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汽车抬头显示HUD之自由曲面原理(下)

以下文章来源于睿维视 ReaVis ,作者睿维视ReaVis


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上期《汽车抬头显示HUD之自由曲面原理(上)》我们介绍到,自由曲面的设计自由度可有效矫正像差,从而达到更好的成像效果。但是,这样也增加了其面型的复杂度,导致其加工和检测的难度也相应变大。本期,我们将为大家介绍自由曲面制造、检测、及其工艺的评价指标。


 加工生产 


在自由曲面的加工生产中,根据生产目的的不同,手板件(样品)和量产件在生产材料和方式上也存在着一定差异。


自由曲面手板件用于验证光学设计,通常采用单点金刚石车床加工,材料通常为钢或铝。由于使用高精度单点金刚石车床直接加工,完成后的曲面面型能更加贴近设计值。但因为单点金刚石切削技术的成本相当高,这一方法并不适用于直接加工量产产品。


对于量产产品而言,我们会用单点金刚石车床加工自由曲面模具的模芯,并向该模具内注入树脂材料,得到自由曲面量产件,量产件的面型精度通常低于手板件。


对HUD自由曲面来说,常用的注塑材料一般有2种:PC(聚碳酸酯)和COC(环烯烃共聚物),它们同为塑料。COC的稳定性/耐久性(包括耐高温性)要强于PC[1],在其他条件相同的情况下,使用COC材质的量产件的面型形变量会比PC的面型形变量小,但通常COC的价格也会比PC高出不少。所以,两种材料各有优势:PC的优势在于成本,而COC的优势在于稳定。


 表面镀膜 


在上期,我们提到过自由曲面有透镜和反射镜两种。通常在光学设计时,对于原件表面的穿透率和反射率有一定要求,所以在原件加工成型后,会通过在其表面镀光学薄膜的方法来匹配设计光学薄膜可以改变光波的传递特性(如光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变)[2]可分为电质膜、金属膜或两者的结合。


当自由曲面用于HUD时, 需要对加工完成后的自由曲面表面镀膜以提高反射率。一般HUD的自由曲面镜在可见光波段的反射率要求大于90%。在AR-HUD中,如果PGU采用TFT,考虑到阳光倒灌问题,小曲面镜的镀膜要求则更高,需兼顾红外波段,以吸收阳光中的红外部分能量。


 面型测量 


由于自由曲面表面设计非常精密,我们需要对已成型的自由曲面进行测量,检验其与设计理想值的差距,进而判断是否能达到理想的成像效果。自由曲面的测量方法,分为点线式和面式[3]


点线式测量法是比较传统的面型检测方法,主要适用于自由曲面加工过程中的铣削、研磨与粗抛光阶段。点线式测量法较为简单,但测量速度慢、精度和效率较低。目前典型的点线式测量方法主要有三坐标测量机法(CMM)、轮廓仪法、摆臂式轮廓扫描法等。


相较而言,面式测量法可以直接得到面型数据,测量速度快、效率高,但这种方法的测量成本也较为昂贵。干涉测量法就是典型的面式测量法,主要包括白光干涉法、结构光、计算全息法和倾斜波面法等。


 评价指标 


在自由曲面的制造过程中,面型会因生产过程的公差产生波动,面型的误差如果较大,将极大程度影响成像质量。通过分析测量后收集的自由曲面面型数据,我们可以对自由曲面的质量作出评价。常见的自由曲面面型评价指标有3个:PV、RMS、以及RA值。


PV(Peak to Valley)也叫峰谷值(图(1)),描述的是生产完成的自由曲面面型相较于设计面型的最大误差值,单位通常为μm。检测时,我们将在整个自由曲面上,以一定的间隔进行采样(例如:0.5mm)。假设在面型矩阵W(x,y)中,x和y分别行和列的序号[4]WmaxWmin分别是在被采样的矩阵内,W(x,y)的最大值与最小值,那么PV就是WmaxWmin之差[4]


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图 (1). PV定义


PV值越小,自由曲面就越接近我们预期的设计效果。在实际生产中,PV和曲面镜的大小相关,曲面镜越大,PV通常也越大。比方说,在W-HUD中,当前主流供应商可以把PV控制在60μm左右;在AR-HUD中,由于镜片尺寸增大(300mm及以上),PV值通常在100μm左右。


RMS指的是W(x,y)每个采样像素点上,实际面型与设计面型的误差值(Residual)的均方根[5]如图(2)所示HUD中,自由曲面的RMS一般要求控制在PV值的1/6-1/5,可让曲面镜面型控制得比较稳定,减少面型突变的情况。例如,PV值为100μm时,RMS值应控制在20μm内。


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图 (2). RMS定义


RA描述的是自由曲面的表面粗糙度,反映了物体表面微观几何形状高度的特性,通常nm为单位(图(3))[6]。RA的计算方式是在被检测的自由曲面内,取一条采样直线,直线上各采样点到均值线绝对值的平均值。通常我们要求RA小于10nm,过大的RA会导致虚像模糊,好比虚像被蒙了一层纱。


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图 (3). RA定义


PV、RMS和RA可能会对成像的清晰度和畸变(包括动态畸变和静态畸变)造成影响。通常来说,PV、RMS、RA值越小,越接近理想成像效果。


总而言之,自由曲面的高设计自由度带给了它高性能的优势,但也导致了它在工艺设计中的高难度、高要求。了解自由曲面的加工生产和评价指标,有助于更好地理解自由曲面对于成像质量的影响,从而帮助我们在设计时,能够从理论、仿真、工艺、生产等多个维度综合考量,以保证最终的图像质量。


#参考来源:

[1]http://www.ccin.com.cn/detail/2066f367bb413825638e86b8d5c6223b

[2]https://www.21ic.com/article/858554.html

[3]Thompson K P, Rolland J P. (2012). "Freeform optical surfaces: a revolution in imaging optical design". Optics & Photonics News. 23(6): 30-35.

[4]Wang Z, Zhai Y, Mei G, etc. (2010). "Design of Flexible Support for Space Optical Remote Sensor Mirror". Optical Precision Engineering. 18(8):1833-1841.

[5]Li M, Wu Q W, Yu F. (2010). "Optimization of the thickness of optical window glass based on thermo-optical analysis". Acta Optics Sinica. (1):210-213.

[6]Cao LX, Li DF. (1990). "Measurement of surface roughness parameter Ra by infrared light scattering technique". Journal of Aeronautics and Astronautics, (4):-B216.


本文转载自公众号@睿维视ReaVis




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