本文演示了如何使用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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初始結(jié)構(gòu)

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HUD簡(jiǎn)介

以下為HUD的示意圖。液晶顯示器作為光源發(fā)光，光線被HUD的兩個(gè)反射鏡反射，然后通過(guò)風(fēng)擋玻璃反射，最后進(jìn)入駕駛員的眼睛。駕駛員將在道路上看到虛擬圖像，比如給他指示此時(shí)的速度影像的投影。

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司機(jī)在開(kāi)車時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)頭部導(dǎo)致視線的偏移，司機(jī)的視角我們可以使用眼盒代替。眼盒本質(zhì)上是一個(gè)虛擬方框，表示駕駛員眼睛位置的范圍。

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系統(tǒng)規(guī)格

?虛像距離：2米

?顯示當(dāng)前車速

?機(jī)械限制：HUD主要受到儀表板下可用空間的限制，風(fēng)擋玻璃將充當(dāng)一個(gè)分束器

?眼盒：駕駛員眼睛的位置在寬度為±50毫米、高度為±20毫米的眼盒范圍內(nèi)

?瞳孔：在明亮的光線下直徑為2至4毫米，在黑暗中直徑為4至8毫米。對(duì)于該研究，它被設(shè)置為4毫米

?液晶顯示器尺寸寬為±12.5毫米，高為±5毫米

?放大倍數(shù)=6

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設(shè)計(jì)選擇

HUD的起始結(jié)構(gòu)是一個(gè)折疊系統(tǒng)，在儀表板下保持足夠小的尺寸。示例HUD由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成：一個(gè)平面，一個(gè)自由曲面。反射鏡在成像系統(tǒng)中具有不增加任何色差的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中自由曲面反射鏡需要被優(yōu)化。

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HUD設(shè)計(jì)流程

?從虛像到顯示器：設(shè)計(jì)在序列模式中反向進(jìn)行。原因從駕駛員看到的虛像開(kāi)始進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)建模相對(duì)容易。然后可以將光闌表面放置在系統(tǒng)的前部，即眼盒所在的位置。在光闌表面上放置一個(gè)矩形孔徑，以描述對(duì)眼睛位置的限制。

?從顯示器到虛擬圖像：系統(tǒng)將在序列模式下翻轉(zhuǎn)。允許評(píng)估從顯示器到虛像的“真實(shí)”性能，即正向性能。

?最后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換為非序列(NSC)模式。這提供了一個(gè)更真實(shí)的模型，其中用戶可以包括雜散光分析。它將顯示駕駛員使用抬頭顯示器看到的真實(shí)圖像。

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步驟1：從虛像到顯示器(逆向設(shè)計(jì))

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初始結(jié)構(gòu)

為了方便起見(jiàn)，已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)模板，其中包含所有的初始結(jié)構(gòu)。在附件中即可看到。初始結(jié)構(gòu)中包含整個(gè)風(fēng)擋玻璃的自由曲面模型。風(fēng)擋玻璃可視為一個(gè)擴(kuò)展多項(xiàng)式表面。

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系統(tǒng)選項(xiàng)：

?孔徑：眼盒是系統(tǒng)的光闌面，因此它代表了駕駛員眼睛的位置范圍：寬度=±50毫米，高度=±20毫米，所以我們將該尺寸的矩形孔徑放置在光闌面。

入瞳直徑(EPD)計(jì)算可得2 × (20?2 +50 ?2) ?2 = 108毫米。?

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?視場(chǎng)：視場(chǎng)類型為物高，規(guī)格定義為矩形。在實(shí)際系統(tǒng)中，LDC顯示器上的圖像為虛像尺寸的6倍，因?yàn)楫?dāng)前的設(shè)計(jì)是逆向從虛擬圖像到LCD顯示器的，因此可以計(jì)算虛像的大小，并將其用作“視場(chǎng)編輯器”中定義視場(chǎng)大小的物高。液晶顯示器尺寸為：寬度=±12.5毫米，高度=±5毫米。因此，物高尺寸應(yīng)該是此值的6倍。

視場(chǎng)寬度=±75毫米(6 x 12.5)，視場(chǎng)高度=±30毫米(6 x 5)

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?波長(zhǎng)：LCD顯示器將發(fā)出0.55微米的波長(zhǎng) ??

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風(fēng)擋玻璃

可以對(duì)整個(gè)風(fēng)擋玻璃進(jìn)行建模，也可以僅對(duì)HUD使用的風(fēng)擋玻璃區(qū)域進(jìn)行建模。

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要找到“考察”區(qū)域，可以使用Footprint Diagram工具顯示疊加在風(fēng)擋玻璃表面上的光線跡點(diǎn)情況：

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風(fēng)擋玻璃建模：

風(fēng)擋玻璃模型：

風(fēng)擋玻璃可以用序列模式表面來(lái)描述，如自由曲面或非序列CAD零件。如果將其描述為插入序列系統(tǒng)的非序列CAD零件，則系統(tǒng)變?yōu)榛旌夏Ｊ?。這在從虛像到顯示器的逆向系統(tǒng)建模時(shí)效果良好，但在正向工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)楣怅@面位于非序列結(jié)構(gòu)表面之后（違反混合模式建模規(guī)則）。這也會(huì)使光線瞄準(zhǔn)更加困難，并可能導(dǎo)致其它光線追跡問(wèn)題。

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一種解決方法是測(cè)量CAD零件的矢高，然后使用序列網(wǎng)格矢高表面對(duì)其進(jìn)行建模。通過(guò)這種方式，系統(tǒng)保持在純序列模式，OpticStudio可以將網(wǎng)格矢高表面轉(zhuǎn)換為非球面類型表面?？稍?Optimize…Convert Asphere Type?下找到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換工具。

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將風(fēng)擋玻璃轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格矢高表面：

非序列模式下的矢高分析是ZOS-API的擴(kuò)展，用于測(cè)量CAD零件的矢高。

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該分析使用探測(cè)光源光線并記錄該探測(cè)光線擊中NSC物體的位置。文件“HUD_windshield_sag.zar”可以在文章頂部下載。它包含風(fēng)擋玻璃CAD零件和資源。

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風(fēng)擋玻璃的X和Y尺寸需要在NSC矢高圖中進(jìn)行設(shè)置。可以近似使用相機(jī)視圖結(jié)合活動(dòng)光標(biāo)位置讀取需要設(shè)置的X-Y：

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可以為NSC矢高工具輸入以下設(shè)置：

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在設(shè)置中，您可以：

?取消勾選“移除XY傾斜”。NSC矢高不會(huì)將NSC物體的傾斜設(shè)置為0。

?勾選“保留保存的文件”，將.zmx和.zrd文件保存到當(dāng)前文件夾。

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NSC矢高圖以偽彩色顯示。如果在“設(shè)置”下，“顯示”選項(xiàng)設(shè)置為“文本”，則它也可以顯示為文本列表。然后可以保存此文本輸出并將其轉(zhuǎn)換為正確的數(shù)據(jù)格式.DAT，該數(shù)據(jù)可以用于網(wǎng)格矢高表面。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本示例中風(fēng)擋玻璃采用擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面進(jìn)行建模。

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定位所有元件

這是一個(gè)表示所有元件位置的示意圖：

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可以利用以下實(shí)用工具將表面進(jìn)行放置：

?坐標(biāo)間斷-返回：坐標(biāo)間斷面可以通過(guò)坐標(biāo)返回來(lái)定義表面傾斜和偏心情況，可以在以下位置找到：Surface Properties…Tilt/Decenter。OpticStudio隨后將計(jì)算該“坐標(biāo)間斷”面的對(duì)應(yīng)參數(shù)，以便在該坐標(biāo)間斷面之后，局部坐標(biāo)與先前序列表面的局部坐標(biāo)相同。

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?主光線計(jì)算：計(jì)算坐標(biāo)間斷面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以主光線為中心：

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現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了對(duì)于 HUD 系統(tǒng)的元件定位與設(shè)置，下一步我們可以根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)去評(píng)估系統(tǒng)的初始性能以及進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

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在后續(xù)的文章中，我們會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。