随着汽车的普及,交通安全问题受到越来越多的关注。近几年汽车安全技术已成为全世界研究的热点,其中汽车辅助驾驶技术可以为驾驶员提供必要的辅助驾驶信息,以保障驾驶安全。本文研究的汽车HUD是一种视觉辅助驾驶系统,它能够把行车信息投射成一个虚像,显示在驾驶员前方的一定距离处,使驾驶员在平视状态下即可获取车速、转速、油量、实时导航等信息,从而避免驾驶员因低头查看驾车信息而产生的盲区时间,减少潜在的交通事故。随着汽车HUD的更新迭代,下一代汽车HUD将与增强现实(Augmented Reality,AR)技术相结合,不仅能显示仪表和导航信息,还可以对车外的实时道路环境进行识别,并显示出相应的数据信息,这种汽车HUD被称作AR-HUD,是目前汽车HUD研发的前沿领域。汽车AR-HUD要求显示的虚像视距更远、虚像尺寸更大,其光学系统中的像差也更难以矫正,本文主要研究汽车AR-HUD的光学系统,研究内容如下:第一,调研了汽车HUD的发展现状,对不同类型的汽车HUD进行了技术研究,分析了目前国内外汽车HUD产品的市场情况,总结了国内外对AR-HUD的研究动态;第二,从光学原理角度分析了汽车AR-HUD虚像显示原理,研究了其光学系统中的像差理论,同时研究了自由曲面的设计与应用,讨论了光学设计的一般方法;第三,分析了汽车AR-HUD光学系统的性能要求,提出了其光学系统的设计指标,以某车型的前挡风玻璃面型作为虚像与实景的组合器,设计了一种基于离轴反射光路结构的汽车AR-HUD光学系统,借助Zemax软件对光路进行了优化,并对系统成像质量和公差容错进行了初步分析;第四,分析了汽车AR-HUD产生重影现象的原理,研究了消除重影的方法,并推导出了相应公式,为消除重影提供了理论依据;第五,针对汽车AR-HUD的源图像高亮度的要求,研究了汽车HUD的源图像显示技术,设计了一款用于DLP光机的微投影物镜,并对其进行了成像质量分析;第六,提出了汽车AR-HUD的虚像视距、虚像视场角、Eyebox测试方法,设计搭建了原理性实验光路,并对虚像进行了实验测试,结果显示设计数据与实验数据具有一致性,说明了测试方法是可行的。