這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中創建抬頭顯示系統。抬頭顯示系統是一個透視顯示系統，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數據，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實現透視顯示，系統必須在擋風玻璃前形成一個虛像。該虛像的尺寸必須與儀表盤相近且不阻礙駕駛員的視線。另外，駕駛員應該在一定空間內都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)

抬頭顯示系統有多種光路結構，本文將和大家分享其中一種結構。示例文件請從以下鏈接下載：

這個布局圖可以讓光學工程師大體了解像面尺寸、視窗尺寸和最后一個元件所需的封裝尺寸。為了讓這些參數之間的關系更加清晰，將折疊光路展開是非常有幫助的一個方法。通過將反射鏡的材料從鏡面設為無、并調整坐標斷點面的角度參數可以得到如下布局圖：

橙色面表示儀表盤窗口。從這個布局圖中可以清晰的看到視窗的直徑，駕駛員到擋風玻璃的距離，駕駛員到虛像面的距離以及受儀表盤窗口尺寸限制的虛像面的大小。

為了進行優化，我們將優化向導的評價標準設為光斑半徑。對于這個系統來說，添加額外的操作數控制光線在每個面上的入射角、出射角和厚度是十分必要的。在本系統中，將含光焦度反射鏡在 Y 方向上的偏移、鏡面的圓錐系數和鏡面到像面的距離設為變量，運行優化將得到類似如下結果：

為了減小系統的尺寸并更好的控制系統像差，我們添加了透鏡組并使用兩個反射鏡折疊光路。使用相同的約束對系統進行約束得到以下結果：

添加所有結構后，重新優化系統：

為了真實模擬人眼看到畫面的成像質量，我們需要將系統反轉進行成像質量分析。由于系統的成像質量接近衍射極限，因此我們可以使用惠更斯 MTF 對成像質量進行評估。當入瞳直徑分別為1.5mm 和8mm 時，目標對比度為30%對應的空間頻率分別為 0.76lp 和 2.0lp。另一種評價系統成像質量的方法是使用圖像模擬分析功能。由于系統成像質量接近衍射極限，因此圖像模擬分析設置需選擇考慮衍射效應。

在之前的設計中，擋風玻璃一直以反射鏡代替。為了真實模擬擋風玻璃，我們使用兩個結構來建模。在第一個結構中擋風玻璃的內表面建模為反射鏡面。在第二個結構中擋風玻璃建模為一塊材料為 B270 的平行平板玻璃，并在兩個表面都發生透射和折射。雖然實際的擋風玻璃比平行平板復雜的很多，但使用平板玻璃來觀察菲涅爾反射是如何影響成像質量是非常有意義的。

光線在擋風玻璃表面的反射細節如上圖所示。兩條光線來自于同一個物體位置并都穿過視窗中心。使用光跡圖 ”Footprint Diagram” 也可以幫助我們查看虛像面上兩個像的偏移。

用目前多種方案可以解決重影問題。例如寶馬在擋風玻璃中使用了一塊塑料光楔，消除重影的原理請參考技術文件 BMW E70 Heads Up Display PDF 第17頁：

在解決重影問題之前考慮擋風玻璃的設計是十分必要的。然而為了演示目的，這里我們在擋風玻璃的內表面，添加一個角度形成光楔來校準重影的兩個像。改變光楔的角度，直至重影完全消失，得到如下結果：

小結

今天和大家分享了一種抬頭顯示系統的光學設計。本文首先建立了反向初始結構。并使用惠更斯 MTF 和圖像模擬功能分析了最終設計的成像結果。通過圖像模擬和光跡圖對重影現象進行了仿真，并驗證了楔形擋風玻璃對重影的校正效果。