重影及其解决方案（上）

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。

重影及其解决方案（上）

图 (1).普通挡风玻璃上HUD重影的产生（非实际比例绘制）

楔形PVB膜消除重影

针对重影这一问题，目前常见的解决方法是改变风挡中PVB膜的形状及厚度。

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]。

重影及其解决方案（上）

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]。

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，我们将在下期进行介绍。

#参考来源：

[1]Born and Wolf. (1959). "Principles of Optics". New York, NY: Pergamon Press INC.

[2]Gao Lei. (2014). "Introductionof Head Up Display (HUD)". China Terminology, 16(zk1): 19-21.

[3]Huang Xingzhou. (2019). "Research on optical module technology of vehicle head-up display system". Chengdu: Institute of Optoelectronic Technology, Chinese Academy of Sciences.

[4]Feng Haigang, Li Lin. (2005). "The history and development prospect of polyvinyl butyral (PVB) film". Foreign Plastics, 23(10): 42-43.

[5]Wang Hu, Quan Yangke, Guo Hongling, et al. (2008). "Research on the identification method of automobile windshield". Criminal Technology, 2008 (2): 6.

[6]Derlofske, John Van, et al. (2019). "Invited Paper: New Optical Films for Next Generation AR Head Up Displays (HUDs)". SID Symposium Digest of Technical Papers. Vol. 50. No. 1.

[7]Van Derlofske J, Pankratz S, Franey E. (2020). "New film technologies to address limitations in vehicle display ecosystems". Journal of the Society for Information Display, 28(12): 917-925.

原文始发于微信公众号（睿维视 ReaVis）：重影及其解决方案（上）

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