Ansys Zemax｜在设计抬头显示器(HUD)时需要使用哪些工具？

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汽车抬头显示器或汽车平视显示器，也被称为HUD，是在汽车中显示数据的透明显示器，不需要用户低头就能看到他们需要的重要资讯。这个名字的由来是由于该技术能够让飞行员在头部“向上”并向前看的情况下查看信息，而不是斜着眼睛看下面的仪表。

这篇文章节选了在设计和分析抬头显示器（HUD）的性能时所使用的 OpticStudio 工具。

HUD 概述

下面是 HUD 的简图。液晶显示器（LCD）会发光，这些光被构成 HUD 的两个镜子反射，然后再被挡风玻璃反射，最后进入驾驶员的眼睛。驾驶员看到的是位于道路上的虚像，该虚像为驾驶员提供例如速度等信息。

驾驶员在驾驶过程中会移动头部改变视角。视窗（eyebox）是一个虚拟空间，代表驾驶员在该空间内都能看到虚像。

让我们来看一个 HUD 系统示例，其规格参数如下。

• 虚像距离: 2 m

• 显示车辆当前的行驶速度

• 结构限制：HUD 将主要受到仪表盘下可用空间的限制。挡风玻璃将充当分光镜。

• 视窗: 驾驶员眼睛的位置将位于一个宽度为 ± 50mm，高度为 ± 20mm的空间内。

• 人眼瞳孔：在亮光下为2至4毫米，在黑暗中为4至8毫米。在本示例中，它将被设定为4毫米。

• LCD 显示屏尺寸为宽 ± 12.5mm，高 ± 5mm。

• 放大倍数 = 6

设计 HUD 的步骤

从虚像到显示器：设计是在序列模式下反向进行的。为什么呢？因为从驾驶员看到的虚像开始模拟很方便。这样就可以将光阑面放置在系统前方，即视窗所在的位置。在光阑面放置矩形孔径以表述对眼睛位置的约束。

从显示器到虚像：之后在序列模式下将系统反转，这将能够“真实”模拟人眼在汽车前进方向上看到的画面的成像质量。

最后，系统将被转换为非序列（NSC）模式，该模式下，用户可以进行杂散光分析，从而实现更加真实的模拟。在该模式下，将显示驾驶员使用 HUD 看到的真实图像。

第一步：从虚像到显示器（反向）

• 设计选择:

HUD 的初始设计是一个折叠系统，这保证了它在仪表盘下可以保持足够小的尺寸。HUD 由两面镜子组成：一面平面镜，还有一面是自由曲面。镜子的优点在于不会在成像系统中引入任何色差。自由曲面的镜子还需要进行优化。

为了方便起见，我们建立了一个模板，其中包含了所有初始元素以及整个挡风玻璃的自由曲面模型。挡风玻璃由扩展多项式面型模拟。让我们一起来看看这个文件是如何建立的。

• 系统选项:

孔径：视窗为系统光阑，它表明了驾驶员眼睛位置可移动的范围：宽度 = ± 50mm，高度 = ± 20mm，这个尺寸的矩形孔径被放置在光阑面。

然后计算入瞳直径 (EPD) 为 2 x (sqrt (20^2+50^2)) = 108 mm。

• 视场：

视场类型被设置为物高，归一化被定义为矩形。在实际系统中，LCD显示器上的图像被放大了6倍以形成虚像。因为目前的设计是反向的，从虚像到LCD显示器，虚像的尺寸可以被计算出来，并作为物高在视场数据编辑器里面定义视场大小。LCD显示器尺寸为: 宽度 = ± 12.5mm，高度 = ± 5mm。因此，物面尺寸应该是这个尺寸的6倍：

波长: LCD 显示器发光波长为0.55µm。

• 挡风玻璃

可以对整个挡风玻璃进行建模，也可以只对 HUD 使用的挡风玻璃的区域进行建模。

为了找到这个“有效”区域，可以使用光迹图（Footprint Diagram）工具，该工具可以在分析菜单栏下的光线迹点(Rays & Spots)中找到。它显示了光束在挡风玻璃表面上叠加的光迹：

• 挡风玻璃建模：

挡风玻璃可以通过序列模式下面型表征，例如自由曲面面型，或者也可以被看作非序列 CAD 零件。如果它被表征为一个非序列 CAD 零件插入到一个序列模式下的系统中，那么系统就变成了混合模式。当对系统反向建模时，即从虚像到显示器，这样做效果很好，但在正向建模时就会出现问题，因为光阑面现在位于非序列组件表面之后，这使得光线瞄准更加困难，也可能导致其他光线追迹问题。

在本例中，挡风玻璃是使用扩展多项式面型建模的。

• 定位所有元素

所有元素的位置布局如下图所示：

• 每个面的放置是通过一些便利的工具来完成的：

坐标断点返回：坐标断点面可以使用表面属性下的倾斜/偏心中的坐标返回来定义。OpticStudio 之后将计算该坐标断点面的参数，以便在该坐标断点面之后，局部坐标（“返回”至）与之前的序列面型的局部坐标相同。

• 主光线求解：该求解会计算坐标断点面的倾斜和偏心，使其垂直于主光线并以其为中心。

因为篇幅关系，本次推文节选了部分内容，了解更多关于如何完成这一工作，以及如何将设计导出到非序列模式进行进一步分析，请联系工作人员获取全文和附件。