在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？

汽車抬頭顯示器或汽車平視顯示器，也被稱為HUD，是在汽車中顯示數據的透明顯示器，不需要用戶低頭就能看到他們需要的重要資訊。這個名字的由來是由于該技術能夠讓飛行員在頭部“向上”并向前看的情況下查看信息，而不是斜著眼睛看下面的儀表。

這篇博文介紹了在設計和分析抬頭顯示器（HUD）的性能時所使用的 OpticStudio 工具。

HUD 概述

下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發光，這些光被構成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。

駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內都能看到虛像。

讓我們來看一個 HUD 系統示例，其規格參數如下。

• 虛像距離: 2 m

• 顯示車輛當前的行駛速度

• 結構限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。

• 視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內。

• 人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。

• LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。

• 放大倍數 = 6

設計 HUD 的步驟

從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。

從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統反轉，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質量。

最后，系統將被轉換為非序列（NSC）模式，該模式下，用戶可以進行雜散光分析，從而實現更加真實的模擬。在該模式下，將顯示駕駛員使用 HUD 看到的真實圖像。

在本篇博文中，我們會將重點放在第一步。關于第二步以及第三步的詳細內容可訪問我們的知識庫文章查看。

第一步：從虛像到顯示器（反向）

設計選擇:

HUD 的初始設計是一個折疊系統，這保證了它在儀表盤下可以保持足夠小的尺寸。HUD 由兩面鏡子組成：一面平面鏡，還有一面是自由曲面。鏡子的優點在于不會在成像系統中引入任何色差。自由曲面的鏡子還需要進行優化。

為了方便起見，我們建立了一個模板，其中包含了所有初始元素以及整個擋風玻璃的自由曲面模型。擋風玻璃由擴展多項式面型模擬。讓我們一起來看看這個文件是如何建立的。

系統選項:

孔徑：視窗為系統光闌，它表明了駕駛員眼睛位置可移動的范圍：寬度 = ± 50mm，高度 = ± 20mm，這個尺寸的矩形孔徑被放置在光闌面。

然后計算入瞳直徑 (EPD) 為 2 x (sqrt (20^2+50^2)) = 108 mm。

視場：視場類型被設置為物高，歸一化被定義為矩形。在實際系統中，LCD顯示器上的圖像被放大了6倍以形成虛像。因為目前的設計是反向的，從虛像到LCD顯示器，虛像的尺寸可以被計算出來，并作為物高在視場數據編輯器里面定義視場大小。LCD顯示器尺寸為: 寬度 = ± 12.5mm，高度 = ± 5mm。因此，物面尺寸應該是這個尺寸的6倍：

波長: LCD 顯示器發光波長為0.55μm。

擋風玻璃

可以對整個擋風玻璃進行建模，也可以只對 HUD 使用的擋風玻璃的區域進行建模。

為了找到這個“有效”區域，可以使用光跡圖（Footprint Diagram）工具，該工具可以在分析菜單欄下的光線跡點(Rays & Spots)中找到。它顯示了光束在擋風玻璃表面上疊加的光跡:

 

擋風玻璃建模：

擋風玻璃可以通過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。如果它被表征為一個非序列 CAD 零件插入到一個序列模式下的系統中，那么系統就變成了混合模式。當對系統反向建模時，即從虛像到顯示器，這樣做效果很好，但在正向建模時就會出現問題，因為光闌面現在位于非序列組件表面之后，這使得光線瞄準更加困難，也可能導致其他光線追跡問題。

在本例中，擋風玻璃是使用擴展多項式面型建模的。

定位所有元素

所有元素的位置布局如下圖所示：

每個面的放置是通過一些便利的工具來完成的：

坐標斷點返回：坐標斷點面可以使用表面屬性下的傾斜/偏心中的坐標返回來定義。OpticStudio 之后將計算該坐標斷點面的參數，以便在該坐標斷點面之后，局部坐標（“返回”至）與之前的序列面型的局部坐標相同。

主光線求解：該求解會計算坐標斷點面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以其為中心。

初始性能

在系統中引入像差的元素是擋風玻璃。引入了多少呢？

該系統可以簡化為來自無限遠處（眼睛）的光線被擋風玻璃反射，反射后的點列圖可以告訴我們在"真正的 "擋風玻璃和理想的平面擋風玻璃（平面鏡）的情況下的光線角度。

要分析擋風玻璃引入的像差，請點擊分析…像差分析…全視場像差。賽德爾像差工具在此處不適用因為它僅描述旋轉對稱系統中的三階像差。

全視場像差分析計算了波前的澤尼克(Zernike)分解，并顯示整個視場的澤尼克系數。

全視場是由如下紅色方框進行設置定義的：

下圖表現了這些視場點：

對于每個視場點，OpticStudio 將把波前與一系列澤尼克標準多項式進行擬合。以下設置對擬合進行了定義。在像差設置中選擇要顯示的項。

在像差下，初級像散是由澤尼克標準項5 (Z5) 和澤尼克標準項 6 (Z6) 計算出來的:

如果設置為顯示為圖標，線條長度將表明幅度，方向則表明角度。

對于我們的系統，結果為:

• 離焦: 174.4 波數

• 初級像散：全視場平均：80.2 波數

該系統最初受限于擋風玻璃帶來的像散。光束也會稍微被擋風玻璃聚焦。離焦值并不是問題，因為設計會將光束聚焦到LCD顯示器上，所以 HUD 的設計將從校正像散開始。

建立評價函數

現在可以對自由曲面鏡進行優化，以校正擋風玻璃帶來的像差。首先，優化菜單欄下的快速調整工具可以被用來為我們的自由曲面鏡添加一個球面曲率半徑。這是一個不錯的開始。

建立默認評價函數：
建立默認評價函數用于優化最小光斑（RMS 光斑）。系統包含孔徑，因此光瞳采樣選擇矩形陣列。

此處可使用全視場像差來檢查視場采樣。整個視場內像差的快速變化可能意味著需要更多的視場點。

然后可以在優化函數頂部為其他參數手動添加操作數：

放大倍率：其中一個參數是關于放大倍率的。REA* (指定面實際光線) 操作數可用于檢查在LCD顯示器上X和Y方向的視場位置。DIVI操作數可用于計算放大倍率（主光線在像面高度與在物面高度的比值）。這些DIVI操作數的權重系數為10。

畸變：最后一個參數是關于畸變的，它必須低于2%。

注意：像畸變這樣的近軸計算在有坐標斷點的不對稱系統里并不能總是正確計算。在使用畸變操作數時，一定要驗證結果是否合理。可以手動檢查畸變并/或使用質心的位置來計算，使用CENX和CENY來計算視場的四個角。

評價函數現在已經完成了。

我們的自由曲面鏡是由一個有11項的澤尼克標準矢高面模擬的。澤尼克多項式對于優化來說是很好的，但是它們可能需要被轉換回標準多項式，例如用于生產制造的擴展多項式。

優化變量：

在優化過程中，選擇能夠校正系統極限像差的變量至關重要。使用澤尼克標準矢高面我們可以在必要時優化澤尼克系數。

最初，該系統包含 2 個變量：背焦厚度和自由曲面鏡。

• Z1 是一個平移項，它不會被使用。

• Z2 和 Z3 是傾斜項，像LCD顯示器這樣的元素的不同位置是固定的，所以傾斜項也不會被用到。

在第一次局部優化后，可以檢查全視場像差：

全視場的平均值：

離焦: 7.8 波數
初級像散: 25.0 波數
初級慧差: 7.4 波數

我們現在可以探索優化更多澤尼克項的好處。

• Z4 是離焦/場曲項，可被設置為變量。

• Z5 和 Z6 是初級像散項，可被設置為變量。

優化后，全視場平均值為：

離焦: 15.0 波數
初級像散: 9.1 波數
初級慧差: 6.9 波數

• Z7 和 Z8 是初級慧差項，可以被設置為變量。

• Z9 和 Z10 是橢圓慧差項，可以被設置為變量。

• Z11 是平衡初級球差項，可以被設置為變量。

經過1分鐘的錘形優化：

 

優化結果

可以檢查優化的結果。該系統還沒有被反轉，因此表現并不是“真實”表現，而是“反轉”的表現。

光斑大小（模糊）：RMS光斑低于200μm。它沒有提供太多的信息；當系統反轉時，檢查角度大小會更有意思。

像散和慧差：可以再次使用全視場像差來檢查優化是否減少了初級像散。除了該像差外，最有可能影響HUD成像質量的澤尼克項是彗差和球差。下面的結果所使用的視場是總視場。它代表了駕駛員在HUD視窗內進行垂直和水平頭部運動時所看到的最大角度范圍。它還提供了兩只眼睛看到的差異。

全視場平均值為：

離焦: -3.6 波數
初級像散: 10.7 波數
初級慧差: 2.2 波數

像散從80波數下降到11波數。下面的圖表使用的是相對比例；從絕對值中減去平均值。它使人們更好地了解整個視場的像差變化：

畸變：略高于2%。

反轉一個系統并不直接了當。鏡頭數據編輯器中的反轉元素工具有一些限制，HUD系統肯定會打破這些限制，因為該系統包含坐標斷點和非標準面。

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