本文為使用OpticStudio工具設(shè)計(jì)優(yōu)化HUD抬頭顯示器系統(tǒng)的第二部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio工具設(shè)計(jì)分析抬頭顯示器（HUD）性能，即全視場(chǎng)像差（FFA）和NSC矢高圖。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

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上篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對(duì)于HUD系統(tǒng)進(jìn)行建模，下一步我們將根據(jù)分析系統(tǒng)的初始性能，并結(jié)合具體設(shè)計(jì)指標(biāo)了解如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制與優(yōu)化。

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初始性能

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增加系統(tǒng)像差的因素是風(fēng)擋玻璃，我們可以對(duì)于像差進(jìn)行分析。

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該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處(眼睛)的光，并被風(fēng)擋玻璃反射；反射后，點(diǎn)列圖可以告訴我們?cè)凇罢鎸?shí)”風(fēng)擋玻璃和理想風(fēng)擋玻璃(平面鏡)的情況下的光線角度。

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以下是定義文件的不同步驟：

·忽略表面6至11；

·將視場(chǎng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為角度；

·將“物面厚度”值設(shè)置為“無(wú)限”；

·在風(fēng)擋玻璃后面添加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表面，作為理想平面風(fēng)擋玻璃的模型。將材質(zhì)設(shè)置為“MIRROR”。在“Surface 4 Properties”的“Aperture”下，從“Surface 3”中拾取“Aperture”；

·創(chuàng)建兩種多重結(jié)構(gòu)：一種帶有“真正”風(fēng)擋玻璃，另一種帶有理想的平面反射風(fēng)擋玻璃(表面3和4)；

·勾選System Explorer…Aperture下的Afocal Image Space，設(shè)置單位為角度。

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這些修改可以在“HUD_Step1_windshield_aberration.zar” 文件中找到：

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要分析風(fēng)擋玻璃引入的像差，請(qǐng)單擊?Analyze…Aberrations…Full Field Aberration。塞德?tīng)栂癫罟ぞ咴诖瞬贿m用，因?yàn)樗幻枋鲂D(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中的三階像差。

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全視場(chǎng)像差分析計(jì)算波前的Zernike分解項(xiàng)，并顯示整個(gè)視場(chǎng)的Zernike系數(shù)。

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整個(gè)視場(chǎng)由紅色方框的設(shè)置定義：

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以下是這些視場(chǎng)點(diǎn)的表示：以下是這些視場(chǎng)點(diǎn)的表示：

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對(duì)于每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)，軟件將波前擬合為一系列Zernike標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式，就像在Analyze…Wavefront…Zernike Standard Coefficients下所做的那樣。以下設(shè)置定義了需要顯示的Zernike像差項(xiàng)：

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在像差下，根據(jù)Zernike標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)5(Z5)和Zernike標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)6(Z6)計(jì)算初級(jí)像散：

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初級(jí)像散定義為：

·Magnitude =?sqrt (Z5^2 + Z6^2)

·Angle = (1/2)*atan2(y = -Z5 , x = -Z6)

這里，atan2是C語(yǔ)言函數(shù)，它給出了（y/x）的反正切。

如果“顯示”設(shè)置為“圖標(biāo)”，則線的長(zhǎng)度將給出大小，方向?qū)⒔o出角度。

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在框架的下方是所選像差的顯示范圍，這里則為全視場(chǎng)的初級(jí)像散。

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這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果為：

1.離焦：174.4 waves

2.初級(jí)像散：平均為80.2 waves

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可以看出，該系統(tǒng)最初受到風(fēng)擋玻璃帶來(lái)的像散限制，光束也會(huì)被風(fēng)擋玻璃稍微聚焦。但是離焦值不是問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)會(huì)將光束聚焦到LCD顯示器上。HUD的設(shè)計(jì)將從校正像散開(kāi)始。

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建立評(píng)價(jià)函數(shù)

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回到我們的原始文件“HUD_Step1_StartingPoint.zar”，自由曲面反射鏡現(xiàn)在可以進(jìn)行優(yōu)化，以校正風(fēng)擋玻璃引入的像差。首先，“優(yōu)化”下的“快速調(diào)整”工具可以用來(lái)使我們的自由曲面鏡成為球面鏡。這是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

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建立一個(gè)默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)：

可以構(gòu)建默認(rèn)的評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)優(yōu)化最小的光斑尺寸(RMS點(diǎn))。該系統(tǒng)包含孔徑，因此將使用矩形陣列方式對(duì)光瞳進(jìn)行采樣。

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這里可以使用全視場(chǎng)像差來(lái)檢查視場(chǎng)采樣。視場(chǎng)上像差的快速變化可能意味著需要更多的視場(chǎng)點(diǎn)。

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然后，可以手動(dòng)添加其他指標(biāo)，其中手動(dòng)添加的操作數(shù)位于評(píng)價(jià)函數(shù)的頂部：

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·放大率：一個(gè)規(guī)格是關(guān)于放大率?？梢蕴砑覴EA*(真實(shí)光線坐標(biāo))操作數(shù)，以檢查L(zhǎng)CD顯示器上光線X和Y的位置。DIVI操作數(shù)可用于計(jì)算放大率（像面上的主光線高度與物面上的比率）。將在這些DIVI操作數(shù)上放置10的權(quán)重因子。

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·畸變：最后一個(gè)規(guī)格是關(guān)于畸變。它必須低于2%。

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像畸變這樣的近軸計(jì)算并不總是能很好地處理具有坐標(biāo)間斷的非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。使用畸變操作數(shù)時(shí)，請(qǐng)始終驗(yàn)證結(jié)果是否合理。可以使用CENX和CENY對(duì)視場(chǎng)的四個(gè)視場(chǎng)角(視場(chǎng)2至5)手動(dòng)檢查和/或計(jì)算質(zhì)心的位置。

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評(píng)價(jià)函數(shù)現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒。在優(yōu)化之前，可以將自由曲面反射鏡從標(biāo)準(zhǔn)面更改為自由曲面；這里是一個(gè)Zernike標(biāo)準(zhǔn)矢高曲面，有11項(xiàng)。

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Zernike多項(xiàng)式非常適合優(yōu)化，但它們可能需要轉(zhuǎn)換回標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式，如用于制造的擴(kuò)展多項(xiàng)式。

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Zernike曲面的歸一化半徑設(shè)置為大于半直徑的固定值。在優(yōu)化過(guò)程中，如果該半徑不是固定的，則每次更新時(shí)，都會(huì)在優(yōu)化期間在評(píng)價(jià)函數(shù)上產(chǎn)生一些變動(dòng)。

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優(yōu)化之前的文件稱(chēng)為“HUD_Step1_MF_before_optim.zar”。

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·變量：

Z1是Piston項(xiàng)；它不會(huì)被使用。

Z2和Z3是傾斜項(xiàng)。LCD顯示器等元件的不同位置是固定的，因此不會(huì)使用傾斜項(xiàng)。

系統(tǒng)包含兩個(gè)變量：后焦距的長(zhǎng)度，自由曲面反射鏡的曲率半徑。

在進(jìn)行第一次局部?jī)?yōu)化后，可以檢查全視場(chǎng)像差：

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整個(gè)視場(chǎng)的平均值：

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Z4是離焦/場(chǎng)曲，并設(shè)置為變量。

Z5和Z6是主初級(jí)像散，并且設(shè)置為變量。

優(yōu)化后，整個(gè)視場(chǎng)的平均值為：

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Z7和Z8是初級(jí)彗差，并且設(shè)置為變量。

Z9和Z10是彗差，并且被設(shè)置為變量。

Z11是平衡的初級(jí)球差，并且被設(shè)置為變量。

然后是一分鐘的Hammer優(yōu)化：

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優(yōu)化后的文件稱(chēng)為“HUD_Step1_MF_after_opti.zar”。

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優(yōu)化結(jié)果

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優(yōu)化的結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)尚未翻轉(zhuǎn)，因此性能不是“真實(shí)”性能，而是“翻轉(zhuǎn)”性能。

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·光斑大小(RMS)：光斑的RMS半徑低于200微米。它沒(méi)有提供太多信息；當(dāng)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)時(shí)，檢查角度大小將更令人感興趣。

·像散與彗差：可以再次檢查全視場(chǎng)像差，以查看優(yōu)化是否降低了初級(jí)像散。除了像散之外，最有可能影響HUD成像質(zhì)量的Zernike項(xiàng)是彗差和球差。用于以下結(jié)果的視場(chǎng)是總視場(chǎng)，它表示駕駛員看到的最大角度范圍，允許頭部在HUD眼盒內(nèi)垂直和水平移動(dòng)。它還顯示了兩只眼睛所看到的視差。

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整個(gè)視場(chǎng)的平均值為：

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像散的范圍從80減少到11 waves。下圖使用的是相對(duì)比例(顯示設(shè)置)，從絕對(duì)值中減去平均值。它可以更好地了解整個(gè)視場(chǎng)的像差變化：

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· 畸變：略高于2%