[分享]光学设计经验基础：车载HUD的起源和发展 [复制链接]

HUD（抬头显示器）和许多高科技产品一样，都是是从军事领域转移到民用技术领域的。最初作为飞行员辅助驾驶的显示系统出现在上世纪60年代的战斗机上。 f{y]  
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　　这种飞行员辅助驾驶显示系统可以将飞行驾驶时所需要的飞机状况及外部重要信息如飞机飞行参数、瞄准攻击等信息通过投影单元投射到飞行员前方的组合玻璃或飞行员头盔等显示装置上。 a -xW8  
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　　其原理是通过将光学瞄准刻度的图像反射到飞行员座舱前方的透明玻璃板上，然后让透明玻璃板反射图像光线进入飞行员的眼中，最后通过一个特定的光学系统在飞行员前方投影出虚像。 QP6z?j.  
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　　随着HUD光学系统在飞机上的使用变得越来越普遍，美国通用公司在1988年第一次将HUD技术融入到汽车研发部分，初现雏形的设计思路在当时只能投影出简单的车速信息供驾驶者观看，但这种迁移过来的技术受到了业内外的广泛关注和讨论。 ^Yj"RM$;N  
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　　福特公司在2001年开始推广能够显示彩色信息HUD的车型，在很大程度上满足了人们的视觉享受；在2003年，宝马公司开始在欧洲市场销售配有HUD的汽车；随后，在2006年，凯迪拉克也推出了一款内部配置的HUD可以投影出色彩丰富并且可以切换颜色的虚像信息的车型；在2013年，德州仪器另辟新路，开始向增强现实方向迈进，对HUD技术领域进行更前沿的扩展。随后，国内外一些高端汽车品牌不断在陆续研发的车型中配备HUD系统。 ="uKWt6n'  
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　　随着汽车市场的发展以及市场需求的拓宽，目前市面上应用最多的HUD类型是汽车前风挡玻璃型HUD（Windshield HUD，W-HUD）和增强现实型HUD（Augmented Reality HUD,AR-HUD）。 cS<TmS!  
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　　W-HUD的前身是组合型HUD，即C-HUD，它是W-HUD的过渡版本。一开始研发HUD的时候考虑到汽车前挡风玻璃的面型具有不可控的因素，如果把它作为成像光路中最终反射显示元件的话整个系统的像差是很难解决的，因此，设计的时候会在风挡放置一块透明玻璃板，让它代替风挡玻璃的作用，使所成的虚像显现在玻璃板上面。这种设计方法的优点就是降低了光学设计难度；缺点是仪表盘上方狭小的空间导致透明玻璃板的面积较小，投影距离非常短，而且在车辆发生交通事故时透明玻璃很容易误伤到驾驶员或者乘客，安全系数较低。因此，C-HUD设计方案很快就被市场所淘汰，替代它的就是W-HUD。 xn(+G$m  
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　　W-HUD是利用汽车前挡风玻璃作为最终投影显示的元件进行设计的，汽车前风挡玻璃将虚像光线反射到驾驶员眼睛中，从而在汽车前方显示虚像信息。由于不同车型的前挡风玻璃形状不同，W-HUD需要特定的光路设计，整个系统必须集成在汽车仪表台内部有限且狭小的空间中。为此，W-HUD光路结构设计和元件选型都需要满足需求，目前光路结构采用离轴三反式，元器件采用自由曲面的反射镜。但是，风挡玻璃面型的唯一性决定了每一种型号的W-HUD都要根据车型去设计，并且是目前市场上主要使用的款型。 .A3DFm3t  
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　　随着增强现实（Augmented Reality,AR）技术概念的提出和后续技术不断成熟起来，HUD行业相关研发人员在市场上提出了新的设计方案，即使WHUD与增强现实（Augmented Reality,AR）技术相融合。二者结合带来的创新产物具有很多的优点，它不仅能为驾驶员显示仪表信息和导航信息，还可以根据车身周围环境提供瞬时变化信息，以上信息都会投射到汽车HUD虚像中，从而为驾驶员的安全行驶保驾护航，这种汽车HUD被称作AR-HUD。 \*f;!{P{  
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　　AR-HUD与C-HUD和W-HUD主要的区别之处有以下几点：一是拥有更大的视场角，驾驶者就能看到更大的投影画面，并且投影显示的信息也能更丰富；二是成像距离变的更远；三是车况信息和导航信息都能和现实路面相融合，让驾驶者犹如身临其境，这种技术是目前汽车HUD研发的前沿领域。 #/OUGeJ  
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