袁敏敏　張淑芳

【摘? 要】隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們對安全駕駛的重視，汽車安全配置也更豐富。汽車抬頭顯示系統(tǒng)作為提高行車安全配置之一，配置率也逐年提高。HUD是一個(gè)光學(xué)產(chǎn)品，其雜散光會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)和行車安全。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中消除雜散光干擾，對提高成像品質(zhì)尤為重要。本文簡單介紹HUD雜散光典型路徑、雜散光仿真以及消除方法。

【關(guān)鍵詞】抬頭顯示；雜散光；ZEMAX；光跡追蹤

中圖分類號(hào)：U463.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）06-0078-03

Analysis and Simulation on HUD Stray Light

YUAN Min-min，ZHANG Shu-fang

（Technical Research Centre，Wuhu Automotive Prospective Technology

Research Institute Co.，Ltd.，Wuhu 241009，China）

【Abstract】With more focus on safely driving and development of automobile industry，the security configuration is more sufficient. The HUD has been increasingly equipped，as a significant safety system. HUD as an optical device，the stray light effects the secure driving intensively. Therefore，it's important to reduce the stray light to ensure the quality of display. This paper introduces the typical path of HUD stray light， simulation of stray light， and elimination methods.

【Key words】HUD；stray light；ZEMAX；ray trace

1? 概述

隨著人們對駕駛安全和駕駛舒適度的越來越重視，車載抬頭顯示系統(tǒng)（Head-up Display，HUD）近年也倍受關(guān)注。車輛的抬頭顯示系統(tǒng)是一種基于人機(jī)工程學(xué)優(yōu)化的儀表系統(tǒng)，可以把車輛的重要信息，如車速、擋位、車道偏離、導(dǎo)航、胎壓等信息，通過前風(fēng)擋玻璃投影的方式顯示在車輛前方。駕駛員無需低頭，即可了解車輛行駛狀態(tài)，增加行車安全。但是設(shè)計(jì)不良的HUD有可能存在干擾駕駛員視線和判斷的問題，從而對行車安全造成威脅。

雜散光就是上述干擾因素中重要的一點(diǎn)。對于雜散光的定義有各種說法，總的來說，雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中非正常傳輸光的總稱，產(chǎn)生于漏光、投射光學(xué)表面的殘余反射和鏡筒內(nèi)壁等非光學(xué)表面的殘余反射，以及由光學(xué)表面品質(zhì)問題產(chǎn)生的雜散光[1]。

研究雜散光的來源是解決雜散光問題最有針對性的手段[2]。根據(jù)雜散光光源與光學(xué)系統(tǒng)相對位置，光源可分為外光源和內(nèi)光源。從外光源發(fā)出的光線形成的雜散光稱為外雜散光，從內(nèi)光源發(fā)出的光線形成的雜散光稱為內(nèi)雜散光[3]。

下面將通過分析雜散光典型路徑，對實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)建模、仿真，找出雜散光來源并提出消除建議。

2? HUD雜散光典型路徑

HUD系統(tǒng)正常的光線路徑是光線由PGU發(fā)出，經(jīng)過小反射鏡反射到大反射鏡，再經(jīng)過大反射鏡的反射，出射到前風(fēng)擋玻璃，經(jīng)由前風(fēng)擋玻璃再次反射進(jìn)入人眼，在視線前方成像。圖1為HUD光路示意圖。

HUD系統(tǒng)為了匹配不同身高和駕駛習(xí)慣的駕駛員，通過曲面鏡一定角度的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大眼盒范圍，這樣導(dǎo)致反射鏡在任意一個(gè)特定的位置時(shí)，邊界余量較大，這大大增加了雜散光產(chǎn)生的機(jī)率。

HUD系統(tǒng)的雜散光產(chǎn)生主要來自兩部分：一部分為外部光線進(jìn)入車內(nèi)，在HUD表面或內(nèi)部多次反射后在風(fēng)擋玻璃反射進(jìn)入人眼，造成成像干擾；另一部分由HUD內(nèi)部像源光線經(jīng)過內(nèi)部不正常光路出射到風(fēng)擋玻璃，反射進(jìn)入人眼造成干擾。

HUD系統(tǒng)除上述主要光學(xué)部件之外還有布置在出口位置的防塵膜和減少漏光的遮光罩等部件，如圖2所示。下面將分別對外部和內(nèi)部雜散光路徑進(jìn)行分析。

2.1? 外部雜散光

外部雜散光的產(chǎn)生原因主要是由外光源引起，比如太陽光、路燈燈光等。由于前風(fēng)擋玻璃的透明屬性，外部光線很容易進(jìn)入車內(nèi)，產(chǎn)生造成干擾的雜散光，由太陽光（環(huán)境光）造成的雜散光路徑主要有以下兩類，如圖3所示。

2.2? 內(nèi)部雜散光

內(nèi)部雜散光主要是由HUD內(nèi)部高亮度像源產(chǎn)生的。像源發(fā)出的光線除去正常路徑之外，還在內(nèi)部光學(xué)反射鏡之間多次反射、在透射元件表面反射、機(jī)械結(jié)構(gòu)表面散射等，其內(nèi)部路徑主要?dú)w類為以下幾類，如圖4所示。

3? 雜散光仿真及消除方法

根據(jù)上文分析的雜散光典型路徑，借助計(jì)算機(jī)對當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案有目的地進(jìn)行仿真分析，找出雜散光產(chǎn)生部件，有針對地優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率。

目前國內(nèi)外廣泛使用的雜散光仿真分析軟件有ASAP、tracepro、optiCAD等[3]，光學(xué)設(shè)計(jì)綜合軟件code V、ZEMAX也有很強(qiáng)的雜散光分析能力。本文采用ZEMAX對HUD系統(tǒng)的雜散光進(jìn)行仿真分析，找出雜散光路徑并進(jìn)行消除。

在ZEMAX非序列模式中，導(dǎo)入HUD各部件，并附相應(yīng)的材料屬性，外部與內(nèi)部雜散光分析光源設(shè)置不同，下文將詳細(xì)說明。

3.1? 外部雜散光仿真

對于HUD系統(tǒng)，我們只關(guān)注可進(jìn)入人眼的雜散光情況。光線從外部進(jìn)入車內(nèi)，經(jīng)過HUD系統(tǒng)后進(jìn)入人眼，利用光線可逆原理，簡化仿真模型，將人眼設(shè)置為光源進(jìn)行光線追跡，找出產(chǎn)生雜散光的部件進(jìn)行優(yōu)化。

HUD系統(tǒng)各部件導(dǎo)入序號(hào)見表1，并進(jìn)行光線追跡。

3.1.1? 外部雜散光（a）

這類雜散光主要是由防塵膜反射造成，光跡追蹤后可以通過路徑4-1-2-1找出。這部分雜散光可以通過出光口設(shè)置合理的高度來遮擋。如圖5a所示，不設(shè)置出光口時(shí)，大范圍的環(huán)境光可以通過防塵膜反射進(jìn)入人眼。圖5b中設(shè)置了一定高度的出光口后，逆向光線并沒有通過防塵膜反射到玻璃，說明環(huán)境光并不會(huì)通過防塵膜反射進(jìn)人眼范圍。這部分雜散光可以將防塵膜設(shè)計(jì)一定的弧度和一定高度的出光口去消除。

3.1.2? 外部雜散光（b）

這類雜散光是外部光線進(jìn)入HUD內(nèi)部，在像源面反射后原路返回，經(jīng)過前風(fēng)擋玻璃反射進(jìn)入眼盒范圍。這部分仿真按照表1中雜散光（b）導(dǎo)入各部件，并進(jìn)行光跡追蹤，可用路徑6-1-2-3-4-5-…進(jìn)行排查。如圖6的仿真結(jié)果顯示，像源面通過設(shè)計(jì)合理的角度來避免這部分雜散光的出現(xiàn)。

值得說明的是，這部分光線雖然不會(huì)按照進(jìn)入路線原路返回，但若是遮光罩表面不做消光處理，進(jìn)入的光線在遮光罩表面反射，同樣會(huì)產(chǎn)生雜散光。可通過將遮光罩賦散射材質(zhì)進(jìn)行仿真，本文只說明典型路徑，不做分析。

3.2? 內(nèi)部雜散光

內(nèi)部雜散光的仿真采用正向光路，將像源面設(shè)置為光源。同樣的，只關(guān)心可進(jìn)入眼盒范圍內(nèi)的部分，因此在仿真中，將眼盒設(shè)置為探測器來查看眼盒內(nèi)是否有雜散光進(jìn)入。各部件導(dǎo)入序號(hào)如表2所示，進(jìn)行光跡追蹤后分析結(jié)果。

本文中只關(guān)注進(jìn)入眼盒范圍的雜散光，并將眼盒設(shè)置成探測器，所以可以用ZEMAX中的字符串（H7）很容易找到撞擊到探測器的光線路徑，如圖7所示。

圖8中的a、b、c分別用軟件字符串篩選出2.2中對應(yīng)的雜散光a、b、c路徑。其中內(nèi)部雜散光a可通過內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)合理布局和遮光罩消除。將防塵膜與內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)定合理的距離來避免雜散光b。對于雜散光c，將遮光罩盡量縮緊，光學(xué)部件邊界余量合理來避免。同樣值得注意的是，除了遮光罩做消光處理外，光學(xué)反射鏡側(cè)邊也須做消光處理，如圖8d所示的雜散光就是由曲面鏡上邊界側(cè)邊反射產(chǎn)生的。

4? 總結(jié)

根據(jù)文中雜散光的路徑分析和仿真，HUD系統(tǒng)外部和內(nèi)部造成的雜散光可通過以下幾種方法來消除：①優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)；②增加消雜光光闌；③系統(tǒng)內(nèi)部噴消光漆或貼消光絨；④使用合理的遮光罩。

綜上所述，本文只是簡單地將HUD系統(tǒng)中常見的雜散光進(jìn)行分析，建立簡單的材料模型進(jìn)行仿真說明HUD典型雜光。遺憾的是，實(shí)際生產(chǎn)中，雜散光產(chǎn)生的緣由遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)仿真中復(fù)雜，這就需要在實(shí)際的生產(chǎn)及驗(yàn)證中不斷地去發(fā)現(xiàn)、思考和總結(jié)，再反過來豐富仿真環(huán)境，盡量在設(shè)計(jì)階段將危害嚴(yán)重的雜散光消除。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岑兆豐，李曉彤，朱啟華. 光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析[J]. 紅外與激光工程，2007，36（3）：300-304.

[2] 原育凱. 光學(xué)系統(tǒng)雜散光的消除方法[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2（1）：6-10.

[3] 韓星，吳含笑，王瀧儀. 復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射分析及抑制[J]. 應(yīng)用光學(xué)，2019，40（1）：1-6.

（編輯? 楊? 景）