Ansys Zemax | 抬頭顯示器設(shè)計：從 OpticStudio 至 SPEOS
SPEOS 作為分析抬頭顯示器性能的絕佳工具，一旦系統(tǒng)在 OpticStudio 中完成設(shè)計，我們可以將系統(tǒng)整體作為 STEP 文件導(dǎo)入至 SPEOS 當(dāng)中。系統(tǒng)性能可以通過 HOA 工具（HUD 光學(xué)分析）進(jìn)行計算。
注意，該工具需要使用 SPEOS HUD Design and Analysis 插件以及旗艦版或企業(yè)版授權(quán)。
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HUD 簡介
本文中使用的 HUD 系統(tǒng)及以下文章中設(shè)計得到的（點擊查看）：?ZEMAX | 在設(shè)計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
以下內(nèi)容展示了 HUD 系統(tǒng)的總結(jié)以及特性。
準(zhǔn)備 OpticStudio 序列模式文件
如果需要將 OpticStudio 序列設(shè)計導(dǎo)入至 SPEOS 中，我們需要添加：
在物面上添加對應(yīng)的矩形孔徑，當(dāng)前物面為 HUD 的虛像面。矩形孔徑將展示視場的尺寸。
在 PGU 上設(shè)置對應(yīng)矩形孔徑。
打開文件：“HUD_Step1_MF_after_optim.zar”。
打開物面的表面屬性設(shè)置，添加對應(yīng)的矩形孔徑。
打開像面的表面屬性設(shè)置，添加如下矩形孔徑：
Horizontal size = 28mm (X-half Width = 14 mm)
Vertical size = 28mm (Y-half Width = 14 mm)
含有孔徑設(shè)置的文件已經(jīng)添加至本文章附件中，名為：
HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar
源文件中反射鏡的尺寸較小，我們需要在查看光跡圖結(jié)果之后對其尺寸進(jìn)行修改。
自由曲面反射鏡：原尺寸以及新尺寸
折疊反射鏡：原尺寸以及新尺寸
導(dǎo)出 OpticStudio 作為 CAD 文件
OpticStudio 模型將轉(zhuǎn)換成為 CAD 文件并且導(dǎo)入至 SPEOS 中。
在導(dǎo)出成為 CAD 模型之前，查看當(dāng)前系統(tǒng)的全局坐標(biāo)參考表面，該表面將作為導(dǎo)出 CAD 的坐標(biāo)原點。
在 OpticStudio 中，將設(shè)計導(dǎo)出成為 CAD 文件：
為了將所有表面可用于 SPEOS 中，需要勾選以下 “導(dǎo)出虛擬表面” 選項，并且將虛擬表面厚度設(shè)置為 1。我們也可以設(shè)置導(dǎo)出光線的選項，為后續(xù)對比提供一些參考。
檢查 CAD 精度
在轉(zhuǎn)移至 SPEOS 之前，我們需要在 OpticStudio 中執(zhí)行對比，檢查使用內(nèi)置表面的 OpticStudio 模型與 CAD 模型代表的系統(tǒng)性能的對比情況?？梢栽谖恼赂郊姓业綄?yīng)文件，文件內(nèi)包含兩個結(jié)構(gòu)：
HUD_Step1_MF_after_optim_CAD.zar
- 結(jié)構(gòu) 1 作為內(nèi)置表面模型
- 結(jié)構(gòu) 2 包含非序列元件表面，其中包含 CAD 導(dǎo)出的模型
我們可以使用結(jié)構(gòu)矩陣點列圖分析直接對比兩個結(jié)構(gòu)的性能結(jié)果。在對比文件中，STOP 尺寸被設(shè)置為 4 mm 直徑用于模擬眼睛的瞳孔。
對比結(jié)果顯示，導(dǎo)出的 STEP 文件可以很好地對應(yīng)我們的 HUD 系統(tǒng)設(shè)計。
將 CAD 文件導(dǎo)入 SPEOS
在打開 SPEOS 后，在如下位置點擊導(dǎo)入設(shè)置：
File…Speos Options…File Options…General
然后打開 CAD 文件：
在 SPEOS 中打開 CAD 文件后結(jié)構(gòu)如下所示，與 OpticStudio 的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器對比，對應(yīng)元件的名稱為對應(yīng)行列中的名稱：
針對 OpticStudio 用戶的 SPEOS 瀏覽操作
在 SPEOS 中與元件進(jìn)行交互將不同于在 OpticStudio 一樣，但我們可以對于 SPEOS 中的瀏覽操作進(jìn)行定制化設(shè)置，使其與 OpticStudio 中的方式類似。以下的一些操作可能對于本文中的示例有所幫助：
操作
介紹
OpticStudio
SPEOS
旋轉(zhuǎn)
旋轉(zhuǎn)視圖、物體或者物體組
按住鼠標(biāo)左鍵
按住鼠標(biāo)右鍵
移動
上下左右移動視圖
按住鼠標(biāo)中鍵
CTRL + 按住鼠標(biāo)中鍵
+?
縮放
縮小和放大視圖
滾動鼠標(biāo)中鍵
滾動鼠標(biāo)中鍵
具體的 SPEOS 瀏覽操作設(shè)置可以聯(lián)系工作人員了解對于新用戶而言十分有幫助。
SPEOS 中的 HUD 光學(xué)分析 (HOA)
SPEOS 中的 HOA 允許用戶對于車載抬頭顯示系統(tǒng)中所成的虛像質(zhì)量進(jìn)行定量分析，分析工具將計算：
虛像的距離、駕駛員低頭角度、視場角
畸變、扭曲、放大率、旋轉(zhuǎn)、發(fā)散等
鬼影/雜散光
場曲、光斑尺寸、像散
指定汽車制造商對于硬件插件使用的光學(xué)指標(biāo)定義以及接受標(biāo)準(zhǔn)
對預(yù)畸變圖像進(jìn)行校正的扭曲數(shù)據(jù)，并且導(dǎo)入這部分扭曲信息
一旦 CAD 文件被導(dǎo)入 SPEOS 當(dāng)中，HOA 可以在沒有定義任何光源和材料的情況下執(zhí)行。HOA 工具的使用非常直觀，為了運行分析需要定義其中的每一項。
第一步需要定義的就是 HOA 里面的坐標(biāo)軸情況。在 OpticStudio 中，Z 軸表示車輛方向且 Y 軸表示朝上的方向。
下一步需要設(shè)置對應(yīng)眼盒、目標(biāo)圖像、風(fēng)擋、反射鏡和 PGU。對于每一項元件，我們都可以輸入其從 OpticStudio 中讀取的指標(biāo)并且應(yīng)用至對應(yīng)元件上。我們也將 SPEOS 文件添加至了本文附件。
關(guān)于更多 SPEOS 相關(guān)的設(shè)置情況，您可以查看以下對應(yīng)視頻（即將上線）。
扭曲情況
HOA 可以提供的一種輸出結(jié)果為扭曲 (Warping)。讓我們在兩個軟件中比較這個指標(biāo)，以進(jìn)行完整性檢查。Warping 可以看做是 PGU 上的一個網(wǎng)格，表示圖像是如何被光學(xué)系統(tǒng)扭曲的。
該 “變形的網(wǎng)格” 后續(xù)可被用作一個后期處理步驟，以糾正光學(xué)系統(tǒng)的像差。例如，PGU 顯示一個 “已預(yù)變形” 的圖像，從而為駕駛員提供一個最佳的目標(biāo)圖像。
在 SPEOS 內(nèi)的操作
在 HOA 分析中，扭曲 Warping 的設(shè)置如下所示：
上圖中，扭曲算法被設(shè)置為禁用。我們將需要該設(shè)置以插值最終圖像。執(zhí)行 HOA 并檢查最終結(jié)果。
一旦執(zhí)行，將在 SPEOS 輸出文件中對文件進(jìn)行保存，其中將提供 PGU 的扭曲 Warping 像素結(jié)果。?
在 OpticStudio 中的操作
在 OpticStudio 中我們可以在反向模型計算扭曲的情況（即 HUD 設(shè)計的步驟 1：從虛像面至顯示屏（逆向系統(tǒng)）中），我們可以采樣虛像面對應(yīng)的視場光線并且計算最終視場光線將成像落在 PGU 上的坐標(biāo)。OpticStudio 圖像模擬功能可以給我們提供可視化結(jié)果，全視場點列圖可以展示所有視場的光斑結(jié)果并提供數(shù)值結(jié)果，并且 2D 通用繪圖也可以作為不錯的結(jié)果輸出方式：
我們可以執(zhí)行兩次分析，一次通過 CENX 操作數(shù)輸出對應(yīng)視場質(zhì)心的 X-坐標(biāo)，另一次則通過 CENY 操作數(shù)輸出質(zhì)心 Y-坐標(biāo)。
OpticStudio 最終輸出結(jié)果像面上 (Surface 12) 的局部坐標(biāo)，單位為 mm。SPEOS 所輸出的結(jié)果為基于像素的結(jié)果。
像素結(jié)果和坐標(biāo)結(jié)果可以通過如下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：
Pixel_x = round((CENX + PGU_Xsize/2) * Pixel_x_size,0)
Pixel_y = round((CENY + PGU_Ysize/2) * Pixel_y_size,0)
結(jié)論
本文重點描述了如何將 OpticStudio 中的 HUD 設(shè)計轉(zhuǎn)換進(jìn)入 SPEOS 中。SPEOS HOA 工具可以作為分析已設(shè)計得到的 HUD 系統(tǒng)并輸出全面報告的絕佳工具。
