HUD光學設計的案例
Ansys SPEOS汽車抬頭顯示器（HUD）的設計與分析
翻譯：上海安世亞太
概述
Ansys SPEOS HUD Design & Analysis提供了專門開發汽車抬頭顯示器（HUD）的先進功能。在設計早期識別潛在問題，以在開發過程中大幅改進光學系統。
有了直觀易懂的功能，可以從開始設計或進行即時設計，從而直接在CAD環境中優化布局和形狀。為不同身高的駕駛員生成設計變化，并顯示HUD系統所需的光學體。
圖2 根據具體定義的最優配置比較
通過SPEOS HUD Design & Analysis，根據擋風玻璃形狀和封裝限制（這些限制要求高度緊湊的設計），研究抬頭顯示器的技術可行性。自動化工具有助于光學系統設計并提高圖像的感知質量。具體而言，該工具可以：
優化布局和形狀
生成旋轉軸
計算駕駛員身高變化的角度
自動顯示所需光學體
該功能可以對圖像質量進行客觀鑒定，并比較多個可選擇的光學和視覺性能，根據自己的驗收標準來衡量合規性。
圖3 玻璃厚度對重像可視化影響的評估
HUD光學設計
圖4 成像系統的設計步驟
通過自動優化光學反射器布局和形狀，Ansys SPEOS HUD光學設計幫助您為汽車抬頭顯示器創建完整的光學系統。這種優化保證了從指定的三維eyebox或head motion box、目標圖像和擋風玻璃形狀獲得最高質量的虛擬圖像。
圖5 從不同eyebox位置評估圖像
初始表面生成的反射器形狀與幾何運算自然兼容。這有助于避免幾何變換、手動轉移操作、多產品定義和模具設計的特定過程造成的精度損失。
SPEOS HUD光學設計自動設計多自由曲面反射器：根據力學約束交互定義元件數量、距離和方向。
展開 SPEOS—光學產品設計及仿真工具
基于三維結構模型和材料真實物理屬性，SPEOS可以定性/定量地進行燈具的配光分析、法律法規驗證、照度模擬分析、路面照度分析、點亮/不點亮效果模擬、設計和諧性驗證等。
車載成像系統虛擬驗證
SPEOS可以通過數字化建模為攝像頭、激光雷達傳感器等提供測試環境，快速直觀地將駕駛環境中攝像頭、激光雷達的成像結果模擬出來。結合CAD平臺，可以根據攝像頭和激光雷達的三維造型、物理屬性、約束條件，仿真傳感器系統采集的數據，用于驗證攝像頭和激光雷達結構對成像的影響，探測器晶片對成像質量的影響，如CCD的光譜敏感性、動態范圍、白平衡、像素大小與分布等對攝像頭成像產生的影響，可以在早期設計階段方便地評估不同設計方案在感知性能方面的區別。
HUD設計及仿真分析
SPEOS中的HUD光學設計功能可以進行HUD光路設計，根據用戶定義的標準和輸入，優化反射鏡和組合器的光學形狀，以提供更佳的成像質量。整個設計過程和CAD平臺無縫結合，不需要在設計過程中導入導出數據。
SPEOS中的HUD仿真功能可以仿真DLP經過光路投射到前擋風玻璃的成像效果，根據HUD和擋風玻璃光學屬性、構型、相對位置等考慮人眼視覺，分析重影等問題，驗證并優化光路中膜片對重影的改善效果。
展開 SPEOS—光學產品設計及仿真工具
圖2 SPEOS支持的光學設計類型
基于三維結構模型和材料真實物理屬性，SPEOS可以定性/定量地進行燈具的配光分析、法律法規驗證、照度模擬分析、路面照度分析、點亮/不點亮效果模擬、設計和諧性驗證等。
圖3 外部燈具仿真模擬結果
圖4 氛圍燈人眼視覺模擬和諧性驗證
??車載成像系統虛擬驗證
SPEOS可以通過數字化建模為攝像頭、激光雷達傳感器等提供測試環境，快速直觀地將駕駛環境中攝像頭、激光雷達的成像結果模擬出來。結合CAD平臺，可以根據攝像頭和激光雷達的三維造型、物理屬性、約束條件，仿真傳感器系統采集的數據，用于驗證攝像頭和激光雷達結構對成像的影響，探測器晶片對成像質量的影響，如CCD的光譜敏感性、動態范圍、白平衡、像素大小與分布等對攝像頭成像產生的影響，可以在早期設計階段方便地評估不同設計方案在感知性能方面的區別。
圖5 SPEOS成像仿真流程及仿真結果
??HUD設計及仿真分析
SPEOS中的HUD光學設計功能可以進行HUD光路設計，根據用戶定義的標準和輸入，優化反射鏡和組合器的光學形狀，以提供更佳的成像質量。整個設計過程和CAD平臺無縫結合，不需要在設計過程中導入導出數據。
SPEOS中的HUD仿真功能可以仿真DLP經過光路投射到前擋風玻璃的成像效果，根據HUD和擋風玻璃光學屬性、構型、相對位置等考慮人眼視覺，分析重影等問題，驗證并優化光路中膜片對重影的改善效果。
圖6 HUD仿真分析結果
應用&案例
SPEOS的典型用戶包括上汽、廣汽、北汽、PATAC、吉利、一汽、東風等OEM的整車集成部門/總布置部門/電子電器部門，以及華域、馬瑞利、Valeo等汽車電子電器/車燈供應商。
展開 SPEOS—光學產品設計及仿真工具
圖2 SPEOS支持的光學設計類型
基于三維結構模型和材料真實物理屬性，SPEOS可以定性/定量地進行燈具的配光分析、法律法規驗證、照度模擬分析、路面照度分析、點亮/不點亮效果模擬、設計和諧性驗證等。
圖3 外部燈具仿真模擬結果
圖4 氛圍燈人眼視覺模擬和諧性驗證
- 車載成像系統虛擬驗證
SPEOS可以通過數字化建模為攝像頭、激光雷達傳感器等提供測試環境，快速直觀地將駕駛環境中攝像頭、激光雷達的成像結果模擬出來。結合CAD平臺，可以根據攝像頭和激光雷達的三維造型、物理屬性、約束條件，仿真傳感器系統采集的數據，用于驗證攝像頭和激光雷達結構對成像的影響，探測器晶片對成像質量的影響，如CCD的光譜敏感性、動態范圍、白平衡、像素大小與分布等對攝像頭成像產生的影響，可以在早期設計階段方便地評估不同設計方案在感知性能方面的區別。
圖5 SPEOS成像仿真流程及仿真結果
- HUD設計及仿真分析
SPEOS中的HUD光學設計功能可以進行HUD光路設計，根據用戶定義的標準和輸入，優化反射鏡和組合器的光學形狀，以提供更佳的成像質量。整個設計過程和CAD平臺無縫結合，不需要在設計過程中導入導出數據。
SPEOS中的HUD仿真功能可以仿真DLP經過光路投射到前擋風玻璃的成像效果，根據HUD和擋風玻璃光學屬性、構型、相對位置等考慮人眼視覺，分析重影等問題，驗證并優化光路中膜片對重影的改善效果。
圖6 HUD仿真分析結果
應用&案例
SPEOS的典型用戶包括上汽、廣汽、北汽、PATAC、吉利、一汽、東風等OEM的整車集成部門/總布置部門/電子電器部門，以及華域、馬瑞利、Valeo等汽車電子電器/車燈供應商。
展開 
官方免費 | 智能輔助HUD系統的設計與仿真評估
直播背景
當今汽車行業自動駕駛正在迅速發展中，在自動駕駛中最基本的輔助顯示系統就是HUD，它能在駕駛員需要不可預知的情況下接管汽車，進入手動駕駛時持續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生。因此，HUD與汽車系統相結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，滿足系統安全性要求，都對供應商以及OEM提出了更高的要求。
Ansys SPEOS HUD是專業用于汽車抬頭顯示器設計和分析的直觀應用工具，將光學設計集成到CAD平臺，評價光學設計和視覺性能。光學設計功能提供了光學系統的設計與CAD結構的建模功能，專業提供HUD光學系統設計和CAD結構設計的一體化方案；光學分析功能提供光學系統設計最終效果的仿真分析，在CAD環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的高級光學概念，包括分析光學設計成像效果，分析CAD結構和其他輔助結構對于HUD成像光學性能影響；同時，可以通過視覺可視化仿真功能展示給駕駛員HUD顯示內容，客觀評定圖像質量，進一步通過駕駛模擬、環境模擬和HUD顯示內容結合，提供最佳解決方案。
研討會內容簡介：
Ansys SPEOS HUD在汽車抬頭顯示的設計與分析功能介紹，包括HUD的設計及參數設置，HUD設計優化功能，HUD成像雜散光分析，HUD動態視覺體驗。
講師簡介：
劉洋，Ansys SBU光學應用工程師，負責Ansys SPEOS光學仿真技術工作，為多個行業客戶提供光學解決方案、咨詢和技術支持，在航空照明設計、駕駛艙內飾人機工效分析等方面有豐富的經驗。
適用人群
汽車主機廠和零部件供應商，光學工程師，設計工程師等相關人士
報名方式
請掃碼下方二維碼
點擊報名：http://event.31huiyi.com/1837905293/index?
展開 Zemax和其它光學軟件在汽車HUD設計中的應用
會議內容
汽車抬頭顯示器HUD能夠讓駕駛員安全有效地讀取行車過程中的重要信息，包括車速、警示信號、導航指示等ADAS信息，所以關于HUD的相關設計是汽車駕艙中的重要技術方向。對于如何更好地設計和分析HUD抬頭顯示器，光研科技南京有限公司特別為大家舉辦一場主題為《Ansys光學解決方案在HUD中的應用》的網絡研討會！
本次研討會將首先對HUD和其發展現狀及相關技術做簡單的介紹，然后再為大家講解Ansys光學解決方案中如何設計和分析HUD系統的問題，其中包含工作流中Zemax、Speos和Lumerical分別在HUD設計中的詳細應用，實現HUD微觀到宏觀的設計，并模擬真實環境下駕駛員視角的場景信息，以此衡量HUD的整體設計效果。歡迎大家預約報名！
會議時間
2023年3月16日10:00-11:00
講師介紹
劉寧寧|光研科技南京有限公司技術經理
哈爾濱工程大學光學工程碩士學位。負責光學解決方案項目、中國地區光學軟件的技術和培訓課程，在光學項目設計開發、技術指導、課程培訓等方面積累了大量的實戰和教學經驗。
先后主導了AR-HUD、汽車智能大燈、冬奧會定制項目、VR眼鏡、Tof鏡頭、VCSEL準直光路、熒光檢測系統等項目的開發和制作。在LED照明、激光、光通信等光學系統設計領域，也有著豐富的設計研發經驗，曾負責省科技廳支撐項目LED矩陣照明系統開發，教育照明系統項目設計開發，LED拷貝臺項目設計開發。同時在LED產品的光色電、安規檢測等方面有著豐富的經驗。
共發表相關專利7篇。曾受聘于南京理工大學電光院，作為兼職教師，為期五年。指導數名研究生畢業設計課題。
展開 線上免費講座 | 光學鏡頭——離軸系統、HUD 系統等設計
由墨光光學工程師為大家講解此次直播課程，主要講解內容圍繞
離軸系統、HUD 系統等設計
開展，課程直播亮點如下：
1、自由曲面概述
2、離軸系統初始設計及優化
3、HUD 初始設計及優化
參與方式：
請關注武漢墨光公眾號，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
光學軟件供應 軟件定制開發
科學計算軟件 機械設計軟件
光學軟件培訓 光學解決方案
光學儀器設備 光學鏡頭設計
高校輔助教學方案 BSDF測量
衍射光學元件設計開發
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電話：18696118912
展開 Ansys Zemax / Ansys Speos | 如何使用Ansys光學解決方案設計和分析 HUD系統
在本篇文章中，我們將展示如何使用Ansys光學解決方案設計和分析HUD系統。首先，Ansys OpticStudio用于設計和優化整個系統，以實現高質量的光學性能。完成此階段后，在Ansys Speos中執行詳細的分析和驗證，其中HOA（HUD Optical Analysis）功能可根據自定義的真實指標驗證整個系統的光學性能。最后，Speos把設計的HUD數據集成到真實環境中，將駕駛員看到的內容可視化到模擬結果中。
操作流程概述
HUD系統多用于汽車或飛機，為駕駛員在其視野范圍內提供視覺信息。它由一個顯示器和一個光學系統組成，該系統為駕駛員創建虛影像。光學系統和顯示屏被放置在儀表板下方。
第一步：OpticStudio 中進行HUD系統定義
第一步是在OpticStudio中定義HUD系統。規格包括虛擬圖像距離、視場范圍、放置空間、擋風玻璃定義、眼位和PGU （Picture Generation Unit）。定義系統后，我們可以使用OpticStudio優化工具優化鏡面并檢查性能。
第二步：將最后的設計數據從OpticStudio導出到Speos
OpticStudio最后的設計可以導出到Speos。Speos包含的HOD和HOA設計分析模塊可在Premium和Enterprise版本下作為附加組件使用，該模塊可以量化汽車HUD系統的虛擬圖像質量。
展開 HUD抬頭顯示光學解決方案
客戶面臨的挑戰
? Ghost - 鬼影是HUD設計中的一個重要指標，但如何根據具體定義確定合適的擋風玻璃楔角以使“鬼影”圖像最小化？
? Coating film - 擋風玻璃上的光學鍍膜可以進一步減少鬼影或增加投影圖像的對比度，如何選擇/設計最佳的光學鍍膜來實現這一目的？
AR-HUD 光波導方案優化難題待解？OAS 光學軟件來破局
波導-HUD系統案例分析
簡介
光波導技術憑借其平板超薄結構和強大的二維擴展能力，在解決AR-HUD問題方面展現出顯著優勢。一方面，其獨特的結構特性能夠大幅減小對光機體積的需求，成為 HUD 未來發展的重要技術方向；另一方面，作為 AR 眼鏡的主流方案，光波導技術在設計與加工工藝上已趨于成熟，可將 HUD 對光機體積的需求有效轉換為對更大出光面積的需求，從而為 AR - HUD 技術的革新提供了新的可能。本案例將運用 OAS 光學軟件，深入分析光波導在 AR - HUD 系統中的應用，探索其優化設計方案。
實驗設置與操作
參數配置
光波導板的參數直接影響光束傳輸與成像效果，其基板材料選用高折射率的光學玻璃，折射率為 1.7，板厚設定為 3mm，以保證光波導的傳輸效率與結構穩定性；波導內反射膜層采用多層介質膜結構，反射率在特定波段（如 450 - 650nm）下達到 95% 以上，確保光束在波導內的多次反射與高效傳輸。
耦合光柵作為光束導入與導出波導的關鍵元件，其周期設為 500nm，占空比為 0.5，光柵深度為 200nm，通過優化光柵參數實現光束與波導的高效耦合。此外，針對 AR - HUD 系統中的照明光源，選用高亮度、窄光譜的微型 LED 陣列，單顆 LED 的發光角度為 15°，中心波長為 520nm，輸出功率為 50mW，以滿足系統對亮度與色彩的需求。
模型搭建和參數設置
首先創建光波導板三維模型，精確設置其空間位置與方向；隨后添加耦合光柵模型，確保光柵與波導板的精確對接，實現光束的順利耦合。將微型 LED 陣列光源布置在合適位置，模擬實際照明效果。
完成模型搭建后，對系統參數進行全面配置。
展開 SPEOS | SPEOS HUD 設計功能
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ZEMAX | 雜散光分析——第二篇
ZEMAX | 如何使用漸暈系數
ZEMAX | 在 OpticStudio 中使用自由曲面進行設計
ZEMAX | 探索 OpticStudio中的序列模式
ZEMAX | HUD 設計實例
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Ansys Zemax｜HUD 設計實例
說明
本文介紹了HUD設計實例。
實例說明
規格如下：
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
最終光學系統的整體布局如下圖所示。
從HUD發出的光被擋風玻璃反射并到達司機的眼睛。
司機看到擋風玻璃后的虛像。
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，然后進入擋風玻璃。
在這樣的光學系統中，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是互逆關系。
鏡頭數據編輯器如下所示。
平面鏡被照亮了兩次，因此平面9的坐標斷點的參數拾取了平面7。
入瞳被設定為圓周直徑為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。
優化是通過設置優化向導來進行的，具體方法如下。
對于這個光學系統，將 "光瞳積分法 "設置為 "矩形陣列"，因為入瞳是矩形的。
勾選 "刪除漸暈光線 "以刪除光圈平面內漸暈的光線。
評價函數設置如下：
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。
展開 Ansys Zemax光學設計軟件技術教程：光學系統設計中如何使用玻璃替換方法
通過使用玻璃替換模板，您可以確保選擇的玻璃不僅僅符合光學標準，還符合其他重要標準。光研科技南京有限公司是國內可靠的Ansys Zemax光學設計軟件代理商！公司已經為廣大企業，研究所以及高校提供了很多優秀的相關產品和服務，在行業內建立了值得信任的口碑。
Ansys Zemax光學軟件
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
設計仿真 | 基于VTD的AR-HUD仿真測試解決方案
基于VTD的
AR-HUD仿真測試解決方案
智能座艙是當前車輛智能化趨勢的重要應用領域，HUD是將車速、導航等重要行車信息投影到擋風玻璃上，大大提升了安全性和體驗感。AR-HUD是在HUD的基礎上融入AR功能，在看到的真實世界的基礎上疊加數字影像圖層，將HUD顯示信息與駕駛環境融為一體。當前，越來越多的汽車廠商更注重人機交互體驗，使汽車AR-HUD開始承載更豐富、更細膩的功能和顯示任務。
以虛擬場景為基礎的AR-HUD仿真測試手段，大大提升了產品開發迭代效率，降低開發成本，在行業內得到了越來越多的關注，AR-HUD的仿真測試涵蓋MIL/SIL/HIL/DIL等不同階段，以VTD為基礎的仿真測試方案可以沿用相同的數據鏈路架構，滿足不同的測試需求。
本仿真測試解決方案涵蓋如下要素：
? 車輛動力學模型
? 虛擬場景VTD以及傳感器模型
? 自動化測試軟件
? 故障注入
? 仿真測試平臺
? 被測對象
其應用流程如下：
1. VTD Traffic模塊發出駕駛員模型控制信息被被控對象車輛動力學模型，計算車輛狀態信息，反饋至場景，實現真實車輛運動在虛擬世界中的模擬；
2. VTD傳感器模型發出傳感器檢測到的環境信息（如車輛周圍障礙物、地理坐標、交通參與方等），按照協議發送給被測對象AR-HUD；
3. AR-HUD生成影像圖層，圖像數據反饋至VTD。VTD基于開放架構和接口接收圖像信息后，在IG上實時渲染，實現AR-HUD的效果；
4. 基于自動化測試工具，為各個節點發送數據，實現AR-HUD測試的自動化。
方案優勢：
1. 快速高效的驗證方式
2. 測試場景多樣化，提升測試廣度深度
3.
展開 第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
所得到的組合后的二維圖如下：
將光闌放置在冷光闌位置，控制系統焦距，對鏡片形狀進行優化，逐步增加視場角，從而獲取到一個視場角滿足要求的光學系統初始結構，隨后，我們通過增加非球面鏡片，控制總長為180，進一步優化光學系統。優化后的光學系統結構圖如下所示：
MTF如下圖：
圖13.系統MTF曲線圖
然后再做無熱化設計。設置三重組態，將材料設置為hammer，優化玻璃。最終的二維如下圖所示。
20℃MTF
-40℃MTF
60℃MTF
畸變圖
最后，有相關需求，歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
