浅谈设计抬头显示器的正向HUD系统性能评估

本文为使用OpticStudio工具设计优化HUD抬头显示器系统的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系统的性能以及后续可能的扩展分析。

上两篇文章中，我们主要介绍了如何以逆向方式对于HUD系统进行建模，以及根据分析系统的初始性能，并结合具体设计指标了解如何对系统进行控制与优化。本篇文章将主要结合OpticStudio非序列模式功能进行正向HUD系统性能的整体评估。

最终步骤：从显示器到虚像(正向)

翻转系统

翻转系统不是直接一步到位的。镜头数据编辑器中的元件翻转工具有一些限制，HUD系统肯定会破坏这些限制，因为该系统包含坐标间断和非标准表面。

棘手的部分是Z轴是“翻转的”。对于像HUD这样的非对称系统，该工具无法正常工作。

另一种解决方案如下所述：

•在镜头数据编辑器中，选择Make Double Pass工具：

该系统在表面12上包含一个反射面，该反射就是LCD。只有我们系统的之后部分才值得关注。

•表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直径，将“孔径”更改为“按光阑大小浮动”，然后将“STOP”表面设置为表面24。

•系统需要整理：删除从“虚像”到“显示器”中定义的所有表面；从表面1到11。设计结果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”设置为0mm。

•表面13即STOP面可以设置为全局坐标参考表面。系统如下所示：

•现在，视场数据编辑器中的视场必须重新定义为LCD视场尺寸：

文件“HUD_Step2_reverse.zar”可以在文章底部下载。

系统性能

•光斑尺寸(模糊)：可以在Afocal image Space中检查图像清晰度，STOP的大小等于白天的瞳孔尺寸，它的直径是4毫米。

光斑的模糊低于2'，1’大约是人眼的分辨率。

•图像模拟：HUD将对车辆的速度进行成像。图像模拟工具可以让用户了解HUD系统图像质量：

•发散/会聚(双目视差)：驾驶员的双眼将通过光学系统观看虚像。每只眼睛看到同一图像点的方向之间通常有一个很小的角度差异。垂直(上/下)角度差被称为双会聚。水平(左/右)角度差称为收敛。可以使用结果文件“HUD_Step1_MF_after_optim_2_eyes.zar”进行检查。瞳孔直径为4mm，瞳孔间距设置为50mm。对于视觉系统，这些值的典型极限在1.0 mrad的数量级上，因此系统在该极限范围内。

步骤3：非序列模式

直接转换为NSC组(非序列组)

系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。

初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar”

OpticStudio有一个内置工具“转换为NSC组”，可以将序列表面转换为非序列元件；或者将整个序列系统转换为非序列系统。转换反射镜时，如果基板厚度大于0，则会将反射镜转换为复合透镜物体，其厚度等于反射镜基板厚度。因此，在这个文件中，我们将反射镜4、6、8和11的厚度设置为5毫米。该文件现在已准备好进行转换。

一旦转换了文件，就需要进行一些整理。下面的列表说明了不同的步骤。最后的非序列文件可以在文章的顶部下载：  

“HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar”

•在全局坐标系中定义所有的物体：

•只保留一个光源：以视场1为中心，第4行的椭圆光源。删除所有其它光源（第1行至第3行和第5行至第12行）。将该光源更改为“矩形光源”，其宽度为±12.5mm，尺寸为±5mm。将布局光线的数量设置为10：

•逆追迹光线：

•删除在序列模式中对翻转系统有用的表面2以及表面3。删除所有空物体。

•删除平面反射镜：在非序列模式下只需要一个平面反射镜(删除第10-14行)。

•将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。

•将Eyebox(第15行)更改为Detector Color（检测器颜色），并添加约为-8度的Tilt（倾斜）X。速度将显示在Detector Color的底部。眼盒尺寸为X半宽=50mm，Y半宽=20mm。将X中的像素数设置为400，将Y中的像素数目设置为200。此外，Detector Color半角设置为X 20度和Y 10度，并且添加了180度的倾斜Y和倾斜Z，使得最终图像在右方向上显示。

•将检测器25更改为矩形光源，并将注释更改为“虚像”。添加-8度的“倾斜X”，并将“Y位置”更改为275 mm，以使其位于探测器的中心。

20条布局光线，X半宽=1000mm，Y半宽=500mm，光源距离=2000，翻转光线。

•删除所有其他探测器(16至24)。

在这一点上，来自LCD窗口的布局光线似乎与风挡玻璃没有相互作用。风挡玻璃是一个布尔原生对象：它是矩形体积和由2个扩展多项式曲面组成的复合透镜。

要了解发生了什么，让我们通过取消勾选“Do Not Draw Object”选项卡中的“不绘制对象”选项来绘制矩形体积：

三维布局显示“光源”位于矩形体积内，矩形体积是布尔体的父对象之一。在这种情况下，需要启用Source的Inside Of f标识才能指向布尔对象。还需要在NSCE(非序列数据编辑器)中的布尔物体之后定义光源，以便内部能正常工作。

•在第1行剪切矩形光源物体，并将其复制到风挡玻璃下方。更改Inside Of flag。现在光线在风挡玻璃上散射了。

•添加一个幻灯片物体作为LCD显示屏上显示速度的源图像，并将其放在LCD光源的前面。将“X全宽”设置为26 mm，将“纵横比”设置为1.0。

•虚拟图像处的矩形光源（物体#17）将用于模拟建立太阳光照射。添加一个幻灯片物体以表示司机看到的背景场景（Object Properties >Sources> Raytrace> Reverse Rays，以便光线向探测器发射）。将“幻灯片X全宽”设置为2000 mm，将“纵横比”设置为1.0。

•在第17行设置矩形光源的光谱，以匹配太阳光谱。

•光源14(LCD显示器)：功率=1W，分析射线数=1E6

•光源17(照明背景)：功率=10W，分析射线数=1E7

整理后，NSC实体模型中的最终系统如下所示。

结论

可以使用Detector Viewer显示驾驶员看到的模拟图像。首先单击 Analyze > Ray Trace 执行光线追迹，然后设置“光线追迹控制”，如下所示。然后通过单击 Analyze > Detector Viewer 来查看探测器查看器。在“设置”菜单下，设置“显示为：真彩色”和“显示数据：角度空间”。角度空间是序列非无焦像空间设置的非序列同等形式设置。这里使用它是因为人眼模型没有在这个系统中建模。

探测器查看器现在以真彩色显示驾驶员将使用设计的HUD系统看到的内容：

除此之外 在非序列模式下，用户可以执行其他分析，例如Straylight Analysis(杂散光分析)，或由驾驶员头部移动引起的图像观察亮度变化等。

编辑：黄飞