1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
设计了一种基于离轴反射式光学结构、投影距离可以改变的增强现实型平视显示（AR-HUD）系统，以降低驾驶员的视觉疲劳。其中，眼盒的大小为130 mm×50 mm，虚像投影距离为3~10 m，可以通过改变图像生成单元（PGU）到一级镜的距离和像源尺寸的方式实现投影距离连续可调。通过随机取样的方式，在投影距离变化范围内随机选取一个投影距离对系统进行像质分析，证明投影距离连续可变。视场角（FOV）在投影距离的可调范围内恒为15°×5°，畸变小于5%，动态畸变小于5′，MTF在5 lp/mm处优于0.5。结果表明，当车辆与前方物体距离较近时，AR-HUD系统可以根据需要改变虚像的投影距离，且能保证像质始终符合规格。
光学设计 平视显示器 光学变倍 投影距离 离轴三反系统
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 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。
应用光学 抬头显示器 阳光倒灌 光阑 传感器 applied optics head-up display sunlight backflow diaphragm sensor
深圳珑璟光电科技有限公司，广东 深圳 518000
增强现实抬头显示（AR-HUD）是下一代智能座舱的关键显示系统，能够极大地提升驾驶安全性和体验感。基于体全息光波导的AR-HUD具有光学系统体积小、能量利用率高等优势，是AR-HUD领域关注的重点。然而，传统基于棱镜耦合的双光束曝光方法实现大幅面体全息光波导的制造极具挑战性。从体全息光波导的曝光参数出发，在矢量球中基于光栅简并理论给出了非全反射条件下体全息光波导曝光的参数设计方法，设计并搭建了一套大幅面体全息光波导自动化拼接曝光系统，制作了幅面尺寸为130 mm×270 mm的大幅面体全息光波导，并给出了增强现实显示效果。
成像系统 增强现实 抬头显示 体全息光波导 自动化曝光系统 光学学报
2023, 43(10): 1011002
1 惠州市华阳多媒体电子有限公司，广东 惠州 516006
2 西安工业大学兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021
3 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为了保证增强现实式平视显示系统（AR-HUD）的虚像像质清晰、虚像距离更远，在视场角更大需求的基础上应尽可能减小AR-HUD的体积。采用自由曲面离轴双反射系统，设计了一款虚像距离为10 m、视场角为10°×5°的虚像显示光路。该光路用孔径光阑偏移范围（Eyebox）模拟驾驶员视野移动范围并分为9个结构，利用多重结构进行优化仿真，每个视场光斑均落于艾里斑之内，图像的调制传递函数均接近衍射极限，畸变、动态像差值均小于行业规定值。满足成像要求后绘制了平视显示系统（HUD）防尘膜并进行光害仿真分析，避免太阳光害进入人眼。最后，绘制AR-HUD外壳，测得其体积为10 L，并通过用户界面（UI）图像对显示效果进行仿真，验证了设计的正确性与可行性。
光学设计 平视显示系统 自由曲面 光学系统 多重结构 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0922001
苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
驾驶员通常利用车载显示器和个人设备获取导航信息，这种多界面信息交互容易分散对行车环境的注意力，影响驾驶安全。随着汽车智能化的推进，增强现实抬头显示（AR-HUD）通过将虚拟信息投影到远处，并与真实的驾驶环境相融合，大大提高了驾驶安全。回顾了AR-HUD技术，主要包括单平面抬头显示、多平面抬头显示和3D抬头显示的发展现状。介绍了评价HUD性能的主要光学指标，阐述了不同技术的基本原理和最新进展，分析了现有技术面临的挑战，最后总结了AR-HUD技术的未来发展方向。
抬头显示 3D显示 虚实融合 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811008
1 重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714
车载抬头显示系统（HUD）通过挡风玻璃反射形成虚像，由于存在光学系统像差，实际虚像并非呈理想平面分布。在现有HUD虚像测量方法中，虚像被视为垂直光轴的平面图像处理，这与实际情况明显不符。为了解HUD虚像的特点，提出利用光线追迹求解最小弥散圆位置来确定眼动范围内HUD虚像像点三维坐标的方法，由此得出不同位置处观察的HUD虚像形貌；进一步建立了基于双目视觉的HUD虚像测量模型，分析了双目基线和相机参数对测量误差的影响，最后对实际HUD虚像进行了三维坐标测量实验。实测虚像形貌与仿真结果基本一致，整体平均相对误差为2.5%。本文方法可以进一步应用于增强现实HUD系统等虚像的三维形貌测量。
测量 抬头显示 虚像测量 双目视觉 像差 光学学报
2022, 42(19): 1912001
1 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444
2 光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000
基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。
柱面波导 全息波导 全息光学元件 近眼显示 头盔显示器 激光与光电子学进展
2022, 59(20): 2011012
1 安徽师范大学 物理与电子信息学院 光电技术研究中心, 芜湖 241002
2 安徽师范大学 安徽省光电材料科学与技术重点实验室, 芜湖 241002
为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求, 采用逆向设计方法, 通过理论计算与软件仿真, 设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明, 每个通道采用3片非球面透镜, 全视场角为90°, 出瞳直径为8mm, 出瞳距离为13mm, 在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3, 最大畸变为6.1%; 与参考文献相比, 此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。
光学设计 虚拟现实 软件仿真 头戴显示器 非球面 调制传递函数 optical design virtual reality software simulation head mounted display aspheric surface modulation transfer function
