ZEMAX软件技术应用专题：在设计抬头显示器(HUD)时需要使用哪些工具？

在设计抬头显示器(HUD)时需要使用哪些工具？

汽车抬头显示器或汽车平视显示器，也被称为HUD，是在汽车中显示数据的透明显示器，不需要用户低头就能看到他们需要的重要资讯。这个名字的由来是由于该技术能够让飞行员在头部“向上”并向前看的情况下查看信息，而不是斜着眼睛看下面的仪表。

这篇博文介绍了在设计和分析抬头显示器（HUD）的性能时所使用的 OpticStudio 工具。

HUD 概述

下面是 HUD 的简图。液晶显示器（LCD）会发光，这些光被构成 HUD 的两个镜子反射，然后再被挡风玻璃反射，最后进入驾驶员的眼睛。驾驶员看到的是位于道路上的虚像，该虚像为驾驶员提供例如速度等信息。

驾驶员在驾驶过程中会移动头部改变视角。视窗（eyebox）是一个虚拟空间，代表驾驶员在该空间内都能看到虚像。

让我们来看一个 HUD 系统示例，其规格参数如下。

• 虚像距离: 2 m

• 显示车辆当前的行驶速度

• 结构限制：HUD 将主要受到仪表盘下可用空间的限制。挡风玻璃将充当分光镜。

• 视窗: 驾驶员眼睛的位置将位于一个宽度为 ± 50mm，高度为 ± 20mm的空间内。

• 人眼瞳孔：在亮光下为2至4毫米，在黑暗中为4至8毫米。在本示例中，它将被设定为4毫米。

• LCD 显示屏尺寸为宽 ± 12.5mm，高 ± 5mm。

• 放大倍数 = 6

设计 HUD 的步骤

从虚像到显示器：设计是在序列模式下反向进行的。为什么呢？因为从驾驶员看到的虚像开始模拟很方便。这样就可以将光阑面放置在系统前方，即视窗所在的位置。在光阑面放置矩形孔径以表述对眼睛位置的约束。

从显示器到虚像：之后在序列模式下将系统反转，这将能够“真实”模拟人眼在汽车前进方向上看到的画面的成像质量。

最后，系统将被转换为非序列（NSC）模式，该模式下，用户可以进行杂散光分析，从而实现更加真实的模拟。在该模式下，将显示驾驶员使用 HUD 看到的真实图像。

在本篇博文中，我们会将重点放在第一步。关于第二步以及第三步的详细内容可访问我们的知识库文章查看。

第一步：从虚像到显示器（反向）

设计选择:

HUD 的初始设计是一个折叠系统，这保证了它在仪表盘下可以保持足够小的尺寸。HUD 由两面镜子组成：一面平面镜，还有一面是自由曲面。镜子的优点在于不会在成像系统中引入任何色差。自由曲面的镜子还需要进行优化。

为了方便起见，我们建立了一个模板，其中包含了所有初始元素以及整个挡风玻璃的自由曲面模型。挡风玻璃由扩展多项式面型模拟。让我们一起来看看这个文件是如何建立的。

系统选项:

孔径：视窗为系统光阑，它表明了驾驶员眼睛位置可移动的范围：宽度 = ± 50mm，高度 = ± 20mm，这个尺寸的矩形孔径被放置在光阑面。

然后计算入瞳直径 (EPD) 为 2 x (sqrt (20^2+50^2)) = 108 mm。

视场：视场类型被设置为物高，归一化被定义为矩形。在实际系统中，LCD显示器上的图像被放大了6倍以形成虚像。因为目前的设计是反向的，从虚像到LCD显示器，虚像的尺寸可以被计算出来，并作为物高在视场数据编辑器里面定义视场大小。LCD显示器尺寸为: 宽度 = ± 12.5mm，高度 = ± 5mm。因此，物面尺寸应该是这个尺寸的6倍：

波长: LCD 显示器发光波长为0.55µm。

挡风玻璃

可以对整个挡风玻璃进行建模，也可以只对 HUD 使用的挡风玻璃的区域进行建模。

为了找到这个“有效”区域，可以使用光迹图（Footprint Diagram）工具，该工具可以在分析菜单栏下的光线迹点(Rays & Spots)中找到。它显示了光束在挡风玻璃表面上叠加的光迹:

 

挡风玻璃建模：

挡风玻璃可以通过序列模式下面型表征，例如自由曲面面型，或者也可以被看作非序列 CAD 零件。如果它被表征为一个非序列 CAD 零件插入到一个序列模式下的系统中，那么系统就变成了混合模式。当对系统反向建模时，即从虚像到显示器，这样做效果很好，但在正向建模时就会出现问题，因为光阑面现在位于非序列组件表面之后，这使得光线瞄准更加困难，也可能导致其他光线追迹问题。

在本例中，挡风玻璃是使用扩展多项式面型建模的。

定位所有元素

所有元素的位置布局如下图所示：

每个面的放置是通过一些便利的工具来完成的：

坐标断点返回：坐标断点面可以使用表面属性下的倾斜/偏心中的坐标返回来定义。OpticStudio 之后将计算该坐标断点面的参数，以便在该坐标断点面之后，局部坐标（“返回”至）与之前的序列面型的局部坐标相同。

主光线求解：该求解会计算坐标断点面的倾斜和偏心，使其垂直于主光线并以其为中心。

初始性能

在系统中引入像差的元素是挡风玻璃。引入了多少呢？

该系统可以简化为来自无限远处（眼睛）的光线被挡风玻璃反射，反射后的点列图可以告诉我们在"真正的 "挡风玻璃和理想的平面挡风玻璃（平面镜）的情况下的光线角度。

要分析挡风玻璃引入的像差，请点击分析…像差分析…全视场像差。赛德尔像差工具在此处不适用因为它仅描述旋转对称系统中的三阶像差。

全视场像差分析计算了波前的泽尼克(Zernike)分解，并显示整个视场的泽尼克系数。

全视场是由如下红色方框进行设置定义的：

下图表现了这些视场点：

对于每个视场点，OpticStudio 将把波前与一系列泽尼克标准多项式进行拟合。以下设置对拟合进行了定义。在像差设置中选择要显示的项。

在像差下，初级像散是由泽尼克标准项5 (Z5) 和泽尼克标准项 6 (Z6) 计算出来的:

如果设置为显示为图标，线条长度将表明幅度，方向则表明角度。

对于我们的系统，结果为:

• 离焦: 174.4 波数

• 初级像散：全视场平均：80.2 波数

该系统最初受限于挡风玻璃带来的像散。光束也会稍微被挡风玻璃聚焦。离焦值并不是问题，因为设计会将光束聚焦到LCD显示器上，所以 HUD 的设计将从校正像散开始。

建立评价函数

现在可以对自由曲面镜进行优化，以校正挡风玻璃带来的像差。首先，优化菜单栏下的快速调整工具可以被用来为我们的自由曲面镜添加一个球面曲率半径。这是一个不错的开始。

建立默认评价函数：
建立默认评价函数用于优化最小光斑（RMS 光斑）。系统包含孔径，因此光瞳采样选择矩形阵列。

此处可使用全视场像差来检查视场采样。整个视场内像差的快速变化可能意味着需要更多的视场点。

然后可以在优化函数顶部为其他参数手动添加操作数：

放大倍率：其中一个参数是关于放大倍率的。REA* (指定面实际光线) 操作数可用于检查在LCD显示器上X和Y方向的视场位置。DIVI操作数可用于计算放大倍率（主光线在像面高度与在物面高度的比值）。这些DIVI操作数的权重系数为10。

畸变：最后一个参数是关于畸变的，它必须低于2%。

注意：像畸变这样的近轴计算在有坐标断点的不对称系统里并不能总是正确计算。在使用畸变操作数时，一定要验证结果是否合理。可以手动检查畸变并/或使用质心的位置来计算，使用CENX和CENY来计算视场的四个角。

评价函数现在已经完成了。

我们的自由曲面镜是由一个有11项的泽尼克标准矢高面模拟的。泽尼克多项式对于优化来说是很好的，但是它们可能需要被转换回标准多项式，例如用于生产制造的扩展多项式。

优化变量：

在优化过程中，选择能够校正系统极限像差的变量至关重要。使用泽尼克标准矢高面我们可以在必要时优化泽尼克系数。

最初，该系统包含 2 个变量：背焦厚度和自由曲面镜。

• Z1 是一个平移项，它不会被使用。

• Z2 和 Z3 是倾斜项，像LCD显示器这样的元素的不同位置是固定的，所以倾斜项也不会被用到。

在第一次局部优化后，可以检查全视场像差：

全视场的平均值：

离焦: 7.8 波数
初级像散: 25.0 波数
初级慧差: 7.4 波数

我们现在可以探索优化更多泽尼克项的好处。

• Z4 是离焦/场曲项，可被设置为变量。

• Z5 和 Z6 是初级像散项，可被设置为变量。

优化后，全视场平均值为：

离焦: 15.0 波数
初级像散: 9.1 波数
初级慧差: 6.9 波数

• Z7 和 Z8 是初级慧差项，可以被设置为变量。

• Z9 和 Z10 是椭圆慧差项，可以被设置为变量。

• Z11 是平衡初级球差项，可以被设置为变量。

经过1分钟的锤形优化：

 

优化结果

可以检查优化的结果。该系统还没有被反转，因此表现并不是“真实”表现，而是“反转”的表现。

光斑大小（模糊）：RMS光斑低于200µm。它没有提供太多的信息；当系统反转时，检查角度大小会更有意思。

像散和慧差：可以再次使用全视场像差来检查优化是否减少了初级像散。除了该像差外，最有可能影响HUD成像质量的泽尼克项是彗差和球差。下面的结果所使用的视场是总视场。它代表了驾驶员在HUD视窗内进行垂直和水平头部运动时所看到的最大角度范围。它还提供了两只眼睛看到的差异。

全视场平均值为：

离焦: -3.6 波数
初级像散: 10.7 波数
初级慧差: 2.2 波数

像散从80波数下降到11波数。下面的图表使用的是相对比例；从绝对值中减去平均值。它使人们更好地了解整个视场的像差变化：

畸变：略高于2%。

反转一个系统并不直接了当。镜头数据编辑器中的反转元素工具有一些限制，HUD系统肯定会打破这些限制，因为该系统包含坐标断点和非标准面。

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