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针对车载抬头显示器阳光倒灌的检测设计

光学技术 2023年第4期49卷 418-423页

作者：王旭蒋世磊陈晓伟王波冉坐西安工业大学光电工程学院陕西西安710021 惠州市华阳多媒体电子有限公司广东惠州516005

设计完成了一款具有特定结构的光阑,光阑孔径深度设计为15mm,光阑孔径张角设计为左右张角各为10°,上方张角设计为6.5°,下方张角设计为3°,光阑安装在一级反射镜后,光阑中心线与对应主光线重合,同时采用双光电传感器与多温度传感器作... 详细信息

设计完成了一款具有特定结构的光阑,光阑孔径深度设计为15mm,光阑孔径张角设计为左右张角各为10°,上方张角设计为6.5°,下方张角设计为3°,光阑安装在一级反射镜后,光阑中心线与对应主光线重合,同时采用双光电传感器与多温度传感器作为信号探测器接收信号幅值。通过特定孔径深度、张角等结构设计的光阑使得边界内、外幅值区分明显且幅值成正态分布,结合传感器的使用将光照强度及像源面温度以数值显示,便于检测标定。这检测设计光阑体积小、检测效果明显、成本低,通过光阑与传感器的逻辑配合使用,可以用于车载抬头显示器阳光倒灌的检测,对车载抬头显示器行业起到一定借鉴作用。

关键词：应用光学抬头显示器阳光倒灌光阑传感器

自由曲面车载抬头显示器的光学设计及公差分析

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光子学报 2020年第9期49卷 44-55页

作者：张杨柳苏宙平潘红响陈兴涛张文裕江南大学理学院江苏无锡214122 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122

设计了一种自由曲面车载抬头显示器(Head-up Display,HUD)光学系统.在HUD光学系统初始结构设计中,基于种子曲线扩展算法,对HUD中两个自由曲面上的采样数据点进行计算,并拟合成扩展多项式.将设计的HUD光学系统初始结构进行光线追迹,验证... 详细信息

设计了一种自由曲面车载抬头显示器(Head-up Display,HUD)光学系统.在HUD光学系统初始结构设计中,基于种子曲线扩展算法,对HUD中两个自由曲面上的采样数据点进行计算,并拟合成扩展多项式.将设计的HUD光学系统初始结构进行光线追迹,验证了设计结果.结果表明,在0.5mm光线采样间隔下,初始光学系统的性能达到了衍射极限,可作为进一步全视场优化的起点.对系统进行优化,利用多重结构模拟人眼在孔径光阑移动范围(眼动范围)内的观察情况,对于不同的孔径光阑位置,光学系统的调制传递函数在6lp/mm下均大于0.5,接近衍射极限,并且系统畸变小于2%.最后对系统中的自由曲面反射镜进行面形公差分析,两个曲面在其各自面形公差峰谷值分别为0.42μm和0.62μm下的调制传递函数均高于0.3,完全满足现在自由曲面加工精度.

关键词：抬头显示器种子曲线扩展法自由曲面采样间隔公差分析

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变焦型双光路车载抬头显示光学系统设计

光学学报 2024年第14期 199-209页

作者：田曼力薛常喜长春理工大学光电工程学院长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室

提出了一种变焦型双光路增强现实抬头显示光学系统，并利用矢量像差理论进行初始结构设计。该系统用两块图像生成单元搭建近光路和远光路，分别用于显示基础信息和交互信息，且远光路成像距离可在一定范围内进行连续调节，最终得到了一... 详细信息

提出了一种变焦型双光路增强现实抬头显示光学系统，并利用矢量像差理论进行初始结构设计。该系统用两块图像生成单元搭建近光路和远光路，分别用于显示基础信息和交互信息，且远光路成像距离可在一定范围内进行连续调节，最终得到了一个眼盒大小为120 mm×60 mm、视场角分别为5°×1°和10°×5°、成像距离分别为2.5 m和10～20 m的双光路车载抬头显示系统。本研究为增强现实抬头显示系统提供了一种新的设计结构，提高了增强现实显示效果。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实变焦平面矢量像差理论

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用于汽车抬头显示器的光学增亮膜设计

光学精密工程 2019年第7期27卷 1426-1434页

作者：冯奇斌武晨晨李德华王梓吕国强合肥工业大学特种显示技术国家工程实验室现代显示技术省部共建国家重点实验室光电技术研究院安徽合肥230009 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

为了降低直下式背光的厚度并提升亮度,设计了一种光学增亮膜。基于Snell定律设计了对单个LED发出光线起均匀照度作用的二维微结构曲线。该微结构曲线是把LED看做理想点光源设计并计算的,但考虑到实际的LED是一个正方形发光面,因此对该... 详细信息

为了降低直下式背光的厚度并提升亮度,设计了一种光学增亮膜。基于Snell定律设计了对单个LED发出光线起均匀照度作用的二维微结构曲线。该微结构曲线是把LED看做理想点光源设计并计算的,但考虑到实际的LED是一个正方形发光面,因此对该微结构曲线进行了优化,提升了它对实际尺寸LED的均匀照度作用。根据LED的排布规律提出了一种正六边形蜂窝拼接排布方案,并进行了仿真分析。仿真结果表明:使用光学增亮膜的背光中心亮度提升了172.4%。根据微结构设计结果采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试,测试结果表明:中心亮度提升了136.2%,厚度降低了13mm。采用本文设计的光学增亮膜可以有效地提高背光亮度同时降低背光厚度,满足汽车抬头显示器的直下式背光亮度高、体积小的要求。

关键词：直下式背光微结构增亮膜抬头显示器

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车载抬头显示器系统研究

汽车实用技术 2020年第18期45卷 27-33页

作者：武刚赵光琪李剑云南省公路科学技术研究院云南昆明650051 水富公路分局云南昭通657800 绥江公路分局云南昭通657700

为了解决汽车司机驾驶时需要频繁低头查看仪表盘时容易忽略前方路况信息,从而造成交通事故发生的问题,将早期应用到战斗机上的抬头显示系统(Head Up Display,以下简称HUD)引用到汽车上,使司机无需低头即可查看车辆运行时的一些重要参数... 详细信息

为了解决汽车司机驾驶时需要频繁低头查看仪表盘时容易忽略前方路况信息,从而造成交通事故发生的问题,将早期应用到战斗机上的抬头显示系统(Head Up Display,以下简称HUD)引用到汽车上,使司机无需低头即可查看车辆运行时的一些重要参数信息。采用STM32单片机作为主控,将接收到的数据信息显示在像源上,将像源中的信息透射到反光镜中,再反射到合成器上,司机通过合成器即可观察到像源上显示的内容。为了验证本设计的HUD上能显示准确的温度值并且显示的信息能随环境亮度而变化,采用温度传感器采集水温的信息来模拟温度传感器采集汽车水箱的温度信息;采用光敏传感器检测不同光照强度来调节像源的亮度。实验结果表明,像源能在不同光照强度下都能实时显示水温变化的信息,且在合成器上显示的信息稳定、可靠。

关键词：汽车工程抬头显示器 STM32单片机像源温度传感器光敏传感器

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STM32的车载雷达预警抬头显示器设计

单片机与嵌入式系统应用 2018年第4期18卷 69-73页

作者：陈星旭李世民重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

本文是基于STM32便携式车身全方位雷达抬头显示器的硬件和软件程序设计。与传统OBD车载器相比,该车载抬头显示器既可以监测车身在泊车过程中的危险距离并可产生预警提示,又可以在车辆运行中精确定位安全距离的方位。该方案设计的全方位... 详细信息

本文是基于STM32便携式车身全方位雷达抬头显示器的硬件和软件程序设计。与传统OBD车载器相比,该车载抬头显示器既可以监测车身在泊车过程中的危险距离并可产生预警提示,又可以在车辆运行中精确定位安全距离的方位。该方案设计的全方位抬头显示器可以投影显示汽车运行参数和周围雷达测量距离,能够给驾驶人员提供一个驾驶安全预警提示值。结合STM32控制单元作为数据处理依据,使用超声波雷达传感器测量车辆周围距离信息,配合OBD II接口读取车辆信息,最终将提示信息显示在抬头显示器上。

关键词： STM32 车载超声波雷达抬头显示器 OBD II接口

基于双图像生成器的双焦面抬头显示系统光学设计

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光学学报 2022年第14期42卷 180-185页

作者：孔祥旭薛常喜长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022

增强现实型抬头显示器拥有比传统抬头显示器更加丰富的显示内容。理想的增强现实型抬头显示器需要显示多个不同深度的虚像来呈现基础与交互信息,但传统的解决方案多为通过高速旋转反射镜或光学变焦系统来显示两种深度的内容,可靠性较低... 详细信息

增强现实型抬头显示器拥有比传统抬头显示器更加丰富的显示内容。理想的增强现实型抬头显示器需要显示多个不同深度的虚像来呈现基础与交互信息,但传统的解决方案多为通过高速旋转反射镜或光学变焦系统来显示两种深度的内容,可靠性较低,存在驾驶安全隐患。提出了一种采用两块图像生成单元和单块自由曲面镜实现双焦面显示的离轴反射式光学结构,通过添加一块平面反射镜增加远场光路物距,从而实现双焦面的显示,最终得到一个视野盒大小为130 mm×50 mm、视场角分别为5°×1°和10°×5°、虚像距离分别为2.5 m和7.5 m的双焦面抬头显示器系统。该研究结果不仅满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求,景深的显示效果也同样得到了改善。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实自由曲面双焦面

车载多焦面抬头显示系统的设计与制造技术研究

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车载多焦面抬头显示系统的设计与制造技术研究

作者：孔祥旭长春理工大学

学位级别：硕士

伴随着汽车朝着更高智能化、网联化的方向发展,智能座舱也随之进入发展快车道,而增强现实型抬头显示器（Augmented Reality Head-Up Display,AR-HUD）则是智能座舱中高效的人机交互窗口。它产生的虚像信息与真实路面进行实时叠加,帮助... 详细信息

伴随着汽车朝着更高智能化、网联化的方向发展,智能座舱也随之进入发展快车道,而增强现实型抬头显示器（Augmented Reality Head-Up Display,AR-HUD）则是智能座舱中高效的人机交互窗口。它产生的虚像信息与真实路面进行实时叠加,帮助驾驶员在开车的过程中不低头就可以看到重要信息,缩短了驾驶员的盲区时间。增强现实型抬头显示器提供比传统抬头显示器更加丰富的显示内容,但也同时在设计参数上提出了更高要求。根据行车安全性与人眼视觉特性分析,AR-HUD需要同时显示多个不同深度的虚像来呈现基础信息与交互信息。为了使AR交互信息在抬头显示器上达到理想的显示效果,本文主要开展了多焦面车载AR-HUD光学系统设计,以及自由曲面制造技术方面的研究工作。具体研究内容如下:首先,在大量文献调研的基础上,阐述了国内外车载抬头显示器发展的历史与现状,展望了增强现实技术与抬头显示器结合为驾驶体验带来的改变。随后以几何光学的角度分析了车载抬头显示器的成像原理,研究了离轴光学系统像差理论与自由曲面表达方式,讨论了车载抬头显示器的重影现象与消除方法,对抬头显示的设计流程与方法展开了详细的研究。然后,根据光学原理与人眼视觉特性,系统地分析了车载AR-HUD光学系统的参数性能要求,并进行了增强现实型抬头显示器的设计工作。首先设计了一种单焦面AR-HUD光学系统,借助Zemax Opti Studio对光路进行了建模优化,并对系统成像质量进行分析。随后研究并设计出一种基于自由曲面的双焦面抬头显示器光学系统,设计采用离轴反射式结构,使用两块像源（Picture Generation Unit,PGU）、一块自由曲面镜与一块平面镜的设计结构,对自由曲面反射镜采用双光路单自由曲面分区域的划分使用,实现了共同复用一块反射镜,增加了设计的自由度。设计实例表明,该双焦面抬头显示器系统拥有视野盒为130mm×50mm,视场角分别为5°×1°和10°×5°,虚像距离分别为2.5m和7.5m。满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求,景深的显示效果也同样得到了增强。最后,研究了常见自由曲面加工方法、自由曲面面型和粗糙度检测的方法,对文中设计的抬头显示器的公差容错进行了初步分析,结果证明了该设计方案的正确性与可行性。随后对设计中的自由曲面反射镜进行加工,阐述了制造的设计与加工流程,完成了对加工样件的面型检测。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实自由曲面双焦面

基于双种子曲线扩展的离轴自由曲面反射系统设计

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基于双种子曲线扩展的离轴自由曲面反射系统设计

作者：张杨柳江南大学

学位级别：硕士

离轴自由曲面反射光学系统具有结构紧凑、无色差、光效率高、无遮拦等优点,在成像和非成像领域具有广泛的应用。该系统在成像光学领域的应用如望远镜、超短焦投影物镜、车载抬头显示器、超光谱成像仪等,在非成像光学领域的一个重要应用... 详细信息

离轴自由曲面反射光学系统具有结构紧凑、无色差、光效率高、无遮拦等优点,在成像和非成像领域具有广泛的应用。该系统在成像光学领域的应用如望远镜、超短焦投影物镜、车载抬头显示器、超光谱成像仪等,在非成像光学领域的一个重要应用是激光整形。对于离轴自由曲面反射光学系统设计,很难通过在专利库中寻找到合适的初始结构,然后通过优化获得比较好的光学性能。因此探索离轴自由曲面反射光学系统初始结构的设计方法具有非常重要的研究价值。本文提出了双种子曲线扩展算法(Double seed curve extension,DSCE),用两条种子曲线沿两个相反的方向进行扩展,产生了两组数据点来拟合一个自由曲面。该方法解决了单种子曲线扩展(Seed curve extension,SCE)的过程中,理论计算的法向矢量和实际法向矢量间的误差角累积增大的问题,能够有效提高自由曲面的构建精度。本文使用这种方法设计了离轴反射成像光学系统和离轴反射激光整形系统,论文的主要研究内容分为三个部分:1.分析了单种子曲线扩展算法(SCE)在计算自由曲面采样点的过程中,理论计算的法向矢量和实际法向矢量间的误差角产生的原因,揭示了误差角随着种子曲线扩展过程会累积增大。为了解决这一问题,论文提出了双种子曲线扩展算法(DSCE),该算法首先使用SCE算法计算了第一组数据点,以第一组数据点的最后一个点再作为初始点,然后进行逆向种子曲线扩展,这样就产生了两组数据点。使用这两组数据点进行自由曲面拟合,可以提高自由曲面的构建精度。为了能够设计多个自由曲面,在每个自由曲面的后面引进一个虚拟像点,分析了虚拟像点的位置对系统成像性能的影响。为了验证方法的有效性,设计了三个实例:自由曲面离轴单反系统、含两个自由曲面的紧凑型三反系统和“之”字形离轴三反系统。分别用SCE和DSCE这两个算法对这三个系统的初始结构进行设计。结果表明,利用DSCE算法设计的单反系统的调制传递函数(Modulation transfer function,MTF)相较于SCE算法由0.3提升到0.9,而紧凑型三反的MTF在20 lp/mm的空间频率下,由0.26提升至0.74,最后一个系统的MTF则整体提升了 0.6。由此可见,DSCE算法设计的系统初始结构的成像质量明显优于SCE算法。接着,以DSCE算法设计的系统作为后续优化的起点,设置多个视场进一步优化后,紧凑型三反系统的MTF在20 lp/mm下各视场均高于0.7,接近衍射极限,优化后的“之”字形三反系统的MTF大于0.6。两个系统的F数分别为2.2和3.4,全视场均为6°抬头显示器系统和超短焦投影系统,两个系统均为离轴反射结构。首先利用DSCE算法对这两个系统初始结构进行构建,在此基础上,利用光学软件进行全视场优化。优化后的抬头显示器系统在2.5 m的虚像视距下投射出260 mm×130 mm的画面尺寸,并且在6 lp/mm的空间频率下,整个眼动范围内的MTF均高于0.5,接近衍射极限,畸变小于2%。超短焦投影系统则实现了 0.35的投射比,在0.5 m的投影距离可以达到56 inch的画面尺寸,且MTF在空间频率0.5 lp/mm下大于0.3,满足设计要求。3.基于DSCE算法、能量映射关系以及等光程原理设计了一个自由曲面离轴双反激光整形系统,且其均匀度相较于SCE算法设计的激光整形系统有一定的提升,均匀度可以达到92.3%,扩束率为6。此外,还探究了扩束率与离轴角对目标面辐照度分布均匀度的影响。结果表明,随着扩束率的增大,利用SCE算法和DSCE算法设计的系统均匀度都呈现先增后减的趋势,并且在扩束率3时均匀度最高。在相同扩束率下,DSCE算法设计的整形系统在目标面产生的辐照度分布的均匀度都高于SCE算法,并且均匀度的变化不大。此外,本文还分析出了离轴角也会进一步影响系统的均匀度,离轴角越大,激光整形系统在目标面产生的辐照度均匀性就越差。最后对系统的装配公差进行了分析,给出了合理的公差范围。

关键词：自由曲面离轴反射光学系统双种子曲线扩展抬头显示器激光整形