光設(shè)內(nèi)參|可變焦HUD——雙焦面HUD以及可連續(xù)變焦的HUD

    一、 簡(jiǎn)介市面上車型所配備的HUD大致分為兩種，一種是直接投射在擋風(fēng)玻璃上的W-HUD（Windshield HUD），這種HUD需要其配備額外的透鏡來抵消玻璃弧度產(chǎn)生的畸變，成本比較高，其缺點(diǎn)是信息展示過于分散，容易錯(cuò)失關(guān)鍵信息。AR-HUD，可以看作是W-HUD的升級(jí)版，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與HUD的融合，可以在駕駛?cè)艘暰�區(qū)域內(nèi)合理、生動(dòng)地疊加顯示一些駕駛信息，并結(jié)合于實(shí)際交通路況。

    另外一種是在儀表盤頂部類似翻蓋設(shè)計(jì)的C-HUD（Combiner HUD），C-HUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃，一般會(huì)根據(jù)成像條件對(duì)這塊玻璃進(jìn)行特殊處理，這種集合式的HUD可以加裝并拆卸，且成本相對(duì)更低。

(a)

(b)

圖1 (a)W-HUD示意圖；(b)C-HUD示意圖。

    HUD的成像解決方案可以分為三類：反射型、玻璃成像型和虛擬成像型。目前反射型成像方案和玻璃成像方案是發(fā)展比較成熟的�，F(xiàn)有的平視顯示器是將其圖像固定在擋風(fēng)玻璃前方一定距離處，而本文所提到的兩種HUD結(jié)構(gòu)是在不同距離處投影圖像。HUD圖像的物理距離與適應(yīng)延遲有關(guān)，這是駕駛中的一個(gè)安全問題，也可能是AR功能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

    華為近期的“專新致智”新品發(fā)布會(huì)上，發(fā)布了包括AR-HUD在內(nèi)的新一代智能化部件和解決方案。華為打造了小身材、高性能的AR-HUD。它體積只有10L，會(huì)根據(jù)用戶眼睛位置調(diào)整投影區(qū)域，因此普通風(fēng)擋即可使用；視角達(dá)到13°×5°，能夠展現(xiàn)更多內(nèi)容；同時(shí)，它能夠在7.5m的距離上具備70寸大小的畫幅，擁有高清畫質(zhì)，讓用戶體驗(yàn)到AR-HUD帶來的沉浸式視覺體驗(yàn)和駕駛安全輔助。 二、 背景出于駕駛安全性的考慮，如果HUD顯示的圖像并不在駕駛員聚焦在行駛道路和周圍景物上的位置，人眼將會(huì)有一段時(shí)間調(diào)整聚焦延遲的時(shí)間。所以設(shè)計(jì)不同變焦位置的HUD有其必要性，駕駛者需要兩個(gè)或多個(gè)焦平面來顯示基本信息和交互信息。

    現(xiàn)在的解決方案是在兩個(gè)不同的距離上同時(shí)產(chǎn)生圖像，與圖形技術(shù)一樣產(chǎn)生視覺上沉浸的圖像，當(dāng)然，有物理可調(diào)圖像距離的HUD也是解決問題的方案。本文主要討論兩種HUD，一種是雙焦面HUD，另一種是可連續(xù)變焦的HUD。

    要實(shí)現(xiàn)雙焦面成像，如果用2個(gè)物理PGU（Picture Generation Units）和兩套反射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的投影距離，這將增加成本，可靠性降低，體積增大。所以這里提出了一種只用單個(gè)PGU和一個(gè)自由曲面鏡構(gòu)成的實(shí)現(xiàn)雙焦面系統(tǒng)的新的HUD結(jié)構(gòu)。本文研究團(tuán)隊(duì)提出在一個(gè)PGU上設(shè)置兩個(gè)邏輯上分離的區(qū)域，并將其中一個(gè)區(qū)域通過光學(xué)中繼到一個(gè)新的位置來創(chuàng)建兩個(gè)焦平面。 三、 兩種可變焦HUD基本構(gòu)造和設(shè)計(jì)原理3.1 雙焦面HUD雙焦面AR-HUD顯示的信息是將基本信息顯示在下方而把更豐富的道路信息，如與車道線交互的導(dǎo)航信息以及與前車的車距等信息顯示在上方。上方的虛像距要大（9m），為了避免虛擬圖像與真實(shí)對(duì)象（如車道線或前方車輛）的深度匹配造成的視覺沖突，下方的虛像距/虛像深度要小（2.5m）以避免與真實(shí)世界重疊以影響駕駛員。

    相較于VR/AR中的近眼顯示，HUD需要更大的眼動(dòng)范圍（120mm×60mm）和更大的出瞳距離（900mm）。

圖2 雙焦面HUD結(jié)構(gòu)示意圖（PGU分成兩個(gè)邏輯單元R1和R2）。

    如圖2所示，將單個(gè)PGU邏輯分隔為兩個(gè)區(qū)域，分別是R1和R2。R1圖像被自由曲面鏡M0直接反射到擋風(fēng)玻璃上，而R2被平面鏡反射中繼到一個(gè)新的空間位置，從而投影到一個(gè)比原來更遠(yuǎn)的距離。這樣一來，系統(tǒng)中即同時(shí)存在一個(gè)遠(yuǎn)焦面（9m，10°×3°）和一個(gè)近焦面（2.5m，6°×2°）。

    為了在儀表板下有限的空間內(nèi)折疊光路，R2的中繼光學(xué)裝置包括兩個(gè)平面鏡M1和M2，從而在中間依次形成了兩個(gè)中間像R2'和R2''，R2''相當(dāng)于自由曲面M0的等效物面。這樣，R1和R2''在上方視場(chǎng)和下方視場(chǎng)分別形成了不同距離的虛像投影。

    在這樣的HUD中，由于兩條不同光路的互相干擾會(huì)產(chǎn)生雜散光，為了減少這種干擾，研究團(tuán)隊(duì)在物理上設(shè)置了分隔R1和R2的吸收壁。此外，從PGU發(fā)出的光通常是高度準(zhǔn)直的，滿足HUD的高亮要求，可以進(jìn)一步幫助抑制雜散光。

    傳統(tǒng)的單自由曲面HUD基本抑制了所有的像差，只有輕微的剩余畸變，而且可被數(shù)字化校準(zhǔn)。但限制兩個(gè)光路共用一個(gè)自由曲面反射面的話像差會(huì)更大，所以在系統(tǒng)優(yōu)化像差的時(shí)候必須考慮到。擋風(fēng)玻璃也會(huì)影響成像質(zhì)量。

表1 雙焦面HUD的設(shè)計(jì)要求規(guī)格表

圖3 雙焦面HUD設(shè)計(jì)要求示意圖。

    雙焦面HUD系統(tǒng)的虛像視場(chǎng)范圍、投影距離等參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)所用的PGU是一個(gè)符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的，尺寸為6.6cm的分辨率大小為800 × 480的LCD顯示屏。這種雙焦面HUD方案具有投影距離可調(diào)節(jié)、系統(tǒng)緊湊的特點(diǎn)。 3.2 可連續(xù)變焦HUD可變焦HUD的基本原理如下R2：首先，用全息成像在近場(chǎng)產(chǎn)生位置可調(diào)的圖像，使其在特定范圍內(nèi)具有一定縱深；然后，用幾何成像將縱向范圍放大到所需要的可調(diào)范圍。已知縱向放大率是橫向放大率的平方，根據(jù)物像距公式，當(dāng)物距大小無限接近焦距時(shí)，像距快速趨向于無窮大。

    具體設(shè)置為：用SLM生成全息圖像，其同時(shí)也作為幾何成像的物；兩個(gè)全息圖像的位置在凹面鏡的焦距內(nèi)，用凹面鏡放大圖像尺寸以及縱向可調(diào)范圍，人看到的是擋風(fēng)玻璃前方的虛像；在產(chǎn)生全息圖像的迭代優(yōu)化過程中采用了近場(chǎng)衍射公式，用迭代傅里葉變換算法（IFTA）來優(yōu)化SLM調(diào)制圖案。因?yàn)樵赟LM上只有相位調(diào)制可用，并且期望的目標(biāo)圖案是用強(qiáng)度分布來指定的，所以采用了Gerchberg-Saxton算法。

圖4 有可調(diào)像距的HUD結(jié)構(gòu)（紅色綠色圖案代表全息成像的兩個(gè)極限位置）。

    四、 兩種HUD的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)價(jià)4.1 雙焦面HUD在光路結(jié)構(gòu)模型中，對(duì)每一個(gè)虛像在全視場(chǎng)范圍內(nèi)選取了9個(gè)視點(diǎn)，在近焦面選取了9個(gè)視點(diǎn)F1~F9，在遠(yuǎn)焦面也選取了9個(gè)視點(diǎn)F10~F18�？紤]到應(yīng)該在整個(gè)眼動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像，所以在眼瞳箱（120mm×60mm）選取了直徑為6mm的5個(gè)主眼點(diǎn)和間隔為20mm的24個(gè)次眼點(diǎn)。通過自由曲面鏡片反射后，不同視場(chǎng)與不同眼點(diǎn)的組合90束光在不同位置匯聚形成兩個(gè)像面R1和R2''。次級(jí)眼點(diǎn)與18個(gè)視點(diǎn)的組合是為了進(jìn)行后續(xù)圖像質(zhì)量測(cè)試，全面展示成像性能。

圖5 雙焦面HUD的仿真模型示意圖。

圖6 雙焦面HUD的仿真模型示意圖。

    成像質(zhì)量評(píng)價(jià)主要從這18個(gè)視場(chǎng)和5個(gè)主眼點(diǎn)位置/24個(gè)次眼點(diǎn)位置組合所成像的點(diǎn)列圖、MTF、畸變網(wǎng)格圖、垂直發(fā)散度這幾個(gè)維度來評(píng)價(jià)。對(duì)應(yīng)5個(gè)主眼點(diǎn)和24個(gè)次眼點(diǎn)的9個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖如圖7所示。黑色圓圈表示直徑為82.5μm的艾里斑。

    圖7 (a) 近焦面虛像（F1-F9）和 (b) 遠(yuǎn)焦面虛像（F10-F18）中對(duì)應(yīng)5個(gè)主眼點(diǎn)E1-E5（左）和24個(gè)次眼點(diǎn)（右，所有結(jié)果混合）的9個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖。

    對(duì)于近焦面虛像和遠(yuǎn)焦面虛像，圖8繪制了9個(gè)視場(chǎng)和5個(gè)主眼點(diǎn)的子午方向和弧矢方向的MTFs以及衍射極限。此外，所有MTF都是接近衍射極限的，在截止頻率為7.1lp/mm時(shí)，所有MTF值都超過了0.4，這也表明在整個(gè)視場(chǎng)和眼瞳箱中有足夠大的分辨率。同時(shí)，還仿真了五個(gè)眼點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)近這兩個(gè)視場(chǎng)的網(wǎng)格圖像。近焦面、遠(yuǎn)焦面對(duì)應(yīng)的最大畸變值分別為3.05%（+y方向的E1）和2.68%（+x方向的E3）。

圖片(a)

圖片(b)

圖8 (a) 近焦面和 (b) 遠(yuǎn)焦面MTF示意圖。

    考慮到駕駛員在觀看HUD所成圖像舒適度的問題，特別是在具有兩個(gè)或兩個(gè)以上焦平面的系統(tǒng)中，需要研究不同眼點(diǎn)所成像之間的垂直發(fā)散誤差。在雙目系統(tǒng)中，垂直發(fā)散誤差被定義為左右眼為了看到相同的像點(diǎn)而看到的垂直方向上的角度差值，這個(gè)角度差在理想系統(tǒng)中應(yīng)該為零。而在實(shí)際的HUD中，垂直發(fā)散誤差應(yīng)在2.5mrad內(nèi)，以避免視覺不適。

    圖9為兩眼分別位于眼瞳箱邊緣位置時(shí)的垂直發(fā)散度模擬結(jié)果，即瞳間距最大的情況。在圖9中，將用于測(cè)試垂直發(fā)散度的像點(diǎn)掃描整個(gè)視場(chǎng)，橫坐標(biāo)表示垂直掃描角度，線顏色表示水平掃描。由結(jié)果可見，垂直發(fā)散度總是小于2.5mrad。一個(gè)駕駛員的瞳孔間距總是比眼瞳箱寬度小得多，因此不會(huì)因垂直發(fā)散角而感到不適。

(a)

(b)

圖9 (a) 遠(yuǎn)焦面和 (b) 近焦面兩個(gè)不同光瞳之間的發(fā)散度。

    上圖為眼點(diǎn)位置E1和E2對(duì)應(yīng)的垂直發(fā)散度，下圖為眼點(diǎn)位置E3和E4對(duì)應(yīng)的垂直發(fā)散度。 圖10展示了一個(gè)用LightTools搭建的有中繼光學(xué)系統(tǒng)的AR-HUD光機(jī)模型。其中兩條紅線代表了遠(yuǎn)視場(chǎng)在垂直方向上的邊界光線，兩條藍(lán)線代表了近視場(chǎng)在垂直方向上的邊界光線。從放大的中繼光學(xué)系統(tǒng)圖中可以看到在單個(gè)物理PGU上的光線分隔情況。

圖10 雙焦面HUD光機(jī)模型。

    圖11 (a) 車輛框架和真實(shí)擋風(fēng)玻璃，安裝AR-HUD并在擋風(fēng)玻璃上顯示虛擬圖像；(b) 上視場(chǎng)和下視場(chǎng)圖像的照片；(c) 水平移動(dòng)相機(jī)后重新拍攝的照片。在 (b) 和 (c) 中，背景中的黑板和人手的距離分別為9m和2.5m。

    通過光學(xué)與機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在整個(gè)眼瞳箱內(nèi)（120mm×60mm）獲得了高質(zhì)量的圖像。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)的HUD可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的投影距離，且投影的圖像質(zhì)量高。 4.2 可連續(xù)變焦HUD驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖12所示，光源是一個(gè)中心波長(zhǎng)為532 nm的綠光LED，為了增加空間相干性，還附加了一個(gè)直徑為0.3 mm的針孔。凹面鏡的焦距是30cm，SLM所成真實(shí)圖像在相對(duì)SLM距離18.3cm~21cm的位置，相對(duì)于凹面鏡的物距是27cm~29.7cm（兩者相隔8.7cm），根據(jù)成像物像公式可得像距為270cm~2970cm，再加上人眼到擋風(fēng)玻璃的距離30cm，可得相對(duì)于人眼的像距為3m~30m。

    圖13為用相機(jī)在3m到30m的不同距離捕捉到的HUD圖像。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與背景中的消防器清晰度相比，相機(jī)在22.5m左右的位置捕捉到的圖像比30m處的位置更清晰。究其原因，一個(gè)是LED光源的空間相干性較低，一個(gè)是凹面鏡高度離軸幾何成像引起的像差，擋風(fēng)玻璃也可能引入了部分像差以及場(chǎng)曲。

圖12 HUD系統(tǒng)樣機(jī)。

圖13 相機(jī)拍攝的在3m像距和30m像距之間變換的HUD成像效果。

    圖14是基于心理物理測(cè)試的視差法驗(yàn)證了物理圖像位置（距離），綠T代表所成虛像位置，黃色小棍作為測(cè)量中的參照物代表實(shí)際物體位置。如果小棍沒有放在HUD成像的正確位置，如圖13(a)所示，從不同方向觀看能明顯觀察到兩個(gè)視點(diǎn)的相對(duì)橫向位移。

    如果小棍放對(duì)位置了，如圖13(b)，無論觀察者如何移動(dòng)看到的都是小棍和綠T是重合的。將計(jì)算所得的HUD所成像的距離與心理物理評(píng)估法測(cè)得的HUD所成像距離對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間的誤差低于2%，說明在HUD可調(diào)變焦過程中人眼主觀感知到圖像誤差的可能性很小。

圖14 用視差法驗(yàn)證像距。

    五、 結(jié)論

    5.1雙焦面AR-HUD用單個(gè)圖像生成單元（PGU）和單個(gè)自由曲面鏡實(shí)現(xiàn)雙焦面AR-HUD顯示，在中繼光學(xué)系統(tǒng)部分是用兩個(gè)平面鏡將部分PGU中繼到一個(gè)新的位置，從而產(chǎn)生兩個(gè)不同投影距離。

    通過光學(xué)與機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在整個(gè)眼動(dòng)范圍內(nèi)（120mm×60mm）獲得了高質(zhì)量的圖像，遠(yuǎn)焦面（9m，10°×3°）和近焦面（2.5m，6°×2°）。最后還制造了一個(gè)基于6.6cm LCD的AR-HUD產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了圖像質(zhì)量高以及兩個(gè)不同的投影距離。此外，與兩個(gè)分離PGU的HUD相比，這款A(yù)R-HUD體積緊湊為 8.5L，這可以幫助它應(yīng)用于小型車輛，提高行車安全性和駕駛體驗(yàn)。

    5.2可變焦HUD通過組合全息成像和幾何成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無機(jī)械移動(dòng)的可調(diào)節(jié)像距在擋風(fēng)玻璃前3m~30m的HUD。這個(gè)調(diào)節(jié)范圍可通過改變SLM的調(diào)制度、凹面鏡的光焦度以及凹面鏡與SLM之間的距離來實(shí)現(xiàn)。