平視顯示器（Head Up Display, HUD）技術(shù)在當(dāng)今的汽車世界中無處不在。HUD技術(shù)是避免因為低頭觀察儀盤儀表而發(fā)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(guān)注路況，則意味著減少意外交通事 故的發(fā)生。

一、HUD技術(shù)應(yīng)用背景介紹

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80年代開始，汽車的前擋風(fēng)玻璃就被認為是實現(xiàn)HUD技術(shù)的組合器（Combiner, HUD系統(tǒng)的組成部分）。考慮到全球每年有135萬人死于和車輛相關(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)通過相關(guān)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(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)的汽車則沒有這種缺 陷。

這種技術(shù)方法幫助駕駛員在查看車內(nèi)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(xiàn)特殊狀況而發(fā)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(shù)在汽車中的運用（夜晚）

圖2   HUD技術(shù)在汽車中的運用（白天）

二、基于CODE-V軟件的HUD簡化光學(xué)設(shè)計方法

1.傳統(tǒng)HUD光學(xué)設(shè)計方法

       常見的HUD光學(xué)裝置如圖3.其中，EyeBox（目視箱）用于模擬人眼，F(xiàn)reeform Combiner(自由曲面組合器)一般是汽車的擋風(fēng)玻璃，F(xiàn)old 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(xué)裝置架構(gòu)

       HUD光學(xué)設(shè)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(shè)計，使得此時的自由曲面具有一定角度的傾斜（圖4）。在根據(jù)經(jīng)驗決定不同自由曲面的裁剪方式后，即可實現(xiàn)多自由曲面裁剪設(shè)計。這種設(shè)計方法中的裁剪過程相對較為復(fù)雜，導(dǎo)致整個光學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)計

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

（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）   利用正交多項式對到達Eye Box的真實光線的高度進行優(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）多項式，利用優(yōu)化選項中的誤差函數(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。

（6）   利用LightTools光學(xué)仿真軟件來發(fā)現(xiàn)自由曲面反射器的雜散光問題。通過仿真發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計中起初選擇的矩形鏡的尺寸過大，導(dǎo)致一些雜散照明到達Eye Box，在修正設(shè)計中對折疊鏡的幾何結(jié)構(gòu)進行了必要的調(diào)整，以校正模擬圖像，優(yōu)化后的透鏡數(shù)據(jù)如圖6。

圖5   單曲面光學(xué)設(shè)計架構(gòu)

圖6   視覺分析后HUD光學(xué)設(shè)計透鏡數(shù)據(jù)

3.單自由曲面光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)效果

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

圖7   MTF曲線

圖8 單自由曲面設(shè)計目標指標和實際指標

三、結(jié)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(shè)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(shè)計可以在誤差允許的情況下實現(xiàn)較好的成像性能。隨著自由曲面制造技術(shù)的改進，基于單個自由曲面的緊湊型系統(tǒng)在實際成像應(yīng)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(fā)現(xiàn)和控制校正失真，因此，即使不能實現(xiàn)雙自由曲面設(shè)計的光學(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)計過程。該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計優(yōu)化是通過對自由度和光學(xué)系統(tǒng)效果進行靈活的平衡設(shè)計來實現(xiàn)的。本文展示了HUD系統(tǒng)的視覺性能指標的結(jié)果。