第二章 人眼视觉与光学基础
各位同学好，我是老张。做HUD这行十几年了，今天咱们聊聊最基础、也最容易被忽视的东西——人眼视觉与光学基础。
你可能会问：做HUD，不就是把图像投射到挡风玻璃上吗？跟人眼有什么关系？
关系大了去了。HUD最终是给人看的。你不懂人眼，怎么设计出好用的HUD？
我个人习惯，每次带新人，第一课不讲光学公式，先讲眼睛。因为所有光学设计的终点，都是人眼。
2.1 人眼结构——一个精密的“光学系统”
人眼本质上就是一个光学系统。角膜、晶状体、玻璃体，相当于镜头组。视网膜，相当于图像传感器。
我经常跟团队说：你设计HUD时，要把人眼当成一个“客户”。它的需求很明确——清晰、舒适、不累。
2.1.1 角膜与晶状体
角膜提供约70%的屈光力。晶状体负责调焦。年轻时晶状体弹性好，看近看远都行。年纪大了，弹性下降，老花就来了。
嗯，这里要注意：HUD的虚像距离一般设在7.5米左右。为什么？因为人眼在这个距离上最放松。我见过有些方案把虚像设在2米，结果驾驶员频繁调焦，眼睛很快就累了。
2.1.2 视网膜与感光细胞
视网膜上有两种感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。
- 视锥细胞：负责明视觉和色觉。集中在中央凹区域。
- 视杆细胞：负责暗视觉。对亮度敏感，但无法分辨颜色。
这解释了为什么HUD的亮度不能太低。我在项目中遇到过，某次测试时HUD亮度调得太低，白天还好，一到黄昏，驾驶员说“看不清”。其实就是视锥细胞没被激活，视杆细胞又分辨不了颜色。
关键参数：人眼的分辨率约为1角分（1/60度）。HUD的像素大小，必须小于这个值，否则人眼会看到“锯齿”。
2.2 视觉感知特性——HUD设计的“潜规则”
视觉感知，说白了就是人眼怎么看东西。这里面有很多“潜规则”，不懂的话，设计出来的HUD就是“能用但不好用”。
2.2.1 视野与眼动
人眼的视野大约为：水平180度，垂直130度。但真正能看清的，只有中央凹那几度。
HUD的视场角（FOV）一般设计在5-10度。为什么？因为太大了，驾驶员需要转头去看，反而危险。
我建议：HUD的信息应该落在驾驶员的主视野内，但又不能遮挡前方路况。这个平衡点，需要反复调。
2.2.2 对比度与亮度
人眼对对比度非常敏感。对比度不够，信息就“融”到背景里了。
举个例子：HUD上的白色箭头，如果背景是白云，那驾驶员根本看不见。所以HUD的亮度必须能自动调节，根据环境光变化。
我曾经吃过这个亏。早期一个项目，没做环境光传感器，结果大晴天HUD信息“消失”了。后来加了光传感器，才解决问题。
2.2.3 闪烁与刷新率
人眼对闪烁很敏感。低于60Hz的刷新率，人眼能明显感觉到闪烁。
HUD的刷新率一般要求60Hz以上。我见过一些低成本方案用30Hz，结果驾驶员说“眼睛难受”。其实不是眼睛的问题，是闪烁导致的视觉疲劳。
小技巧：HUD的亮度不要恒定。应该根据环境光动态调整。白天亮，晚上暗。否则晚上开车时，HUD会“晃眼”。
2.3 光度学与色度学基础——量化“光”与“色”
光度学，研究的是“人眼感受到的光”。色度学，研究的是“人眼看到的颜色”。
这两个学科，是HUD光学设计的“度量衡”。没有它们，你没法量化设计指标。
2.3.1 光度学基本量
| 物理量 | 符号 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 光通量 | Φ | 流明 (lm) | 光源发出的总光功率 |
| 发光强度 | I | 坎德拉 (cd) | 单位立体角内的光通量 |
| 照度 | E | 勒克斯 (lx) | 单位面积接收到的光通量 |
| 亮度 | L | 尼特 (nit) | 单位面积、单位立体角内的光通量 |
HUD最关心的是亮度。白天要求10000-15000 nit，晚上要求100-300 nit。这个跨度很大，所以自动调光是必须的。
2.3.2 色度学基础
颜色，本质上是人眼对不同波长光的响应。CIE 1931色度图，是HUD颜色设计的“地图”。
HUD常用的颜色是绿色和白色。为什么？因为人眼对绿光最敏感。但现在的趋势是彩色HUD，可以显示更多信息。
我记得有一次，客户要求HUD显示红色警告。结果红色在阳光下根本看不清。后来查了色度图，发现红色在明亮背景下的对比度太低。最后改成了橙色。
避坑指南：HUD的颜色选择，一定要考虑环境光。不要只看色度图上的坐标，还要看实际使用场景。我曾经因为没考虑这个，被客户骂了一顿。
2.4 几何光学基本原理——HUD的“骨架”
几何光学，是HUD光学设计的理论基础。说白了，就是研究光线怎么走。
2.4.1 光的直线传播与反射
光在均匀介质中沿直线传播。遇到反射面，遵循反射定律：入射角等于反射角。
HUD的核心就是反射。挡风玻璃就是一个反射面。但挡风玻璃不是平面镜，它有曲率。所以HUD的光路设计，必须考虑挡风玻璃的曲面。
2.4.2 折射与透镜
光从一种介质进入另一种介质，会发生折射。透镜就是利用折射原理来成像的。
HUD中常用自由曲面透镜。为什么？因为挡风玻璃的曲面是不规则的，普通球面透镜无法补偿像差。
我建议：做HUD光学设计时，一定要用光学仿真软件。手工计算太复杂，而且容易出错。
2.4.3 像差与校正
像差，就是实际成像与理想成像的偏差。常见的像差有：球差、彗差、像散、场曲、畸变。
HUD最关心的是畸变。因为挡风玻璃的曲面，会导致图像变形。比如，一个正方形，投射到挡风玻璃上变成了梯形。
校正畸变的方法有两种：
- 光学校正：用自由曲面透镜补偿畸变。
- 电子校正：在图像生成时，预先做反畸变处理。
我一般两种方法都用。光学校正做粗调，电子校正做精调。这样效果最好。
核心公式：高斯成像公式 1/f = 1/u + 1/v。其中f是焦距，u是物距，v是像距。HUD的虚像距离，就是通过这个公式算出来的。
2.5 本章小结
这一章内容不少，但都是HUD设计的“基本功”。
人眼结构，告诉你HUD是给谁看的。视觉感知特性，告诉你HUD该怎么设计。光度学与色度学，告诉你如何量化设计指标。几何光学，告诉你光线怎么走。
我个人觉得，这四块内容，缺一不可。你光学设计做得再好，不懂人眼，也是白搭。
下一章，我们讲HUD的系统架构。到时候，你会看到这些基础知识是怎么用起来的。
好，今天就到这里。有问题随时问我。