一、汽车平视显示系统定义。 汽车平视显示系统( Head up Display,HUD)也称抬头显示系统,它是利用光学反射原理,将汽车驾驶辅助信息、导航信息、检查控制信息以及ADAS信息等以投影方式显示在风挡玻璃上或约2m远的前方、发动机罩尖端的上方,阅读起来非常舒适,同时还可以显示来自各个驾驶辅助系统的警告信息,例如车道偏离警告、来自带行人识别功能的夜视辅助系统的行人避让警告等,避免驾驶员在行车过程中频繁低头看仪表或车载屏幕,对于行车安全起着很好的辅助作用,如图7-47所示。图中72km/h表示当前车速,60表示限速。
二、汽车平视显示系统组成。
汽车平视显示系统主要由图像源、光学系统和图像合成器等组成,如图7-48所示。
(1)图像源图像源一般采用液晶显示屏,实现HUD系统的各种功能,并输出视频信号。
(2)光学系统光学系统将视频信号投射出去,并且可以调节大小、位置等参数。
(3)图像合成器一般将前风挡玻璃作为图像合成器,把外部景物信息和内部投影信息合成到一起。投射的图像在风挡玻璃上发生反射,以达到和前方路况信息叠加、融合的效果。
因此,带平视显示系统的车辆安装的是特设的前风挡玻璃,其与传统前风挡玻璃的区别在于前风挡玻璃的两侧扁平玻璃中间的PVB(聚乙烯醇缩丁醛)膜的厚度不是恒定不变的,而是略微呈楔型,这样的结构使驾驶员不会看到重影。
三、汽车平视显示系统原理。
汽车平视显示系统原理与使用的光线系统结构密切相关。根据光学系统结构不同,汽车平视显示系统可以分为风挡玻璃映像式平视显示系统、前置反射屏式平视显示系统、自由曲面平视显示系统、非涅尔透镜平视显示系统、与仪表盘相结合的平视显示系统等。
1.风挡玻璃映像式平视显示系统。
风挡玻璃映像式平视显示系统是最基本也是使用最为广泛的结构,如图7-49所示。
从图像源发出的光经投影透镜折射和风挡玻璃反射与外部的景物光一同进入人眼,人眼沿着光线的反向延长线观察到位于风挡玻璃左侧的虚像,从而保证驾驶员能够在观察前方路况信息的同时也能观察到仪表盘上的信息。风挡玻璃一方面能透射外部景物光,另一方面又能反射图像源经过投影透镜的光。这种系统的优点是驾驶员在能够观察到投影像的同时还允许一定范围的头部移动;缺点是图像小,亮度低,视场角小,质量和体积都较大。
2.前置反射屏式平视显示系统。
前置反射屏式平视显示系统也是较为普遍的结构形式,如图7-50所示。
在驾驶室内设置独立的半反射半透射的反射屏,图像源发射出的光线经过反射屏反射进入人眼,驾驶员沿着该反射光线反向延长线方向能够观察到悬浮在前方的虚像。在这种结构中,反射屏与风挡玻璃是相互独立的两个部分,并不需要对风挡玻璃做镀膜等其他处理。此外,反射屏可以前后转动,投影角度比较灵活。使用时可以将反射屏竖起,不使用时将反射屏放平。但是反射屏的设置会使车内空间变得狭小,且结构复杂。图像源发射出的光线透射过反射屏后会被风挡玻璃反射,部分反射光线会进入人眼对驾驶员形成干扰。
3.自由曲面平视显示系统。
汽车的风挡玻璃不是一个平面,而是带有一定弧度的曲面,因此可以用自由曲面来代替传统结构中风挡玻璃所在的面。自由曲面平视显示系统原理如图7-51所示,系统包括两个自由曲面和一个折叠反射镜,实现对图像源成像。
图像源发射出的光线先经过折叠反射镜反射,再经过初级自由曲面反射,最后经过自由曲面像合成器反射进入人眼,其中,自由曲面像合成器是风挡玻璃所在的面。这种结构形式简单灵活,像差平衡能力强,成像质量较好,但制造成本较高。人眼直接通过风挡玻璃观察外界景物时,风挡玻璃可能会产生一定的像差。
4.菲涅尔透镜平视显示系统。
在平视显示系统中,为了获得较大的观察图像范围,越通常需要较大口径的光学透镜。光学透镜的口径越大,透镜的体积越大,质量越重,透镜越不易加工,且成本越高,因而难以大批量生产。为了在保证透镜口径的前提下减小透镜厚度,可以使用菲涅尔透镜。菲涅尔透镜平视显示系统如图7-52所示。
菲涅尔透镜平视显示系统有两片菲涅尔透镜,图像源位于第一片菲涅尔透镜下方,先经过第一片透镜再经过第二片菲涅尔透镜放大,最后经风挡玻璃的反射进入人眼。菲涅尔透镜系统结构形式简单,透镜的体积小,质量轻,同时,菲涅尔透镜还可以校正风挡玻璃所产生的像差,但是系统的轴外视场像差较大。
5.与仪表盘相结合的平视显示系统。
在上述平视显示系统中,汽车前方仪表盘的存在限制了平视显示系统的可用空间范围。
与仪表盘相结合的平视显示系统如图7-53所示,包含一个图像源、一个分光镜、多个平面反射镜和一组光学系统。
图像源发出的光经过分光镜分成透射部分和反射部分,透射部分的光经过平面反射镜反射,将透射图像反射到仪表盘上作为显示信息;反射部分的光经过光学系统折射和风挡玻璃反射进人人眼。仪表盘系统和平视显示系统采用同一个图像源,可以保证二者显示信息的实时性,而且使用这种包含分光镜在内的系统,可以去除掉一些不必要的结构,充分利用驾驶台前方的可用空间,减小系统的体积。
四、汽车平视显示系统应用实例。
宝马7系平视显示系统可提供多种有助于提高交通安全性和驾驶舒适性的功能。平视显示系统可显示定速巡航控制系统、导航系统、检查控制信息以及车速等方面的信息。
宝马7系平视显示系统工作原理如图7-54所示。需要一个光源来投射HUD信息,使用红色和绿色2个LED灯组作为光源,通过TFT(薄膜晶体管)投影显示屏产生图像内容。TFT投影显示屏相当于一个滤波器,运行或阻止光线通过。由一个图像光学元件确定HUD显示图像的形状、距离和尺寸,图像看起来就好像自由漂浮在道路上方,风挡玻璃的作用相当于偏光镜。HUD投射图像内容距离观察者的眼睛大约2.7m。
宝马7系平视显示系统显示效果如图7-55所示。
目前,汽车平视显示系统也不仅仅局限于高档轿车和跑车,奔驰、本田、奥迪、 Nissan等多个汽车厂家都有车型装备了平视显示系统。随着技术的进步,汽车平视显示系统的应用将会越来越多。
