以下為HUD的示意圖。液晶顯示器作為光源發(fā)光，光線被HUD的兩個反射鏡反射，然后通過風(fēng)擋玻璃反射，再進(jìn)入駕駛員的眼睛。駕駛員將在道路上看到虛擬圖像，比如給他指示此時的速度影像的投影。

司機(jī)在開車時會轉(zhuǎn)動頭部導(dǎo)致視線的偏移，司機(jī)的視角我們可以使用眼盒代替。眼盒本質(zhì)上是一個虛擬方框，表示駕駛員眼睛位置的范圍。

系統(tǒng)規(guī)格

●虛像距離：2米

●顯示當(dāng)前車速

●機(jī)械限制：HUD主要受到儀表板下可用空間的限制，風(fēng)擋玻璃將充當(dāng)一個分束器

●眼盒：駕駛員眼睛的位置在寬度為±50毫米、高度為±20毫米的眼盒范圍內(nèi)

●瞳孔：在明亮的光線下直徑為2至4毫米，在黑暗中直徑為4至8毫米。對于該研究，它被設(shè)置為4毫米

●液晶顯示器尺寸寬為±12.5毫米，高為±5毫米

●放大倍數(shù)=6

設(shè)計選擇

HUD的起始結(jié)構(gòu)是一個折疊系統(tǒng)，在儀表板下保持足夠小的尺寸。示例HUD由兩個反射鏡構(gòu)成：一個平面，一個自由曲面。反射鏡在成像系統(tǒng)中具有不增加任何色差的優(yōu)點。系統(tǒng)中自由曲面反射鏡需要被優(yōu)化。

HUD設(shè)計流程

●從虛像到顯示器：設(shè)計在序列模式中反向進(jìn)行。原因從駕駛員看到的虛像開始進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)建模相對容易。然后可以將光闌表面放置在系統(tǒng)的前部，即眼盒所在的位置。在光闌表面上放置一個矩形孔徑，以描述對眼睛位置的限制。

●從顯示器到虛擬圖像：系統(tǒng)將在序列模式下翻轉(zhuǎn)。允許評估從顯示器到虛像的“真實”性能，即正向性能。

●然后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換為非序列(NSC)模式。這提供了一個更真實的模型，其中用戶可以包括雜散光分析。它將顯示駕駛員使用抬頭顯示器看到的真實圖像。

為了方便起見，已經(jīng)構(gòu)建了一個模板，其中包含所有的初始結(jié)構(gòu)。文件名為“HUD_Step1_StartingPoint.zar”并且可以在閱讀原文鏈接下載。初始結(jié)構(gòu)中包含整個風(fēng)擋玻璃的自由曲面模型。風(fēng)擋玻璃可視為一個擴(kuò)展多項式表面。

系統(tǒng)選項：

孔徑：眼盒是系統(tǒng)的光闌面，因此它代表了駕駛員眼睛的位置范圍：寬度=±50毫米，高度=±20毫米，所以我們將該尺寸的矩形孔徑放置在光闌面。

入瞳直徑(EPD)計算可得2 × (20^2 +50?^2)?^2 = 108毫米。

視場：視場類型為物高，規(guī)格定義為矩形。在實際系統(tǒng)中，LDC顯示器上的圖像為虛像尺寸的6倍，因為當(dāng)前的設(shè)計是逆向從虛擬圖像到LCD顯示器的，因此可以計算虛像的大小，并將其用作“視場編輯器”中定義視場大小的物高。液晶顯示器尺寸為：寬度=±12.5毫米，高度=±5毫米。因此，物高尺寸應(yīng)該是此值的6倍。
視場寬度=±75毫米(6 x 12.5)，視場高度=±30毫米(6 x 5)

• 波長：LCD顯示器將發(fā)出0.55微米的波長

風(fēng)擋玻璃

可以對整個風(fēng)擋玻璃進(jìn)行建模，也可以僅對HUD使用的風(fēng)擋玻璃區(qū)域進(jìn)行建模。

要找到“考察”區(qū)域，可以使用Footprint Diagram工具顯示疊加在風(fēng)擋玻璃表面上的光線跡點情況：

風(fēng)擋玻璃建模：

風(fēng)擋玻璃模型：

風(fēng)擋玻璃可以用序列模式表面來描述，如自由曲面或非序列CAD零件。如果將其描述為插入序列系統(tǒng)的非序列CAD零件，則系統(tǒng)變?yōu)榛旌夏Ｊ?。這在從虛像到顯示器的逆向系統(tǒng)建模時效果良好，但在正向工作時會出現(xiàn)問題，因為光闌面位于非序列結(jié)構(gòu)表面之后（違反混合模式建模規(guī)則）。這也會使光線瞄準(zhǔn)更加困難，并可能導(dǎo)致其它光線追跡問題。

一種解決方法是測量CAD零件的矢高，然后使用序列網(wǎng)格矢高表面對其進(jìn)行建模。通過這種方式，系統(tǒng)保持在純序列模式，OpticStudio可以將網(wǎng)格矢高表面轉(zhuǎn)換為非球面類型表面?？稍?Optimize...Convert Asphere Type?下找到對應(yīng)轉(zhuǎn)換工具。

將風(fēng)擋玻璃轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格矢高表面：

非序列模式下的矢高分析是ZOS-API的擴(kuò)展，用于測量CAD零件的矢高。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱題為 'NSC矢高圖用戶自定義分析'。（https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/1500005489041）

在設(shè)置中，您可以：

●取消勾選“移除XY傾斜”。NSC矢高不會將NSC物體的傾斜設(shè)置為0。

●勾選“保留保存的文件”，將.zmx和.zrd文件保存到當(dāng)前文件夾。

NSC矢高圖以偽彩色顯示。如果在“設(shè)置”下，“顯示”選項設(shè)置為“文本”，則它也可以顯示為文本列表。然后可以保存此文本輸出并將其轉(zhuǎn)換為正確的數(shù)據(jù)格式.DAT，該數(shù)據(jù)可以用于網(wǎng)格矢高表面。為了簡單起見，本示例中風(fēng)擋玻璃采用擴(kuò)展多項式曲面進(jìn)行建模。

定位所有元件

這是一個表示所有元件位置的示意圖：

可以利用以下實用工具將表面進(jìn)行放置：

●坐標(biāo)間斷-返回：坐標(biāo)間斷面可以通過坐標(biāo)返回來定義表面傾斜和偏心情況，可以在以下位置找到：Surface Properties…Tilt/Decenter。OpticStudio隨后將計算該“坐標(biāo)間斷”面的對應(yīng)參數(shù)，以便在該坐標(biāo)間斷面之后，局部坐標(biāo)與先前序列表面的局部坐標(biāo)相同。

●主光線計算：計算坐標(biāo)間斷面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以主光線為中心：

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了對于 HUD 系統(tǒng)的元件定位與設(shè)置，下一步我們可以根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)去評估系統(tǒng)的初始性能以及進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

在后續(xù)的文章中，我們會進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。