HUD中重影的產(chǎn)生以及消除重影的常用方法

    重影是HUD普遍存在的顯示現(xiàn)象，它會(huì)極大地影響觀看體驗(yàn)。本期我們將介紹重影產(chǎn)生的原理以及消除重影的常用方法。

重影的產(chǎn)生

    HUD將擋風(fēng)玻璃作為虛擬圖像和真實(shí)場(chǎng)景的結(jié)合器，來(lái)自HUD的光線會(huì)經(jīng)由擋風(fēng)玻璃反射至人眼，使駕駛員能夠看到投影的虛像。擋風(fēng)玻璃存在一定的厚度，也就是說(shuō)，它有兩個(gè)表面。當(dāng)光機(jī)中的一束光線以斜角入射時(shí)，因空氣和玻璃介質(zhì)折射率的不同，光線會(huì)在擋風(fēng)玻璃的第一表面分別發(fā)生反射和折射；而折射后的光線在觸達(dá)玻璃第二表面之后，會(huì)繼續(xù)發(fā)生反射和折射[1]。

    由此，同一束入射光線通常會(huì)在擋風(fēng)玻璃的第一、第二表面上發(fā)生兩次反射，而這兩次的反射光線并不會(huì)完全重合，兩者會(huì)以錯(cuò)開(kāi)的形式到達(dá)人眼；如圖(1)所示，內(nèi)外兩層玻璃分別反射的光線同時(shí)入眼，形成兩個(gè)內(nèi)容相同、位置錯(cuò)開(kāi)的圖像[2]。由擋風(fēng)玻璃第一表面反射的圖像是我們需要的主圖像，而由第二表面反射的圖像就是人們通常說(shuō)的重影。通常重影的亮度相較于主圖像更低，主圖像和重影圖像之間的間距（單位為毫米）或該間距對(duì)人眼的張角（單位為′或者mrad）可用于評(píng)價(jià)重影[3]。

    重影的存在不僅會(huì)降低成像質(zhì)量，而且還會(huì)給觀看者帶來(lái)眩暈感，影響駕駛者的行車(chē)體驗(yàn)。

圖 (1).普通擋風(fēng)玻璃上HUD重影的產(chǎn)生（非實(shí)際比例繪制）

    針對(duì)重影這一問(wèn)題，目前常見(jiàn)的解決方法是在風(fēng)擋中運(yùn)用楔形PVB膜——改變風(fēng)擋中PVB膜的形狀及厚度。除了楔形PVB膜之外，市面上也隨之誕生了其他新型消除重影的方式，本文還將介紹一些其他能解決重影問(wèn)題的技術(shù)路徑。

楔形PVB膜消除重影

    擋風(fēng)玻璃的構(gòu)造是“三明治”結(jié)構(gòu)，即兩層玻璃中間夾著一層PVB膜，PVB膜的主要作用為提高玻璃的抗沖擊強(qiáng)度，使玻璃破碎時(shí)碎片不飛濺，從而增強(qiáng)風(fēng)擋的安全性[4]。

    普通風(fēng)擋的PVB薄膜通常為上下統(tǒng)一、均勻的厚度，如圖(1)。市面上最常見(jiàn)的消除重影的方法，是將這層PVB膜改裝成楔形：從傳統(tǒng)的“等厚”，改為“上厚下薄”，呈現(xiàn)出一個(gè)立體的楔形角[5]。

    “上厚下薄”導(dǎo)致了楔形PVB膜的一個(gè)獨(dú)特功能：由于楔形角的存在，整個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)玻璃整體也呈現(xiàn)“上厚下薄”。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)玻璃第一表面折射后的光線在觸達(dá)風(fēng)擋玻璃第二表面后，反射高度及角度也隨之改變，使得入射光線在第一以及第二表面所形成的兩個(gè)虛像進(jìn)行重合，從而減弱重影現(xiàn)象（見(jiàn)圖(2)）[5]。

圖 (2).利用楔形PVB膜減弱HUD重影（非實(shí)際比例繪制）

    楔形膜可以讓駕駛員觀察到清晰的圖像，有效解決重影問(wèn)題，但該方法也存在一些缺點(diǎn)。首先，楔形膜需要根據(jù)每款配置HUD的車(chē)型設(shè)計(jì)，原因在于楔形膜角度與光線入射角度及虛像投影距離（VID）等因素相關(guān)，需同時(shí)考慮安裝位置、HUD光路及風(fēng)擋造型設(shè)計(jì)楔形PVB膜夾層[6]。其次，重影的完全消除需要精確的光學(xué)和楔形角實(shí)現(xiàn)，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的擋風(fēng)玻璃、楔形膜、HUD、及設(shè)備安裝的累計(jì)公差，重影和主圖像無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全重合，特別是在偏離眼盒中心位置的觀察角度下。所以即使加了楔形膜，在評(píng)價(jià)最終成像時(shí)，仍然能夠檢測(cè)到一定程度的重影[7]。由此，行業(yè)里通常仍會(huì)用重影率對(duì)HUD進(jìn)行考核評(píng)估，將其控制在一個(gè)合理的數(shù)值之下。最后，定制化的楔形PVB膜成本也較高，現(xiàn)階段楔形膜主要運(yùn)用于乘用車(chē)中。對(duì)于其他車(chē)型，如商用車(chē)及軌道交通等，楔形膜的成本會(huì)成倍上升，限制了HUD的拓展及應(yīng)用[7]。

其他新型消除重影的方式

    一種消除重影的技術(shù)路線為利用光的偏振特性，調(diào)控光線入射到擋風(fēng)玻璃后反射的偏振態(tài)，來(lái)減弱或者消除重影。為了更好地理解該技術(shù)路線，我們可以先了解兩個(gè)概念：光的偏振態(tài)和布魯斯特角。

偏振光與布魯斯特角

    光具有偏振態(tài)，自然狀態(tài)的光（如太陽(yáng)光）處在隨機(jī)偏振態(tài)，當(dāng)隨機(jī)偏振光從一個(gè)均勻介質(zhì)（如空氣）傳播到另一個(gè)均勻介質(zhì)（如擋風(fēng)玻璃）時(shí)，在兩者的表面，一部分光會(huì)發(fā)生折射，而另一部分光則會(huì)發(fā)生反射。以光線入射面為基準(zhǔn)，把所有不同偏振方向的光進(jìn)行分解，可以得到與入射平面平行的和與入射平面垂直的光[1]。學(xué)界將前者稱(chēng)為P光（P為德語(yǔ)parallel的縮寫(xiě)），后者為S光（S為德語(yǔ)單詞senkrecht的縮寫(xiě)，譯為perpendicular），圖(3)展示了P光和S光在此光學(xué)系統(tǒng)中的定義。

圖 (3).P光和S光定義

    當(dāng)偏振光從空氣入射玻璃時(shí)，會(huì)在玻璃表面發(fā)生反射，圖(2)描述了P光和S光在空氣-玻璃界面中的反射率[2]。可以看出，在該界面上，S光反射率相較P光較高，即當(dāng)光線從空氣入射到風(fēng)擋時(shí)，反射光線主要為S光。

圖 (4).P光和S光在空氣-玻璃界面中的反射率

    在光從空氣到玻璃的表面以57度左右（假設(shè)玻璃折射率n=1.5）的角度入射時(shí)，P光的反射率為0，這個(gè)角度即為布魯斯特角[5]。當(dāng)隨機(jī)偏振光以布魯斯特角從空氣入射玻璃，P光的反射率最低，幾乎等同于不參與反射[5]。利用P光在布魯斯特角下反射率為0的特點(diǎn)，可以進(jìn)行HUD中重影的減弱或消除。

    前文提到，雖然P光反射率為0，S光依舊會(huì)在擋風(fēng)玻璃前后兩個(gè)表面進(jìn)行反射，使人眼接收到兩個(gè)虛像。所以單憑布魯斯特角并不能解決重影問(wèn)題。

圖 (5).僅以布魯斯特角入射，重影依舊存在

    為了實(shí)現(xiàn)無(wú)重影投射，我們可以在光學(xué)系統(tǒng)中使用一種產(chǎn)生P光的光機(jī)，對(duì)于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由光機(jī)產(chǎn)生的線偏光將全部以P光的偏振態(tài)射入擋風(fēng)玻璃�；�于P光在空氣至玻璃界面的弱反射性[3]，以布魯斯特角入射的P光光線在第一層玻璃無(wú)反射，僅有折射；折射的光線會(huì)產(chǎn)生P光以及S光，該組合到第二層玻璃的表面會(huì)發(fā)生反射以及折射，此時(shí)少部分的光會(huì)經(jīng)由反射最終到達(dá)人眼。因此，通過(guò)P光光機(jī)以及布魯斯特角的配合，可以實(shí)現(xiàn)重影的消除。

透明納米膜

    在上述方法的基礎(chǔ)上，為了提高虛像亮度，可在使用P光光機(jī)且布魯斯特角入射的前提下，于擋風(fēng)玻璃內(nèi)添加一層P光反射膜，可將折射進(jìn)入玻璃的P光在反射膜處反射，從而提供無(wú)重影的虛像。該反射膜一般由多層結(jié)構(gòu)組成，呈現(xiàn)高透明度以及對(duì)P光的較高的反射率，業(yè)界有稱(chēng)之為透明納米膜。此外，該膜有時(shí)也會(huì)在布魯斯特角左右的一定入射角度內(nèi)單獨(dú)使用，或者配合楔形膜進(jìn)行使用[6]。

圖 (6).以布魯斯特角入射，配合P光光機(jī)和透明納米膜，可消除重影

    如上文介紹，使用偏振方法消除重影需使用P光光機(jī)、布魯斯特角、甚至P光反射膜，所以該系統(tǒng)對(duì)于入射角度的要求較為苛刻，較難滿足不同車(chē)型以及擋風(fēng)玻璃的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)該方法也增加了HUD的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。此外，當(dāng)入射角度在以布魯斯特角為基準(zhǔn)、上下一定范圍浮動(dòng)時(shí)，P光反射像的亮度會(huì)小于原像的1%，也就是說(shuō)成像亮度也可能會(huì)受到影響[4]。

Parallel Vector（PV）重影消除技術(shù)

    不同于楔形PVB膜方案偏振方案，睿維視發(fā)明了平行矢量PV技術(shù)，該技術(shù)可通過(guò)對(duì)核心光學(xué)器件自由曲面以及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無(wú)需使用楔形膜或者偏振光，即可實(shí)現(xiàn)重影的消除。PV技術(shù)已經(jīng)過(guò)4年的開(kāi)發(fā)認(rèn)證，可適配不同厚度和傾斜角度的風(fēng)擋玻璃，不同的入射角度，不同的虛像距離VID，以及不同類(lèi)型的光機(jī)（TFT、DLP、LCoS、LBS），已有多個(gè)量產(chǎn)項(xiàng)目上搭載了該技術(shù)。