汽車抬頭顯示器的案例
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。
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Zemax OpticStudio 如何模擬抬頭顯示（HUD）系統
通過這篇文章我們了解到如何在 OpticStudio 中創建抬頭顯示系統。抬頭顯示系統是一個透視顯示系統，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數據，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實現透視顯示，系統必須在擋風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，駕駛員應該在一定空間內都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)。抬頭顯示系統有多種光路結構，這篇文章和我們分享了其中一種。
今天我們為大家準備了使用 Zemax OpticStudio 設計汽車抬頭顯示器（HUD）的學習視頻，方便大家學習交流。
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視頻內容
HUD 設計概述
序列模式反向光路系統搭建。
展開 Ansys Zemax｜在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
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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
下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發光，這些光被構成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。
駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內都能看到虛像。
讓我們來看一個 HUD 系統示例，其規格參數如下。
虛像距離: 2 m
顯示車輛當前的行駛速度
結構限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。
視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內。
人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。
LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。
放大倍數 = 6
設計 HUD 的步驟
從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。
從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統反轉，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質量。
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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
下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發光，這些光被構成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。
駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內都能看到虛像。
讓我們來看一個 HUD 系統示例，其規格參數如下。
虛像距離: 2 m
顯示車輛當前的行駛速度
結構限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。
視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內。
人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。
LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。
放大倍數 = 6
設計 HUD 的步驟
從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。
從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統反轉，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質量。
展開 
ZEMAX軟件技術應用專題：在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
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。
這篇博文介紹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
下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發光，這些光被構成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。
駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內都能看到虛像。
讓我們來看一個 HUD 系統示例，其規格參數如下。
虛像距離: 2 m
顯示車輛當前的行駛速度
結構限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。
視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內。
人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。
LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。
放大倍數 = 6
設計 HUD 的步驟
從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。
從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統反轉，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質量。
展開 AR｜奇景推LCoS相位調變新技術，搶進車用AR抬頭顯示器
來源 ：鉅亨網
奇景光電5月19
日宣布，最新的 LCoS 相位調變 (phase modulation) 技術，可應用在汽車擴增實境抬頭顯示器(AR HUD)，提供全息影像顯示，可直接投射在駕駛視線的擋風玻璃上。
奇景指出，以 LCoS 相位調變作為全息影像顯示的車用 AR 抬頭顯示器平臺，相較一般抬頭顯示器方案，不僅可達到更明亮、更高對比度的影像質量，而且還可以同時顯示多個焦點平面影像，并具有更低功耗、更低成本和更小外形尺寸等特點。
奇景以提供兩個焦點平面的車用 AR 抬頭顯示器為例，使用奇景 LCoS 相位調變技術的產品，可將汽車儀表板信息，直接投射在駕駛視線內的汽車擋風玻璃上，顯示在焦點 50 公分處的焦點平面。
此外，還可同時投射導航地圖或實時導航等訊息在擋風玻璃上，顯示在焦點約 10 公尺處的焦點平面上，將訊息融入實際環境中，讓駕駛能更自然及安全的接收來自車上各種駕駛輔助訊息。
AR 抬頭顯示器也搭配專有的計算機計算全息演算計算引擎，可演算實時 AR 融合訊息，以及進行影像失真調整，以適應不同的擋風玻璃曲率。
奇景光電執行長吳炳昌表示，AR 抬頭顯示器將成為汽車重要關鍵配備之一，奇景 LCoS 相位調變可在車用 AR 抬頭顯示器中達到多焦點全息顯示，并打破目前抬頭顯示器通用標準。
展開 一期一會 | 什么是抬頭顯示器（HUD）？
抬頭顯示器的類型
多種不同類型的抬頭顯示器，可滿足特定的用戶需求，無論是對于需要關注飛機交通的飛行員，還是需要留意咖啡桌邊緣的游戲玩家。環境、成本限制和用戶舒適度等諸多因素都會影響如何為應用選擇合適的HUD類型。
但是，雖然可能因行業和用例而異，但大多數HUD都同樣由三大部分組成，即光源（如LED）、反射器（如擋風玻璃、組合器或平面透鏡）和放大系統。
所有HUD都具有光源（圖像生成單元）和反射圖像的表面。（大多數情況下，此表面是透明的，使用戶能夠透過它看到現實世界的物體）。在光源和反射表面之間，通常有一個放大光學系統。放大系統可以是：
一個或多個放大圖像的自由曲面鏡
放大圖像的帶光柵的波導
放大鏡（常見于飛機HUD中）
沒有放大系統（某些HUD沒有放大功能）
HUD的優勢
抬頭顯示器可在用戶當前視場內投影視覺信息。這提供了幾個關鍵優勢：
通過提高操作人員的專注度和注意力來提高安全性
在合適的時間優先處理并提取最相關的信息
緩解因人眼焦點不斷變化而導致的疲勞
通過展示系統和人眼共享的相同現實，在自動駕駛汽車和乘坐者之間建立信任
?抬頭顯示器的工作原理是什么？
將手機上的手電筒光照在窗戶上，您將同時看到光線的反射和窗外的世界。抬頭顯示器通過在透明表面上反射數字圖像來實現類似的體驗。該光學系統通過四個步驟向用戶提供信息。
圖像創建：圖像生成單元將數據處理成圖像
光投影：然后，光源將圖像投影到目標表面
放大：光被反射或折射，以放大光束
光學組合：數字圖像顯示在組合器表面，并與真實場景視圖同時出現
抬頭顯示器設計
抬頭顯示器涉及人類感知，而這使其設計和測試變得非常復雜。
展開 設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第三部分
相關閱讀
設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第二部分
設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第一部分
探究 Zemax OpticStudio偏振分析功能
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點擊“閱讀原文”， 下載本文展示的設計附件。
展開 設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第一部分
?從顯示器到虛擬圖像：系統將在序列模式下翻轉。允許評估從顯示器到虛像的“真實”性能，即正向性能。
?最后，系統將轉換為非序列(NSC)模式。這提供了一個更真實的模型，其中用戶可以包括雜散光分析。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。文件名為“HUD_Step1_StartingPoint.zar”并且可以在閱讀原文鏈接下載。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。
展開 Moldex3D模流分析之抬頭顯示器反光板之蒸鍍治具模具及成形效率優化
大綱
抬頭顯示器是車載市場中熱門的產品。顯示器的反光板較其他光學鏡片體型來得龐大和沉重，成型難度高，在最后一道制程蒸鍍時，治具在此就顯得相對重要。如何確保治具能發揮最大功能保護制品，減少蒸鍍時的不良率將是本案例的目標。日芯科技團隊在模具設計前期即透過Moldex3D協助檢視及改善問題，確保治具的平整度，將變形量能降到最低，提升成型效率，降低模具成本及未來量產時的潛在風險。
挑戰
產品平整度
降低開發成本
解決方案
藉由Moldex3D的模擬輔助，日芯團隊能快速地了解并評估模具設計對產品平坦度的影響。日芯團隊應用Moldex3D分析多組主、副流道設計、灌點位置及水路設計方案，從中獲得最佳設計組合。此外，日芯工程師也使用Moldex3D量測結點曲線精靈評估產品變形量，確保產品平整度。同時，Moldex3D模擬也能考慮材料對變形量的影響，優化產品成型
效益
改善產品平整度近85%
減少昂貴的修模及設計變更成本
減少產品開發設計時間
案例研究
本案例之治具產品分為兩個組件：本體及上蓋(圖一)，二者體積差異極大，且必須共模成型。
圖一 本案例治具產品包括本體(左)與上蓋(右)兩個組件
決定治具設計后，日芯團隊首先預測可行的模具結構，包含兩版模及三版模的模型。分析包括各種流道及澆口設計(圖二)，并以量測節點來測量平坦度及收縮距離(圖三)。此分析目的是希望得到高效率的充填，以及可縮短周期、縮小產品變形的流動路徑方案。
圖二 不同的流道與澆口設計
圖三 以量測節點來測量平坦度(左)及收縮距離(右)
根據平坦度及收縮距離結果，以及考慮上蓋和下蓋必須共模成型，因此澆口設計上必須保留足夠的空間給上蓋。最后選擇的流道設計如圖四所示。
圖四 最終決定的流道設計
接下來日芯團隊希望決定適合的冷卻水路設計。
展開 設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第二部分
本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第二部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio工具設計分析抬頭顯示器（HUD）性能，即全視場像差（FFA）和NSC矢高圖。
上篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，下一步我們將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。
初始性能
增加系統像差的因素是風擋玻璃，我們可以對于像差進行分析。
該系統可以簡化為來自無窮遠處(眼睛)的光，并被風擋玻璃反射；反射后，點列圖可以告訴我們在“真實”風擋玻璃和理想風擋玻璃(平面鏡)的情況下的光線角度。
以下是定義文件的不同步驟：
忽略表面6至11；
將視場類型轉換為角度；
將“物面厚度”值設置為“無限”；
在風擋玻璃后面添加一個標準表面，作為理想平面風擋玻璃的模型。將材質設置為“MIRROR”。在“Surface 4 Properties”的“Aperture”下，從“Surface 3”中拾取“Aperture”；
創建兩種多重結構：一種帶有“真正”風擋玻璃，另一種帶有理想的平面反射風擋玻璃(表面3和4)；
勾選System Explorer…Aperture下的Afocal Image Space，設置單位為角度。
展開 
Ansys Zemax | 設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 Ansys Zemax | 設計抬頭顯示器時要使用哪些工具 – 第二部分
本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第二部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio工具設計分析抬頭顯示器（HUD）性能，即全視場像差（FFA）和NSC矢高圖。（聯系我們獲取文章附件）
上篇文章中（點擊查看原文），我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，下一步我們將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。
初始性能
增加系統像差的因素是風擋玻璃，我們可以對于像差進行分析。
該系統可以簡化為來自無窮遠處(眼睛)的光，并被風擋玻璃反射；反射后，點列圖可以告訴我們在“真實”風擋玻璃和理想風擋玻璃(平面鏡)的情況下的光線角度。
以下是定義文件的不同步驟：
·忽略表面6至11；
·將視場類型轉換為角度；
·將“物面厚度”值設置為“無限”；
·在風擋玻璃后面添加一個標準表面，作為理想平面風擋玻璃的模型。將材質設置為“MIRROR”。在“Surface 4 Properties”的“Aperture”下，從“Surface 3”中拾取“Aperture”；
·創建兩種多重結構：一種帶有“真正”風擋玻璃，另一種帶有理想的平面反射風擋玻璃(表面3和4)；
·勾選System Explorer…Aperture下的Afocal Image Space，設置單位為角度。
這些修改可以在“HUD_Step1_windshield_aberration.zar” 文件中找到：
要分析風擋玻璃引入的像差，請單擊 Analyze…Aberrations…Full Field Aberration。塞德爾像差工具在此不適用，因為它只描述旋轉對稱系統中的三階像差。
展開 Ansys Zemax | 設計抬頭顯示器時要使用哪些工具 – 第一部分
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 8/4 Ansys電子產品熱可靠性分析解決方案
2018年底加入Ansys公司，具有多年的電子產品熱仿真和熱設計工作經歷，涉及的產品包括逆變器、APF、SVF、電機控制器、鋰電池包、雷達、HUD (汽車抬頭顯示器)、電源模塊、通信機箱、交換機等。
點擊報名：http://event.31huiyi.com/1900573809/index?c=jishulink
