【技术文章】HUD 技术中光学设计的简化方法——基于 CODE-V 软件

平视显示器（Head Up Display, HUD）技术在当今的汽车世界中无处不在。HUD技术是避免因为低头观察仪盘仪表而发生的分心驾驶的一种常用方法，而减少驾驶员分心的时间、使驾驶员能够始终关注路况，则意味着减少意外交通事 故的发生。

一、HUD技术应用背景介绍

HUD技术在航空和汽车应用领域已经有很多年了。大概从20世纪80年代开始，汽车的前挡风玻璃就被认为是实现HUD技术的组合器（Combiner, HUD系统的组成部分）。考虑到全球每年有135万人死于和车辆相关的意外事 故，许多制造商仍在继续探索有效的方法，将诸如HUD等安全技术应用到更多的车辆上。

HUD系统通过相关接口将指定的实时信息投射到驾驶员的视线中，叠加到周围环境和车辆前方道路的视野（图1，图2）。为获取驾驶信息，驾驶使用HUD技术汽车的驾驶员只需要将视线偏移5°-10°，而同样的情况下，观察传统仪盘仪表的驾驶员则需要将视线偏移15°-25°；另外，仪表盘和路面的照度水平通常有较大差值，观察不便，而使用HUD技术的汽车则没有这种缺 陷。

这种技术方法帮助驾驶员在查看车内仪盘仪表上的信息时减少了分心的情况，从而避免分心时出现特殊状况而发生的危险事 故，有效保障了驾驶时获取汽车行驶状况信息的安全性。

图1   HUD技术在汽车中的运用（夜晚）

图2   HUD技术在汽车中的运用（白天）

二、基于CODE-V软件的HUD简化光学设计方法

1.传统HUD光学设计方法

       常见的HUD光学装置如图3.其中，EyeBox（目视箱）用于模拟人眼，Freeform Combiner(自由曲面组合器)一般是汽车的挡风玻璃，Fold mirror（折叠镜）和Freeform Primary(一阶自由曲面)组成透镜模块。

图3   HUD的光学装置架构

       HUD光学设计中，为了满足校正球差（corrected spherical aberration）和正弦条件等要求，从而提高显示能力，一般采用多自由曲面裁剪设计，使得此时的自由曲面具有一定角度的倾斜（图4）。在根据经验决定不同自由曲面的裁剪方式后，即可实现多自由曲面裁剪设计。这种设计方法中的裁剪过程相对较为复杂，导致整个光学设计过程效率低下。

图4 具有一定曲率的自由曲面

2.基于软件仿真的单自由曲面HUD光学设计

单自由曲面光学设计基于CODE-V建模软件和LightTools光学仿真软件。主要设计步骤如下：

（1）   CODE-V软件中将初始的几何结构设置为双镜共焦反射系统，使用汽车的挡风玻璃作为HUD组合器。

（2）   根据光路可逆的原理，利用将CAD几何图形直接导入CODE-V软件进行光线追踪能力和可视化能力，建立汽车的挡风玻璃和车架的模型（图5）。

（3）   利用CODE-V软件约束误差优化函数，根据封装约束条件和折叠镜位置情况，调整HUD系统的几何结构。

（4）   将靠近LCD panel的折叠镜设计为y型环形反射镜，而将一阶自由曲面反射镜设置为Q2D自由曲面（非球面）。

（5）   利用正交多项式对到达Eye Box的真实光线的高度进行优化，调整折叠镜的位置以防止空间中的重叠和遮挡。本文采用8阶Q2D自由曲面（非球面）多项式，利用优化选项中的误差函数放宽畸变约束，从而平衡单自由曲面中自由度不够和校正残余像差与畸变之间的关系。

（6）   利用LightTools光学仿真软件来发现自由曲面反射器的杂散光问题。通过仿真发现，本设计中起初选择的矩形镜的尺寸过大，导致一些杂散照明到达Eye Box，在修正设计中对折叠镜的几何结构进行了必要的调整，以校正模拟图像，优化后的透镜数据如图6。

图5   单曲面光学设计架构

图6   视觉分析后HUD光学设计透镜数据

3.单自由曲面光学设计实现效果

       一般衡量HUD技术显示效果的指标有：MTF（Modulation TransferFunction, 调制传递函数）、失真、倾斜和收敛度量，其中重要的指标是MTF。本文实现的单曲面设计的HUD所得到的MTF曲线如图7，相关的指标如图8所示。

图7   MTF曲线

图8 单自由曲面设计目标指标和实际指标

三、结果与讨论

       本文提出了一种利用真实光线位置的约束和曲面自由度来设计单曲面自由度HUD的方法。在考虑人类在2.5米距离处的视觉敏锐度的情况下，一个成功的自由曲面设计可以在误差允许的情况下实现较好的成像性能。随着自由曲面制造技术的改进，基于单个自由曲面的紧凑型系统在实际成像应用中会变得更加常见。由于能够通过CODE-V软件和仿真软件发现和控制校正失真，因此，即使不能实现双自由曲面设计的光学系统性能，也可以考虑单自由曲面下HUD的性能以获得可接受的视觉效果。本文展示了基于Q2D自由曲面的单曲面自由曲面HUD系统的设计过程。该系统的光学设计优化是通过对自由度和光学系统效果进行灵活的平衡设计来实现的。本文展示了HUD系统的视觉性能指标的结果。