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(shè)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(yīng)該在一定空間內(nèi)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(jié)構(gòu)，本文將和大家分享其中一種結(jié)構(gòu)。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(shè)計光學(xué)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(shè)為像面，反之亦然。這將允許我們在之后的設(shè)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(shè)為物面到第一個面的厚度。然后設(shè)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(shè)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(xué)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(guān)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(shè)為無、并調(diào)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(jié)構(gòu)
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(guān)設(shè)置光學(xué)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?qū)У脑u價標準設(shè)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(shè)為變量，運行優(yōu)化將得到類似如下結(jié)果：
最終設(shè)計結(jié)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(jié)果：
為了在系統(tǒng)中模擬人眼，我們假設(shè)人眼是一個完美的光學(xué)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(jié)構(gòu)模擬人眼在視窗中的移動。
添加所有結(jié)構(gòu)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(zhì)量，我們需要將系統(tǒng)反轉(zhuǎn)進行成像質(zhì)量分析。由于系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限，因此我們可以使用惠更斯 MTF 對成像質(zhì)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(yīng)的空間頻率分別為 0.76lp 和 2.0lp。另一種評價系統(tǒng)成像質(zhì)量的方法是使用圖像模擬分析功能。由于系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，因此圖像模擬分析設(shè)置需選擇考慮衍射效應(yīng)。
模擬擋風玻璃
在之前的設(shè)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(jié)構(gòu)來建模。在第一個結(jié)構(gòu)中擋風玻璃的內(nèi)表面建模為反射鏡面。在第二個結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhì)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(shù)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(shè)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(nèi)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(jié)果：
小結(jié)
今天和大家分享了一種抬頭顯示系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計。本文首先建立了反向初始結(jié)構(gòu)。并使用惠更斯 MTF 和圖像模擬功能分析了最終設(shè)計的成像結(jié)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。
