车载平视显示器光学检测技术的发展及趋势

沈春明，侯丽敏，许 超，宋 俊

(上海复光竞成科技有限公司，上海 200437)

引言

平视显示器(head up display，HUD)，是早期应用在航空器上的飞行辅助仪器。平视的意思是指飞行员不需要低头就能够看到他需要的重要资讯。随着科学技术的发展，平视显示器也被越来越多地在汽车上使用。汽车上的平视显示器能够将重要的行车信息实时地显示驾驶员的视野中，这样使得驾驶员不必低头，就可以看到行车信息，从而避免分散对前方道路的注意力，消除了潜在的行车隐患；而且，由于投影时虚像落在车正前方，驾驶员调整目视焦距的时间将缩短，对于驾驶者而言更为安全，同时使得驾驶员不必在观察远方的道路和近处的仪表之间调节眼睛，可以避免眼睛的疲劳，能够极大地增强行车全和改进驾驶体验。

目前在市面上尚无检测HUD光学显示质量的标准以及检测设备，主要通过人的主观感受来进行评价，对于HUD这种目视系统而言，每一个人在不同场景中的感受都是不同的，市场急需对HUD进行客观评价测试标准和测试方法。随着SAE J1757-2《Standard-Optical System HUD for Automotive》标准[1]的即将出台，以后所有对HUD的光学检测都将会参考此标准，对HUD的显示质量的评价将会更加客观。本文将会对HUD光学检测方面的测试项和测试方法进行分析。

1 HUD 光学系统分析

HUD 通过将高亮像元(LCD、DMD或者LED阵列产生的图像信息)通过成像系统(前装HUD包括前挡风玻璃，后装HUD包括combiner)将图像投射到人的眼前。前挡风玻璃和combiner有一定的透射率和反射率，道路等外界信息能通过透射能被人所感知，HUD图像能通过反射被人所感知，两个图像叠加形成我们所看的HUD的虚实结合效果，图1为HUD显示的基本原理和显示效果[2]。

图1 HUD原理与显示图像Fig.1 HUD principle and display image

HUD 相对于传统的显示器有明显的不同，它不仅是一个虚拟显示器，也是一个目视成像系统。所以在HUD光学测试的过程中，不仅仅需要测试显示器相关的亮度、色度、均匀度等参数，还需要测试成像光学系统所需要的下视角、图像尺寸、投射距离、MTF(调制传递函数)、畸变、Eyebox(视窗)、双目视差、重影等参数。这就需要测量时，需要对各个参数的物理意义有着深刻的理解，才能对HUD显示进行正确的评价。

2 HUD 光学测试原理

目前在市场上没有特定的测试设备和方法来测试HUD光学质量。而HUD是一个目视成像系统，所有的测试项必须在人眼的角度进行观察与测试，这就需要用成像的方式去检测。目前在显示行业中，广泛使用成像亮度计来检测显示器的质量与缺陷。成像亮度计与机械结构和软件控制配合，就可以实现对HUD显示的图像拍摄，在经过图像处理与算法计算就能得到各种参数的具体数值。对显示器的评价比如亮度、色度、均匀度等，目前在行业内已经有成熟测试算法和标准，这里不做赘述。下面主要对HUD对成像上的测试项和测试算法进行讨论以及分析HUD系统的定位问题[3]。

测试原点的位置确定在HUD光学测试中有着至关重要的作用，略微的位置差异就会引起测试结果的巨大误差。图2为一个五轴光学测试平台，其中部件3 为挡风玻璃，部件4为光学引擎，部件5为可以五轴高精度运动的成像亮度计位移平台，部件2为环境光模拟器装置。

图2 HUD测试系统Fig.2 HUD testing system

五轴机械运动的方向：3个方向为平动，2个方向为转动。图2中的HUD图像通过部件3(挡风玻璃)反射到成像亮度计。成像亮度计与挡风玻璃大致为70～80 cm模拟真实驾驶人员到挡风玻璃的大致距离。成像亮度计需放置在驾驶人员的眼位上，这时成像亮度计中就会显示不在中心的不清晰HUD的图像，要使图像放置在正确的测试位置上需要先通过对焦使图像大致清晰，再调整五轴的位移运动就可以使图像在成像亮度计显示正中心，通过平移控制来调整图像的相对位置，通过旋转控制来使成像亮度计与HUD图像垂直。当HUD显示图像的中心与成像亮度计的中心重合，图像左右，上下的大小清晰度基本一致时，并且没有图像扭曲的现象，该位置则为测试的原点位置，也是该系统eyebox的中心。测试过程中，每一个测试项都有特定的图像测试pattern与之对应，下面是各个测试项的定义与测试方法。

1)投射距离与图像尺寸。投射距离位于人眼到虚像成像位置的距离(目前为2 m以上)，图像为该位置的图像大小，一般用FOV或者英寸表示，它是表示虚像位置和大小的最基本参数。成像亮度计使用的是电动镜头，相关参数(焦距、工作距离)等可以直接输入和从测试设备中读取。当工作距离改变时，成像亮度计可以对不同距离测试图像可以清晰成像，通过理论计算就可以得到清晰成像的位置，这个就是计算HUD投射距离的原理。已知镜头焦距为F，镜头与CCD的像距l，则物距l′[4]为

(1)

当然使用成像亮度计测距之前都是先对某个固定的距离的实际图像进行预先标定的，以保证工作距离的准确性。当测试图像具有明显的边缘轮廓时，可通过图像算法提取图像的轮廓，作为该图像的大小。通过图像对角线像素数a，CCD整体对角线的像素数b，成像亮度计的FOV1，可得HUD图像的FOV2为

(2)

2)MTF。MTF(调制传递函数)是评价成像解析力，最客观的参量，表现的不同周期正弦条纹图像的明暗对比度，实际上在像素有限的图像上很难刻画出高空间频率的正弦图像，但是从PSF(点扩散函数)、边缘扩散函数(ESF)、和对比传递函数(CTF)可以间接换算出MTF。在这里使用CTF计算MTF，不仅因为在HUD系统测试中相对于PSF和ESF比较稳定和精确，并且可以拍摄全图，有效利用所有的图像信息。目前HUD 显示的像素数较低，显示上并没有真正意义上的斜条纹，所以HUD通过对横向和纵向黑白矩形条纹的对比度来测试下面时所拍摄条纹的图像(图3)。

图3 MTF 测试图像Fig.3 MTF testing image

值得指出的是，用成像亮度计用亮度检测条纹间对比度相对于传统的工业相机(灰度值0～255)有更高、更精确的对比度数值。拍摄多组像素宽度的黑白矩形条纹得到多个空间频率CTF通过插值得到整体的CTF，就可以通过下列公式得到MTF，f为空间频率[5]。

条纹间对比度越高，图像的解析力越强，MTF也越高。从拍摄的图像可以看出在不同区域有着不同的对比度，通过算法的演算也可以得到不同视场的MTF。目前HUD系统的MTF较低(15 lp/mm左右)，而测试的成像镜头较高(200 lp/mm)即测试图像的对比度主要由HUD显示引起，基本排除了测试镜头对HUD的MTF的影响。

3) 畸变和重影(图4)。畸变是表现图像各个区域放大倍数不一致的现象，人眼就回看到图像扭曲的现象，它是每一个成像系统必须测试的参数，一般1%以下人眼就无法感知明显的畸变现象。重影是因为镜头或者前挡风玻璃的设计缺陷引起的图像的劣化。

图4 畸变与重影测试图像Fig.4 Testing image of distortion and ghost

由测试图像pattern可知，畸变测试使用的是等距分布的圆点，通过不同位置圆点间间距的距离，再通过理论计算，即可得知不同位置的放大率的差异，进而得到畸变程度。重影表现的时在主要图像的边缘，会形成于主要图像一致的次要图像，通过对单个测试单元主要图像和次要图像(重影)的分离程度和亮度的比例的检测，即可定量描述重影的影响，当主要图像和次要图像基本重合，或者次要图像的亮度显著小于主要图像的亮度时，即可认为重影的影响较小，当重影现象非常明显时，就必须查看设计或者安装上的问题。

4)Eyebox。Eyebox(视窗)是目视系统中关键的测试量，表现得是人眼能看全HUD显示图像的可移动范围。人眼在不同亮度条件下，人眼的光圈是不同，比如低亮度的情况下，人眼F数降低导致人眼对边缘视场的辨识度下降。所以测试成像亮度计的图像大小必须模拟真实人眼的视场，即也需对不同光圈下的eyebox进行测量。据相关资料人眼的最大光圈为F/2.1，人眼的最小光圈为F/8.3。并且人眼在对焦完全并且清晰观察时，视场角约为35°(横向)×20°(纵向)。若成像亮度计的视场角大于该视场，则可以通过计算和图像处理，将拍摄图像非人眼观察范围内的像素点删除或者使用其他的方式，模拟人眼的FOV。

图5中是一个五轴平台上成像亮度计的扫描路径，从eyebox的中心点向边缘开始移动通过成像亮度计实时检测图像是否完全不出现断点，图像完全则在eyebox范围之内，图像不完全则在eyebox之外。该图像不完全时，扫描路径的方向将会进行偏转然后继续扫描。最终当扫描路径完全封闭时则得到该光圈下eyebox。当进行下一次测量时，回到测试原点更换光圈，继续重复测量，最后得到不同光圈下，eyebox的不同范围。

图5 eyebox 测试路径Fig.5 Test path of eyebox

5)其他光学测试。HUD光学测试人眼在eyebox范围内观察到的图像位置与亮度和成像效果都是不同的，有时候不仅需要在eyebox中心进行测试，也必须选取几个不同的特定的位置进行整体显示效果的测试。通过位移平台在eyebox的范围内，特定的几个点检测图像亮度和质量，良好的HUD显示需在eyebox在各个位置的亮度差距小，在边缘部分无明显的像差。

6)实际状态的模拟测试。HUD在道路的复杂环境下使用，所以对HUD测试不仅需要进行绝对量的测试，也需要模拟实际状态进行测试。HUD显示的虚拟图像直接呈现在驾驶员前方，或多或少都会影响驾驶员对外界的观察。当字符过大、亮度过高遮蔽道路信息，实际测试中需要在高亮度环境和低亮度环境中拍摄图像，在该极限情况下，图像本身的对比度和与环境光的对比度需要满足一定的指标才能符合人眼良好的视觉效果；另外当使用LCD作为像元，也需要评估图像的偏振状态对穿戴偏振墨镜的驾驶人员产生的影响；并且若外界亮度发生剧烈变化时，HUD显示的亮度若不能随之相应变化，就会到人眼造成强烈刺激，所以HUD显示的亮度应与外界的亮度理应有一个映射关系，且需要相应的亮度快速转换。在这里搭建一个环境光模拟器，可以一定程度上模拟外界环境对HUD效果的影响。

3 总结

HUD发展日新月异，但是目前的检测方法和手段还没有相应跟进，这对HUD整体健康发展产生影响。而HUD与安全驾驶息息相关，检测的重要性不言而喻。HUD相对于传统显示器而言，测试项的增多导致测试的复杂性增强，本文提供一个使用成像亮度计进行HUD光学检测的测试方法，在检测方法和算法上符合HUD光学参数的定义，一定程度上为HUD的安全性进行稳定的标准的光学检测。