引言

在智能駕駛浪潮下，車載抬頭顯示器（HUD）已從“輔助工具”升級為“人機交互核心”，其中增強現實（AR）技術與HUD的融合（AR-HUD）更是憑借“虛實融合、信息疊加”的優勢，成為提升駕駛安全性與交互體驗的關鍵技術。然而，當前AR-HUD行業仍面臨三大核心痛點：圖像源（PGU）成本高、亮度不足、陽光倒灌致器件損壞。

上海大學微電子學院戴高宇團隊在《光學學報》發表的研究論文《面向微顯示芯片的車載抬頭顯示光路設計》[1]，創新性地以0.6inch micro-LED微顯示芯片為核心，設計出兼具“高放大倍率、小體積、抗陽光倒灌”的AR-HUD光路系統。

行業現狀

車載HUD歷經“集成型（C-HUD）→擋風玻璃型（W-HUD）→增強現實型（AR-HUD）”三代演進，其中AR-HUD通過延長虛像距離（通常≥7m）、擴大視場角，可將導航箭頭、路況提示等信息疊加在真實道路上，大幅減少駕駛員低頭頻率。但現有AR-HUD的PGU技術路線均存在明顯短板：

數字光投影（DLP）技術：被德州儀器壟斷，成本高，且依賴投影燈泡與色輪，系統體積大[2]；

薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）技術：自發光亮度不足（難以滿足日間室外需求），虛像清晰度易受環境光影響[3]；

激光掃描投影：對溫度敏感，穩定性差，不適合車載復雜工況[4]。

micro-LED微顯示芯片恰好彌補了上述短板—其具備自發光、高亮度（峰值亮度可達10萬nit以上）、小體積（0.6inch僅約1.524cm）、高分辨率（1280×1024）的優勢，成為AR-HUD的理想圖像源。但micro-LED的“小尺寸”也帶來新挑戰：要實現駕駛員清晰觀測的大虛像（需≥50inch），需通過光路系統將圖像放大120倍以上，同時需解決“高倍放大下的像差校正”與“陽光倒灌燒屏”問題。

光路系統整體設計：雙級放大架構，實現125倍成像

為平衡“高放大倍率”與“小系統體積”，團隊設計“預放大+主放大”雙級架構，通過“放大鏡組（5倍）+離軸三反自由曲面鏡組（25倍）”的疊加，最終實現125倍信號放大，同時利用離軸結構消除成像遮攔，自由曲面鏡校正像差。

2.1系統光路原理（圖1）

micro-LED圖像源發出的光線，先經放大鏡組與折疊平面鏡投射到擴散屏形成實像；擴散屏上的光線再經自由曲面鏡M1、M2兩次反射放大后，投射到汽車擋風玻璃，最終反射進入駕駛員眼盒，形成距離7.7m、尺寸86.85inch的虛擬圖像。

這一架構的核心優勢在于：

• 預放大階段（放大鏡組）將micro-LED的小尺寸圖像先放大5倍，減輕主光路（自由曲面鏡組）的放大負擔，節省儀表臺安裝空間；擴散屏不僅作為“中間像面”，還能勻化光線，提升成像均勻性；離軸三反結構搭配自由曲面鏡，可抵消擋風玻璃的固有像差，實現無遮攔大視場成像。

圖1 系統光路原理圖

利用ZEMAX實現像質與體積的精準平衡

以ZEMAX光學設計軟件為核心工具，通過“逆向建模-參數優化-正向驗證”的流程，完成自由曲面鏡組與放大鏡組的設計，確保高倍放大下的成像質量。

1.自由曲面鏡組：Zernike多項式校正像差，MTF性能優異

自由曲面鏡是非旋轉對稱結構，比傳統球面鏡更靈活地校正像差，尤其適合micro-LED高倍放大場景。團隊基于Zernike多項式設計自由曲面，通過多項式系數調整實現像差平衡，具體設計流程如下：

步驟1：逆向建模（解決虛像面無法直接作為物面的問題）

根據光路可逆原理，將“眼盒位置”設為物面，“micro-LED+放大鏡組”設為像面，在ZEMAX中搭建反射結構，通過操作數REAX（光線X向坐標）、REAY（光線Y向坐標）、DIMX（最大畸變）、DIVI（除法運算）建立評價函數，評估成像質量。

步驟2：參數優化

• 調整光學元件距離、旋轉角、偏心量，優化初始結構位置；調整Zernike多項式項數（表3為M1、M2的Zernike系數），平衡球差、彗差等；控制變量數量，避免初始結構變形。

步驟3：正向驗證

將逆向結構翻轉至正向（光線從micro-LED出發），驗證像質指標：

MTF（調制傳遞函數）：MTF值越接近1，成像對比度傳遞能力越強。正向設計中，在0.37lp/mm（奈奎斯特頻率，由虛像像素間距計算）處，各焦面中心視場MTF均＞0.5（圖2），遠超“＞0.1”的行業標準；

圖2 MTF曲線

畸變：系統最大畸變僅2.08%（圖3），遠低于5%的預期閾值，避免圖像拉伸變形；

圖3 網格畸變

光斑圖：各視場點列圖的RMS半徑最大為192.096μm，遠小于艾里斑半徑（879.4μm，圖4），說明光斑集中，成像清晰。

圖4 光斑圖

2.放大鏡組：四片式結構+折疊光路，兼顧放大與小型化

放大鏡組的核心需求是“5倍放大+小共軛距離（50-80mm）”，團隊以“四片式放映物鏡”為初始結構（圖5），在ZEMAX中優化如下：

• 像差控制：用操作數SPHA（球差）、COMA（彗差）、ASTI（像散）、DISG（畸變）約束像差，最終畸變僅5.17%；體積優化：加入平面反射鏡折疊光路，將鏡頭總長控制在90mm，與micro-LED組裝后體積僅0.67L，適配儀表臺狹窄空間；雜光抑制：設置光闌，限制成像光束范圍，提升圖像對比度。

圖5 透鏡組結構

表1 各物鏡參數

仿真結果如圖6所示：放大鏡組的點列圖均位于艾里斑內（圖6c），投影圖像清晰（圖6b），完全滿足“將micro-LED圖像預放大5倍至擴散屏”的需求。

圖6 透鏡組仿真結果。（a）原圖；（b）投影圖；（c）光斑圖；（d）網格畸變

窄帶通濾光膜的創新設計

陽光倒灌是車載HUD的“致命隱患”——太陽光經擋風玻璃進入HUD內部，沿光路反向聚焦到PGU上，會導致micro-LED溫度驟升，輕則影響亮度，重則燒毀器件，其示意圖如圖7所示。團隊針對micro-LED的“單色綠光”特性，設計窄帶通濾光膜，實現“透過圖像光、阻擋陽光雜光”的雙重效果。

圖7 陽光倒灌示意圖

1.濾光膜設計原理：F-P諧振器+金屬層，消除透射次峰

濾光膜以法布里-珀羅（F-P）諧振器為基礎，采用“高折射率材料（TiO?）+低折射率材料（SiO?）”交替堆疊，同時加入Ag金屬層（抑制非目標波段光）與Al?O?附著層（提升金屬層黏附性），結構為（HL）NL（HL）N，（L=SiO?，H=TiO?）。

2.ZEMAX仿真優化：透過率提升至70%，無次峰

初始膜系：中心波長554nm，最高透過率＜40%，且存在2個透射次峰，無法滿足需求；

優化后膜系：調整膜層厚度（總厚1.24μm），在ZEMAX中設置“550nm處目標透過率1、權重＞10，其余波長0”，優化后：

• 序列模式下：中心波長547.9nm，透過率70.35%，帶寬0.2μm，無透射次峰；非序列模式下：模擬真實太陽光（黑體輻射），中心波長551.2nm，透過率60.51%，帶寬0.24μm，適配實際工況；逆向透過率（陽光倒灌方向）：中心波長528nm，帶寬0.16μm，僅允許與micro-LED同波段光通過，大幅減少倒灌光能量。

3.系統兼容性驗證：透過率均勻，不影響成像

將濾光膜鍍膜于擴散屏拋光面，測試各視場透過率（表2），結果顯示：9個視場透過率均在55.94%-56.13%之間，均勻性優異，無“局部暗區”問題。結合micro-LED的高亮度，最終虛像亮度可達3977nit，滿足日間駕駛觀測需求。

表2 各視場的透過率

公差分析：確保量產可行性，容差能力強

光學系統的“設計指標”需經得起“量產加工誤差”的考驗。團隊在ZEMAX中采用蒙特卡羅分析法，對擋風玻璃、自由曲面鏡M1/M2的“曲率半徑、厚度、X/Y偏心、X/Y旋轉”設置公差，進行2000次仿真：

• 正向系統（0.37lp/mm）：90%以上樣本的衍射平均MTF＞0.75，98%以上＞0.73；逆向系統（10.8lp/mm）：90%以上樣本的衍射平均MTF＞0.3。

結果表明，系統對加工誤差的容忍度高，完全滿足量產需求。

技術價值與行業意義

本研究的三大核心突破，為車載AR-HUD的產業化提供了關鍵支撐：

micro-LED應用破局：首次將0.6inch micro-LED作為PGU，解決了“小尺寸與大虛像”的矛盾，同時規避DLP成本高、TFT-LCD亮度不足的問題；

雙級放大架構創新：放大鏡組+自由曲面鏡組的組合，實現125倍放大，虛像尺寸86.85inch，且系統體積僅0.67L，適配各類車型；

陽光倒灌解決方案：1.24μm窄帶通濾光膜，透過率60%-70%，無次峰，有效保護micro-LED，提升系統可靠性。

未來，該方案可進一步拓展至“全彩micro-LED”“多景深成像”等方向，推動AR-HUD從“高端車型標配”走向“中低端車型普及”，為智能駕駛構建更安全、更直觀的視覺交互生態。

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參考文獻：

[1] 陳怡妃、陳灝翰、戴高宇、路秀真、殷錄橋、張建華。 面向微顯示芯片的車載翻轉顯示光路設計[J]. 光學學報, 2024, 44(23): 2322002.

[2] 黃興洲, 胡詩杰, 湯國茂, 楊平, 許冰, 張改娜. 遠距離成像汽車平視顯示光路結構設計[J]. 應用光學, 2019, 40(5): 894-900.

[3] 陳曉偉, 曹妍, 薛嘉隆, 任進偉, 王波, 吳慎將. 雙自由曲面平視顯示系統光學模組優化設計[J]. 激光與光電子學進展, 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)