光学角度看HUD的难点

作者：李恒

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我来从光学设计的角度说说有哪些难点吧。

首先解析一下HUD是什么原理吧。其实就是把车的前挡风玻璃当成反射镜，在驾驶员人眼前投射一个仪表盘的虚像。图像本身来自下方的电子发光屏，发出仪表盘的图形。

大概是这么个结构：

光学系统放大点，大概长这样：

来讲技术难点：

一、挡风玻璃的形状

车前挡风玻璃是个自由曲面，即没有任何对称性。一般的光学设计都会尽量要求旋转对称，否则成像可能会发生各种扭曲。回忆一下照哈哈镜的体验，弯曲的镜面会带来成像的各种扭曲，效果让人捧腹。但是在HUD系统中，如果下方发光屏发出的图像是正常无扭曲的，那么由于自由曲面挡风玻璃的缘故，到人眼里看到的图像就会有畸变。

解决方案？可以通过让系统中其它的反射镜也做成自由曲面，并最终抵消掉挡风玻璃带来的畸变。或者在发光屏放出来的图像本身经过一定的畸变处理，使得最终效果无畸变。

好在，挡风玻璃的扭曲程度一般不大，带来的图像畸变程度有限。有的设计厂家直接就忽略掉这点，倒也不会带来太灾难性的后果。也有另一种HUD的流派，不是用挡风玻璃作为反光屏，而是它自带反光板，这个反光板的形状就可以选取地更方便设计了，一般球面就好。这个叫做后装HUD，设计难度上会小很多。如下图：

二、重影

HUD设计中，挡风玻璃作为反光面。但是挡风玻璃有前后2个面啊！图像在前后2个面的反射都会进入人眼，如果不进行消除，就会是重影。就像下图所示：

解决方案？可以有多种不同的办法。在此介绍BMW公司HUD的对于重影的解决办法：在挡风玻璃内侧贴一层楔形塑料，即不同位置厚薄不同。这个楔形倾斜度，刚好可以把2次反射的光线聚成同一路。光路说明如下：

三、亮度

之前一直说把挡风玻璃当做反光面使用。但是它毕竟是块透明玻璃啊，能够反射回来的光只占总强度的百分之几，绝大部分光还是直接透出去的。黑夜里，由于车外光线弱，这些反射回来的光也够用了，但是白天，环境光很强，几乎是很难看见这个反射光的。

解决方案无非是HUD亮度可调，或者在挡风玻璃上贴膜增加反射。但是都不够理想。可以说至今还没有哪一款HUD在阳光好的白天能够达到理想的使用状态的。

四、人眼位置

驾驶员的脑袋不可能一直不动吧，所以HUD设计的时候要保证在一个较大的范围内都能看到清晰无畸变的图像。而且不同的驾驶者习惯的目视位置也不同。

解决方案？得做2点。首先HUD本身可视范围要大，光学设计专业术语叫eyebox要大，这点已经对光学设计方面有一定挑战了。其次HUD得有一定的位置调节能力，可以按照不同驾驶员的身高、坐姿等进行调节，一般通过移动旋转镜片来达成。

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