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關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-08
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本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系統的性能以及后續可能的擴展分析。
上兩篇文章中(第一部分點此查看，第二部分點此查看)，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，以及根據分析系統的初始性能，并結合具體設計指標了解如何對系統進行控制與優化。本篇文章將主要結合OpticStudio非序列模式功能進行正向HUD系統性能的整體評估。（聯系我們獲取文章附件）
最終步驟：從顯示器到虛像(正向)
翻轉系統
翻轉系統不是直接一步到位的。鏡頭數據編輯器中的元件翻轉工具有一些限制，HUD系統肯定會破壞這些限制，因為該系統包含坐標間斷和非標準表面。
棘手的部分是Z軸是“翻轉的”。對于像HUD這樣的非對稱系統，該工具無法正常工作。
另一種解決方案如下所述：
?在鏡頭數據編輯器中，選擇Make Double Pass工具：
該系統在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統的之后部分才值得關注。
?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”表面設置為表面24。
?系統需要整理：刪除從“虛像”到“顯示器”中定義的所有表面；從表面1到11。設計結果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”設置為0mm。
?表面13即STOP面可以設置為全局坐標參考表面。
展開 它還顯示了兩只眼睛所看到的視差。
整個視場的平均值為：
像散的范圍從80減少到11 waves。下圖使用的是相對比例(顯示設置)，從絕對值中減去平均值。它可以更好地了解整個視場的像差變化：
· 畸變：略高于2%
它將顯示駕駛員使用抬頭顯示器看到的真實圖像。
步驟1：從虛像到顯示器(逆向設計)
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。在附件中即可看到。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）。
展開 Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilde
Ansys Zemax | 手機鏡頭設計 - 第 2 部分：使用 OpticsBuilder 實現光機械封裝
如果光學和機械工程師都聲稱光機械系統已完成，則可以將系統從 Creo Parametric 導出為 STEP 裝配體，并進一步轉移到 FEA 軟件（如 Ansys Mechanical ），以便為 OpticStudio STAR 模塊生成 FEA 數據集。這些步驟在本系列文章的第三部分進行詳細闡述：
· 設計手機相機鏡頭第3部分：使用 STAR 模塊和 ZOS-API 進行 STOP 分析
本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系統的性能以及后續可能的擴展分析。
上兩篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，以及根據分析系統的初始性能，并結合具體設計指標了解如何對系統進行控制與優化。本篇文章將主要結合OpticStudio非序列模式功能進行正向HUD系統性能的整體評估。
文章附件可通過最下方“閱讀原文”鏈接進行下載。
最終步驟：從顯示器到虛像(正向)
翻轉系統
翻轉系統不是直接一步到位的。鏡頭數據編輯器中的元件翻轉工具有一些限制，HUD系統肯定會破壞這些限制，因為該系統包含坐標間斷和非標準表面。
棘手的部分是Z軸是“翻轉的”。對于像HUD這樣的非對稱系統，該工具無法正常工作。
另一種解決方案如下所述：
?在鏡頭數據編輯器中，選擇Make Double Pass工具：
該系統在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統的之后部分才值得關注。
?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”表面設置為表面24。
?系統需要整理：刪除從“虛像”到“顯示器”中定義的所有表面；從表面1到11。設計結果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”設置為0mm。
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表面的干涉儀數據包含不規則度的相關信息，包括旋轉對稱不規則性 (RSI)、用于確定中空間頻率的斜率誤差以及其他表面形狀制造誤差。這些制造誤差取決于在球面或非球面上進行的拋光類型，可以是傳統的瀝青拋光、高速拋光以及磁流變拋光 (MRF)。由于很難使用 Zernike 項來模擬所有這些類型的表面形狀變化，因此確定表面誤差如何影響整體系統級性能的最佳方法是在 OpticStudio
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表面的干涉儀數據包含不規則度的相關信息，包括旋轉對稱不規則性 (RSI)、用于確定中空間頻率的斜率誤差以及其他表面形狀制造誤差。這些制造誤差取決于在球面或非球面上進行的拋光類型，可以是傳統的瀝青拋光、高速拋光以及磁流變拋光 (MRF)。由于很難使用 Zernike 項來模擬所有這些類型的表面形狀變化，因此確定表面誤差如何影響整體系統級性能的最佳方法是在 OpticStudio
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概要
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。
這篇文章節選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
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概述
在 OpticStudio 的序列模式中，您可以在不影響其他面的情況下使用虛擬面 (dummy surface) 和求解類型：拾取 (pickup) 在透鏡數據編輯器 (LDE) 及布局圖 (Layout) 中顯示系統的入瞳和出瞳。這篇文章介紹了如何在透鏡數據編輯器中使用 ZPL 宏和主光線高度 (Chief Ray Height) 求解厚度，以及如何在編輯器中隱藏虛擬面
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概要
這篇文章介紹了如何模擬一個部分反射的表面，該表面會根據指定的散射分布對一部分入射光能量進行散射。本文介紹的示例包含部分吸收以及部分鏡面反射的情況。
簡介
使用 OpticStudio 非序列模式模擬散射和膜層的能力，我們可以模擬一個部分反射（或部分透射）的表面，該表面會根據指定的分布散射入射光能量的一部分。
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習電路板的三維模型處理
2、學習電路板跌落非線性接觸相關的接觸設置
3、學習電路板跌落顯示動力學分析步的建立
4、學習電路板跌落顯示動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習混凝土的三維模型處理
2、學習混凝土碰撞非線性接觸相關的接觸設置
3、學習混凝土碰撞顯示動力學分析步的建立
4、學習混凝土碰撞顯示動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習易拉罐的三維模型處理
2、學習易拉罐壓縮非線性接觸相關的接觸設置
3、學習易拉罐壓縮顯示動力學分析步的建立
4、學習易拉罐壓縮顯示動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習彎管成型的三維模型處理
2、學習彎管成型非線性接觸相關的接觸設置
3、學習彎管成型顯示動力學分析步的建立
4、學習彎管成型顯示動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS
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AR 系統通常使用全息圖將光耦合到波導中。本文展示了如何繼續改進本系列文章的第一部分中建模的初步設計。
簡介
AR是一種允許屏幕上的虛擬世界與現實場景結合并交互的技術。
本文演示了如何繼續改進在文章 Ansys Zemax | 模擬 AR 系統中的全息光波導：第一部分中的系統。
優化系統
從第一部分文章的優化得到的最后系統開始優化，我們需要進一步提高其光學性能
