HUD中重影的產(chǎn)生以及消除重影的常用方法

    重影是HUD普遍存在的顯示現(xiàn)象，它會極大地影響觀看體驗。本期我們將介紹重影產(chǎn)生的原理以及消除重影的常用方法。

重影的產(chǎn)生

    HUD將擋風玻璃作為虛擬圖像和真實場景的結合器，來自HUD的光線會經(jīng)由擋風玻璃反射至人眼，使駕駛員能夠看到投影的虛像。擋風玻璃存在一定的厚度，也就是說，它有兩個表面。當光機中的一束光線以斜角入射時，因空氣和玻璃介質折射率的不同，光線會在擋風玻璃的第一表面分別發(fā)生反射和折射；而折射后的光線在觸達玻璃第二表面之后，會繼續(xù)發(fā)生反射和折射[1]。

    由此，同一束入射光線通常會在擋風玻璃的第一、第二表面上發(fā)生兩次反射，而這兩次的反射光線并不會完全重合，兩者會以錯開的形式到達人眼；如圖(1)所示，內外兩層玻璃分別反射的光線同時入眼，形成兩個內容相同、位置錯開的圖像[2]。由擋風玻璃第一表面反射的圖像是我們需要的主圖像，而由第二表面反射的圖像就是人們通常說的重影。通常重影的亮度相較于主圖像更低，主圖像和重影圖像之間的間距（單位為毫米）或該間距對人眼的張角（單位為′或者mrad）可用于評價重影[3]。

    重影的存在不僅會降低成像質量，而且還會給觀看者帶來眩暈感，影響駕駛者的行車體驗。

圖 (1).普通擋風玻璃上HUD重影的產(chǎn)生（非實際比例繪制）

    針對重影這一問題，目前常見的解決方法是在風擋中運用楔形PVB膜——改變風擋中PVB膜的形狀及厚度。除了楔形PVB膜之外，市面上也隨之誕生了其他新型消除重影的方式，本文還將介紹一些其他能解決重影問題的技術路徑。

楔形PVB膜消除重影

    擋風玻璃的構造是“三明治”結構，即兩層玻璃中間夾著一層PVB膜，PVB膜的主要作用為提高玻璃的抗沖擊強度，使玻璃破碎時碎片不飛濺，從而增強風擋的安全性[4]。

    普通風擋的PVB薄膜通常為上下統(tǒng)一、均勻的厚度，如圖(1)。市面上最常見的消除重影的方法，是將這層PVB膜改裝成楔形：從傳統(tǒng)的“等厚”，改為“上厚下薄”，呈現(xiàn)出一個立體的楔形角[5]。

    “上厚下薄”導致了楔形PVB膜的一個獨特功能：由于楔形角的存在，整個三明治結構的擋風玻璃整體也呈現(xiàn)“上厚下薄”。也就是說，經(jīng)過玻璃第一表面折射后的光線在觸達風擋玻璃第二表面后，反射高度及角度也隨之改變，使得入射光線在第一以及第二表面所形成的兩個虛像進行重合，從而減弱重影現(xiàn)象（見圖(2)）[5]。

圖 (2).利用楔形PVB膜減弱HUD重影（非實際比例繪制）

    楔形膜可以讓駕駛員觀察到清晰的圖像，有效解決重影問題，但該方法也存在一些缺點。首先，楔形膜需要根據(jù)每款配置HUD的車型設計，原因在于楔形膜角度與光線入射角度及虛像投影距離（VID）等因素相關，需同時考慮安裝位置、HUD光路及風擋造型設計楔形PVB膜夾層[6]。其次，重影的完全消除需要精確的光學和楔形角實現(xiàn)，但考慮到實際生產(chǎn)中的擋風玻璃、楔形膜、HUD、及設備安裝的累計公差，重影和主圖像無法實現(xiàn)完全重合，特別是在偏離眼盒中心位置的觀察角度下。所以即使加了楔形膜，在評價最終成像時，仍然能夠檢測到一定程度的重影[7]。由此，行業(yè)里通常仍會用重影率對HUD進行考核評估，將其控制在一個合理的數(shù)值之下。最后，定制化的楔形PVB膜成本也較高，現(xiàn)階段楔形膜主要運用于乘用車中。對于其他車型，如商用車及軌道交通等，楔形膜的成本會成倍上升，限制了HUD的拓展及應用[7]。

其他新型消除重影的方式

    一種消除重影的技術路線為利用光的偏振特性，調控光線入射到擋風玻璃后反射的偏振態(tài)，來減弱或者消除重影。為了更好地理解該技術路線，我們可以先了解兩個概念：光的偏振態(tài)和布魯斯特角。

偏振光與布魯斯特角

    光具有偏振態(tài)，自然狀態(tài)的光（如太陽光）處在隨機偏振態(tài)，當隨機偏振光從一個均勻介質（如空氣）傳播到另一個均勻介質（如擋風玻璃）時，在兩者的表面，一部分光會發(fā)生折射，而另一部分光則會發(fā)生反射。以光線入射面為基準，把所有不同偏振方向的光進行分解，可以得到與入射平面平行的和與入射平面垂直的光[1]。學界將前者稱為P光（P為德語parallel的縮寫），后者為S光（S為德語單詞senkrecht的縮寫，譯為perpendicular），圖(3)展示了P光和S光在此光學系統(tǒng)中的定義。

圖 (3).P光和S光定義

    當偏振光從空氣入射玻璃時，會在玻璃表面發(fā)生反射，圖(2)描述了P光和S光在空氣-玻璃界面中的反射率[2]�？梢钥闯觯�在該界面上，S光反射率相較P光較高，即當光線從空氣入射到風擋時，反射光線主要為S光。

圖 (4).P光和S光在空氣-玻璃界面中的反射率

    在光從空氣到玻璃的表面以57度左右（假設玻璃折射率n=1.5）的角度入射時，P光的反射率為0，這個角度即為布魯斯特角[5]。當隨機偏振光以布魯斯特角從空氣入射玻璃，P光的反射率最低，幾乎等同于不參與反射[5]。利用P光在布魯斯特角下反射率為0的特點，可以進行HUD中重影的減弱或消除。

    前文提到，雖然P光反射率為0，S光依舊會在擋風玻璃前后兩個表面進行反射，使人眼接收到兩個虛像。所以單憑布魯斯特角并不能解決重影問題。

圖 (5).僅以布魯斯特角入射，重影依舊存在

    為了實現(xiàn)無重影投射，我們可以在光學系統(tǒng)中使用一種產(chǎn)生P光的光機，對于整個光學系統(tǒng)來說，由光機產(chǎn)生的線偏光將全部以P光的偏振態(tài)射入擋風玻璃。基于P光在空氣至玻璃界面的弱反射性[3]，以布魯斯特角入射的P光光線在第一層玻璃無反射，僅有折射；折射的光線會產(chǎn)生P光以及S光，該組合到第二層玻璃的表面會發(fā)生反射以及折射，此時少部分的光會經(jīng)由反射最終到達人眼。因此，通過P光光機以及布魯斯特角的配合，可以實現(xiàn)重影的消除。

透明納米膜

    在上述方法的基礎上，為了提高虛像亮度，可在使用P光光機且布魯斯特角入射的前提下，于擋風玻璃內添加一層P光反射膜，可將折射進入玻璃的P光在反射膜處反射，從而提供無重影的虛像。該反射膜一般由多層結構組成，呈現(xiàn)高透明度以及對P光的較高的反射率，業(yè)界有稱之為透明納米膜。此外，該膜有時也會在布魯斯特角左右的一定入射角度內單獨使用，或者配合楔形膜進行使用[6]。

圖 (6).以布魯斯特角入射，配合P光光機和透明納米膜，可消除重影

    如上文介紹，使用偏振方法消除重影需使用P光光機、布魯斯特角、甚至P光反射膜，所以該系統(tǒng)對于入射角度的要求較為苛刻，較難滿足不同車型以及擋風玻璃的設計需求，同時該方法也增加了HUD的設計復雜度和成本。此外，當入射角度在以布魯斯特角為基準、上下一定范圍浮動時，P光反射像的亮度會小于原像的1%，也就是說成像亮度也可能會受到影響[4]。

Parallel Vector（PV）重影消除技術

    不同于楔形PVB膜方案偏振方案，睿維視發(fā)明了平行矢量PV技術，該技術可通過對核心光學器件自由曲面以及光學系統(tǒng)的設計，無需使用楔形膜或者偏振光，即可實現(xiàn)重影的消除。PV技術已經(jīng)過4年的開發(fā)認證，可適配不同厚度和傾斜角度的風擋玻璃，不同的入射角度，不同的虛像距離VID，以及不同類型的光機（TFT、DLP、LCoS、LBS），已有多個量產(chǎn)項目上搭載了該技術。