以下文章來(lái)源于IFAL ，作者IFAL

IFAL.

中國(guó)國(guó)際汽車照明論壇（IFAL）致力于探討汽車照明設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定等重大議題，是汽車照明領(lǐng)域?qū)W術(shù)和產(chǎn)業(yè)界交流的高端平臺(tái)。

HUD技術(shù)在航空和汽車應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)有很多年了。大概從20世紀(jì)80年代開始，汽車的前擋風(fēng)玻璃就被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)HUD技術(shù)的組合器（Combiner, HUD系統(tǒng)的組成部分）?？紤]到全球每年有135萬(wàn)人死于和車輛相關(guān)的意外事故，許多制造商仍在繼續(xù)探索有效的方法，將諸如HUD等安全技術(shù)應(yīng)用到更多的車輛上。

HUD系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)接口將指定的實(shí)時(shí)信息投射到駕駛員的視線中，疊加到周圍環(huán)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(shù)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(tǒng)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(shù)的汽車則沒(méi)有這種缺陷。

1.傳統(tǒng)HUD光學(xué)設(shè)計(jì)方法

圖3  HUD的光學(xué)裝置架構(gòu)

HUD光學(xué)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，使得此時(shí)的自由曲面具有一定角度的傾斜（圖4）。在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定不同自由曲面的裁剪方式后，即可實(shí)現(xiàn)多自由曲面裁剪設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法中的裁剪過(guò)程相對(duì)較為復(fù)雜，導(dǎo)致整個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程效率低下。

2.基于軟件仿真的單自由曲面HUD光學(xué)設(shè)計(jì)

單自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)基于CODE-V建模軟件和LightTools光學(xué)仿真軟件。主要設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）CODE-V軟件中將初始的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)置為雙鏡共焦反射系統(tǒng)，使用汽車的擋風(fēng)玻璃作為HUD組合器。

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

（3）利用CODE-V軟件約束誤差優(yōu)化函數(shù)，根據(jù)封裝約束條件和折疊鏡位置情況，調(diào)整HUD系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)。

（4） 將靠近LCD panel的折疊鏡設(shè)計(jì)為y型環(huán)形反射鏡，而將一階自由曲面反射鏡設(shè)置為Q2D自由曲面（非球面）。

（5）利用正交多項(xiàng)式對(duì)到達(dá)Eye Box的真實(shí)光線的高度進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)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(xiàng)式，利用優(yōu)化選項(xiàng)中的誤差函數(shù)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(guān)系。

利用LightTools光學(xué)仿真軟件來(lái)發(fā)現(xiàn)自由曲面反射器的雜散光問(wèn)題。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中最初選擇的矩形鏡的尺寸過(guò)大，導(dǎo)致一些雜散照明到達(dá)Eye Box，在修正設(shè)計(jì)中對(duì)折疊鏡的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的調(diào)整，以校正最終的模擬圖像，優(yōu)化后的透鏡數(shù)據(jù)如圖6。

圖6  視覺(jué)分析后HUD光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡數(shù)據(jù)

3.單自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效果

圖8 單自由曲面設(shè)計(jì)目標(biāo)指標(biāo)和實(shí)際指標(biāo)

本文提出了一種利用真實(shí)光線位置的約束和曲面自由度來(lái)設(shè)計(jì)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(jué)敏銳度的情況下，一個(gè)成功的自由曲面設(shè)計(jì)可以在誤差允許的情況下實(shí)現(xiàn)較好的成像性能。隨著自由曲面制造技術(shù)的改進(jìn)，基于單個(gè)自由曲面的緊湊型系統(tǒng)在實(shí)際成像應(yīng)用中會(huì)變得更加常見。由于能夠通過(guò)CODE-V軟件和仿真軟件發(fā)現(xiàn)和控制校正失真，因此，即使不能實(shí)現(xiàn)雙自由曲面設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)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(jué)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(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化是通過(guò)對(duì)自由度和光學(xué)系統(tǒng)效果進(jìn)行靈活的平衡設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最后，本文展示了HUD系統(tǒng)的視覺(jué)性能指標(biāo)的結(jié)果。