車載平視顯示器光學檢測技術的發展及趨勢

沈春明，侯麗敏，許 超，宋 俊

(上海復光競成科技有限公司，上海 200437)

引言

平視顯示器(head up display，HUD)，是早期應用在航空器上的飛行輔助儀器。平視的意思是指飛行員不需要低頭就能夠看到他需要的重要資訊。隨著科學技術的發展，平視顯示器也被越來越多地在汽車上使用。汽車上的平視顯示器能夠將重要的行車信息實時地顯示駕駛員的視野中，這樣使得駕駛員不必低頭，就可以看到行車信息，從而避免分散對前方道路的注意力，消除了潛在的行車隱患；而且，由于投影時虛像落在車正前方，駕駛員調整目視焦距的時間將縮短，對于駕駛者而言更為安全，同時使得駕駛員不必在觀察遠方的道路和近處的儀表之間調節眼睛，可以避免眼睛的疲勞，能夠極大地增強行車全和改進駕駛體驗。

目前在市面上尚無檢測HUD光學顯示質量的標準以及檢測設備，主要通過人的主觀感受來進行評價，對于HUD這種目視系統而言，每一個人在不同場景中的感受都是不同的，市場急需對HUD進行客觀評價測試標準和測試方法。隨著SAE J1757-2《Standard-Optical System HUD for Automotive》標準[1]的即將出臺，以后所有對HUD的光學檢測都將會參考此標準，對HUD的顯示質量的評價將會更加客觀。本文將會對HUD光學檢測方面的測試項和測試方法進行分析。

1 HUD 光學系統分析

HUD 通過將高亮像元(LCD、DMD或者LED陣列產生的圖像信息)通過成像系統(前裝HUD包括前擋風玻璃，后裝HUD包括combiner)將圖像投射到人的眼前。前擋風玻璃和combiner有一定的透射率和反射率，道路等外界信息能通過透射能被人所感知，HUD圖像能通過反射被人所感知，兩個圖像疊加形成我們所看的HUD的虛實結合效果，圖1為HUD顯示的基本原理和顯示效果[2]。

圖1 HUD原理與顯示圖像Fig.1 HUD principle and display image

HUD 相對于傳統的顯示器有明顯的不同，它不僅是一個虛擬顯示器，也是一個目視成像系統。所以在HUD光學測試的過程中，不僅僅需要測試顯示器相關的亮度、色度、均勻度等參數，還需要測試成像光學系統所需要的下視角、圖像尺寸、投射距離、MTF(調制傳遞函數)、畸變、Eyebox(視窗)、雙目視差、重影等參數。這就需要測量時，需要對各個參數的物理意義有著深刻的理解，才能對HUD顯示進行正確的評價。

2 HUD 光學測試原理

目前在市場上沒有特定的測試設備和方法來測試HUD光學質量。而HUD是一個目視成像系統，所有的測試項必須在人眼的角度進行觀察與測試，這就需要用成像的方式去檢測。目前在顯示行業中，廣泛使用成像亮度計來檢測顯示器的質量與缺陷。成像亮度計與機械結構和軟件控制配合，就可以實現對HUD顯示的圖像拍攝，在經過圖像處理與算法計算就能得到各種參數的具體數值。對顯示器的評價比如亮度、色度、均勻度等，目前在行業內已經有成熟測試算法和標準，這里不做贅述。下面主要對HUD對成像上的測試項和測試算法進行討論以及分析HUD系統的定位問題[3]。

測試原點的位置確定在HUD光學測試中有著至關重要的作用，略微的位置差異就會引起測試結果的巨大誤差。圖2為一個五軸光學測試平臺，其中部件3 為擋風玻璃，部件4為光學引擎，部件5為可以五軸高精度運動的成像亮度計位移平臺，部件2為環境光模擬器裝置。

圖2 HUD測試系統Fig.2 HUD testing system

五軸機械運動的方向：3個方向為平動，2個方向為轉動。圖2中的HUD圖像通過部件3(擋風玻璃)反射到成像亮度計。成像亮度計與擋風玻璃大致為70～80 cm模擬真實駕駛人員到擋風玻璃的大致距離。成像亮度計需放置在駕駛人員的眼位上，這時成像亮度計中就會顯示不在中心的不清晰HUD的圖像，要使圖像放置在正確的測試位置上需要先通過對焦使圖像大致清晰，再調整五軸的位移運動就可以使圖像在成像亮度計顯示正中心，通過平移控制來調整圖像的相對位置，通過旋轉控制來使成像亮度計與HUD圖像垂直。當HUD顯示圖像的中心與成像亮度計的中心重合，圖像左右，上下的大小清晰度基本一致時，并且沒有圖像扭曲的現象，該位置則為測試的原點位置，也是該系統eyebox的中心。測試過程中，每一個測試項都有特定的圖像測試pattern與之對應，下面是各個測試項的定義與測試方法。

1)投射距離與圖像尺寸。投射距離位于人眼到虛像成像位置的距離(目前為2 m以上)，圖像為該位置的圖像大小，一般用FOV或者英寸表示，它是表示虛像位置和大小的最基本參數。成像亮度計使用的是電動鏡頭，相關參數(焦距、工作距離)等可以直接輸入和從測試設備中讀取。當工作距離改變時，成像亮度計可以對不同距離測試圖像可以清晰成像，通過理論計算就可以得到清晰成像的位置，這個就是計算HUD投射距離的原理。已知鏡頭焦距為F，鏡頭與CCD的像距l，則物距l′[4]為

(1)

當然使用成像亮度計測距之前都是先對某個固定的距離的實際圖像進行預先標定的，以保證工作距離的準確性。當測試圖像具有明顯的邊緣輪廓時，可通過圖像算法提取圖像的輪廓，作為該圖像的大小。通過圖像對角線像素數a，CCD整體對角線的像素數b，成像亮度計的FOV1，可得HUD圖像的FOV2為

(2)

2)MTF。MTF(調制傳遞函數)是評價成像解析力，最客觀的參量，表現的不同周期正弦條紋圖像的明暗對比度，實際上在像素有限的圖像上很難刻畫出高空間頻率的正弦圖像，但是從PSF(點擴散函數)、邊緣擴散函數(ESF)、和對比傳遞函數(CTF)可以間接換算出MTF。在這里使用CTF計算MTF，不僅因為在HUD系統測試中相對于PSF和ESF比較穩定和精確，并且可以拍攝全圖，有效利用所有的圖像信息。目前HUD 顯示的像素數較低，顯示上并沒有真正意義上的斜條紋，所以HUD通過對橫向和縱向黑白矩形條紋的對比度來測試下面時所拍攝條紋的圖像(圖3)。

圖3 MTF 測試圖像Fig.3 MTF testing image

值得指出的是，用成像亮度計用亮度檢測條紋間對比度相對于傳統的工業相機(灰度值0～255)有更高、更精確的對比度數值。拍攝多組像素寬度的黑白矩形條紋得到多個空間頻率CTF通過插值得到整體的CTF，就可以通過下列公式得到MTF，f為空間頻率[5]。

條紋間對比度越高，圖像的解析力越強，MTF也越高。從拍攝的圖像可以看出在不同區域有著不同的對比度，通過算法的演算也可以得到不同視場的MTF。目前HUD系統的MTF較低(15 lp/mm左右)，而測試的成像鏡頭較高(200 lp/mm)即測試圖像的對比度主要由HUD顯示引起，基本排除了測試鏡頭對HUD的MTF的影響。

3) 畸變和重影(圖4)?；兪潜憩F圖像各個區域放大倍數不一致的現象，人眼就回看到圖像扭曲的現象，它是每一個成像系統必須測試的參數，一般1%以下人眼就無法感知明顯的畸變現象。重影是因為鏡頭或者前擋風玻璃的設計缺陷引起的圖像的劣化。

圖4 畸變與重影測試圖像Fig.4 Testing image of distortion and ghost

由測試圖像pattern可知，畸變測試使用的是等距分布的圓點，通過不同位置圓點間間距的距離，再通過理論計算，即可得知不同位置的放大率的差異，進而得到畸變程度。重影表現的時在主要圖像的邊緣，會形成于主要圖像一致的次要圖像，通過對單個測試單元主要圖像和次要圖像(重影)的分離程度和亮度的比例的檢測，即可定量描述重影的影響，當主要圖像和次要圖像基本重合，或者次要圖像的亮度顯著小于主要圖像的亮度時，即可認為重影的影響較小，當重影現象非常明顯時，就必須查看設計或者安裝上的問題。

4)Eyebox。Eyebox(視窗)是目視系統中關鍵的測試量，表現得是人眼能看全HUD顯示圖像的可移動范圍。人眼在不同亮度條件下，人眼的光圈是不同，比如低亮度的情況下，人眼F數降低導致人眼對邊緣視場的辨識度下降。所以測試成像亮度計的圖像大小必須模擬真實人眼的視場，即也需對不同光圈下的eyebox進行測量。據相關資料人眼的最大光圈為F/2.1，人眼的最小光圈為F/8.3。并且人眼在對焦完全并且清晰觀察時，視場角約為35°(橫向)×20°(縱向)。若成像亮度計的視場角大于該視場，則可以通過計算和圖像處理，將拍攝圖像非人眼觀察范圍內的像素點刪除或者使用其他的方式，模擬人眼的FOV。

圖5中是一個五軸平臺上成像亮度計的掃描路徑，從eyebox的中心點向邊緣開始移動通過成像亮度計實時檢測圖像是否完全不出現斷點，圖像完全則在eyebox范圍之內，圖像不完全則在eyebox之外。該圖像不完全時，掃描路徑的方向將會進行偏轉然后繼續掃描。最終當掃描路徑完全封閉時則得到該光圈下eyebox。當進行下一次測量時，回到測試原點更換光圈，繼續重復測量，最后得到不同光圈下，eyebox的不同范圍。

圖5 eyebox 測試路徑Fig.5 Test path of eyebox

5)其他光學測試。HUD光學測試人眼在eyebox范圍內觀察到的圖像位置與亮度和成像效果都是不同的，有時候不僅需要在eyebox中心進行測試，也必須選取幾個不同的特定的位置進行整體顯示效果的測試。通過位移平臺在eyebox的范圍內，特定的幾個點檢測圖像亮度和質量，良好的HUD顯示需在eyebox在各個位置的亮度差距小，在邊緣部分無明顯的像差。

6)實際狀態的模擬測試。HUD在道路的復雜環境下使用，所以對HUD測試不僅需要進行絕對量的測試，也需要模擬實際狀態進行測試。HUD顯示的虛擬圖像直接呈現在駕駛員前方，或多或少都會影響駕駛員對外界的觀察。當字符過大、亮度過高遮蔽道路信息，實際測試中需要在高亮度環境和低亮度環境中拍攝圖像，在該極限情況下，圖像本身的對比度和與環境光的對比度需要滿足一定的指標才能符合人眼良好的視覺效果；另外當使用LCD作為像元，也需要評估圖像的偏振狀態對穿戴偏振墨鏡的駕駛人員產生的影響；并且若外界亮度發生劇烈變化時，HUD顯示的亮度若不能隨之相應變化，就會到人眼造成強烈刺激，所以HUD顯示的亮度應與外界的亮度理應有一個映射關系，且需要相應的亮度快速轉換。在這里搭建一個環境光模擬器，可以一定程度上模擬外界環境對HUD效果的影響。

3 總結

HUD發展日新月異，但是目前的檢測方法和手段還沒有相應跟進，這對HUD整體健康發展產生影響。而HUD與安全駕駛息息相關，檢測的重要性不言而喻。HUD相對于傳統顯示器而言，測試項的增多導致測試的復雜性增強，本文提供一個使用成像亮度計進行HUD光學檢測的測試方法，在檢測方法和算法上符合HUD光學參數的定義，一定程度上為HUD的安全性進行穩定的標準的光學檢測。