HUD簡介

以下為HUD的示意圖。液晶顯示器作為光源發光，光線被HUD的兩個反射鏡反射，然后通過風擋玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員將在道路上看到虛擬圖像，比如給他指示此時的速度影像的投影。

司機在開車時會轉動頭部導致視線的偏移，司機的視角我們可以使用眼盒代替。眼盒本質上是一個虛擬方框，表示駕駛員眼睛位置的范圍。

系統規格

?虛像距離：2米

?顯示當前車速

?機械限制：HUD主要受到儀表板下可用空間的限制，風擋玻璃將充當一個分束器

?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

?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。對于該研究，它被設置為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=6

設計選擇

HUD的起始結構是一個折疊系統，在儀表板下保持足夠小的尺寸。示例HUD由兩個反射鏡構成：一個平面，一個自由曲面。反射鏡在成像系統中具有不增加任何色差的優點。系統中自由曲面反射鏡需要被優化。

HUD設計流程

?從虛像到顯示器：設計在序列模式中反向進行。原因從駕駛員看到的虛像開始進行光學系統建模相對容易。然后可以將光闌表面放置在系統的前部，即眼盒所在的位置。在光闌表面上放置一個矩形孔徑，以描述對眼睛位置的限制。

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

?最后，系統將轉換為非序列(NSC)模式。這提供了一個更真實的模型，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圖像。

初始結構

為了方便起見，已經構建了一個模板，其中包含所有的初始結構。文件名為“HUD_Step1_StartingPoint.zar”并且可以在閱讀原文鏈接下載。初始結構中包含整個風擋玻璃的自由曲面模型。風擋玻璃可視為一個擴展多項式表面。

系統選項：

• 孔徑：眼盒是系統的光闌面，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)計算可得2 × (20?2 +50 ?2) ?2 = 108毫米。 

• 視場：視場類型為物高，規格定義為矩形。在實際系統中，LDC顯示器上的圖像為虛像尺寸的6倍，因為當前的設計是逆向從虛擬圖像到LCD顯示器的，因此可以計算虛像的大小，并將其用作“視場編輯器”中定義視場大小的物高。液晶顯示器尺寸為：寬度=±12.5毫米，高度=±5毫米。因此，物高尺寸應該是此值的6倍。
  視場寬度=±75毫米(6 x 12.5)，視場高度=±30毫米(6 x 5)

• 波長：LCD顯示器將發出0.55微米的波長   

風擋玻璃

可以對整個風擋玻璃進行建模，也可以僅對HUD使用的風擋玻璃區域進行建模。

要找到“考察”區域，可以使用Footprint Diagram工具顯示疊加在風擋玻璃表面上的光線跡點情況：

風擋玻璃建模：

風擋玻璃模型：

風擋玻璃可以用序列模式表面來描述，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的非序列CAD零件，則系統變為混合模式。這在從虛像到顯示器的逆向系統建模時效果良好，但在正向工作時會出現問題，因為光闌面位于非序列結構表面之后（違反混合模式建模規則）。這也會使光線瞄準更加困難，并可能導致其它光線追跡問題。

一種解決方法是測量CAD零件的矢高，然后使用序列網格矢高表面對其進行建模。通過這種方式，系統保持在純序列模式，OpticStudio可以將網格矢高表面轉換為非球面類型表面?？稍?Optimize...Convert Asphere Type 下找到對應轉換工具。

將風擋玻璃轉換為網格矢高表面：

非序列模式下的矢高分析是ZOS-API的擴展，用于測量CAD零件的矢高。有關詳細信息，請參閱題為 "NSC矢高圖用戶自定義分析"。（https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/1500005489041）

在設置中，您可以：

?取消勾選“移除XY傾斜”。NSC矢高不會將NSC物體的傾斜設置為0。

?勾選“保留保存的文件”，將.zmx和.zrd文件保存到當前文件夾。

NSC矢高圖以偽彩色顯示。如果在“設置”下，“顯示”選項設置為“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換為正確的數據格式.DAT，該數據可以用于網格矢高表面。為了簡單起見，本示例中風擋玻璃采用擴展多項式曲面進行建模。

定位所有元件

這是一個表示所有元件位置的示意圖：

可以利用以下實用工具將表面進行放置：

?坐標間斷-返回：坐標間斷面可以通過坐標返回來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隨后將計算該“坐標間斷”面的對應參數，以便在該坐標間斷面之后，局部坐標與先前序列表面的局部坐標相同。

?主光線計算：計算坐標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：

現在我們已經完成了對于 HUD 系統的元件定位與設置，下一步我們可以根據當前的系統去評估系統的初始性能以及進行后續優化。

在后續的文章中，我們會進行進一步的介紹。