指标要求

 
四、初始设计
       在初始的设计中,为了能方便的进行建模,把显示器作为像面,眼睛看到的虚像作为物面,这样做方便视场的设定,同时EyeBox的大小也可以进行设定,还有就是有利于后面面型的Chief Ray求解。因此,虚像到驾驶员眼睛的距离即为物面的厚度,设定为2m。人眼的位置为光阑面,人眼到挡风玻璃的距离为光阑的厚度。初始设计把挡风玻璃模拟为简单的平面镜,用一片反射镜进行光路折叠。

图2 视场设定示意图
         视场设定为150mm*50mm尺寸的虚像区域,视场点选取中心点和最大位置4个点。波长采用可见光波段,可以实现投射影像的多色显示。实际光路图如下所示:

图3 初始光路图
       Eyebox的区域内,眼睛可以看到一个较为清晰完整的像,其大小为100mm*40mm。最终虚像尺寸和EyeBox的大小,以及显示器的尺寸、位置相关。

五、压缩光路

为了减小挡风玻璃反射之后的光路结构(此部分结构最终要做成光机电系统,放置在挡风玻璃下方的空间处),将光路进行折叠,并采用球面反射镜来聚焦光线,压缩光程。

 
图4 压缩光路图
 
六、加入真实挡风玻璃

         为了模拟实际的投影效果,导入了挡风玻璃的3D模型,这样可以最大限度的接近真实情况。同时,将2片球面反射镜改变为一片自由曲面反射镜和一片平面反射镜,以此降低挡风玻璃带来的像差。
由于系统中对孔径进行了限制,所以优化函数采用RMS Spot X+Y,光瞳积分方法采用Rectangle Array,并删除渐晕。同时,通过不同光瞳处光线位置的限制,控制放大倍率;对空间压缩的需求,还需要控制自由曲面反射镜和平面反射镜之间,以及反射镜与显示屏之间的距离;最大畸变控制在6%以内。通过FootPrint功能可以查看每个面的光斑位置及形状。
 

图6 实际光路图

图7 网格畸变图和足迹图
 
七、模拟人眼
       
为了模拟人眼在系统中的情况,我们把光阑设置为人眼瞳孔大小,约4mm,可以利用多重组态模拟人眼在EyeBox的不同位置处移动,此时系统处于衍射极限,采用Huygens MTF进行评价。

图8 光斑图和MTF曲线
八、非序列模拟
     
   通过Convert To NSC Group功能,将序列模式转为非序列模式,添加显示器背景光源,显示内容采用一张图片格式的车速,人眼位置设置为探测器,进行光线追迹后得到反射虚像。

图9 非序列模式数据


图10 原始图和显示图
 
九、总结

        本文主要针对车载HUD的光路进行设计优化,结合了实际的挡风玻璃模型,给出一个采用自由曲面反射的设计方法,最后在非序列中进行了验证测试。这只是初步的HUD设计优化,后期还需要针对实际情况,对畸变、双眼水平视差和垂直视差、挡风玻璃前后表面二次反射带来的重影等问题进行逐步解决,最终得到比较理想的HUD光机结构。
 
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