成果推介 | 自由曲面车载抬头显示光学系统

【所属领域】

光学应用

【技术背景】

AR、VR技术已经广泛地应用到了汽车驾驶、军事、教育培训、电子游戏、工业生产以及医疗诊断等国民生活中各个领域。而在汽车辅助驾驶领域，AR技术最为典型的应用范例之一则是车载抬头显示系统。抬头显示系统（Head up display, HUD），也叫做平视显示系统。车载抬头显示系统可以将行车的重要信息如行驶速度、导航信息等通过显示系统投射到挡风玻璃上，再通过挡风玻璃反射给驾驶员，从而避免驾驶员在行车过程中频繁低头看仪表盘、导航仪或者车载屏幕等过程中造成的视野盲区。一般说来，仪表盘的形状、信息显示亮度、仪表颜色、显示内容理解难易程度、驾驶员心理、生理等因素都会对驾驶员的视认时间产生影响。对于抬头显示系统，需要驾驶员眼球在一定区域范围内移动时均能观察到清晰的虚像，同时高像质和紧凑的光学结构也是抬头显示光学系统的设计要求。

【痛点问题】

传统的车载抬头显示系统存在颜色单一、显示视场小、字符清晰度差、对比度低、尺寸较大的问题，而现有技术研究基本都是整体单元设计或者电路模块设计，而缺乏对其光学系统的研究。国外少量的相关杂质上发表了车载抬头显示光学系统的结构设计，但是为了避免由于不同车型的挡风玻璃不同而需要分别单独设计的问题，这些设计中，多半是将图像源投影到一个附加的光学表面上，而不是投影到挡风玻璃上，这样的设计结构相比于直接投影至挡风玻璃的设计结构会导致驾驶体验和安全性均有所降低。

【成果介绍】

本成果提出一种结构简单紧凑、体积小且像差校正良好的车载抬头显示光学系统，在汽车挡风玻璃前形成一个失真较小的虚像，以保证驾驶员能够在行驶道路上看到清晰的图像，从而消除驾驶员在路况和行车辅助信息之间眼球聚焦切换不同位置而造成的视觉盲区，提高驾驶员的驾驶体验和安全性。其核心技术是一种自由曲面离轴三反设计结构，该结构使用自由曲面反射镜矫正像差，平面反射镜折叠光路，同时自由曲面反射镜、平面反射镜与图像源位于同一水平平面上使光学结构紧凑、易于装调。自由曲面由于其极高的设计自由度可以在保证系统成像质量的同时保持光学系统的紧凑与轻量。

【性能指标】

实现了80mm×40mm超大光瞳范围内清晰成像。

【应用领域】

汽车辅助驾驶