光設內參|可變焦HUD——雙焦面HUD以及可連續(xù)變焦的HUD

    一、 簡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，其缺點是信息展示過于分散，容易錯失關鍵信息。AR-HUD，可以看作是W-HUD的升級版，通過增強現(xiàn)實技術與HUD的融合，可以在駕駛人視線區(qū)域內合理、生動地疊加顯示一些駕駛信息，并結合于實際交通路況。

    另外一種是在儀表盤頂部類似翻蓋設計的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，一般會根據(jù)成像條件對這塊玻璃進行特殊處理，這種集合式的HUD可以加裝并拆卸，且成本相對更低。

(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。現(xiàn)有的平視顯示器是將其圖像固定在擋風玻璃前方一定距離處，而本文所提到的兩種HUD結構是在不同距離處投影圖像。HUD圖像的物理距離與適應延遲有關，這是駕駛中的一個安全問題，也可能是AR功能的一個關鍵參數(shù)。

    華為近期的“專新致智”新品發(fā)布會上，發(fā)布了包括AR-HUD在內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，會根據(jù)用戶眼睛位置調整投影區(qū)域，因此普通風擋即可使用；視角達到13°×5°，能夠展現(xiàn)更多內容；同時，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，讓用戶體驗到AR-HUD帶來的沉浸式視覺體驗和駕駛安全輔助。 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，人眼將會有一段時間調整聚焦延遲的時間。所以設計不同變焦位置的HUD有其必要性，駕駛者需要兩個或多個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不同的距離上同時產(chǎn)生圖像，與圖形技術一樣產(chǎn)生視覺上沉浸的圖像，當然，有物理可調圖像距離的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。

    要實現(xiàn)雙焦面成像，如果用2個物理PGU（Picture Generation Units）和兩套反射光學系統(tǒng)實現(xiàn)兩個不同的投影距離，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PGU和一個自由曲面鏡構成的實現(xiàn)雙焦面系統(tǒng)的新的HUD結構。本文研究團隊提出在一個PGU上設置兩個邏輯上分離的區(qū)域，并將其中一個區(qū)域通過光學中繼到一個新的位置來創(chuàng)建兩個焦平面。 三、 兩種可變焦HUD基本構造和設計原理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對象（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�。�2.5m）以避免與真實世界重疊以影響駕駛員。

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

圖2 雙焦面HUD結構示意圖（PGU分成兩個邏輯單元R1和R2）。

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

    為了在儀表板下有限的空間內折疊光路，R2的中繼光學裝置包括兩個平面鏡M1和M2，從而在中間依次形成了兩個中間像R2'和R2''，R2''相當于自由曲面M0的等效物面。這樣，R1和R2''在上方視場和下方視場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產(chǎn)生雜散光，為了減少這種干擾，研究團隊在物理上設置了分隔R1和R2的吸收壁。此外，從PGU發(fā)出的光通常是高度準直的，滿足HUD的高亮要求，可以進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。但限制兩個光路共用一個自由曲面反射面的話像差會更大，所以在系統(tǒng)優(yōu)化像差的時候必須考慮到。擋風玻璃也會影響成像質量。

表1 雙焦面HUD的設計要求規(guī)格表

圖3 雙焦面HUD設計要求示意圖。

    雙焦面HUD系統(tǒng)的虛像視場范圍、投影距離等參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)所用的PGU是一個符合汽車標準的，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節(jié)、系統(tǒng)緊湊的特點。 3.2 可連續(xù)變焦HUD可變焦HUD的基本原理如下R2：首先，用全息成像在近場產(chǎn)生位置可調的圖像，使其在特定范圍內具有一定縱深；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，當物距大小無限接近焦距時，像距快速趨向于無窮大。

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

圖4 有可調像距的HUD結構（紅色綠色圖案代表全息成像的兩個極限位置）。

    四、 兩種HUD的實驗驗證與性能評價4.1 雙焦面HUD在光路結構模型中，對每一個虛像在全視場范圍內選取了9個視點，在近焦面選取了9個視點F1~F9，在遠焦面也選取了9個視點F10~F18�？紤]到應該在整個眼動范圍內實現(xiàn)高質量的圖像，所以在眼瞳箱（120mm×60mm）選取了直徑為6mm的5個主眼點和間隔為20mm的24個次眼點。通過自由曲面鏡片反射后，不同視場與不同眼點的組合90束光在不同位置匯聚形成兩個像面R1和R2''。次級眼點與18個視點的組合是為了進行后續(xù)圖像質量測試，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。

    成像質量評價主要從這18個視場和5個主眼點位置/24個次眼點位置組合所成像的點列圖、MTF、畸變網(wǎng)格圖、垂直發(fā)散度這幾個維度來評價。對應5個主眼點和24個次眼點的9個視場的點列圖如圖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) 遠焦面虛像（F10-F18）中對應5個主眼點E1-E5（左）和24個次眼點（右，所有結果混合）的9個視場的點列圖。

    對于近焦面虛像和遠焦面虛像，圖8繪制了9個視場和5個主眼點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，所有MTF值都超過了0.4，這也表明在整個視場和眼瞳箱中有足夠大的分辨率。同時，還仿真了五個眼點位置對應的遠近這兩個視場的網(wǎng)格圖像。近焦面、遠焦面對應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，特別是在具有兩個或兩個以上焦平面的系統(tǒng)中，需要研究不同眼點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而看到的垂直方向上的角度差值，這個角度差在理想系統(tǒng)中應該為零。而在實際的HUD中，垂直發(fā)散誤差應在2.5mrad內，以避免視覺不適。

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

(a)

(b)

圖9 (a) 遠焦面和 (b) 近焦面兩個不同光瞳之間的發(fā)散度。

    上圖為眼點位置E1和E2對應的垂直發(fā)散度，下圖為眼點位置E3和E4對應的垂直發(fā)散度。 圖10展示了一個用LightTools搭建的有中繼光學系統(tǒng)的AR-HUD光機模型。其中兩條紅線代表了遠視場在垂直方向上的邊界光線，兩條藍線代表了近視場在垂直方向上的邊界光線。從放大的中繼光學系統(tǒng)圖中可以看到在單個物理PGU上的光線分隔情況。

圖10 雙焦面HUD光機模型。

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

    通過光學與機械的優(yōu)化設計，在整個眼瞳箱內（120mm×60mm）獲得了高質量的圖像。實驗驗證了這種結構的HUD可以實現(xiàn)兩個不同的投影距離，且投影的圖像質量高。 4.2 可連續(xù)變焦HUD驗證實驗設備如圖12所示，光源是一個中心波長為532 nm的綠光LED，為了增加空間相干性，還附加了一個直徑為0.3 mm的針孔。凹面鏡的焦距是30cm，SLM所成真實圖像在相對SLM距離18.3cm~21cm的位置，相對于凹面鏡的物距是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，再加上人眼到擋風玻璃的距離30cm，可得相對于人眼的像距為3m~30m。

    圖13為用相機在3m到30m的不同距離捕捉到的HUD圖像。實驗發(fā)現(xiàn)，與背景中的消防器清晰度相比，相機在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，一個是LED光源的空間相干性較低，一個是凹面鏡高度離軸幾何成像引起的像差，擋風玻璃也可能引入了部分像差以及場曲。

圖12 HUD系統(tǒng)樣機。

圖13 相機拍攝的在3m像距和30m像距之間變換的HUD成像效果。

    圖14是基于心理物理測試的視差法驗證了物理圖像位置（距離），綠T代表所成虛像位置，黃色小棍作為測量中的參照物代表實際物體位置。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視點的相對橫向位移。

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

圖14 用視差法驗證像距。

    五、 結論

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

    通過光學與機械的優(yōu)化設計，在整個眼動范圍內（120mm×60mm）獲得了高質量的圖像，遠焦面（9m，10°×3°）和近焦面（2.5m，6°×2°）。最后還制造了一個基于6.6cm LCD的AR-HUD產(chǎn)品。實驗驗證了圖像質量高以及兩個不同的投影距離。此外，與兩個分離PGU的HUD相比，這款AR-HUD體積緊湊為 8.5L，這可以幫助它應用于小型車輛，提高行車安全性和駕駛體驗。

    5.2可變焦HUD通過組合全息成像和幾何成像技術，實現(xiàn)了無機械移動的可調節(jié)像距在擋風玻璃前3m~30m的HUD。這個調節(jié)范圍可通過改變SLM的調制度、凹面鏡的光焦度以及凹面鏡與SLM之間的距離來實現(xiàn)。