引言

在智能驾驶浪潮下，车载抬头显示器（HUD）已从“辅助工具”升级为“人机交互核心”，其中增强现实（AR）技术与HUD的融合（AR-HUD）更是凭借“虚实融合、信息叠加”的优势，成为提升驾驶安全性与交互体验的关键技术。然而，当前AR-HUD行业仍面临三大核心痛点：图像源（PGU）成本高、亮度不足、阳光倒灌致器件损坏。

上海大学微电子学院戴高宇团队在《光学学报》发表的研究论文《面向微显示芯片的车载抬头显示光路设计》^[1]，创新性地以0.6inch micro-LED微显示芯片为核心，设计出兼具“高放大倍率、小体积、抗阳光倒灌”的AR-HUD光路系统。

车载HUD历经“集成型（C-HUD）→挡风玻璃型（W-HUD）→增强现实型（AR-HUD）”三代演进，其中AR-HUD通过延长虚像距离（通常≥7m）、扩大视场角，可将导航箭头、路况提示等信息叠加在真实道路上，大幅减少驾驶员低头频率。但现有AR-HUD的PGU技术路线均存在明显短板：

数字光投影（DLP）技术：被德州仪器垄断，成本高，且依赖投影灯泡与色轮，系统体积大^[2]；

薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）技术：自发光亮度不足（难以满足日间室外需求），虚像清晰度易受环境光影响^[3]；

激光扫描投影：对温度敏感，稳定性差，不适合车载复杂工况^[4]。

micro-LED微显示芯片恰好弥补了上述短板—其具备自发光、高亮度（峰值亮度可达10万nit以上）、小体积（0.6inch仅约1.524cm）、高分辨率（1280×1024）的优势，成为AR-HUD的理想图像源。但micro-LED的“小尺寸”也带来新挑战：要实现驾驶员清晰观测的大虚像（需≥50inch），需通过光路系统将图像放大120倍以上，同时需解决“高倍放大下的像差校正”与“阳光倒灌烧屏”问题。

为平衡“高放大倍率”与“小系统体积”，团队设计“预放大+主放大”双级架构，通过“放大镜组（5倍）+离轴三反自由曲面镜组（25倍）”的叠加，最终实现125倍信号放大，同时利用离轴结构消除成像遮拦，自由曲面镜校正像差。

2.1系统光路原理（图1）

micro-LED图像源发出的光线，先经放大镜组与折叠平面镜投射到扩散屏形成实像；扩散屏上的光线再经自由曲面镜M1、M2两次反射放大后，投射到汽车挡风玻璃，最终反射进入驾驶员眼盒，形成距离7.7m、尺寸86.85inch的虚拟图像。

这一架构的核心优势在于：

● 预放大阶段（放大镜组）将micro-LED的小尺寸图像先放大5倍，减轻主光路（自由曲面镜组）的放大负担，节省仪表台安装空间；

● 扩散屏不仅作为“中间像面”，还能匀化光线，提升成像均匀性；

● 离轴三反结构搭配自由曲面镜，可抵消挡风玻璃的固有像差，实现无遮拦大视场成像。

图1 系统光路原理图

以ZEMAX光学设计软件为核心工具，通过“逆向建模-参数优化-正向验证”的流程，完成自由曲面镜组与放大镜组的设计，确保高倍放大下的成像质量。

1.自由曲面镜组：Zernike多项式校正像差，MTF性能优异

自由曲面镜是非旋转对称结构，比传统球面镜更灵活地校正像差，尤其适合micro-LED高倍放大场景。团队基于Zernike多项式设计自由曲面，通过多项式系数调整实现像差平衡，具体设计流程如下：

● 步骤1：逆向建模（解决虚像面无法直接作为物面的问题）

根据光路可逆原理，将“眼盒位置”设为物面，“micro-LED+放大镜组”设为像面，在ZEMAX中搭建反射结构，通过操作数REAX（光线X向坐标）、REAY（光线Y向坐标）、DIMX（最大畸变）、DIVI（除法运算）建立评价函数，评估成像质量。

● 步骤2：参数优化

- 调整光学元件距离、旋转角、偏心量，优化初始结构位置；

- 调整Zernike多项式项数（表3为M1、M2的Zernike系数），平衡球差、彗差等；

- 控制变量数量，避免初始结构变形。

● 步骤3：正向验证

将逆向结构翻转至正向（光线从micro-LED出发），验证像质指标：

MTF（调制传递函数）：MTF值越接近1，成像对比度传递能力越强。正向设计中，在0.37lp/mm（奈奎斯特频率，由虚像像素间距计算）处，各焦面中心视场MTF均＞0.5（图2），远超“＞0.1”的行业标准；

图2 MTF曲线

畸变：系统最大畸变仅2.08%（图3），远低于5%的预期阈值，避免图像拉伸变形；

图3 网格畸变

光斑图：各视场点列图的RMS半径最大为192.096μm，远小于艾里斑半径（879.4μm，图4），说明光斑集中，成像清晰。

图4 光斑图

2.放大镜组：四片式结构+折叠光路，兼顾放大与小型化

放大镜组的核心需求是“5倍放大+小共轭距离（50-80mm）”，团队以“四片式放映物镜”为初始结构（图5），在ZEMAX中优化如下：

● 像差控制：用操作数SPHA（球差）、COMA（彗差）、ASTI（像散）、DISG（畸变）约束像差，最终畸变仅5.17%；

● 体积优化：加入平面反射镜折叠光路，将镜头总长控制在90mm，与micro-LED组装后体积仅0.67L，适配仪表台狭窄空间；

● 杂光抑制：设置光阑，限制成像光束范围，提升图像对比度。

图5 透镜组结构

表1 各物镜参数

仿真结果如图6所示：放大镜组的点列图均位于艾里斑内（图6c），投影图像清晰（图6b），完全满足“将micro-LED图像预放大5倍至扩散屏”的需求。

图6 透镜组仿真结果。（a）原图；（b）投影图；（c）光斑图；（d）网格畸变

阳光倒灌是车载HUD的“致命隐患”——太阳光经挡风玻璃进入HUD内部，沿光路反向聚焦到PGU上，会导致micro-LED温度骤升，轻则影响亮度，重则烧毁器件，其示意图如图7所示。团队针对micro-LED的“单色绿光”特性，设计窄带通滤光膜，实现“透过图像光、阻挡阳光杂光”的双重效果。

图7 阳光倒灌示意图

1.滤光膜设计原理：F-P谐振器+金属层，消除透射次峰

滤光膜以法布里-珀罗（F-P）谐振器为基础，采用“高折射率材料（TiO₂）+低折射率材料（SiO₂）”交替堆叠，同时加入Ag金属层（抑制非目标波段光）与Al₂O₃附着层（提升金属层黏附性），结构为（HL）^NL（HL）^{N，（L=SiO₂，H=TiO₂）。}

2.ZEMAX仿真优化：透过率提升至70%，无次峰

初始膜系：中心波长554nm，最高透过率＜40%，且存在2个透射次峰，无法满足需求；

优化后膜系：调整膜层厚度（总厚1.24μm），在ZEMAX中设置“550nm处目标透过率1、权重＞10，其余波长0”，优化后：

● 序列模式下：中心波长547.9nm，透过率70.35%，带宽0.2μm，无透射次峰；

● 非序列模式下：模拟真实太阳光（黑体辐射），中心波长551.2nm，透过率60.51%，带宽0.24μm，适配实际工况；

● 逆向透过率（阳光倒灌方向）：中心波长528nm，带宽0.16μm，仅允许与micro-LED同波段光通过，大幅减少倒灌光能量。

3.系统兼容性验证：透过率均匀，不影响成像

将滤光膜镀膜于扩散屏抛光面，测试各视场透过率（表2），结果显示：9个视场透过率均在55.94%-56.13%之间，均匀性优异，无“局部暗区”问题。结合micro-LED的高亮度，最终虚像亮度可达3977nit，满足日间驾驶观测需求。

表2 各视场的透过率

光学系统的“设计指标”需经得起“量产加工误差”的考验。团队在ZEMAX中采用蒙特卡罗分析法，对挡风玻璃、自由曲面镜M1/M2的“曲率半径、厚度、X/Y偏心、X/Y旋转”设置公差，进行2000次仿真：

● 正向系统（0.37lp/mm）：90%以上样本的衍射平均MTF＞0.75，98%以上＞0.73；

● 逆向系统（10.8lp/mm）：90%以上样本的衍射平均MTF＞0.3。

结果表明，系统对加工误差的容忍度高，完全满足量产需求。

本研究的三大核心突破，为车载AR-HUD的产业化提供了关键支撑：

micro-LED应用破局：首次将0.6inch micro-LED作为PGU，解决了“小尺寸与大虚像”的矛盾，同时规避DLP成本高、TFT-LCD亮度不足的问题；

双级放大架构创新：放大镜组+自由曲面镜组的组合，实现125倍放大，虚像尺寸86.85inch，且系统体积仅0.67L，适配各类车型；

阳光倒灌解决方案：1.24μm窄带通滤光膜，透过率60%-70%，无次峰，有效保护micro-LED，提升系统可靠性。

未来，该方案可进一步拓展至“全彩micro-LED”“多景深成像”等方向，推动AR-HUD从“高端车型标配”走向“中低端车型普及”，为智能驾驶构建更安全、更直观的视觉交互生态。

参考文献：

[1] 陈怡妃、陈灏翰、戴高宇、路秀真、殷录桥、张建华。 面向微显示芯片的车载翻转显示光路设计[J]. 光学学报, 2024, 44(23): 2322002. 

[2] 黄兴洲, 胡诗杰, 汤国茂, 杨平, 许冰, 张改娜. 远距离成像汽车平视显示光路结构设计[J]. 应用光学, 2019, 40(5): 894-900.

[3] 陈晓伟, 曹妍, 薛嘉隆, 任进伟, 王波, 吴慎将. 双自由曲面平视显示系统光学模组优化设计[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(9): 0922001. 

[4] Bin Xu, Chenhao Xu, Yao Ji, Bo Zhang, and Jinhua Li, "Lissajous MEMS laser beam scanner with uniform and high fill-factor projection for augmented reality display," Opt. Express 31, 35164-35177 (2023)

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