HUD系統(tǒng)的案例
抬頭顯示系統(tǒng)HUD（一）：HUD系統(tǒng)概述
作者 | HYZY
出品 | 焉知
知圈 | 進(jìn)“芯片社群”請加微信13636581676，備注芯片
一、 HUD技術(shù)起源
抬頭顯示系統(tǒng)HUD（Head-up display）是一項從反射器瞄準(zhǔn)器中演變而來的技術(shù)，二戰(zhàn)前用在q械瞄具和戰(zhàn)斗機(jī)瞄具上。二戰(zhàn)之后，HUD技術(shù)開始逐步應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)上，可將速度、高度、雷達(dá)信息、瞄準(zhǔn)器等顯示在戰(zhàn)斗機(jī)的座艙罩或透明板上，飛行員不必低頭，即可看到所需要的重要信息。
到了現(xiàn)代，戰(zhàn)斗機(jī)上的HUD逐漸被頭盔式顯示器（HMDS）取代，包括美軍的F35和我軍的J20都已應(yīng)用HMDS。
圖 1 戰(zhàn)斗機(jī)及汽車上的HUD
到了上世紀(jì)八十年代，通用汽車收購了航天和國防制造公司Hughes Aircraft，之后HUD技術(shù)開始在汽車上出現(xiàn)。1988年，通用汽車在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上應(yīng)用了HUD，是世界上首款采用HUD技術(shù)的汽車。最初的汽車HUD系統(tǒng)顯示的信息有限并且顏色單一。
自此之后，HUD系統(tǒng)開始逐漸裝備在跑車和高檔轎車中，且其技術(shù)開始朝著信息化、數(shù)字化的方向發(fā)展：
1991年，豐田在皇冠Majesta上搭載了HUD；
1997年，通用在其車型“Corvette”第五代車型上首次搭載了彩色顯示HUD；
2003年，寶馬成為了歐洲第一家使用HUD技術(shù)的汽車公司，奔馳、奧迪也隨后開始使用HUD技術(shù)。
在HUD技術(shù)發(fā)展的前期階段，因為顯示效果差、成本高，一直沒有得到廣泛應(yīng)用，甚至被認(rèn)為是雞肋。直到2020年，奔馳S級發(fā)布AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型抬頭顯示系統(tǒng)），HUD再次得到廣泛關(guān)注。
展開 Ansys Zemax / Ansys Speos | 如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計和分析 HUD系統(tǒng)
在本篇文章中，我們將展示如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計和分析HUD系統(tǒng)。首先，Ansys OpticStudio用于設(shè)計和優(yōu)化整個系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光學(xué)性能。完成此階段后，在Ansys Speos中執(zhí)行詳細(xì)的分析和驗證，其中HOA（HUD Optical Analysis）功能可根據(jù)自定義的真實(shí)指標(biāo)驗證整個系統(tǒng)的光學(xué)性能。最后，Speos把設(shè)計的HUD數(shù)據(jù)集成到真實(shí)環(huán)境中，將駕駛員看到的內(nèi)容可視化到模擬結(jié)果中。
操作流程概述
HUD系統(tǒng)多用于汽車或飛機(jī)，為駕駛員在其視野范圍內(nèi)提供視覺信息。它由一個顯示器和一個光學(xué)系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)為駕駛員創(chuàng)建虛影像。光學(xué)系統(tǒng)和顯示屏被放置在儀表板下方。
第一步：OpticStudio 中進(jìn)行HUD系統(tǒng)定義
第一步是在OpticStudio中定義HUD系統(tǒng)。規(guī)格包括虛擬圖像距離、視場范圍、放置空間、擋風(fēng)玻璃定義、眼位和PGU （Picture Generation Unit）。定義系統(tǒng)后，我們可以使用OpticStudio優(yōu)化工具優(yōu)化鏡面并檢查性能。
第二步：將最后的設(shè)計數(shù)據(jù)從OpticStudio導(dǎo)出到Speos
OpticStudio最后的設(shè)計可以導(dǎo)出到Speos。Speos包含的HOD和HOA設(shè)計分析模塊可在Premium和Enterprise版本下作為附加組件使用，該模塊可以量化汽車HUD系統(tǒng)的虛擬圖像質(zhì)量。
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（四）：AR-HUD與智能駕駛
智能駕駛的人機(jī)界面需要使車了解駕駛員的命令和意圖，同時還要為用戶提供一個清晰的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，最終使用戶增強(qiáng)對系統(tǒng)的信任。
圖 1 自動駕駛交互界面
智能駕駛?cè)藱C(jī)交互設(shè)計應(yīng)遵循以下三條原則：
建立用戶信心：通過“你見即我見”及“決策預(yù)告”設(shè)計，將智駕系統(tǒng)感知信息及規(guī)劃、預(yù)測信息以視覺形式實(shí)時顯示給用戶，增強(qiáng)用戶使用信心；
明確駕駛責(zé)任分配：需通過視覺等形式清晰告知用戶，當(dāng)前自己與系統(tǒng)所承擔(dān)的任務(wù)及擔(dān)負(fù)的責(zé)任；
駕駛接管：無論是系統(tǒng)接管用戶，還是用戶接管系統(tǒng)，交互設(shè)計都必須保證雙方對駕駛權(quán)的更替進(jìn)行反饋認(rèn)可。
二.AR-HUD的應(yīng)用場景
智能駕駛?cè)藱C(jī)界面中所有需要通過視覺顯示的內(nèi)容，AR-HUD無疑都是一個理想選項。因為AR-HUD讓用戶得以和周圍環(huán)境直接互動，而不只是注意車前的位置。用戶可通過AR-HUD準(zhǔn)確掌握自己的車在干什么。以下為具體的AR-HUD的應(yīng)用場景：
1. 車道輔助
AR-HUD可根據(jù)智能駕駛系統(tǒng)輸入的車道線信息，將圖像直接顯示在真實(shí)的車道線上，可增強(qiáng)車道輔助類智能駕駛功能體驗效果。
圖 2 AR-HUD車道輔助
2. 自動跟車
在智能駕駛系統(tǒng)進(jìn)行跟車行駛時，AR-HUD可以顯示出目前的跟車目標(biāo)，同時還可顯示出本車與目標(biāo)車之間的距離。
圖 3 AR-HUD自動跟車
甚至，AR-HUD還可以同時顯示多車道的目標(biāo)。
圖 4 AR-HUD多目標(biāo)顯示
3.
展開 官方免費(fèi) | 智能輔助HUD系統(tǒng)的設(shè)計與仿真評估
直播背景
當(dāng)今汽車行業(yè)自動駕駛正在迅速發(fā)展中，在自動駕駛中最基本的輔助顯示系統(tǒng)就是HUD，它能在駕駛員需要不可預(yù)知的情況下接管汽車，進(jìn)入手動駕駛時持續(xù)的把道路提示警告信息提供給駕駛員，以避免交通事故的發(fā)生。因此，HUD與汽車系統(tǒng)相結(jié)合可以顯示更多有效信息，同時提供可靠的、清晰的3D視覺圖像，滿足系統(tǒng)安全性要求，都對供應(yīng)商以及OEM提出了更高的要求。
Ansys SPEOS HUD是專業(yè)用于汽車抬頭顯示器設(shè)計和分析的直觀應(yīng)用工具，將光學(xué)設(shè)計集成到CAD平臺，評價光學(xué)設(shè)計和視覺性能。光學(xué)設(shè)計功能提供了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與CAD結(jié)構(gòu)的建模功能，專業(yè)提供HUD光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計的一體化方案；光學(xué)分析功能提供光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計最終效果的仿真分析，在CAD環(huán)境中提供直觀的可視化來分析和理解與虛擬圖像缺陷相關(guān)的高級光學(xué)概念，包括分析光學(xué)設(shè)計成像效果，分析CAD結(jié)構(gòu)和其他輔助結(jié)構(gòu)對于HUD成像光學(xué)性能影響；同時，可以通過視覺可視化仿真功能展示給駕駛員HUD顯示內(nèi)容，客觀評定圖像質(zhì)量，進(jìn)一步通過駕駛模擬、環(huán)境模擬和HUD顯示內(nèi)容結(jié)合，提供最佳解決方案。
研討會內(nèi)容簡介：
Ansys SPEOS HUD在汽車抬頭顯示的設(shè)計與分析功能介紹，包括HUD的設(shè)計及參數(shù)設(shè)置，HUD設(shè)計優(yōu)化功能，HUD成像雜散光分析，HUD動態(tài)視覺體驗。
講師簡介：
劉洋，Ansys SBU光學(xué)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)Ansys SPEOS光學(xué)仿真技術(shù)工作，為多個行業(yè)客戶提供光學(xué)解決方案、咨詢和技術(shù)支持，在航空照明設(shè)計、駕駛艙內(nèi)飾人機(jī)工效分析等方面有豐富的經(jīng)驗。
適用人群
汽車主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商，光學(xué)工程師，設(shè)計工程師等相關(guān)人士
報名方式
請掃碼下方二維碼
點(diǎn)擊報名：http://event.31huiyi.com/1837905293/index?
展開 
線上免費(fèi)講座 | 光學(xué)鏡頭——離軸系統(tǒng)、HUD 系統(tǒng)等設(shè)計
由墨光光學(xué)工程師為大家講解此次直播課程，主要講解內(nèi)容圍繞
離軸系統(tǒng)、HUD 系統(tǒng)等設(shè)計
開展，課程直播亮點(diǎn)如下：
1、自由曲面概述
2、離軸系統(tǒng)初始設(shè)計及優(yōu)化
3、HUD 初始設(shè)計及優(yōu)化
參與方式：
請關(guān)注武漢墨光公眾號，并掃描下方二維碼，添加墨光工作人員企業(yè)微信邀您入群即可參與線上直播
直播時間：2021年8月10日
（周二晚：19:00-20:00)
電話：18696118912
郵箱：market@asdoptics.com
光學(xué)軟件供應(yīng) 軟件定制開發(fā)
科學(xué)計算軟件 機(jī)械設(shè)計軟件
光學(xué)軟件培訓(xùn) 光學(xué)解決方案
光學(xué)儀器設(shè)備 光學(xué)鏡頭設(shè)計
高校輔助教學(xué)方案 BSDF測量
衍射光學(xué)元件設(shè)計開發(fā)
-------------------------------
電話：18696118912
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（二）：HUD技術(shù)原理
作者 | HYZY
出品 | 焉知
知圈 | 進(jìn)“芯片社群”請加微信13636581676，備注芯片
一、基本原理
HUD本質(zhì)上是一個光學(xué)器件，其工作原理與投影儀基本相同，就是將需要顯示的信息投影到駕駛員前方的透明介質(zhì)上。
圖 1 HUD工作原理
HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學(xué)顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像，光學(xué)顯示系統(tǒng)用于顯示圖像。
圖 2 HUD結(jié)構(gòu)拆解
二、圖像生成單元
圖像生成單元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD總成本的50%左右。圖像生成單元的作用是生成HUD輸出圖像，由光源、光學(xué)膜片和其它光學(xué)組件構(gòu)成。
PGU是HUD的核心技術(shù)壁壘，其技術(shù)路線的選擇直接決定未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，具體可分為TFT-LCD、DLP和MEMS激光投影三種技術(shù)。不同的技術(shù)路線，其光源和光學(xué)組件都完全不同。
1. 薄膜晶體管液晶顯示屏技術(shù)TFT-LCD
TFT是LCD液晶顯示技術(shù)的一種，TFT-LCD的工作原理是LCD被背光光源照亮后，通過集成在LCD面板每個像素點(diǎn)背后的薄膜晶體管驅(qū)動液晶分子旋轉(zhuǎn)改變光源偏振狀態(tài)，從而呈現(xiàn)不同的明暗灰度，再通過RGB濾色片呈現(xiàn)彩色圖像。
圖 3 TFT-LCD
TFT-LCD可以做到高響應(yīng)速度、高亮度、高對比度地顯示圖像信息，且技術(shù)成熟、成本低，是目前HUD的主流技術(shù)路線。
TFT-LCD技術(shù)的劣勢主要在于熱管理難度大，需要有更多熱管理方面的光學(xué)設(shè)計。
2.
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（三）：HUD顯示內(nèi)容
作者 | HYZY
出品 | 焉知
一、 HUD顯示內(nèi)容
HUD的初衷是幫助駕駛員減輕認(rèn)知負(fù)荷，提升對當(dāng)前情勢的感知能力。通常可在HUD上顯示的信息包括：車輛信息和外界信息。
圖 1 HUD顯示內(nèi)容
1. 車輛信息
車輛信息指能夠反映當(dāng)前車輛狀態(tài)的信息，HUD一般通過車載總線獲取，具體包括以下四類：
圖 2 車輛信息
1) 核心信息
指在傳統(tǒng)儀表上顯示的部分重要信息，如車速、轉(zhuǎn)速、里程、油量等。
2) 提示信息
指在車輛行駛過程中需要顯示部分提示信息，如擋位、轉(zhuǎn)向燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈、車內(nèi)溫度、瞬時油耗等。
3) 報警信息
包括請求駕駛員接管、安全帶提醒、燃油/電量不足、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、車門狀態(tài)、駐車狀態(tài)、機(jī)油剩余量、胎壓、安全氣囊狀態(tài)、玻璃清洗液存量等。
4) 附加信息
指部分車型上的特色功能信息，如四驅(qū)模式、轉(zhuǎn)向模式、駕駛模式、天窗及天窗開啟狀態(tài)、座椅狀態(tài)、底盤狀態(tài)等。
2. 外界信息
HUD除了可獲取車輛自身的狀態(tài)信息外，還可通過與外界的交互獲取更多外界信息，具體包括：
圖 3 外界信息
1) 出行
包含有定位、地圖、導(dǎo)航、行人/障礙物檢測、車道保持輔助等信息。
2) 安全
主要顯示來自智能駕駛系統(tǒng)感知到的實(shí)時交通情況，以輔助駕駛員安全駕駛，包括：超速預(yù)警、前車碰撞預(yù)警、車距信息提示、交通信號燈提示、道路安全預(yù)警、遠(yuǎn)程故障診斷信息等。
展開 Ansys Zemax | 設(shè)計抬頭顯示器時要使用哪些工具 – 第三部分
本文為使用OpticStudio工具設(shè)計優(yōu)化HUD抬頭顯示器系統(tǒng)的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系統(tǒng)的性能以及后續(xù)可能的擴(kuò)展分析。
上兩篇文章中(第一部分點(diǎn)此查看，第二部分點(diǎn)此查看)，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統(tǒng)進(jìn)行建模，以及根據(jù)分析系統(tǒng)的初始性能，并結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)了解如何對系統(tǒng)進(jìn)行控制與優(yōu)化。本篇文章將主要結(jié)合OpticStudio非序列模式功能進(jìn)行正向HUD系統(tǒng)性能的整體評估。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
最終步驟：從顯示器到虛像(正向)
翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)
翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)不是直接一步到位的。鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的元件翻轉(zhuǎn)工具有一些限制，HUD系統(tǒng)肯定會破壞這些限制，因為該系統(tǒng)包含坐標(biāo)間斷和非標(biāo)準(zhǔn)表面。
棘手的部分是Z軸是“翻轉(zhuǎn)的”。對于像HUD這樣的非對稱系統(tǒng)，該工具無法正常工作。
另一種解決方案如下所述：
?在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，選擇Make Double Pass工具：
該系統(tǒng)在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統(tǒng)的之后部分才值得關(guān)注。
?表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直徑，將“孔徑”更改為“按光闌大小浮動”，然后將“STOP”表面設(shè)置為表面24。
?系統(tǒng)需要整理：刪除從“虛像”到“顯示器”中定義的所有表面；從表面1到11。設(shè)計結(jié)果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”設(shè)置為0mm。
?表面13即STOP面可以設(shè)置為全局坐標(biāo)參考表面。
展開 設(shè)計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第三部分
本文為使用OpticStudio工具設(shè)計優(yōu)化HUD抬頭顯示器系統(tǒng)的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系統(tǒng)的性能以及后續(xù)可能的擴(kuò)展分析。
上兩篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統(tǒng)進(jìn)行建模，以及根據(jù)分析系統(tǒng)的初始性能，并結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)了解如何對系統(tǒng)進(jìn)行控制與優(yōu)化。本篇文章將主要結(jié)合OpticStudio非序列模式功能進(jìn)行正向HUD系統(tǒng)性能的整體評估。
文章附件可通過最下方“閱讀原文”鏈接進(jìn)行下載。
最終步驟：從顯示器到虛像(正向)
翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)
翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)不是直接一步到位的。鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的元件翻轉(zhuǎn)工具有一些限制，HUD系統(tǒng)肯定會破壞這些限制，因為該系統(tǒng)包含坐標(biāo)間斷和非標(biāo)準(zhǔn)表面。
棘手的部分是Z軸是“翻轉(zhuǎn)的”。對于像HUD這樣的非對稱系統(tǒng)，該工具無法正常工作。
另一種解決方案如下所述：
?在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，選擇Make Double Pass工具：
該系統(tǒng)在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統(tǒng)的之后部分才值得關(guān)注。
?表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直徑，將“孔徑”更改為“按光闌大小浮動”，然后將“STOP”表面設(shè)置為表面24。
?系統(tǒng)需要整理：刪除從“虛像”到“顯示器”中定義的所有表面；從表面1到11。設(shè)計結(jié)果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”設(shè)置為0mm。
展開 AR-HUD 光波導(dǎo)方案優(yōu)化難題待解？OAS 光學(xué)軟件來破局
設(shè)定系統(tǒng)的視野（FOV）目標(biāo)值為 30°×10°，虛擬圖像深度（VID）為 5m，以此為基準(zhǔn)調(diào)整各光學(xué)元件參數(shù)。在光線追跡參數(shù)設(shè)置中，定義光線數(shù)量為 10000 條，追跡精度設(shè)為 0.01mm，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。同時，考慮環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，設(shè)置環(huán)境光強(qiáng)度為 10000lux，模擬強(qiáng)光環(huán)境下的顯示效果，啟動 OAS 軟件的光線追跡功能，對光束在系統(tǒng)中的傳播過程進(jìn)行模擬。
（反射投影式）
（直接顯示式）
總結(jié)
本案例通過 OAS 光學(xué)軟件對 AR - HUD 光波導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行全面模擬與分析，充分驗證了光波導(dǎo)技術(shù)在解決當(dāng)前 AR - HUD 技術(shù)瓶頸方面的顯著優(yōu)勢。未來，隨著 OAS 光學(xué)軟件功能的不斷完善與光波導(dǎo)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，AR - HUD 系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)更高效、更優(yōu)質(zhì)的顯示效果，推動智能駕駛交互技術(shù)邁向新的高度。
展開 ZEMAX OpticStudio 如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
今天和大家分享一個 HUD 設(shè)計案例
OpticStudio 如何模擬抬頭顯示系統(tǒng)
概
述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中創(chuàng)建抬頭顯示系統(tǒng)。抬頭顯示系統(tǒng)是一個透視顯示系統(tǒng)，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數(shù)據(jù)，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實(shí)現(xiàn)透視顯示，系統(tǒng)必須在擋風(fēng)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(yīng)該在一定空間內(nèi)都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)
抬頭顯示系統(tǒng)有多種光路結(jié)構(gòu)，本文將和大家分享其中一種結(jié)構(gòu)。
展開 
ZEMAX軟件技術(shù)應(yīng)用專題：HUD系統(tǒng)設(shè)計
本文介紹了HUD設(shè)計實(shí)例。此文為翻譯帖，出處為：規(guī)格如下：顯示器尺寸：24*8mm眼盒尺寸：100*40mm放大倍率：5 （虛像尺寸 120*40mm）虛像距離：1.8m最終光學(xué)系統(tǒng)的整體布局如下圖所示。從HUD發(fā)出的光被擋風(fēng)玻璃反射并到達(dá)司機(jī)的眼睛。司機(jī)看到擋風(fēng)玻璃后的虛像。
下圖是HUD局部放大圖。離開液晶面板（LCD）的光線被一個平面鏡反射，進(jìn)入一個自由曲面鏡。由自由曲面鏡反射的光線再次被平面鏡反射，然后進(jìn)入擋風(fēng)玻璃。
在這樣的光學(xué)系統(tǒng)中，入瞳是駕駛員的眼睛。如果光線從LCD開始，光瞳位于許多鏡面之外，這就很難找到光瞳的位置。 出于這個原因，在這種情況下使用了逆向追跡。如果光束是從駕駛員看到的虛像開始的，入瞳的位置就不會受到光學(xué)器件的影響。 然而，需要注意的是，逆向追跡的慧差，畸變以及垂軸色差跟原系統(tǒng)是互逆關(guān)系。
鏡頭數(shù)據(jù)編輯器如下所示。平面鏡被照亮了兩次，因此平面9的坐標(biāo)斷點(diǎn)的參數(shù)拾取了平面7。入瞳被設(shè)定為圓周直徑為108毫米，這是駕駛員眼睛位置的變化范圍。定義一個100×40毫米的矩形孔徑，只提取必要的光線。視場尺寸由虛像的大小來定義。
優(yōu)化是通過設(shè)置優(yōu)化向?qū)磉M(jìn)行的，具體方法如下。對于這個光學(xué)系統(tǒng)，將 "光瞳積分法 "設(shè)置為 "矩形陣列"，因為入瞳是矩形的。勾選 "刪除漸暈光線 "以刪除光圈平面內(nèi)漸暈的光線。
評價函數(shù)設(shè)置如下：第12行定義了Y方向的放大率，第16行定義了X方向的放大率。
進(jìn)行優(yōu)化后，設(shè)置每個面的有效直徑。你可以在光跡圖中檢查通過每個表面的光通量直徑。
在目前的光學(xué)系統(tǒng)中，面6和面10的孔徑必須相等。
圖像模擬是一個很有效的評估成像系統(tǒng)的質(zhì)量。
設(shè)置如下：
結(jié)果如下，顯示了圖像的模糊和畸變。這是整個眼盒的光線的成像效果。由于人類瞳孔的直徑約為2-8毫米，實(shí)際可見的模糊度將小于這個數(shù)字。
展開 OpticStudio如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
對于這個系統(tǒng)來說，添加額外的操作數(shù)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(tǒng)中，將含光焦度反射鏡在Y方向上的偏移、鏡面的圓錐系數(shù)和鏡面到像面的距離設(shè)為變量，運(yùn)行優(yōu)化將得到類似如下結(jié)果：
最終設(shè)計結(jié)果
為了減小系統(tǒng)的尺寸并更好的控制系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行約束得到以下結(jié)果：
為了在系統(tǒng)中模擬人眼，我們假設(shè)人眼是一個完美的光學(xué)系統(tǒng)。由于光闌面定義在視窗的中心，因此我們使用人眼瞳孔作為系統(tǒng)光闌，并且使用多重結(jié)構(gòu)模擬人眼在視窗中的移動。
添加所有結(jié)構(gòu)后，重新優(yōu)化系統(tǒng)：
為了真實(shí)模擬人眼看到畫面的成像質(zhì)量，我們需要將系統(tǒng)反轉(zhuǎn)進(jìn)行成像質(zhì)量分析。由于系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限，因此我們可以使用惠更斯MTF對成像質(zhì)量進(jìn)行評估。當(dāng)入瞳直徑分別為1.5mm和8mm時，目標(biāo)對比度為30%對應(yīng)的空間頻率分別為0.76lp和2.0lp。另一種評價系統(tǒng)成像質(zhì)量的方法是使用圖像模擬分析功能。由于系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，因此圖像模擬分析設(shè)置需選擇考慮衍射效應(yīng)。
模擬擋風(fēng)玻璃
在之前的設(shè)計中，擋風(fēng)玻璃一直以反射鏡代替。為了真實(shí)模擬擋風(fēng)玻璃，我們使用兩個結(jié)構(gòu)來建模。在第一個結(jié)構(gòu)中擋風(fēng)玻璃的內(nèi)表面建模為反射鏡面。在第二個結(jié)構(gòu)中擋風(fēng)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(fā)生透射和折射。雖然實(shí)際的擋風(fēng)玻璃比平行平板復(fù)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(zhì)量是非常有意義的。
光線在擋風(fēng)玻璃表面的反射細(xì)節(jié)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。
展開 Speos案例 | 基于Speos的衍射波導(dǎo)AR風(fēng)擋HUD系統(tǒng)仿真解決方案
引言
隨著智能汽車座艙技術(shù)快速迭代，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(tǒng)反射鏡式AR HUD，衍射波導(dǎo)型AR HUD憑借體積小巧、集成性強(qiáng)、適配各類車載座艙狹小空間的優(yōu)勢，成為行業(yè)主流發(fā)展方向。衍射波導(dǎo)AR HUD融合納米級光柵微結(jié)構(gòu)與宏觀投影鏡頭系統(tǒng)，光學(xué)鏈路復(fù)雜，傳統(tǒng)單一仿真軟件難以實(shí)現(xiàn)全鏈路性能校驗。Ansys光學(xué)仿真套件構(gòu)建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設(shè)計仿工作流，覆蓋投影鏡頭設(shè)計、亞波長光柵建模、系統(tǒng)級光學(xué)集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統(tǒng)級仿真核心工具，可實(shí)現(xiàn)多軟件數(shù)據(jù)無縫對接、三維環(huán)境光學(xué)仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學(xué)性能優(yōu)化、成像質(zhì)量校驗、雜散光抑制提供專業(yè)仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導(dǎo)AR風(fēng)擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發(fā)中的應(yīng)用價值、仿真流程、核心參數(shù)及結(jié)果分析，為車載光學(xué)行業(yè)研發(fā)人員提供參考。
衍射波導(dǎo)AR HUD技術(shù)優(yōu)勢與仿真痛點(diǎn)
1.1 技術(shù)核心優(yōu)勢
AR HUD可將車速、導(dǎo)航、路況等行車信息直接投射至駕駛員視野區(qū)域，實(shí)現(xiàn)視線不離路的安全駕駛輔助。衍射波導(dǎo)架構(gòu)摒棄傳統(tǒng)大體積反射鏡模組，利用表面浮雕光柵（SRG）與光波導(dǎo)全反射原理完成光信號傳輸，核心優(yōu)勢如下：
結(jié)構(gòu)微型化：整體體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反射鏡方案，易于嵌入儀表臺狹小空間；
成像畫質(zhì)優(yōu)：可精準(zhǔn)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(fēng)擋曲面結(jié)構(gòu)，滿足不同座艙布局設(shè)計要求。
展開 【ANSYS線上直播回看】智能輔助HUD系統(tǒng)的設(shè)計與仿真評估
『點(diǎn)擊觀看直播回放』
Ansys SPEOS是用于光學(xué)設(shè)計、環(huán)境與視覺模擬系統(tǒng)的光學(xué)仿真工具，是一款可視化光學(xué)系統(tǒng)和直觀的人機(jī)交互平臺，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、軌道交通、通用照明等領(lǐng)域。Ansys SPEOS HUD是專業(yè)用于汽車抬頭顯示器設(shè)計和分析的直觀應(yīng)用工具，將光學(xué)設(shè)計集成到CAD平臺，評價光學(xué)設(shè)計和視覺性能。在SPEOS集成到Spaceclaim CAD軟件平臺以后，SPEOS的光學(xué)仿真功能明顯提升，不受第三方CAD平臺的限制，可以進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的模擬驗證和優(yōu)化以及多物理場仿真。
此次網(wǎng)絡(luò)直播吸引了眾多觀眾在線觀看，在會后我們也陸續(xù)收到在線觀眾以及其他用戶前來詢問，在此附上本場網(wǎng)絡(luò)直播錄播內(nèi)容，供大家回看學(xué)習(xí)。
▼▼▼2020 Ansys網(wǎng)絡(luò)研討會有獎反饋 - 可免費(fèi)獲取本場錄播和講解資料，參與者均可獲得千元培訓(xùn)券及技術(shù)鄰金幣獎勵！
展開 