車(chē)載AR-HUD的案例
車(chē)載 AR-HUD 虛像不清晰？OAS軟件跨尺度仿真來(lái)助力
直接投影式
反射投影式
總結(jié)
本案例基于 OAS 光學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)車(chē)載 AR?HUD 衍射波導(dǎo)全鏈路光學(xué)仿真與優(yōu)化，覆蓋建模、參數(shù)配置、追跡分析、性能評(píng)估及迭代優(yōu)化閉環(huán)流程，精準(zhǔn)獲取耦合效率、能量分布、視場(chǎng)均勻性、像質(zhì)等核心指標(biāo)，為光柵結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供量化依據(jù)。OAS 在衍射波導(dǎo)仿真中的精度與效率得到驗(yàn)證，可支撐車(chē)載 AR?HUD 從概念設(shè)計(jì)到工程落地的高效迭代，助力國(guó)產(chǎn)高端車(chē)載光學(xué)顯示系統(tǒng)自主研發(fā)與性能升級(jí)。
Zemax案例 | 基于micro-LED的車(chē)載AR-HUD光路設(shè)計(jì)
引言
在智能駕駛浪潮下，車(chē)載抬頭顯示器（HUD）已從“輔助工具”升級(jí)為“人機(jī)交互核心”，其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)與HUD的融合（AR-HUD）更是憑借“虛實(shí)融合、信息疊加”的優(yōu)勢(shì)，成為提升駕駛安全性與交互體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，當(dāng)前AR-HUD行業(yè)仍面臨三大核心痛點(diǎn)：圖像源（PGU）成本高、亮度不足、陽(yáng)光倒灌致器件損壞。
上海大學(xué)微電子學(xué)院戴高宇團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表的研究論文《面向微顯示芯片的車(chē)載抬頭顯示光路設(shè)計(jì)》[1]，創(chuàng)新性地以0.6inch micro-LED微顯示芯片為核心，設(shè)計(jì)出兼具“高放大倍率、小體積、抗陽(yáng)光倒灌”的AR-HUD光路系統(tǒng)。
行業(yè)現(xiàn)狀
車(chē)載HUD歷經(jīng)“集成型（C-HUD）→擋風(fēng)玻璃型（W-HUD）→增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型（AR-HUD）”三代演進(jìn)，其中AR-HUD通過(guò)延長(zhǎng)虛像距離（通常≥7m）、擴(kuò)大視場(chǎng)角，可將導(dǎo)航箭頭、路況提示等信息疊加在真實(shí)道路上，大幅減少駕駛員低頭頻率。但現(xiàn)有AR-HUD的PGU技術(shù)路線均存在明顯短板：
數(shù)字光投影（DLP）技術(shù)：被德州儀器壟斷，成本高，且依賴投影燈泡與色輪，系統(tǒng)體積大[2]；
薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）技術(shù)：自發(fā)光亮度不足（難以滿足日間室外需求），虛像清晰度易受環(huán)境光影響[3]；
激光掃描投影：對(duì)溫度敏感，穩(wěn)定性差，不適合車(chē)載復(fù)雜工況[4]。
micro-LED微顯示芯片恰好彌補(bǔ)了上述短板—其具備自發(fā)光、高亮度（峰值亮度可達(dá)10萬(wàn)nit以上）、小體積（0.6inch僅約1.524cm）、高分辨率（1280×1024）的優(yōu)勢(shì)，成為AR-HUD的理想圖像源。但micro-LED的“小尺寸”也帶來(lái)新挑戰(zhàn)：要實(shí)現(xiàn)駕駛員清晰觀測(cè)的大虛像（需≥50inch），需通過(guò)光路系統(tǒng)將圖像放大120倍以上，同時(shí)需解決“高倍放大下的像差校正”與“陽(yáng)光倒灌燒屏”問(wèn)題。
展開(kāi) 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(chē)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(chē)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(lèi)車(chē)載座艙狹小空間的優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)主流發(fā)展方向。衍射波導(dǎo)AR HUD融合納米級(jí)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(yàn)。Ansys光學(xué)仿真套件構(gòu)建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一體化設(shè)計(jì)仿工作流，覆蓋投影鏡頭設(shè)計(jì)、亞波長(zhǎng)光柵建模、系統(tǒng)級(jí)光學(xué)集成分析全流程。
其中Ansys Speos作為系統(tǒng)級(jí)仿真核心工具，可實(shí)現(xiàn)多軟件數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接、三維環(huán)境光學(xué)仿真、人眼視覺(jué)感知評(píng)估，為車(chē)載AR HUD光學(xué)性能優(yōu)化、成像質(zhì)量校驗(yàn)、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(jià)值、仿真流程、核心參數(shù)及結(jié)果分析，為車(chē)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(shì)與仿真痛點(diǎn)
1.1 技術(shù)核心優(yōu)勢(shì)
AR HUD可將車(chē)速、導(dǎo)航、路況等行車(chē)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(hào)傳輸，核心優(yōu)勢(shì)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(tái)狹小空間；
成像畫(huà)質(zhì)優(yōu)：可精準(zhǔn)控制光路傳播，適配大視場(chǎng)、高清晰度成像需求；
適配性廣泛：兼容各類(lèi)車(chē)型風(fēng)擋曲面結(jié)構(gòu)，滿足不同座艙布局設(shè)計(jì)要求。
展開(kāi) Zemax與Lumerical實(shí)現(xiàn)衍射光波導(dǎo)形式HUD設(shè)計(jì)與仿真【8月20日直播】
隨著智能車(chē)載系統(tǒng)的發(fā)展與智能駕駛體驗(yàn)需求的增加，車(chē)載抬頭顯示 HUD 系統(tǒng)作為信息顯示的媒介，能夠?qū)x表盤(pán)信息、傳感器獲得的輔助駕駛信息和與環(huán)境融合的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)信息完美地呈現(xiàn)給駕駛者，使駕駛者無(wú)需低頭觀看儀表，極大地提升了駕駛的安全性和體驗(yàn)感。
相較于傳統(tǒng)的車(chē)載HUD，AR-HUD擁有更大的FOV（10°*3°以上）和更大的虛擬屏幕尺寸（70寸以上），因此能結(jié)合更遠(yuǎn)的虛像距離（10米以上）、顯示更豐富的信息，從而具備更好的交互效果。
目前AR-HUD實(shí)現(xiàn)的主流方案是使用圖像生成單元PGU投影圖像至擴(kuò)散膜后，經(jīng)兩級(jí)自由曲面反射鏡反射至擋風(fēng)玻璃后反射，讓圖像光進(jìn)入人眼。但該HUD系統(tǒng)的體積大，一般在10L以上，這也影響了AR-HUD的廣泛應(yīng)用進(jìn)程。
而基于衍射光波導(dǎo)的AR-HUD方案，可以憑借其平板光波導(dǎo)超薄的結(jié)構(gòu)和二維擴(kuò)瞳能力，極大減小對(duì)光機(jī)體積的需求，這也是未來(lái)HUD發(fā)展的重要方向。
衍射光波導(dǎo)可以改變光信息傳播的方向和能量，進(jìn)而引導(dǎo)光信息從波導(dǎo)內(nèi)部傳輸?shù)饺搜郏浜诵暮碗y點(diǎn)在于出瞳處均勻的復(fù)制N次入射光瞳，使出瞳面積/出光面積大幅度增大。這種設(shè)計(jì)極大的優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得AR光學(xué)成像系統(tǒng)體積急劇縮小，引起產(chǎn)業(yè)矚目。
基于此，Ansys將于8月20日推出「衍射光波導(dǎo)的HUD聯(lián)合工作流」主題網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)。本次研討會(huì)將討論如何通過(guò)Ansys光學(xué)產(chǎn)品進(jìn)行HUD的設(shè)計(jì)和仿真，并重點(diǎn)介紹如何結(jié)合 Ansys Zemax與Lumerical的動(dòng)態(tài)連接工作流程進(jìn)行衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，助力AR-HUD的產(chǎn)品研發(fā)，加速上市流程。
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