引言

隨著智能汽車座艙技術快速迭代，增強現實抬頭顯示（AR HUD）已成為高端智能車載座艙的核心配置。相較于傳統反射鏡式AR HUD，衍射波導型AR HUD憑借體積小巧、集成性強、適配各類車載座艙狹小空間的優勢，成為行業主流發展方向。衍射波導AR HUD融合納米級光柵微結構與宏觀投影鏡頭系統，光學鏈路復雜，傳統單一仿真軟件難以實現全鏈路性能校驗。Ansys光學仿真套件構建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設計、亞波長光柵建模、系統級光學集成分析全流程。

其中Ansys Speos作為系統級仿真核心工具，可實現多軟件數據無縫對接、三維環境光學仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學性能優化、成像質量校驗、雜散光抑制提供專業仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導AR風擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發中的應用價值、仿真流程、核心參數及結果分析，為車載光學行業研發人員提供參考。

衍射波導AR HUD技術優勢與仿真痛點

1.1 技術核心優勢

AR HUD可將車速、導航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區域，實現視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導架構摒棄傳統大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導全反射原理完成光信號傳輸，核心優勢如下：

• 結構微型化：整體體積遠小于傳統反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
• 成像畫質優：可精準控制光路傳播，適配大視場、高清晰度成像需求；
• 適配性廣泛：兼容各類車型風擋曲面結構，滿足不同座艙布局設計要求。

1.2 行業研發仿真痛點

衍射波導AR HUD跨尺度光學特性顯著，納米級光柵結構與宏觀鏡頭、風擋、波導結構相互耦合，研發過程面臨多重仿真難題：

• 跨尺度仿真割裂：納米光柵衍射特性與宏觀鏡頭光路無法同步建模分析；
• 多部件協同難：投影鏡頭、耦合光柵、光波導、車載風擋的光學匹配難以校驗；
• 真實場景適配弱：無法模擬日光干擾、環境路況、人眼實際視覺感知效果；
• 性能量化缺失：視場角、成像均勻性、光效、雜散光等關鍵指標難以精準測算。

Ansys Speos依托多軟件協同能力、非序列光線追跡、物理無偏渲染技術，完美解決上述痛點，實現AR HUD從部件設計到系統級驗證的全流程仿真落地。

基于Ansys一體化AR HUD仿真架構與軟件分工

本次AR風擋HUD仿真采用Ansys三大光學軟件協同作業模式，各軟件各司其職，數據無縫流轉，最終由Speos完成系統級集成與分析。

圖1：AR HUD仿真全流程架構圖

2.1 Ansys Zemax OpticStudio：投影鏡頭系統設計

作為專業光學鏡頭設計工具，負責AR HUD投影光路核心設計：

1. 設計三片式投影鏡頭模組，搭配雙膠合透鏡結構，有效校正色差與球差，保障全視場成像清晰度；
2. 鎖定核心光學參數：系統視場角22°、總長106mm、光源與首透鏡間距45mm、入瞳直徑10mm；
3. 支持通過Export Optical Design to Speos功能導出.odx格式文件，完整留存鏡頭幾何結構、位置姿態、材料及鍍膜參數，直接對接Speos。

2.2 Ansys Lumerical FDTD/RCWA：亞波長光柵設計

聚焦納米級表面浮雕光柵仿真建模，是衍射波導核心器件設計關鍵：

1. 采用嚴格耦合波分析（RCWA）與時域有限差分（FDTD）求解器，建模輸入、輸出耦合光柵衍射特性；
2. 優化光柵核心參數，適配530nm基準波長、1.52折射率波導材料；
3. 導出JSON光柵數據文件與.sop插件文件，以表面屬性形式接入Speos，實現亞波長結構在光線追跡仿真中的精準復刻。

2.3 Ansys Speos：系統級集成與光學仿真分析

作為仿真流程核心載體，承擔模型集成、三維場景搭建、光線追跡、性能仿真、人眼感知評估全流程工作：

1. 無縫導入Zemax鏡頭.odx文件與Lumerical光柵JSON文件，實現跨尺度模型融合；
2. 構建車載三維場景，包含風擋、光波導、外殼等幾何結構，還原真實裝車環境；
3. 基于CPU/GPU并行計算，開展非序列光線追跡，輸出光譜輻照度、輻射亮度分布圖；
4. 量化評估成像畸變、重影、視場角、光效、色彩均勻性及日光雜散光干擾等關鍵指標。

衍射波導AR HUD核心器件關鍵參數

本次仿真案例采用一維衍射波導架構，配置輸入耦合光柵與輸出耦合光柵，依托全反射實現光路傳輸，核心器件參數標準化設定如下。

圖2：波導光柵結構示意圖

3.1 光波導幾何參數

光波導尺寸140mm×21mm，厚度2mm；輸入耦合光柵尺寸10mm×15mm，輸出耦合光柵尺寸120mm×15mm，搭配專用遮光外殼結構，杜絕投影系統與波導周邊漏光問題。

3.2 輸入耦合光柵核心參數

優化工作波長530nm，材料折射率1.52；入射角度θ=65°、φ=0°，出射角度θ=43.1°、φ=0°；光柵周期4μm，優化衍射級次m=1。當材料折射率為1.52時，光波導全反射臨界角為41.14°，該光柵出射角度滿足全反射傳輸條件。

3.3 輸出耦合光柵核心參數

匹配波導內光路入射角度θ=43.1°、φ=0°，垂直出射θ=0°、φ=0°；光柵周期0.51μm，優化衍射級次m=-1，保障光路垂直投射至駕駛員視野。

3.4 光柵衍射角度理論計算

通過光柵方程n?×sin(θ?)=n?×sin(θ?)+m×λ/d，可精準計算各級衍射角度，僅1~4級衍射光可在波導內實現有效傳播，其余級次光路被抑制，為光柵參數優化提供理論依據。

基于Ansys Speos的AR HUD完整仿真流程

本次仿真核心聚焦Speos端操作，分為模型導入配置、三維幾何搭建、光柵屬性賦予、仿真工況設置、仿真運算、結果分析六大環節，適配Speos 2025 R1及以上版本。

4.1 多軟件模型數據導入

• 投影鏡頭導入：在Speos中調用光學設計交換組件，加載Zemax導出的.odx文件，匹配坐標軸系統，一鍵生成三維鏡頭模型，可直接查看鏡頭原始設計參數且不可篡改；

圖3：Speos光學設計導入界面

• 光柵模型導入：加載Lumerical輸出的.json光柵參數文件與.sop插件文件，為光波導耦合面賦予亞波長結構表面屬性，同時配置紋理貼圖與尺寸參數。

4.2 三維幾何結構搭建

在Speos中完成車載核心結構建模與導入：

1. 導入整車弧形風擋模型，還原真實曲面形態；
2. 內置設計標準尺寸光波導，并劃分輸入、輸出光柵區域；
3. 定制遮光外殼幾何模型，規避光路漏光與雜散光反射。所有基礎模型可直接調用案例初始文件HUDWaveguide_Start.scdocx快速搭建。

4.3 光柵材料與UV映射配置

• 自定義光學材料：分別創建輸入、輸出耦合光柵專用材料，綁定光柵插件文件與參數文件，配置紋理貼圖基礎參數；
• UV映射定向：新建UV映射坐標系，精準匹配光柵排布方向，確保衍射光路傳播角度符合設計值；
• 漸變效率優化：在輸出耦合面添加漸變蒙版紋理，通過梯度亮度調節，提升AR HUD全屏成像亮度均勻性；

圖4：波導光柵屬性配置界面

4.4 仿真光源與傳感器設定

仿真配置三類光源與專用輻射亮度傳感器，還原真實行車光學環境：

• PGU顯示光源：單色530nm窄帶光源，尺寸12.5mm×0.4mm，亮度1000cd/m2，朗伯光源發散角20°，模擬AR HUD圖像投影光源；
• 環境路況光源：搭載.exr格式路況環境貼圖，亮度1000cd/m2，模擬日間行車外部環境光；
• 自然太陽光源：設定臨界照射角度，模擬強光直射下日光對AR HUD成像的干擾；
• 人眼視覺傳感器：焦距7米，視場角24°×13°，成像分辨率1mm×1mm，模擬駕駛員人眼實際觀測視野。

4.5 逆向仿真工況搭建與運算

采用反向仿真模式（光線從傳感器向光源反向追蹤），搭建三組獨立仿真工況，支持GPU加速運算大幅縮短仿真耗時：

• Inverse_PGU工況：僅包含投影光源與全結構，仿真AR HUD自身成像光路；
• Inverse_Env工況：搭載環境路況光源，仿真外部環境光與AR HUD的耦合成像效果；
• Inverse_Sun工況：配置臨界角度太陽光源，仿真日光雜散光、儀表臺反射對成像的干擾。

三組仿真獨立運算后，可通過光度計算編輯器合并結果，保留各光源獨立可控屬性。

Speos仿真結果深度分析與性能評估

通過XMP Viewer、測量工具、光跡分析工具及人眼視覺實驗室，從成像缺陷、核心性能、環境適應性三大維度完成結果校驗。

5.1 AR HUD原生成像效果分析

調取Inverse_PGU仿真結果，可清晰觀測兩大成像缺陷：一是車載弧形風擋導致的圖像畸變問題；二是風擋雙層玻璃表面互反射引發的重影現象，為風擋曲率優化、鍍膜方案改進提供仿真依據。

圖5：AR HUD成像畸變仿真效果圖

同時借助Speos測量工具，可精準測算三大核心性能指標：

• 光學效率：通過輸入光源亮度與成像像素亮度比值，計算系統光傳輸效率；
• 視場角（FOV）：利用自定義線條測量功能，直接讀取角度型傳感器視場角，或通過公式FOV=2×arctan(x/(2×f)）計算畫幅型傳感器視場；

圖6：自定義線條測量視場角

• 色彩均勻性：提取xyY、uvY、Lab等色彩坐標參數，通過極值比值評估全屏色彩一致性，支撐光學系統參數折中優化。

圖7：色彩均勻性測量

5.2 環境光耦合仿真分析

Inverse_Env仿真結果顯示，儀表臺預留透光開口區域存在明顯亮度暗區，該區域為波導光路投射虛擬像的專用通道，仿真可精準預判儀表臺結構布局對AR HUD成像的遮擋影響，指導座艙結構協同設計。

5.3 日光雜散光干擾分析

Inverse_Sun仿真還原強光下三類光學現象：

• 白色區域：太陽光照射儀表臺啞光皮革后，經風擋反射進入人眼視野；
• 純黑區域：光線入射波導光柵后無反射，形成視覺暗區；
• U型灰色區域：HUD外殼反射光經風擋二次反射形成雜散光，即便采用納米黑材料仍無法完全消除。

通過Light Expert光跡分析工具，可三維追溯雜散光傳播路徑，針對性優化外殼材質、安裝角度及遮光結構。

圖8：日光雜散光光跡分析界面

5.4 多工況結果融合與可視化調試

將三組仿真結果合并后導入人眼視覺實驗室，通過虛擬光照控制器可實時調節PGU光源、太陽光、環境光亮度比例，直觀觀測不同光照場景下AR HUD成像效果，實現參數快速迭代優化。

圖9：成像效果圖

參考案例

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/44843180268179-Augmented-Reality-Windshield-Head-Up-Display

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