随着AR HUD在新源汽车行业的火热,这个赛道受到投资机构和主机厂的高度关注,国内外的各家HUD厂家纷纷布局AR HUD。

但AR HUD从设计到量产,难度与W HUD不在一个量级上,于是市场上出现了小AR 、准AR等各种不同概念的产品。这其中最大的差别就在于FOV与投影距离的不同。AR HUD有一个非常关键的指标叫FOV。

FOV是视场角(Field of View)的缩写,是人眼透过光学成像系统可观察到视野的两侧边缘与人眼瞳孔中心连线的夹角。FOV是来评判HUD投射画面大小的重要参数。如下图所示,视场角包括水平视场角(HFOV)、垂直视场角(VFOV)。

AR HUD 视场角示意图

视场角直接决定了HUD可以覆盖的车前距离、车道范围,这也就决定了AR HUD上车后能够带给车主什么样的功能,是一个非常重要的参数。但是不同类型的HUD对于视场角的要求并不一样。

从下图可以直观看出,AR HUD要求的视角场越大,能覆盖的车道越多,虚拟成像距离(VID)越远。对于标准AR HUD来说,当前行业的共识是FOV必须大于10°×3°,VID必须大于7.5米。

为什么有这些要求?本文以来FOV10°×3°,VID 7.5米,下视角2.5°的AR HUD数模设计来解答这两个问题。

不同类型HUD对于FOV和VID的要求(图源:德州仪器)

一、为什么AR HUD的VID推荐在7.5米以上

说到AR HUD对于VID(虚像中心点距离驾驶员眼睛的距离)的要求,这就不能不提到人眼的六米定律。

六米定律:

人类之所以能够识别物体距离远近和形成立体感,是因为人的两只眼睛可以同时观察前方景物。而人类两只眼睛之间的瞳距,决定着对物体远近和立体的感知能力。

亚洲人的瞳距平均在6厘米左右,而人眼精准识别距离极限一般是瞳距的100倍(6米);当超过100倍时,物光源射入两只眼睛的夹角很小,几乎相当于平行光束,此时人类两只眼睛很难产生明显的视觉角度差,因此就无法精准识别出物体的真实距离。

AR显示技术就是利用了人类眼睛的这个极限,超过6米以外的图像才能取得最佳的AR融合显示效果。低于这个数值,人眼能够轻松看HUD图像未贴合于路面。所以市面上4.5米左右的小AR HUD,严格来讲是不能称为AR HUD的。

那么AR HUD的VID下限为什么不定在6米以上呢?因为AR HUD图像并不是一个理想平面,从上到下,离人眼距离并不完全一致。为了保证上边缘或者下边缘距离人眼6米以上,因此要求ARHUD图像中心点离人眼保持7.5米以上。

二、为什么AR HUD FOV必须大于10°×3°

AR HUD为了满足不同身高驾驶员观察图像要求,中心光轴需要通过旋转主凹面镜的方式,将经挡风玻璃反射后的光轴达到眼椭球上部,人眼向上移动距离为行业常见的25mm。此时下视角(人眼视线与水平线形成的夹角)由2.5°变为4°,前方AR HUD虚像下移。

简单来理解,当眼睛处于眼椭球高区分布的驾驶员坐进来,此时看前方完整的AR HUD画面时有个向下的4°下视角度。

AR HUD旋转主凹面镜时下视角变化的动态图片

在上述标准的AR HUD数模中,垂直视角场(VFOV)为3 °的AR HUD虚像在下视角4°的情况下,根据下面的图例尺寸计算,我们很容易计算出,此时从驾驶员眼睛看AR HUD虚像上边缘触地距离为29.675米。

而此时,对于一个横向FOV为10°的AR HUD,尽管下视角调到了4°,AR HUD图像右侧边缘接触车道线的距离了26.695米,因此AR HUD图像仍然具备跨车道显示的能力。

而我们可以对比一下,一个FOV为9° ×3 °的AR HUD(如下图红色框所示),在下视角4°的情况下,如其虚像的右上角顶点(与驾驶员眼位水平距离为29.675米)与右侧车道线重合。

也就是说,横向FOV为9°的AR HUD,当下视角调为4°时,其AR 图像右侧边缘接触车道线的距离为29米,此时的AR HUD无法再进行跨越右侧车道显示。

AR HUD是不是FOV越大越好?

理论上是,但实际运用中,困难重重。

FOV越大,AR HUD的整机体积越难以控制,需要对光路做各种避让设计。目前的AR HUD均采用两次反射的光路结构,在这种结构下,为了实现更大的FOV和更远的VID, 需要更大的非球面反射镜,导致AR-HUD的整体体积非常大,通常都会达到10L以上。

这种体积导致AR-HUD在中小型车型上难以布置。所以各大HUD供应商都在穷尽心力尝试各种方案,把体积做小。

传统AR HUD光路图

位于深圳的前装AR HUD供应商-智云谷已有多款FOV大于10°×3°,VID7.5米以上的低成本AR HUD实现前装一级供应商Tier1定点,并将于今年下半年开始上车量产销售。

为了解决AR HUD行业大画面小体积的痛点,智云谷于近期发布了更大画面的小体积AR HUD解决方案,实现了在主光路中布置二级光学反射系统,缩小了体积,并且已成功申请专利。

客户永远是对的,成像画面要大,距离要远,主机体积要小,亮度要高,还要把成本控制到可以普通车可以标配的水平。各大AR HUD供应商也是竭尽全力,火力全开,我们期待AR HUD在行业的集体努力下渗透率得到进一步提升。

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