摘要：本文针对汽车前挡风玻璃显示导航系统展开研究，主要工作介绍了汽车前挡风玻璃显示导航系统的图像源—DLP微型投影机的光学设计方案，投影机采用RTIR的结构形式，照明部分采用复眼透镜进行匀光和光斑尺寸的调整，投影成像镜头为三片式远心光路设计。成像效果表明，此投影成像系统的像质均匀性好、对比度高，分辨率优，满足作为汽车前挡风玻璃显示导航系统图像源的使用要求。
关键词：前挡风玻璃导航抬头显示系统；光学设计；DLP微型投影；DMD芯片
一、前挡风玻璃导航系统简介
目前市面上的车载导航系统在车内的显示多为仪表盘旁边的显示屏，其用于显示导航数据，或作为车载DVD、MP4等的输出屏幕。当用于导航目的时，驾驶员的视线需要离开前方汽车行驶区域，驾驶员需经常切换视线，造成安全隐患；当作为娱乐功能时，由于导航与车载影音设备输出共用同一屏幕，在行车期间容易与导航需求冲突，而在停车期间，现有屏幕过小，降低了娱乐体验。为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种汽车前挡风玻璃显示系统，其在不影响现有显示设备的基础上，利用挡风玻璃的大尺寸，结合OLED和液晶遮光技术，使整个挡风玻璃用作屏幕输出。
二、前挡风玻璃导航系统原理
本发明揭示了一种车内玻璃投影，产生光线束并进行调制处理后投射至DMD芯片;将所需显示的信息输入DMD芯片,通过所述DMD芯片将照射至DMD芯片的光线调制成显示图像;将调制后的显示图像通过透镜组放大,再由挡风玻璃反射至驾驶者眼睛位置。本发明的车内玻璃投影的系统,驾驶者透过挡风玻璃观察路面情况时,在不用变换视觉焦点的情况下,可以同时看到叠加在外景上的图像、字符或动画等信息,无需再观察仪表面板上的仪表信息等,因此可以大大提高驾驶安全性与驾驶乐趣等。
三、基于DMD显示芯片和DLP光学引擎的设计
3.1DLP数字微镜DMD显示芯片
DLP技术核心是美国德州仪器的数字微镜显示芯片(DMD)，芯片上分布着间隔非常小的数字微镜单元，镜片单元制造在寻址电极的电子线路和静态存储RAM上。微镜是双稳态，且每个微镜代表一个像素，双稳态代表光线入射到该像素表面时光线被反射到两个方向的情形。当微镜处于“开”状态时，镜片倾斜使得光线被反射后入射至投影镜头的有效口径内，参与成像；当微镜处于“关”状态时，镜片倾斜不同的角度，被反射后的光线偏离投影物镜，被光线吸收器吸收。
3.2照明部分的设计
照明光源提供投影系统的光能量，是投影光学引擎的重要组成部分之一。在光学引擎的设计中，需根据DMD显示芯片的型号尺寸、光机模组的厚度以及亮度要求等选择适当的LED光源的型号。本发明采用的DLP微型投影机，分辨率为854×480，芯片光学有限面积为6.5718mm×3.699mm。我们选用欧司朗（OSRAM）公司生产的LCGH9RM型号的绿光LED和LEBAQ6WM型号的红蓝光LED作为照明光源。
如下图3.2.2所示，我们设计的DLP微型投影机采用RTIR结构形式，其中各数字代表的元件如表3.2.3所示
。
从绿光和红蓝光LED发出的光线经会聚镜4和准直镜5收集并准直，成为发散角小于15°的近似平行光线。滤光片6镀有透绿反红蓝二向色膜，因此可有效透过绿光LED发出的光而反射红蓝光LED发出的光；滤光片7镀有透蓝绿反红二向色膜，因此可有效透过绿光LED发出的光和红蓝LED发出的蓝光部分而反射红光部分。滤光片6和7构成光束合成系统，将各光源发出的光线整合。复眼透镜8和匹配透镜9组成光束转换与导向装置，用于接受来自光束合成系统的光并将光斑形状转换为与DMD有效显示区域形状相同的均匀光斑。调整后的光线经反射镜转折后经过中继透镜和棱镜最终均匀照射在显示芯片DMD上。当DMD小镜片为开状态时，从DMD反射的光照射在转向棱镜13的斜边并发生全反射，进入投影物镜16从而实现亮点显示；当DMD小镜片为关状态时，光线不能进入投影物镜，实现暗点显示。
3.3投影成像部分的设计
投影物镜是光学引擎系统的核心组成部分，将显示芯片的图像源放大投射至屏幕并形成清晰明亮的画面是投影机实现其功能的重要步骤，而投影镜头的优劣直接关系到光能利用率、成像情况、画面质量等重要的技术参数。光学引擎又是一个有机整体，投影成像镜头设计还应考虑与照明系统和DMD显示芯片的匹配问题。光栏匹配、照明系统F/#、是否采用远心光路结构等都影响着投影镜头的设计指标和难易程度；后工作距的大小、像差补偿等问题也直接影响着投影镜头的设计质量；并且，DMD分辨率和尺寸也决定了投影镜头的奈奎斯特频率与焦距，因此在光学引擎整体设计过程中，需充分考虑各个组成部分的匹配以及初始参数的合理性。
根据光路可逆性原理，设计投影物镜时，把投影屏幕作为物方，将成像器件作为像面，并采用像方远心的设计结构，如图3.3.1所示。远心光路结构是指光学系统的出瞳位于距离像面无限远处，各个视场的主光线平行入射至DMD平面上。由于各个视场的光束具有相同的入射角，不论亮态或暗态，DMD芯片都具有较好的照度均匀性，远心光路设计还可以增大投影镜头的光学孔径。
此投影镜头采用三片式“正负正”的结构形式，其中正透镜1为偶次非球面镜，负透镜2为球面胶合镜，正透镜3为偶次非球面镜。非球面的引入不仅可以有效平衡轴外像差，还能够提高光学系统的相对孔径，亮度得到提高，视场也会相应增大，同时可减少光学元件的数量，缩短光学系统总长，减轻光学模组重量。此投影物镜的有效焦距为9.13mm，全视场大小为45°，系统F/#为2.4，像方数值孔径为0.2，成像距离为70mm，屏幕大小为2.3inch，系统总长为26.5mm，镜片最大口径在10mm以内，镜头分辨率为66lp/mm。成像效果表明，此投影成像系统的像质均匀性好、对比度高、分辨率优，满足作为汽车前挡风玻璃显示导航系统图像源的使用要求。
结束语：
在汽车前挡风玻璃显示导航系统的光学设计方面，在保证成像质量的前提下，还需进一步增大EYEBOX尺寸，使驾驶人员在驾驶过程中视线具有更大的可移动空间；应进一步缩小各光学元件的尺寸与间距，以获得结构更加紧凑的轻薄型抬头显示装置；另外，采用更加合理的结构设计方案，在非使用情况下，可以将其叠合在一个较小的空间体积内，增加其便携性。
论文作者:陈厚丞 李竹芳 王立娇 王晨 王光威 张佩玺
论文发表刊物:《知识-力量》2019年8月28期
论文发表时间:2019/6/10
标签：光学论文; 挡风玻璃论文; 透镜论文; 光线论文; 物镜论文; 系统论文; 镜头论文; 《知识-力量》2019年8月28期论文;