ZEMAX | OpticStudio 如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
今天和大家分享一個 HUD 設計案例 OpticStudio 如何模擬抬頭顯示系統(tǒng)
概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中創(chuàng)建抬頭顯示系統(tǒng)。抬頭顯示系統(tǒng)是一個透視顯示系統(tǒng)，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數(shù)據(jù)，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實現(xiàn)透視顯示，系統(tǒng)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(tǒng)有多種光路結構，本文將和大家分享其中一種結構。示例文件請從以下鏈接下載：
http://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/HUD_Reverse.zar
簡化光路
在設計光學系統(tǒng)之初，最好使用簡化光路作為起始點。本例中我們將物面設為像面，反之亦然。這將允許我們在之后的設計中使用主光線求解類型。在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，我們將駕駛員和虛像面的距離設為物面到第一個面的厚度。然后設置系統(tǒng)的出瞳也就是系統(tǒng)的第一個面為光闌面（STO）?，F(xiàn)在我們暫時將擋風玻璃設置成反射鏡。接下來的面為反射鏡，用以將系統(tǒng)光路折疊。最后一個面的厚度為反射鏡到液晶顯示屏（像面）的距離。
這個布局圖可以讓光學工程師大體了解像面尺寸、視窗尺寸和最后一個元件所需的封裝尺寸。為了讓這些參數(shù)之間的關系更加清晰，將折疊光路展開是非常有幫助的一個方法。通過將反射鏡的材料從鏡面設為無、并調整坐標斷點面的角度參數(shù)可以得到如下布局圖：
橙色面表示儀表盤窗口。從這個布局圖中可以清晰的看到視窗的直徑，駕駛員到擋風玻璃的距離，駕駛員到虛像面的距離以及受儀表盤窗口尺寸限制的虛像面的大小。
初始結構
接下來我們需要減小系統(tǒng)的尺寸。首先我們可以為反射鏡添加光焦度。為了使光線聚焦成像，反射鏡在添加光焦度的同時也產(chǎn)生光軸偏移。有關設置光學元件偏移的詳細步驟請參考知識庫文章：How_to_Tilt_and_Decenter_a_Sequential_Optical_Component
為了進行優(yōu)化，我們將優(yōu)化向導的評價標準設為光斑半徑。對于這個系統(tǒng)來說，添加額外的操作數(shù)控制光線在每個面上的入射角、出射角和厚度是十分必要的。在本系統(tǒng)中，將含光焦度反射鏡在 Y 方向上的偏移、鏡面的圓錐系數(shù)和鏡面到像面的距離設為變量，運行優(yōu)化將得到類似如下結果：
最終設計結果
為了減小系統(tǒng)的尺寸并更好的控制系統(tǒng)像差，我們添加了透鏡組并使用兩個反射鏡折疊光路。使用相同的約束對系統(tǒng)進行約束得到以下結果：
為了在系統(tǒng)中模擬人眼，我們假設人眼是一個完美的光學系統(tǒng)。由于光闌面定義在視窗的中心，因此我們使用人眼瞳孔作為系統(tǒng)光闌，并且使用多重結構模擬人眼在視窗中的移動。
添加所有結構后，重新優(yōu)化系統(tǒng)：
為了真實模擬人眼看到畫面的成像質量，我們需要將系統(tǒng)反轉進行成像質量分析。由于系統(tǒng)的成像質量接近衍射極限，因此我們可以使用惠更斯 MTF 對成像質量進行評估。當入瞳直徑分別為1.5mm 和8mm 時，目標對比度為30%對應的空間頻率分別為 0.76lp 和 2.0lp。另一種評價系統(tǒng)成像質量的方法是使用圖像模擬分析功能。由于系統(tǒng)成像質量接近衍射極限，因此圖像模擬分析設置需選擇考慮衍射效應。
模擬擋風玻璃
在之前的設計中，擋風玻璃一直以反射鏡代替。為了真實模擬擋風玻璃，我們使用兩個結構來建模。在第一個結構中擋風玻璃的內表面建模為反射鏡面。在第二個結構中擋風玻璃建模為一塊材料為 B270 的平行平板玻璃，并在兩個表面都發(fā)生透射和折射。雖然實際的擋風玻璃比平行平板復雜的很多，但使用平板玻璃來觀察菲涅爾反射是如何影響成像質量是非常有意義的。
光線在擋風玻璃表面的反射細節(jié)如上圖所示。兩條光線來自于同一個物體位置并都穿過視窗中心。使用光跡圖 ”Footprint Diagram” 也可以幫助我們查看虛像面上兩個像的偏移。
用目前多種方案可以解決重影問題。例如寶馬在擋風玻璃中使用了一塊塑料光楔，消除重影的原理請參考技術文件 BMW E70 Heads Up Display PDF 第17頁：
http://www.123seminarsonly.com/Seminar-Reports/003/41342570-BMW-E70-Head-Up-Display.pdf
在解決重影問題之前考慮擋風玻璃的設計是十分必要的。然而為了演示目的，這里我們在擋風玻璃的內表面，添加一個角度形成光楔來校準重影的兩個像。改變光楔的角度，直至重影完全消失，得到如下結果：
小結
今天和大家分享了一種抬頭顯示系統(tǒng)的光學設計。本文首先建立了反向初始結構。并使用惠更斯 MTF 和圖像模擬功能分析了最終設計的成像結果。通過圖像模擬和光跡圖對重影現(xiàn)象進行了仿真，并驗證了楔形擋風玻璃對重影的校正效果。
