基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计.pdf

第 52 卷第 8 期2023 年 8 月Vol.52 No.8August 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA08220011基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计任进伟1，陈晓伟2，王波2，曹妍2，孙奕晗1，李新宇1，吴慎将1（1 西安工业大学 光电工程学院，西安 710021）（2 惠州市华阳多媒体电子有限公司，惠州 516006）摘要：基于传统增强现实型平视显示器的设计只能显示单一虚像，并且可能会导致驾驶者在行驶中产生视觉疲劳，从而引发安全事故。本文提出一种采用单一的数字光处理光机（DLP光机）使其分拆出两块图像生成单元的方法。改变光路物距并结合两块自由曲面反射镜，搭建离轴反射式双光路车载平视显示光学系统，最终实现双投影虚像显示。其中采用 5.74 inch DLP 光机，设置的视野眼盒大小为130 mm50 mm，远投影视场角 103，近投影视场角 41，虚像投影距离分别为 3.8 m 和 7.5 m。该设计结果不仅能保证近投影虚像面和远投影虚像面同时或者分时显示，也能提高驾驶者的视觉体验感。关键词：平视显示；自由曲面；光学系统；投影距离；双光路中图分类号：U471 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235208.08220010 引言近年来，随着汽车技术的不断发展，各个行业对车载平视显示系统（Head-Up Display，HUD）的研究不断延伸拓展，从而满足人们需求。HUD 作为一种综合电子显示设备，可以将车辆信息投影到前挡风玻璃或者其他显示介质上，供驾驶者查看，从而减少驾驶者因低头或视线转移而带来的安全隐患1。在汽车智能化的深入发展下，HUD 结合增强现实（Augmented Reality，AR）技术进行融合的设计方式慢慢崛起，它可以通过车前风挡玻璃将投影距离做的更远并且信息显示更丰富，实现更好的人机交互2。到目前为止，对于传统增强现实型平视显示器（Augmented Reality Head-Up Display，AR-HUD）设计，黄兴洲3使用数字光处理（Digital Light Processing，DLP）投影光机，设计了一种虚像视距为 7.5 m，虚像视场角为 9.85.5左右，Eyebox范围为 120 mm50 mm 的虚像显示光路，这种 AR-HUD 设计的虚像面投影距离是固定的，如果驾驶者在行驶过程中长时间使用可能会有视觉眩晕的感觉。SEO J H 等4在 PGU 上划分出两块工作区域，设计出可以同时投影出虚像距离分别在 2 m 和 5 m 处的虚像，但是源图像是激光扫描 PGU生成的，无法承受高温，不满足车载使用要求，并且划分出来的图像生成单元（Picture Generation Unit，PGU）工作区分辨率较低，视场角较小，清晰度下降，无法让驾驶者得到较好的体验。孔祥旭、薛常喜5设计的双焦面 AR-HUD 采用的是采用数字光处理与薄膜晶体管型液晶显示屏（TFT-LCD）双 PGU 的方案，这种设计虽然成像质量会有所保证，但是整体的体积较大，不容易放进车身内部。对于传统 HUD 显示单一的虚像面而言，驾驶员的目视中心距离是随着车速的变化而变化，在行驶过程中车速变化的情况下，驾驶者长时间观看固定投影焦面上的信息会造成眼部疲劳的问题。合理的引用格式：REN Jinwei，CHEN Xiaowei，WANG Bo，et al.Design and Optimization of Dual-focal Vehicle Head-up Display Optical System Based on Single-optical Machine J.Acta Photonica Sinica，2023，52（8）：0822001任进伟，陈晓伟，王波，等.基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计 J.光子学报，2023，52（8）：0822001基金项目：国家自然科学基金（No.61701385），西安工业大学研究生联合培养基金（No.XAGDYJ210202）第一作者：任进伟，通讯作者：吴慎将，收稿日期：2022 11 30；录用日期：2023 03 06http:/光子学报08220012AR-HUD 应随着驾驶者目视焦点的变化投影出多个不同深度的虚像，用来分别显示 AR 信息与车况信息。针对这些问题，本文提出基于单光机的双投影车载平视显示光学系统的设计思路，保证近距离和远距离都能够投影出虚像面，从而降低安全事故发生的概率。1 原理分析与面型选择1.1成像结构原理驾驶员透过前挡风玻璃观察虚像时不能被其他元件所遮挡是 HUD 光学系统设计的关键，而且车内空间有限，为了保证结构紧凑，视场范围较大6，如图 1所示，本光学系统设计的初始结构是同轴反射光路，然后在此基础上进行离轴化，最后对离轴反射光路进行优化设计7。如图 2所示为 HUD 光路虚像显示原理。源图像（PGU）发出光束，光线沿着 L1、L2、L3、L4路线进行传输，依次经过反射镜 M1、M2，然后在汽车前挡风玻璃内外表面之间经过多次反射和折射，最终以出射光束L4进入人眼。但是驾驶员大脑会以光线沿直线传播的原理对接收到的光线进行逆向追迹，认为出射光束的发光源位于车正前方投影的虚像面处。1.2自由曲面选型由于挡风玻璃面型复杂，使用传统结构中的球面和非球面面型无法很好平衡系统内的像差8。使用自由曲面进行光路设计，自由度更高，结构更加紧凑，可以在缩小光路体积同时对光学系统的光学性能进行提升9。多项式自由曲面主要表征函数是由一个圆锥曲面作为基础上加上与坐标相关的多项式组表征，函数的种类有很多，如泽尼克多项式、切比雪夫多项式、拉盖尔多项式、埃尔米特多项式、Q-TYPE多项式和径向基函数等10。泽尼克多项式的表达形式较为清晰，是被广为使用的面型之一，Zernike自由曲面的顶点曲率、非球面系数、以及多项式的系数均可成为优化函数的参数变量。因此在 HUD 系统中最为广泛使用，泽尼克多图 1同轴反射光路图Fig.1Coaxial reflected optical path图 2虚像显示原理图Fig.2Schematic diagram of virtual image display任进伟，等：基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计08220013项式自由曲面由垂度方程定义的表达式为Z(x，y)=cr21+1-()1+k c2r2+i=1Mair2i+i=1NAiEi()x，y（1）i=1NAiEi()x，y=A1x1y0+A2x0y1+A3x2y0+A4x1y1+A5x0y2+ANxj-kyk（2）式中，Z 为自由曲面矢高；c为顶点处曲面曲率；k为二次曲线常数；为非球面系数；A 为 Zernike标准多项式上的系数；r为径向长度；是归一化径向坐标；为角坐标。Zernike多项式的系数在其数学表达式中是相互独立的11，互不影响，这样就可以很方便的校正像差，并且 Zernike 多项式可以正交归一化成单位圆，这种单位圆上的正交性恰好满足圆形光瞳的特点，符合设计要求。2 设计参数AR-HUD系统的主要设计参数有：眼盒尺寸（Eyebox）、虚像距离（Virtual Image Distance，VID）、视场角（Field Of View，FOV）、下视角（）、像源（PGU）等。本设计的参数如表 1 所示，其中设置的上方远投影 FOV 为 103，下方近投影 FOV 为 41，并且在设计过程中会保证远投影虚像面和近投影虚像面在纵向分隔开，避免同时投影两个画面时显示信息重叠，对驾驶者产生负面影响。该光学系统采用的像源尺寸为 5.74 inch，分辨率为 1 152576。通过以上数据可以计算出光学系统的极限分辨率 f为f=12 p（3）式中，p代表的是像素尺寸。利用式（3）可以得出该光学系统的最大截止频率约为 4.42 lp/mm。为保证成像质量，要求系统的光学传递函数（Optical Transfer Function，MTF）在 4.42 lp/mm 处大于 0.4，畸变率小于 5%。3 系统设计与成像质量分析3.1光学系统设计在双光路 AR-HUD 系统设计时，挡风玻璃面型对光学系统影响很大，并且车厂造型师设计的挡风玻璃面型是不规则的，会引入像差和畸变，这种面型带来的影响在设计时需要考虑。因此，在设计光路之前使用CATIA 软件提取挡风玻璃的有效使用区域，并使用 ZEMAX 软件对相应区域进行面型拟合，挡风玻璃面型拟合数据如表 2所示。实际提取与设计时，为了减小拟合误差，该设计将泽尼克系数设置为 54项，归一化半径为 260 mm，但由于前 7项系数的影响较大，因此表格中只列出前 7项。表 1双光路 AR-HUD光学系统设计参数Table 1Design parameters of dual optical path AR-HUD optical systemHUD system parametersVID/mFOV/（）Lower perspective/（）EYEBOX/mmDLP/inchWavelength/mDistortion/%Parameter valueFar：7.5；Near：3.8Far：103；Near：41Far：1.6；Near：4.6130505.740.555表 2汽车挡风玻璃拟合数据Table 2Fitting data of windshieldSurfaceWindshieldRadius-8 370.069A1-2.066A2-0.012A30.039A4-1.197A50.457A6-1.344A70.013光子学报08220014根据光路可逆的原理，本文设计的双光路 AR-HUD 光学系统采用传统的反向光路设计，该设计利用汽车前挡风玻璃作为组合器，系统的其他部分装配在汽车仪表台下方，由于车身内部空间有限，因此采用离轴反射式的光路结构。汽车前风挡玻璃的面型不规则，参与光路成像时会引入很大的像差12，为了解决这个问题，一级反射镜 M1和二级反射镜 M2的面型选为泽尼克自由曲面。其光学架构示意图如图 3所示，源图像 1和源图像 2分别发出光线，都依次经过自由曲面一级反射镜 M1和自由曲面二级反射镜 M2，然后投射到风挡玻璃上，最终光线进入人眼。该行业内的每一款 HUD 都是针对特定的一种车型设计的，本文设计的双光路 AR-HUD只是对于车厂某种车型适用，但是这种设计的光学架构具有普遍性13。如图 4所示，在 DLP 光机投影距离的不同位置处放入平面反射镜 P1和平面反射镜 P2，使单 PGU 分割成一远一近两个像源，从而满足光源布置的要求，也能保证远投影虚像和近投影虚像互不串扰。上述布置方式会在 ZEMAX 软件中通过多重结构中设置多个组态并分别改变源图像 1和源图像 2到一级反射镜的距离实现光路搭建。人眼瞳孔在正常情况下使用时其尺寸的浮动范围为 35 mm。如果该光学系统的出瞳直径设计较小，可能会出现观察过程中视野丢失或者眼球转动产生的渐晕，引起驾驶者视觉疲劳。此外，对于不同驾驶者来说，需要调节自身瞳孔大小或者瞳距来配合系统的使用14。所以，针对该光学系统本项参数的设定，应在允许范围内设置较大的出瞳直径。因此，本文的出瞳直径（即光阑孔径）设定为 8 mm。进行初始设计时，先依据光路成像原理搭建共轴光路，再根据车厂提供的布置空间，通过设置两个自由曲面反射镜以及光机整个部件的偏心和旋转实现离轴化。在优化之前对两光路分别设定视场角。再通过多重结构设定眼盒（Eyebox）内部九个点位置（中心、左侧、右侧、上方、下方、左上、右上、左下、右下）。最后利用函数编辑器限定添加边界条件（如像面尺寸、通光孔径、中心视场位置、镜片中心位置、像面入射光线角图 3双光路 AR-HUD光学架构示意图Fig.3Schematic diagram of dual optical path AR-HUD optical architecture图 4DLP光机分解像源结构示意图Fig.4Schematic diagram of DLP photo-mechanical decomposition image source structurer任进伟，等：基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计08220015度、成像尺寸等）进行约束，合理设定点与线的距离范围以防止元件重叠或光线遮挡的情况发生，并对畸变、MTF、点列图等进行详细优化。优化时，不断改变目标值大小，逐步逼近最佳成像状态，并针对光路中的光学元件曲率、厚度、旋转与偏心、多项式系数等进行设计。图 5（a）为远投影光路 HUD三维布局图，图 5（b）为近投影光路 HUD三维布局图，图 5（c）是 Eyebox取点示意图。3.2像质评价图 6是将光阑直径设为 8 mm 时，人眼位于 Eyebox中心处的点列图。根据设计结果发现，远投影光路和近投影光路的 9个视场的点列图均小于艾利斑，且 RMS 半径最大为 23.873 m，小于 AR-HUD 设计经验值30 m，因此光学系统像差较小。图 7为光学系统两个焦面的 MTF曲线，设计中图像生成单元像元大小约为 0.113 mm，因此截止频率设定在 4.42 1p/mm 处。根据设计结果可知，在截至频率处，各焦面的中心视场均大于 0.5，边缘视场大于 0.4，成像质量满足目视光学系统要求。图 5双光路 AR-HUD三维布局图和 Eyebox取点示意图Fig.5Three dimensional layout of dual optical path AR-HUD and point taking diagram of Eyebox图 6不同投影位置虚像焦面的点列图Fig.6Dot-column diagram of virtual focal plane at different projection positions光子学报08220016图 8为系统的网格畸变图。图 8（a）为远投影焦面中心视场的网格畸变图，并且九个视场的最大畸变为2.662 3%，没有明显的画面变形，图像预处理步骤可以省略。图 8（b）为近投影焦面中心视场的网格畸变图，边缘最大畸变为 0.647 3%，画面变形程度相对不大。根据设计结果可知，两个投影光路的最大畸变均小于5%，满足成像需求。如果设计中出现不理想的畸变结果，可根据实际情况对原图像进行预处理从而使驾驶者的体验感更佳。图 7不同投影位置虚像焦面的 MTF曲线Fig.7MTF curve of virtual focal plane at different projection positions图 8不同投影位置虚像焦面的网格畸变图Fig.8Mesh distortion plot of virtual focal plane at different projection positions任进伟，等：基于单光机的双光路车载平视显示光学系统设计08220017图 9为双光路 AR-HUD光学系统眼盒中心位置处投影虚像的相对照度曲线图，图 9（a）、（b）分别对应近投影虚像的相对照度曲线图和远投影虚像的相对照度曲线图。不难看出眼盒中心位置投影的虚像照度变化趋势满足预期要求。图 10为光学系统对汽车 UI图像的仿真效果，可以更直观的展现出投影虚像面的状态，图 10（a）、（b）分别对应近投影焦面中心视场和远投影焦面中心视场。根据仿真效果可知，远投影光路眼盒中心和近投影光路眼盒中心对应的成像效果较好。3.2公差分析公差分析在光学系统设计中具有重要作用，特别是对于如图 5（a）所示的 HUD 光学系统，公差分析有助于确定不同的制造和对准误差的允许限度。生产制造中对准误差可以在不影响光学系统图像退化的情况下将成本降低到适当的限度。如果公差要求过小会提高光学元件的加工、装调难度，还可能导致系统在实际使用过程中成像质量不稳定15。因此，使用 Zemax软件对该系统的公差做初步分析是很有必要的。按照表 5给出的公差分配范围，随机抽取了 1 000个蒙特卡罗样本，得到的系统虚像面的光学传递函数统计结果如表 6所示。从表 6可以看出，在空间截止频率 4.42 1p/mm 处该光学系统 90%以上的 MTF大于 0.63，因此系统公差分配比较合理，容差能力较强，设计结果比较理想。图 9眼盒中心位置处投影的虚像相对照度曲线图Fig.9Contrast curve of virtual image projected at the center position of the eye box图 10UI仿真效果Fig.10UI simulation effect光子学报082200184 结论本文双光路 AR-HUD的设计是在传统 AR-HUD基础上的升级版本，通过对单一的 DLP光机像源的拆分，并且只采用两个自由曲面反射镜，以及利用物像关系理论，从而实现近距离 3.8 m 处和远距离 7.5 m 处投影出虚像。仿真结果显示该光学系统的成像质量较好，最后考虑到实际应用，使用蒙特卡罗方法对系统的公差分布做了分析，验证了公差分配的合理性。该光学系统还解决了驾驶者在行驶过程中由于单一的投影距离的图像导致的视觉疲劳问题和多个光源显示器带来的体积庞大的问题。后续还可以通过软件算法实现近投影虚像面和远投影虚像面同时或者分时显示，从而提高驾驶者的体验感，为以后多焦面车载平视显示光学系统的发展提供有益参考。参考文献1 WU Gang，ZHAO Guangqi，LI Jian.Research on on-board HUD system J Automotive Practical Technology，2020，45（18）：27-33.武刚，赵光琪，李剑.车载抬头显示器系统研究 J.汽车实用技术，2020，45（18）：27-33.2 WANG Dongping.Research on on-board head up display system D.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2015.王东平.车载抬头显示系统的研究 D.南京：南京邮电大学，2015.3 HUANG Xingzhou，HU Shijie，TANG Guomao，et al.Optical structure design of automotive head-up display with long-distance imaging J.Journal of Applied Optics，2019，40（5）：894-900.黄兴洲，胡诗杰，汤国茂，等.远距离成像汽车平视显示光路结构设计 J.应用光学，2019，40（5）：894-900.4 SEO J H，YOON C Y，OH J H，et al.59-4：a study on multi-depth head-up displayJ.SID 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Optical System Based on Single-optical MachineREN Jinwei1，CHEN Xiaowei2，WANG Bo2，CAO Yan2，SUN Yihan1，LI Xinyu1，WU Shenjiang1（1 School of Optoelectronics Engineering，Xian Technological University，Xian 710021，China）（2 FORYOU Multimedia Electronics Co.，Ltd，Huizhou 516006，China）Abstract：As society continues to progress，automobiles have become a common sight in households worldwide.However，the increase in the number of vehicles on the road has led to a series of traffic safety issues.As a result，automotive safety has become one of the most popular research topics worldwide.Among them，Head-Up Display（HUD）systems can be applied to cars，serving as an assistant to driving and improving driving safety.Through the use of a head-up display optical system，drivers can see virtual images that display important driving information and road conditions in the direction of their line of sight，eliminating the need to look down at instrument panel information and navigation information.This reduces driver distraction and improves driving safety.As HUD technology continues to advance and develop，it will gradually integrate with autonomous driving systems，becoming a standard feature in future high-tech vehicles.Nowadays，the technology of automotive HUD on the market is gradually maturing，mainly including Windshield HUD（W-HUD）and Augmented Reality HUD（AR-HUD）.However，the current car-mounted HUD can only display virtual images on a single projection distance.When the driver changes the observation due to changes in vehicle speed，the visual focus distance needs to be adjusted to adapt to the HUD projection distance.Long-term and high-frequency adjustments can lead to eye fatigue for the driver.To address this issue，this paper proposes the design of a car-mounted binocular parallax optical system.Based on the current research status，a method of using a single DLP micro-projection machine to separate two images and generate two Projection Generating Units（PGUs）to display binocular virtual images for AR-HUD is proposed.According to the initial architecture of the HUD optical system，which is a coaxial reflection optical system，an off-axis reflection vehicle-mounted parallax display optical system is constructed by using an off-axis rotating reflection mirror.Then，by changing the object distance of the PGUs to the primary reflection mirror，the two free-form reflection mirrors are combined to construct an off-axis reflection binocular parallax vehicle-mounted display optical system，thereby ensuring the projection of two virtual images at different distances.The optical system uses a 5.74 inch DLP micro projector with an eyebox size of 130 mm50 mm，a far projection field of view of 103 and a near projection field of view of 41，and a virtual image projection distance of 3.8 m and 7.5 m.Image quality evaluation is analyzed and explained from the aspects of the point cloud diagram，MTF curve diagram，grid 光子学报082200110 Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No.61701385），Xian Technological University Graduate Joint Training Fund（No.XAGDYJ21020）distortion，illumination curve diagram，and image simulation.The key to the optical system is tolerance analysis，which helps to determine the allowable limits of different manufacturing and alignment errors.Manufacturing and calibration errors can be reduced to an appropriate level without degrading the image quality of the optical system.If the tolerance requirements are too strict，it may increase the difficulty in processing and arranging the optical components and may also lead to unstable imaging quality during actual use.By designing the tolerance range of the curvature radius of the lens and the windshield usage area，the distance between lenses and the windshield usage area，the X-axis offset lens and the windshield usage area，the Y-axis offset lens and the windshield usage area，the axial rotation of the lens and the windshield usage area，and the axial rotation of the lens and the windshield usage area，the statistical results of the optical transfer function of the systems virtual image plane were obtained using Monte Carlo me