дисплейные системы на основе free
advertisement
ДИСПЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ FREE-FORM ПОВЕРХНОСТЕЙ М.А. Ган, С.А. Ларионов, А.А. Старков ФГУП «НПК «ГОИ им.С.И. Вавилова», e-mail: mikhail.gan@gmail.com Рассмотрены требования, которые предъявляются к дисплею на лобовом стекле для современного автомобиля. Коррекция аберраций в дисплейной системе является сложной задачей, которая может быть решена путем применения free-form поверхностей. В работе рассмотрены аберрационные свойства free-form поверхностей и показаны принципы построения дисплейных систем на их основе. Впервые дисплейные системы на лобовом стекле (HUD - Head Up Display) были разработаны для военной истребительной авиации в 60-70–х годах прошлого века. В последние годы HUD дисплеи, в связи с развитием систем геопозицинирования (GPS, ГЛОНАСС), находят все более широкое применение в гражданском автомобилестроении. Одно из важнейших требований, которые предъявляются к дисплею на лобовом стекле для современного автомобиля - это отсутствие комбинера как отдельного элемента, что приводит к необходимости использования в качестве комбинера внутренней отражающей поверхности лобового стекла, это делает оптическую систему дисплея конформальной, и для устранения бликов пластиковый слой в триплексе делают слабо призматическим [1]. Принцип действия автомобильного дисплея и поле зрения водителя показаны на Рис.1. Рис. 1. Принцип действия автомобильного HUD дисплея и вид поля зрения водителя Автомобильный head-up дисплей (HUD) предназначен для проецирования дополнительного изображения в поле зрения водителя, наблюдаемого одновременно с видимой дорожной обстановкой. HUD позволяет объединить наблюдение внешней обстановки с данными GPS, навигатором, наблюдением обстановки сзади, ночным видением и другой важной информацией. Преимуществом HUD является отсутствие необходимости аккомодации глаз, повышение безопасности и комфорта на дороге. Коррекция аберраций в конформальной системе является сложной задачей, которая может быть решена путем применения free-form поверхностей. Нами применялось задание этих поверхностей в виде полинома в соответствии с уравнением , где z - стрелка прогиба поверхности, дробь задает базовую поверхность второго порядка, сумма задает деформацию в виде двумерного степенного полинома. 222 Нами разработана трехзеркальная проекционная оптическая система автомобильного дисплея с отражением от внутренней поверхности лобового стекла. Схема компоновки разработанного дисплея показана на Рис.2 и Рис.3. Рис. 2. Компоновка автомобильного дисплея с нижним расположением зеркал. 1 – источник проецируемого изображения - LCD матрица, 2, 3, 4 асферические Freeform зеркала M1, M2 и M3 соответственно, 5 – лобовое стекло автомобиля, 6 – участок лобового стекла, задаваемый как оптическая поверхность Рис. 3. Расположение элементов оптической системы автомобильного дисплея на основе free-form поверхностей. Основные характеристики виртуального изображения, создаваемого разработанной нами оптической системой дисплея, следующие: • Размер виртуального изображения – 180х90мм2 • Размер LCD (ЖК) матрицы – генератора изображения – 50х25мм2 • Линейное увеличение (по модулю) 3.6Х • Расстояние от лобового стекла до виртуального изображения вдоль линии визирования на центр изображения – 2350мм • Расчетное расстояние от лобового стекла до головы водителя вдоль линии визирования на центр изображения – 946мм • Расчетное расстояние от головы водителя до виртуального изображения вдоль линии визирования на центр изображения – 3296мм 3.14°х1.57° • Угловой размер виртуального изображения • Угол наклона линии визирования на центр изображения относительно строительной горизонтали автомобиля 5.2° • Размеры зрачковой зоны в окрестностях лица водителя - полная 380х300мм2 - для отдельной точки поля зрения 220 х 170мм2 223 Зрачковая зона для отдельной точки поля имеет вид наклоненного параллелограмма, а полная зрачковая зона есть объединение зрачковых зон для всех точек поля зрения (Рис.4). Область пространства, располагая в которой голову, наблюдатель видит полностью или частично проецируемое изображение, называется зрачковой зоной дисплея. Иными словами, зрачковая зона – это совокупность точек пространства, из которых глаз наблюдателя видит проецируемое изображение полностью или частично. В дисплее рассматриваемой оптической схемы нет строгого согласования зрачков в традиционном понимании с точки зрения теории оптических систем, когда апертурная диафрагма системы оптически сопряжена с плоскостью зрачка глаза. Переналожение зрачковых зон для отдельных точек поля зрения и образование полной зрачковой зоны в окрестностях глаз водителя. Размеры рамки на рисунке 400х300мм2 Рис. 4 Структура световых пучков в плоскости глаз наблюдателя (зрачковая зона) Апертурной диафрагмой проекционной оптической системы дисплея можно считать входное окно оптической системы на верхней крышке приборного отсека автомобиля (Рис.5). Размеры зеркал должны быть такими, чтобы ограничения световых пучков имели место только для углов входного окна, но не уменьшали бы высоту и ширину широких пучков для всех точек поля зрения. Зрачковая зона для данной точки поля зрения есть контур широкого пучка от данной точки поля с учетом всех ограничений на оптических элементах дисплея. Изображение апертурной диафрагмы в зрачковой зоне для каждой из точек поля зрения занимает свое положение в пространстве и смещено поперек направления зрения наблюдателя относительно изображений зрачка для других точек поля зрения. Таким образом, полное поле зрения видно не из всей зрачковой зоны, и поле зрение, видимое двумя глазами одновременно (бинокулярное зрение), составляет только часть полного поля зрения. Ввиду показанной выше структуры зрачковой зоны дисплея, зрение двумя глазами позволяет видеть полное поле зрения за счет сложения полей зрения двух глаз наблюдателя. Габариты собственно оптической системы ограничиваются тем свободным пространством, которое отводится изготовителем автомобиля для размещения дополнительного оборудования – в данном случае оптических деталей дисплея. Зеркальная оптическая система дает возможность передавать цветное изображение, в то время как возможное присутствие преломляющих элементов требует анализа хроматических аберраций, а необходимость их исправления может недопустимо усложнить оптическую систему. С точки зрения разработчика оптических систем HUD дисплей представляет собой проекционную оптическую систему, которая строит изображение поверхности – источника изображения – на некотором расстоянии впереди водителя. Таким образом, водитель, наряду с дорожной обстановкой, видит и передаваемое ему дополнительное изображение. Известно несколько видов двухзеркальных систем [2-6], но трехзеркальная система позволяет получить более высокое качество изображения. Ход лучей в разработанной оптической системе дисплея показан Рис. 5. 224 Рис. 5. Виртуальное изображение расположено слева, наблюдатель – справа. Ход лучей в оптической системе дисплея. Вид сбоку (слева) и вид сверху. Оценка качества HUD дисплейной системы имеет свои особенности. Так как диаметр зрачка глаза наблюдателя составляет от 2 до 7-9 миллиметров, то для любого положения глаза наблюдателя мгновенное рабочее значение числовой апертуры (относительного отверстия) оптической системы дисплея весьма мало. Поэтому аберрации проекционной системы дисплея (за исключением хроматизма увеличения) мало влияют на видимую четкость виртуального изображения. К тому же, при больших диаметрах зрачка глаза в условиях низкой освещенности понижается и разрешающая способность глаза. Аберрации проекционной оптической системы дисплея влияют на параллакс – т.е. видимое смещение виртуального изображения относительно окружающей обстановки при перемещениях головы наблюдателя в пределах зрачковой зоны дисплея. Параллакс связан с поперечными аберрациями проекционной системы для полного размера ее зрачка. Значение параллакса различается для разных точек поля зрения и определяется поперечными аберрациями широких пучков для данной точки поля зрения. Параллакс дисплейной системы для данной точки поля зрения может оцениваться как максимальная разность положений изображения для данной точки поля зрения при перемещениях глаза наблюдателя в пределах зрачковой зоны. На восприятие виртуального изображения оказывает влияния также дисторсия изображения, которая может быть статической и динамической. Статическая дисторсия – это отступление от подобия при данном положении глаза. Динамическая дисторсия т.е. изменение формы изображения - возникает при перемещениях глаза как следствие разности параллаксов для разных точек поля зрения. Рассчитано изменение дисторсии для нескольких положений зрачка глаза. Глаз в центре зрачковой зоны Рис 6. Расчет дисторсии по главным лучам, проходящим через центр зрачка глаза Аберрации широких пучков разработанной оптической системы, рассчитанные в обратном ходе в пространстве LCD матрицы, показаны в виде Spot-диаграмм на Рис. 7. СКО поперечных аберраций широких пучков для полного зрачка и для всех точек поля не превышает 210 мкм, а для части поля зрения в виде круга с диаметром, равным 225 длинной стороне изображения, соответственно, 164мкм. Указанные величины СКО соответствуют значениям параллакса ±0.8 и ±0.6 угл.мин в пространстве наблюдателя. Рис 7. Пятна рассеяния лучей в оптической системе дисплея для восьми точек поля зрения, рассчитанные в обратном ходе лучей в плоскости источника. Лобовое стекло (WS) описывается CAD объектом и задается разработчиком автомобиля. Часть поверхности WS, относящаяся к оптической системе дисплея, может быть аппроксимирована двумерным степенным полиномом четвертой степени. В первом приближении этот участок представляет собой торическую поверхность. Поскольку углы падения лучей на эту поверхность значительны, оптическая система должна компенсировать резко несимметричные аберрации торического зеркала. Поэтому представляется рациональным использовать FreeForm поверхности зеркал. Аппроксимация реальной поверхности, задаваемой как CAD объект, может быть выполнена с помощью метода наименьших квадратов. Точность аппроксимации проверяется или непосредственно вычислением отклонений от CAD модели, или путем сравнения расчетов хода лучей по программам проектирования оптики, поддерживающих задание CAD объектов в качестве оптических элементов. Аппроксимация поверхности реального лобового стекла двумерным степенным полиномом 4-й степени дает погрешность не более нескольких микрометров. Зеркала оптической системы описываются двумерными степенными полиномами 8-й степени. Был изготовлен и испытан макет разработанной оптической системы дисплея. Зеркала с FeeForm поверхностями, задаваемыми полиномами, изготавливались методом точечного алмазного точения на станке, поддерживающем режим медленной синхронизации, т.н. Slow Tool Servo. Сущность метода заключается в согласованном перемещении резца в радиальном и осевом направлениях в зависимости от угла поворота шпинделя станка с закрепленной на нем деталью. Это позволяет изготавливать точением детали, не являющиеся телами с симметрией вращения. Испытания макета показали необходимость дополировки поверхностей для устранения эффекта дифракции на микроструктуре, остающейся непосредственно после обработка резцом. Представляются весьма обнадеживающими перспективы развития этого нового класса дисплейных систем для автомобилей. Литература 1. The DuPont™ Wedge™ for Head-up Display Illuminates Safety, Navigation and Handling Features; Available on GM Vehicles, 2. 3. 4. 5. 6. http://www2.dupont.com/Automotive/en_US/news_events/article20050606.html Патент США № 5,534,506 Патент США № 5,534,357 Патент США № 5,708,413 Патент США № 5,140,465 Патент Японии № JP2009115908A 226
