汽车HUD影像重影原因详解及三种解决方案

HUD将挡风玻璃作为虚拟图像和真实场景的结合器，来自HUD的光线会经由挡风玻璃反射至人眼，使驾驶员能够看到投影的虚像。挡风玻璃存在一定的厚度，也就是说，它有两个表面。当光机中的一束光线以斜角入射时，因空气和玻璃介质折射率的不同，光线会在挡风玻璃的第一表面分别发生反射和折射；而折射后的光线在触达玻璃第二表面之后，会继续发生反射和折射^[1]。

由此，同一束入射光线通常会在挡风玻璃的第一、第二表面上发生两次反射，而这两次的反射光线并不会完全重合，两者会以错开的形式到达人眼；如图(1)所示，内外两层玻璃分别反射的光线同时入眼，形成两个内容相同、位置错开的图像^[2]。由挡风玻璃第一表面反射的图像是我们需要的主图像，而由第二表面反射的图像就是人们通常说的重影。通常重影的亮度相较于主图像更低，主图像和重影图像之间的间距（单位为毫米）或该间距对人眼的张角（单位为′或者mrad）可用于评价重影^[3]。

重影的存在不仅会降低成像质量，而且还会给观看者带来眩晕感，影响驾驶者的行车体验。

光具有偏振态，自然状态的光（如太阳光）处在随机偏振态，当随机偏振光从一个均匀介质（如空气）传播到另一个均匀介质（如挡风玻璃）时，在两者的表面，一部分光会发生折射，而另一部分光则会发生反射。以光线入射面为基准，把所有不同偏振方向的光进行分解，可以得到与入射平面平行的和与入射平面垂直的光^[8]。学界将前者称为P光（P为德语parallel的缩写），后者为S光（S为德语单词senkrecht的缩写，译为perpendicular），图(1)展示了P光和S光在此光学系统中的定义。

图 (1).P光和S光定义

当偏振光从空气入射玻璃时，会在玻璃表面发生反射，图(2)描述了P光和S光在空气-玻璃界面中的反射率^[9]。可以看出，在该界面上，S光反射率相较P光较高，即当光线从空气入射到风挡时，反射光线主要为S光。

图 (2).P光和S光在空气-玻璃界面中的反射率

在光从空气到玻璃的表面以57度左右（假设玻璃折射率n=1.5）的角度入射时，P光的反射率为0，这个角度即为布鲁斯特角^[10]。当随机偏振光以布鲁斯特角从空气入射玻璃，P光的反射率最低，几乎等同于不参与反射^[10]。利用P光在布鲁斯特角下反射率为0的特点，可以进行HUD中重影的减弱或消除。

上文提到，虽然P光反射率为0，S光依旧会在挡风玻璃前后两个表面进行反射，使人眼接收到两个虚像。所以单凭布鲁斯特角并不能解决重影问题。

图 (3).仅以布鲁斯特角入射，重影依旧存在

#参考来源：

[1]Born and Wolf. (1959). "Principles of Optics". New York, NY: Pergamon Press INC.

[2]Gao Lei. (2014). "Introductionof Head Up Display (HUD)". China Terminology, 16(zk1): 19-21.

[3]Huang Xingzhou. (2019). "Research on optical module technology of vehicle head-up display system". Chengdu: Institute of Optoelectronic Technology, Chinese Academy of Sciences.

[4]Feng Haigang, Li Lin. (2005). "The history and development prospect of polyvinyl butyral (PVB) film". Foreign Plastics, 23(10): 42-43.

[5]Wang Hu, Quan Yangke, Guo Hongling, et al. (2008). "Research on the identification method of automobile windshield". Criminal Technology, 2008 (2): 6.

[6]Derlofske, John Van, et al. (2019). "Invited Paper: New Optical Films for Next Generation AR Head Up Displays (HUDs)". SID Symposium Digest of Technical Papers. Vol. 50. No. 1. 

[7]Van Derlofske J, Pankratz S, Franey E. (2020). "New film technologies to address limitations in vehicle display ecosystems". Journal of the Society for Information Display, 28(12): 917-925.