HUD中重影的产生以及消除重影的常用方法

    重影是HUD普遍存在的显示现象，它会极大地影响观看体验。本期我们将介绍重影产生的原理以及消除重影的常用方法。

重影的产生

    HUD将挡风玻璃作为虚拟图像和真实场景的结合器，来自HUD的光线会经由挡风玻璃反射至人眼，使驾驶员能够看到投影的虚像。挡风玻璃存在一定的厚度，也就是说，它有两个表面。当光机中的一束光线以斜角入射时，因空气和玻璃介质折射率的不同，光线会在挡风玻璃的第一表面分别发生反射和折射；而折射后的光线在触达玻璃第二表面之后，会继续发生反射和折射[1]。

    由此，同一束入射光线通常会在挡风玻璃的第一、第二表面上发生两次反射，而这两次的反射光线并不会完全重合，两者会以错开的形式到达人眼；如图(1)所示，内外两层玻璃分别反射的光线同时入眼，形成两个内容相同、位置错开的图像[2]。由挡风玻璃第一表面反射的图像是我们需要的主图像，而由第二表面反射的图像就是人们通常说的重影。通常重影的亮度相较于主图像更低，主图像和重影图像之间的间距（单位为毫米）或该间距对人眼的张角（单位为′或者mrad）可用于评价重影[3]。

    重影的存在不仅会降低成像质量，而且还会给观看者带来眩晕感，影响驾驶者的行车体验。

图 (1).普通挡风玻璃上HUD重影的产生（非实际比例绘制）

    针对重影这一问题，目前常见的解决方法是在风挡中运用楔形PVB膜——改变风挡中PVB膜的形状及厚度。除了楔形PVB膜之外，市面上也随之诞生了其他新型消除重影的方式，本文还将介绍一些其他能解决重影问题的技术路径。

楔形PVB膜消除重影

    挡风玻璃的构造是“三明治”结构，即两层玻璃中间夹着一层PVB膜，PVB膜的主要作用为提高玻璃的抗冲击强度，使玻璃破碎时碎片不飞溅，从而增强风挡的安全性[4]。

    普通风挡的PVB薄膜通常为上下统一、均匀的厚度，如图(1)。市面上最常见的消除重影的方法，是将这层PVB膜改装成楔形：从传统的“等厚”，改为“上厚下薄”，呈现出一个立体的楔形角[5]。

    “上厚下薄”导致了楔形PVB膜的一个独特功能：由于楔形角的存在，整个三明治结构的挡风玻璃整体也呈现“上厚下薄”。也就是说，经过玻璃第一表面折射后的光线在触达风挡玻璃第二表面后，反射高度及角度也随之改变，使得入射光线在第一以及第二表面所形成的两个虚像进行重合，从而减弱重影现象（见图(2)）[5]。

图 (2).利用楔形PVB膜减弱HUD重影（非实际比例绘制）

    楔形膜可以让驾驶员观察到清晰的图像，有效解决重影问题，但该方法也存在一些缺点。首先，楔形膜需要根据每款配置HUD的车型设计，原因在于楔形膜角度与光线入射角度及虚像投影距离（VID）等因素相关，需同时考虑安装位置、HUD光路及风挡造型设计楔形PVB膜夹层[6]。其次，重影的完全消除需要精确的光学和楔形角实现，但考虑到实际生产中的挡风玻璃、楔形膜、HUD、及设备安装的累计公差，重影和主图像无法实现完全重合，特别是在偏离眼盒中心位置的观察角度下。所以即使加了楔形膜，在评价最终成像时，仍然能够检测到一定程度的重影[7]。由此，行业里通常仍会用重影率对HUD进行考核评估，将其控制在一个合理的数值之下。最后，定制化的楔形PVB膜成本也较高，现阶段楔形膜主要运用于乘用车中。对于其他车型，如商用车及轨道交通等，楔形膜的成本会成倍上升，限制了HUD的拓展及应用[7]。

其他新型消除重影的方式

    一种消除重影的技术路线为利用光的偏振特性，调控光线入射到挡风玻璃后反射的偏振态，来减弱或者消除重影。为了更好地理解该技术路线，我们可以先了解两个概念：光的偏振态和布鲁斯特角。

偏振光与布鲁斯特角

    光具有偏振态，自然状态的光（如太阳光）处在随机偏振态，当随机偏振光从一个均匀介质（如空气）传播到另一个均匀介质（如挡风玻璃）时，在两者的表面，一部分光会发生折射，而另一部分光则会发生反射。以光线入射面为基准，把所有不同偏振方向的光进行分解，可以得到与入射平面平行的和与入射平面垂直的光[1]。学界将前者称为P光（P为德语parallel的缩写），后者为S光（S为德语单词senkrecht的缩写，译为perpendicular），图(3)展示了P光和S光在此光学系统中的定义。

图 (3).P光和S光定义

    当偏振光从空气入射玻璃时，会在玻璃表面发生反射，图(2)描述了P光和S光在空气-玻璃界面中的反射率[2]。可以看出，在该界面上，S光反射率相较P光较高，即当光线从空气入射到风挡时，反射光线主要为S光。

图 (4).P光和S光在空气-玻璃界面中的反射率

    在光从空气到玻璃的表面以57度左右（假设玻璃折射率n=1.5）的角度入射时，P光的反射率为0，这个角度即为布鲁斯特角[5]。当随机偏振光以布鲁斯特角从空气入射玻璃，P光的反射率最低，几乎等同于不参与反射[5]。利用P光在布鲁斯特角下反射率为0的特点，可以进行HUD中重影的减弱或消除。

    前文提到，虽然P光反射率为0，S光依旧会在挡风玻璃前后两个表面进行反射，使人眼接收到两个虚像。所以单凭布鲁斯特角并不能解决重影问题。

图 (5).仅以布鲁斯特角入射，重影依旧存在

    为了实现无重影投射，我们可以在光学系统中使用一种产生P光的光机，对于整个光学系统来说，由光机产生的线偏光将全部以P光的偏振态射入挡风玻璃。基于P光在空气至玻璃界面的弱反射性[3]，以布鲁斯特角入射的P光光线在第一层玻璃无反射，仅有折射；折射的光线会产生P光以及S光，该组合到第二层玻璃的表面会发生反射以及折射，此时少部分的光会经由反射最终到达人眼。因此，通过P光光机以及布鲁斯特角的配合，可以实现重影的消除。

透明纳米膜

    在上述方法的基础上，为了提高虚像亮度，可在使用P光光机且布鲁斯特角入射的前提下，于挡风玻璃内添加一层P光反射膜，可将折射进入玻璃的P光在反射膜处反射，从而提供无重影的虚像。该反射膜一般由多层结构组成，呈现高透明度以及对P光的较高的反射率，业界有称之为透明纳米膜。此外，该膜有时也会在布鲁斯特角左右的一定入射角度内单独使用，或者配合楔形膜进行使用[6]。

图 (6).以布鲁斯特角入射，配合P光光机和透明纳米膜，可消除重影

    如上文介绍，使用偏振方法消除重影需使用P光光机、布鲁斯特角、甚至P光反射膜，所以该系统对于入射角度的要求较为苛刻，较难满足不同车型以及挡风玻璃的设计需求，同时该方法也增加了HUD的设计复杂度和成本。此外，当入射角度在以布鲁斯特角为基准、上下一定范围浮动时，P光反射像的亮度会小于原像的1%，也就是说成像亮度也可能会受到影响[4]。

Parallel Vector（PV）重影消除技术

    不同于楔形PVB膜方案偏振方案，睿维视发明了平行矢量PV技术，该技术可通过对核心光学器件自由曲面以及光学系统的设计，无需使用楔形膜或者偏振光，即可实现重影的消除。PV技术已经过4年的开发认证，可适配不同厚度和倾斜角度的风挡玻璃，不同的入射角度，不同的虚像距离VID，以及不同类型的光机（TFT、DLP、LCoS、LBS），已有多个量产项目上搭载了该技术。