多组态AR-HUD光学系统

(一)本发明涉及的是一种多组态ar-hud光学系统，可用于提高汽车驾驶安全性和人车协调性，属于车载光学成像。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、近几年来，增强现实抬头显示(ar-hud)技术得到了一众消费者的青睐，ar-hud市场正处于迸发期。ar-hud益处在于驾驶员可避免俯视仪表盘与平视道路状况之间的焦点调节，免去暗室与明亮环境来回切换的暗适应、明适应。搭载ar-hud系统驾驶员可在平视状态下读取车辆行驶信息，尤其降低年长驾驶员的交通事故风险，增强驾驶协调性，提高人机效率。根据德国大陆集团抬头显示器市场发展预测数据显示，2025年全球hud装机量将达到1500万台，产品以w-hud为主，2030年接近3500万台，ar-hud份额将迅速增长。ar-hud具备近场、远场双显示功能，同时结合高级驾驶辅助系统(adas)，实现了人车合一，是未来抬头显示器的必然趋势。

2、byung-hyun kim等[doi:10.3807/josk.2016.20.4.481]设计了一款c-hud光学系统。离轴抛物面镜结合圆锥次镜，得到有效矫正线性散光和球面像差的离轴双镜系统，最后在lcd显示面后引入柱面透镜矫正非对称像差。通过联立主镜和次镜的子午、弧矢图像距离公式及次镜产生的三阶球差方程，解得离轴双镜系统的几何参数。设计实现超过50％的视场均方根光斑尺寸小于100μm，eyebox大小为130×50mm2，完成组合器2米处的10inch虚拟图像显示。该设计从像差理论出发，实现了近场hud的设计。

3、yoshitomo isomae等[doi:10.1109/mce.2019.2923898]设计了一款无零级衍射光的仅相位全息小型hud光学系统。-1级衍射光可由仅相位全息图抑制；零级衍射光由空间光调制器中像素的不均匀相位分布产生，其与重建图像重叠将降低重建图像的质量，可通过由透镜和仅吸收焦平面中心的空间滤光片(中心附着墨水的反射镜)消除，偏振分束器和四分之一波片可提高光的利用效率，全息平视显示器视野并未减小，该方案从物理光学的角度实现了近场hud的设计。

4、shili wei等[doi:10.1364/ao.58.001675]设计了一款离轴三反hud光学系统，pgu、平面镜及自由曲面镜布局在同一水平面，结构紧凑，易于组装。采用平面镜折叠光路，仅用自由曲面镜校正波前像差。在zemax中设置自由曲面镜位置后，通过solidworks的初始机械装配结构得到平面镜和pgu坐标。通过追踪虚拟图像到eyebox三个角的边缘光线，建立光线无遮挡约束方程，以确保从自由曲面镜到挡风玻璃的光线不被平面镜遮挡、从平面镜到自由曲面镜的光线不被pgu覆盖。该设计实现eyebox大小为80×40mm2，2.7m处获得240×120mm2的虚拟图像。针对8mm瞳孔直径，中心视场mtf>0.3@12lp/mm，接近衍射极限，最大畸变3.6％；针对6mm瞳孔直径，边缘视场mtf>0.3@8lp/mm，最大畸变4.6％。整体尺寸不大于20cm×16cm×7cm。该远场光路具备优异的光学性能，但未考虑近场、远场同时设计的双光路耦合的空间问题；同时，远场光路应实现连续多深度可调，以便和不同距离处的交通标识融合，实现更好的增强现实效果。

5、本发明公开了两种车载ar-hud光学布局，并针对布局1进行了研究设计分析。通过分配自由曲面反射镜和折叠镜的空间位置，将双光路耦合至共像面，共用一个pgu，提高了空间使用效率。同时，对远场光路进行了多深度连续显示的设计，实现不同距离处的交通标识的融合，达到了更好的增强现实效果。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种近场、远场双光路耦合至共像面的ar-hud光学系统，同时，远场光路通过调节3个折叠镜实现8m～24m连续多深度虚拟图像显示。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种多组态ar-hud光学系统。其特征是：它由近场虚像1、eyeobx2、风挡玻璃3、自由曲面反射镜4、pgu5、远场虚像6、和折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9组成。所述系统中采用逆光路设计，对于近场光路：近场虚像1发出的光线经由eyebox2反射到达风挡玻璃3，再非对称反射到自由曲面反射镜4，最后反射进入图像生成单元pgu5。对于远场光路：远场虚像6发出的光线经由eyebox2反射到达风挡玻璃3，然后非对称反射到自由曲面反射镜4，再依次经过折叠镜a7、折叠镜b8、折叠镜c9反射后进入图像生成单元pgu5。近场虚像1是共用pgu的近场图像源经过光学元件产生的悬浮于风挡玻璃前方放大的虚像，一般用于显示车速、导航、油耗等基本驾驶信息。eyebox2是驾驶员眼睛的活动区域，距离风挡玻璃900mm，人眼的双眼瞳孔距为65mm，eyebox设置为120mm×60mm可满足使用，提供了一定的调节余量。风挡玻璃3为非对称面型，通过自由曲面进行光学建模，易产生像散，增加了系统的像差矫正难度。自由曲面反射镜4为不规则非对称曲面，表面上个点曲率不同，通过zernike面型建模，尤其对系统的离轴像差和非对称像差进行矫正。pgu5将pgu平面分为近场、远场两个显示部分，分别显示基本车辆信息和中控娱乐信息、周围路况、行车警告、adas辅助驾驶信息等。远场虚像6是共用pgu的远场图像源经过光学元件产生的距离人眼8m的悬浮放大虚像，一般用于显示中控娱乐信息、周围路况、行车警告、adas辅助驾驶信息等。折叠镜a7、折叠镜b8、折叠镜c9三个折叠镜将远场光路折叠，并承担部分像差矫正工作，将远场光路折叠耦合至与近场光路共像面。

4、上述方案中，eyebox2、风挡玻璃3、自由曲面反射镜4、pgu5为近场、远场双光路的共用光学器件。特别的，远场光路经由折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9反射后耦合至与近场光路共像面。同时，以eyebox为参考面，近场虚像在竖直方向有-4°～-2°的下视角设计，远场虚像在竖直方向有-0.5°～2.5°的上视角设计，因此，近场、远场光路在共用光学器件风挡玻璃3、自由曲面反射镜4和pgu5表面具有不同的高度分布，这是双光路耦合的关键。

5、上述方案中，远场光路可通过折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9微动调节，实现远场光路8m～24m的连续多深度虚拟图像显示，所用pgu远场画面部分应具有画幅缩放功能以匹配系统倍率的变化。

6、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

7、(1)本发明通过近场、远场双光路耦合，实现了单pgu双光路的ar-hud设计，提高了车载空间使用效率。

8、(2)本发明在双光路的基础上，对远场光路进行了连续多深度显示的设计，实现8m～24m不同距离的交通标识融合，具备更佳的增强现实效果。。

9、(3)本发明近场、远场光路eyebox分别在±25mm、±100mm的水平调节范围内，仍保持优异的图像质量。

技术特征：

1.一种多组态ar-hud光学系统。其特征是：它由近场虚像1、eyeobx2、风挡玻璃3、自由曲面反射镜4、pgu5、远场虚像6、和折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9组成。所述系统中采用逆光路设计，对于近场光路：近场虚像1发出的光线经由eyebox2反射到达风挡玻璃3，再非对称反射到自由曲面反射镜4，最后反射进入图像生成单元pgu5。对于远场光路：远场虚像6发出的光线经由eyebox2反射到达风挡玻璃3，然后非对称反射到自由曲面反射镜4，再依次经过折叠镜a7、折叠镜b8、折叠镜c9反射后进入图像生成单元pgu5。

2.根据权利要求1所述的多组态ar-hud光学系统，其特征是：eyebox2、风挡玻璃3、自由曲面反射镜4、pgu5为近场、远场双光路的共用光学器件。特别的，远场光路经由折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9反射后耦合至与近场光路共像面。同时，以eyebox为参考面，近场虚像在竖直方向有-4°～-2°的下视角设计，远场虚像在竖直方向有-0.5°～2.5°的上视角设计，因此，近场、远场光路在共用光学器件风挡玻璃3、自由曲面反射镜4和pgu5表面具有不同的高度分布，这是双光路耦合的关键。

3.根据权利要求1所述的多组态ar-hud光学系统。其特征是：远场光路可通过折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9微动调节，实现远场光路8m～24m的连续多深度虚拟图像显示，所用pgu远场画面部分应具有画幅缩放功能以匹配系统倍率的变化。

技术总结
本发明提供的是一种多组态AR‑HUD光学系统。其特征是：它由近场虚像1、眼动范围(EYEBOX)2、风挡玻璃3、自由曲面反射镜4、图像生成单元(PGU)5、远场虚像6、和折叠镜a7、折叠镜b8和折叠镜c9组成。本发明可用于汽车近场、远场双层虚拟图像显示以及远场图像连续多深度调节显示，可广泛用于汽车安全驾驶等领域。

技术研发人员：蒋曲博,郭智元
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15