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(shù)據(jù)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(gè)名字的由來是由于該技術(shù)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。

這篇博文節(jié)選了在設(shè)計(jì)和分析抬頭顯示器（HUD）的性能時(shí)所使用的 OpticStudio 工具。（獲取附件聯(lián)系工作人員）

下面是 HUD 的簡(jiǎn)圖。液晶顯示器（LCD）會(huì)發(fā)光，這些光被構(gòu)成 HUD 的兩個(gè)鏡子反射，然后再被擋風(fēng)玻璃反射，最后進(jìn)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(huì)移動(dòng)頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個(gè)虛擬空間，代表駕駛員在該空間內(nèi)都能看到虛像。

讓我們來看一個(gè) HUD 系統(tǒng)示例，其規(guī)格參數(shù)如下。
虛像距離: 2 m
顯示車輛當(dāng)前的行駛速度
結(jié)構(gòu)限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風(fēng)玻璃將充當(dāng)分光鏡。
視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個(gè)寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內(nèi)。
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(shè)定為4毫米。
LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。
放大倍數(shù) = 6

設(shè)計(jì) HUD 的步驟

從虛像到顯示器：設(shè)計(jì)是在序列模式下反向進(jìn)行的。為什么呢？因?yàn)閺鸟{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(tǒng)前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對(duì)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(tǒng)反轉(zhuǎn)，這將能夠“真實(shí)”模擬人眼在汽車前進(jìn)方向上看到的畫面的成像質(zhì)量。
最后，系統(tǒng)將被轉(zhuǎn)換為非序列（NSC）模式，該模式下，用戶可以進(jìn)行雜散光分析，從而實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的模擬。在該模式下，將顯示駕駛員使用 HUD 看到的真實(shí)圖像。

第一步：從虛像到顯示器（反向）

設(shè)計(jì)選擇:
HUD 的初始設(shè)計(jì)是一個(gè)折疊系統(tǒng)，這保證了它在儀表盤下可以保持足夠小的尺寸。HUD 由兩面鏡子組成：一面平面鏡，還有一面是自由曲面。鏡子的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)在成像系統(tǒng)中引入任何色差。自由曲面的鏡子還需要進(jìn)行優(yōu)化。
為了方便起見，我們建立了一個(gè)模板，其中包含了所有初始元素以及整個(gè)擋風(fēng)玻璃的自由曲面模型。擋風(fēng)玻璃由擴(kuò)展多項(xiàng)式面型模擬。讓我們一起來看看這個(gè)文件是如何建立的。
系統(tǒng)選項(xiàng):
孔徑：視窗為系統(tǒng)光闌，它表明了駕駛員眼睛位置可移動(dòng)的范圍：寬度 = ± 50mm，高度 = ± 20mm，這個(gè)尺寸的矩形孔徑被放置在光闌面。
然后計(jì)算入瞳直徑 (EPD) 為 2 x (sqrt (20^2+50^2)) = 108 mm。

視場(chǎng)：
視場(chǎng)類型被設(shè)置為物高，歸一化被定義為矩形。在實(shí)際系統(tǒng)中，LCD顯示器上的圖像被放大了6倍以形成虛像。因?yàn)槟壳暗脑O(shè)計(jì)是反向的，從虛像到LCD顯示器，虛像的尺寸可以被計(jì)算出來，并作為物高在視場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯器里面定義視場(chǎng)大小。LCD顯示器尺寸為: 寬度 = ± 12.5mm，高度 = ± 5mm。因此，物面尺寸應(yīng)該是這個(gè)尺寸的6倍：

波長(zhǎng): LCD 顯示器發(fā)光波長(zhǎng)為0.55μm。
擋風(fēng)玻璃
可以對(duì)整個(gè)擋風(fēng)玻璃進(jìn)行建模，也可以只對(duì) HUD 使用的擋風(fēng)玻璃的區(qū)域進(jìn)行建模。
為了找到這個(gè)“有效”區(qū)域，可以使用光跡圖（Footprint Diagram）工具，該工具可以在分析菜單欄下的光線跡點(diǎn)(Rays & Spots)中找到。它顯示了光束在擋風(fēng)玻璃表面上疊加的光跡:

擋風(fēng)玻璃建模：
擋風(fēng)玻璃可以通過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。如果它被表征為一個(gè)非序列 CAD 零件插入到一個(gè)序列模式下的系統(tǒng)中，那么系統(tǒng)就變成了混合模式。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)反向建模時(shí)，即從虛像到顯示器，這樣做效果很好，但在正向建模時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)楣怅@面現(xiàn)在位于非序列組件表面之后，這使得光線瞄準(zhǔn)更加困難，也可能導(dǎo)致其他光線追跡問題。
在本例中，擋風(fēng)玻璃是使用擴(kuò)展多項(xiàng)式面型建模的。
定位所有元素
所有元素的位置布局如下圖所示：

每個(gè)面的放置是通過一些便利的工具來完成的：
坐標(biāo)斷點(diǎn)返回：坐標(biāo)斷點(diǎn)面可以使用表面屬性下的傾斜/偏心中的坐標(biāo)返回來定義。OpticStudio 之后將計(jì)算該坐標(biāo)斷點(diǎn)面的參數(shù)，以便在該坐標(biāo)斷點(diǎn)面之后，局部坐標(biāo)（“返回”至）與之前的序列面型的局部坐標(biāo)相同。

主光線求解：該求解會(huì)計(jì)算坐標(biāo)斷點(diǎn)面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以其為中心。