如何使用Ansys光学解决方案实现高质量的光学性能

在本篇文章中，我们将展示如何使用Ansys光学解决方案设计和分析HUD系统。首先，Ansys OpticStudio用于设计和优化整个系统，以实现高质量的光学性能。完成此阶段后，在Ansys Speos中执行详细的分析和验证，其中HOA（HUD Optical Analysis）功能可根据自定义的真实指标验证整个系统的光学性能。最后，Speos把设计的HUD数据集成到真实环境中，将驾驶员看到的内容可视化到模拟结果中。

操作流程概述

HUD系统多用于汽车或飞机，为驾驶员在其视野范围内提供视觉信息。它由一个显示器和一个光学系统组成，该系统为驾驶员创建虚影像。光学系统和显示屏被放置在仪表板下方。

第一步：OpticStudio 中进行HUD系统定义

第一步是在OpticStudio中定义HUD系统。规格包括虚拟图像距离、视场范围、放置空间、挡风玻璃定义、眼位和PGU （Picture Generation Unit）。定义系统后，我们可以使用OpticStudio优化工具优化镜面并检查性能。

第二步：将最后的设计数据从OpticStudio导出到Speos

OpticStudio最后的设计可以导出到Speos。Speos包含的HOD和HOA设计分析模块可在Premium和Enterprise版本下作为附加组件使用，该模块可以量化汽车HUD系统的虚拟图像质量。

第三步：使用HOA模块进行Speos模拟

分析步骤发生在Speos中。将CAD模型导入Speos之后，就可以运行HOA了。设置包括定义眼位、目标图像、挡风玻璃、镜子和PGU。对于每个项目，用户输入可以从OpticStudio读取的设置，并选择相关的对象。一旦设置完成，就可以运行HOA，并提供完整的报告。

第四步：HUD系统的可视化

Speos还允许为不同的eyebox位置可视化HUD系统。这个模拟显示了从驾驶员视角看到的虚拟映像。可视化可以包括座舱几何形状、周围环境和天气。我们的案例展示了HUD鬼像分析，其中挡风玻璃没有楔角。

运算和结果分析

第一步：OpticStudio 中进行HUD系统定义

第一步，我们设计HUD。在这个例子中，HUD是由一个自由曲面镜子(这将被优化)和一个平面镜组成的。司机透过挡风玻璃看路面。一些例如车速的信息显示在PGU上，来自PGU的光被两个镜子反射，进入司机的眼睛。司机看到道路上速度信息的虚拟图像。

在OpticStudio中，设计从反向模型开始，即从虚拟图像到PGU。从驾驶员看到的虚拟图像开始模拟是很方便的，因为STOP表面被放置在系统的前面，也就是eyebox所在的位置。OpticStudio中的STOP表面是物体空间入口瞳孔直径。它定义了进入光学系统的光线束。由于在STOP前面没有光学装置，入口瞳孔就是STOP本身。eyebox规格可直接设置到STOP面。

在STOP表面上放置一个矩形孔来描述eyebox。场点表示虚像。STOP表面和挡风玻璃之间的距离推出了眼睛的位置。挡风玻璃在这里被定义为一个扩展多项式曲面。这镜子就设置在它们的最终位置。

风挡玻璃的形状增加了PGU发出的光的像差，优化自由曲面反射镜可以部分纠正这一问题。建立了一个价值函数来成像所有的场点(ZUI小均方根光斑半径)。它还包含额外的限制，如放大和失真。

自由曲面镜是根据Zernike Standard凹陷表面来建模的。

1. 打开包含初始设置的Zemax模型(hud_step1_mf_before_optimal .zar)。

2. 通过运行本地优化器(在“Optimize…Optimize”下)来优化自由窗体镜像。

3. 将自由曲面镜像的系数Z4、Z5和Z6设置为变量，并运行本地优化器(在“Optimize…Optimize”下)。

4. 将自由曲面镜像的系数Z7, Z8, Z9, Z10和Z11设置为变量，并运行本地优化器(在“Optimize…Optimize”下)。然后运行全局Hammer优化器1分钟(在“Optimize…Hammer Current”下)。

第二步：将最后的设计数据从OpticStudio导出到Speos

设计可以导出为CAD文件，然后导入到Speos。为了简化Speos中设计的导入，在物体上增加了一个矩形孔径来描述虚拟图像。在PGU上也添加了一个矩形孔径来描述显示的范围。

由于导出为CAD数据可能意味着准确性的损失，建议检查内置模型(包含曲面解析描述的模型)和CAD模型之间的结果。如果没有发现差异，则对CAD描述具有良好的置信度。OpticStudio中可以使用两种配置进行评估。

1. 打开包含初始设置的Zemax模型(HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar)。

2. 将设计导出到STEP文件。要使所有表面在Speos中可用，选择“Export Dummy Surfaces（导出虚拟表面）”，虚拟厚度为1。

第三步：使用HOA模块进行Speos模拟

1. 将STEP文件导入Speos。要显示.stp文件，选择“All Supported Files(HUD_Step1_start.stp)”。为了便于显示，请按名称从“A到Z”对结构树中的几何图形进行排序。

2. 将新文件保存为HUD_Step1_start.scdoc。

坐标轴参考系(Reference axis system)

HOA需要一个参考轴系统的eyebox和PGU。

1. 在3D视图中选择eyebox的背面(表面0)。

2. 在Design选项中，创建一个轴系统。使用移动功能使轴系统与全局轴系统的方向对齐(提示:双击蓝色和绿色箭头将使轴系统旋转90度)。

3. 将轴系重命名为“EB center”。

1. 在3D视图中选择PGU的正面(表面12)。

2. 在Design选项卡中，创建一个轴系统。使用移动功能将轴系统与PGU的方向对齐(提示:点击红色箭头，然后点击“定向到对象”，然后选择PGU的水平轴)。

3. 将轴系统重命名为“PGU”。

一旦完成了这些，就可以运行HOA模块。HOA是一个直观的工具，必须定义HOA的每一项以运行分析。

车辆轴(Vehicle axes)

第一步是为HOA定义坐标轴。在OpticStudio设计中，Z轴为车辆方向，Y轴为顶部方向。

1. 在light simulation选项卡中，单击system，然后单击HUD Optical Analysis。

2. 在simulation 窗口中，将车辆方向设置为Z轴，顶部方向设置为Y轴系统(在属性中，勾选“每个eyebox样本的可视化”和“光学的可视化”设置为True)。

然后设置包括eyebox，目标图像，挡风玻璃，镜子，PGU。对于每个项目，用户选择对象，然后输入可以从OpticStudio读取的设置。

eyebox(Eye box)

1. 在simulation窗口中，选择eyebox。

2. 在3D视图中，单击eyebox。

3. 选择eyebox中轴系统。

4. 在HOA定义面板中填写属性。

目标图像(Target Image)

1. 在simulation窗口中，选择目标图像。

2. 在HOA定义面板中填写属性。

挡风玻璃(Windshield)

1. 在simulation窗口中，选择挡风玻璃。

2. 在3D视图中，先选择挡风玻璃内表面(mirror 3)，再选择挡风玻璃外表面(mirror 3)，外表面只需要计算鬼像。

3. 在HOA面板中填写属性。

镜像面(mirror)

在这个HUD设计中，折射镜有两种光线交互作用。光线从PGU到折射镜，到Freeform镜，然后回到折射镜，到挡风玻璃，然后是eyebox。

1. 在simulation窗口中，选择镜像面。

2. 在3D视图中，单击 并选择(按ctrl键进行多个对象的选择)折射镜(mirror 6)、自由Freeform镜(mirror 8)和另一个折射镜(mirror 10)。

提示:mirror 6和mirror 10有切线面(可以使用鼠标滚轮在几何图形中进行切换选择)。

3. 在HOA定义面板中填写属性。在镜子列表中选择从挡风玻璃到图像生成单元(PGU)的镜子。

图像生成单元(PGU)

1. 在simulation窗口中，选择PGU。

2. 在HOA定义面板中填写属性。

注:为了更高的精度，增加PGU采样(9x5或更高)。这会影响计算时间。

报告设置(Report settings)

HOA设置完成，我们可以选择输出项。

可以运行的一个有趣的分析是PGU的Warping。它显示驾驶员查看由PGU显示的图像是如何被扭曲的。

1. 在模拟树中，选择Warping。

2. 在HOA定义面板中填写属性。

3. 在 Image box > File，加载Zemax OpticStudio PGU.png。

Build & Export warping 模式将以一个未失真的图像作为输入，并生成一个预失真的图像，该图像可应用于PGU，以补偿系统引入的失真。

可以运行其他报告。只需在Report下面的Simulation树中选择它们。

HOA结果分析

HOA设置完成可以正式点击运行了。

1. 在simulation窗口中，选择HOA特性并将其重命名为START。

2. 单击Compute以运行模拟。'

3D视图和报告查看

虚拟图像以及其他指标显示在3D视图中。详细的结果可以在.html报告中找到。

1. 在3D视图中观察虚拟图像和其他指标。

2. 打开.html报告查看详细结果。

鬼影分析(Ghost Image)

鬼影光线路径和鬼影图像都被计算，显示出来了。

1. 在3D视图中观察鬼影图像。

2. 打开报告查看Ghost测试结果。

畸变和虚像分析(Warping and virtual image)

可以在Speos输出文件文件夹或HOA特性下找到结果。PGU在3D视图上显示扭曲的图像。

1. 观察PGU。畸变图形已经进行了调整应用。

2. 观察驾驶员视角下的ZUI佳聚焦图像(点击eyebox中轴系统的平面图视图)。增加缩放系数，以检查ZUI佳焦点。

3. 打开反畸变图像和原始图像。

4. 打开变形文件。

光学路径体(Optical volume)

光学路径体在3D视图上显示。

1. 在HOA定义面板中，检查光学路径体。

2. 在3D视图中，检查optical volume是否在镜像面和PGU尺寸范围内。

动态畸变(Dynamic distortion)

1. 在HOA定义面板，Visualization组中，将eyebox示例设置为True。视觉模式允许在左右眼或双眼之间切换。

2. 改变水平样本和垂直样本，从不同的眼箱位置观察3D视图中的动态失真。

第四步：HUD系统的可视化

Speos可以通过HUD系统帮助不同驾驶员(不同的眼框位置)看到的东西可视化显示在模拟结果中。对于这一步，Speos要求挡风玻璃和HUD的两个镜像面都有材料应用。

创建材料属性(Create Materials)

为了进行可视化，挡风玻璃和镜子需要有材料属性应用。

1. 点击material进行材料创建，并命名为Glas。

2. 将VOP属性设置为Optic。

3. 将SOP属性设置为Optical Polished。

4. 把材料应用在挡风玻璃上。

1. 点击material进行材料创建，并命名为Mirror。

2. 将VOP属性设置为Opaque。

3.将SOP属性设置为Mirror 100%。

4.把材料应用到两个镜像面上。

添加预设（Adding Preset）

预设文件是一个XML文件*。预置，它定义给定Speos对象类型的配置(或仅定义其属性的一个子集)。预设允许加速Speos对象的创建，并保持不同项目的一致性和连续性。

从附件中，复制并粘贴以下预设文件到此文件夹: "C:ProgramDataAnsysv221Optical ProductsPresets "

- Display_HUD.preset

- Radiance_HUD.preset

- Observer_HUD_stereo.preset

- Visualization HUD.preset

创建显示屏光源(Create Display Source)

1.在light simulation选项中，在“source”部分，点击Display。按住shift键同时点击Display选择Display_HUD。点击Display_HUD。

2. 定位Display_HUD源。确保蓝色箭头(z轴)指向折射镜。

创建亮度探测器(Create a Radiance Sensor)

1. 在light simulation选项中，在“sensor”部分，点击Radiance。按住shift键同时点击Radiance选择Radiance_HUD。点击Radiance_HUD。

2 .定位Radiance_HUD。

创建观察者探测器(Create an Observer Sensor)

1. 在light simulation选项中，在“VR-Observer”部分，点击Observer。按住shift键同时点击Observer选择Observer_HUD_stereo。点击Observer_HUD_stereo。

2. 定位Observer_HUD_stereo 探测器。

运算模拟(Run Simulation)

1. 在light simulation选项中，在“Simulation”部分，点击Inverse。按住shift键同时点击Inverse选择Visualization HUD。点击Visualization HUD。

2. 添加几何体、光源、探测器到模拟中。

3. 如图设置属性。

4. 运行模拟。

结果分析(Analyze Results)

从eyebox中心位置查看虚拟像：打开“Visualization

HUD.1.Radiance_HUD.1.xmp”结果。

结果显示有鬼影，因为挡风玻璃没有楔角。

从不同的眼点位置查看虚拟图像：

1. 打开“Visualization HUD.1.Observer_HUD_stereo.1.speos360”结果。

2. 使用键盘上的箭头键来改变位置。当开启立体效果时，你可以在左眼和右眼之间切换。

重要的模型设置

挡风玻璃(Windshield)

在OpticStudio中，挡风玻璃被描述为一个扩展多项式曲面。

HUD优化(HUD optimization)

OpticStudio中的优化是用完整的eyebox完成的。只有Freeform镜面的形状是优化的。所有的元素都已经固定了，并且在优化过程中没有将元素的位置设置为变量。

网格参数(Meshing)

在Speos、步骤4：HUD系统的可视化中，对象是需要网格化的。下面的截图给出了网格设置：

网格参数设置是获得正确仿真结果的关键。它们定义了将被模拟的几何图形的质量。网格越细，模拟效果越好，但模拟时间越长。粗糙的网格会导致较差的结果，特别是对于精密的光学元件。

导入CAD模型(Importing CAD)

在本例中，OpticStudio的设计被导出为STEP，然后导入到SPEOS中。因为HUD是一个成像系统，建议将几何图形转换为重量级，这样意味着几何图形会具有更高度的细节。

模拟时间(Simulation Time)

下面是我们运行这些模拟时的模拟时间可作为参考，模拟时间在很大程度上取决于所使用的计算机。OpticStudio中的优化只花了不到几分钟的时间。在Speos中运行HOA需要12分钟。使用GPU在Speos中运行可视化需要1分30秒。

HOA 插件(HOA plugin)

本例使用默认的Ansys插件计算HOA指标。

审核编辑：郭婷