中国科学院半导体研究所

如何模拟抬头显示（HUD）系统

2018-09-12

概述

这篇文章介绍了如何在OpticStudio中创建抬头显示系统。抬头显示系统是一个透视显示系统，它的作用在于在用户不改变视角的情况下为用户提供数据，最大程度的让驾驶员的视线保持在路面上。为了实现透视显示，系统必须在挡风玻璃前形成一个虚像。该虚像的尺寸必须与仪表盘相近且不阻碍驾驶员的视线。另外，驾驶员应该在一定空间内都能看到该虚像，这个空间也叫视窗(eyebox)

抬头显示系统有多种光路结构，本文将和大家分享其中一种结构。示例文件请从以下链接下载：

http://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/HUD_Reverse.zar

http://customers.zemax.com/ZMXLLC/media/Knowledge-Base/Attachments/HUD_Forward_Fresnel_Reflection.zar

简化光路

在设计光学系统之初，最好使用简化光路作为起始点。本例中我们将物面设为像面，反之亦然。这将允许我们在之后的设计中使用主光线求解类型。在镜头数据编辑器中，我们将驾驶员和虚像面的距离设为物面到第一个面的厚度。然后设置系统的出瞳也就是系统的第一个面为光阑面（STO）。现在我们暂时将挡风玻璃设置成反射镜。接下来的面为反射镜，用以将系统光路折叠。最后一个面的厚度为反射镜到液晶显示屏（像面）的距离。

这个布局图可以让光学工程师大体了解像面尺寸、视窗尺寸和最后一个元件所需的封装尺寸。为了让这些参数之间的关系更加清晰，将折叠光路展开是非常有帮助的一个方法。通过将反射镜的材料从镜面设为无、并调整坐标断点面的角度参数可以得到如下布局图：

橙色面表示仪表盘窗口。从这个布局图中可以清晰的看到视窗的直径，驾驶员到挡风玻璃的距离，驾驶员到虚像面的距离以及受仪表盘窗口尺寸限制的虚像面的大小。

初始结构

接下来我们需要减小系统的尺寸。首先我们可以为反射镜添加光焦度。为了使光线聚焦成像，反射镜在添加光焦度的同时也产生光轴偏移。有关设置光学元件偏移的详细步骤请参考知识库文章：How_to_Tilt_and_Decenter_a_Sequential_Optical_Component

为了进行优化，我们将优化向导的评价标准设为光斑半径。对于这个系统来说，添加额外的操作数控制光线在每个面上的入射角、出射角和厚度是十分必要的。在本系统中，将含光焦度反射镜在Y方向上的偏移、镜面的圆锥系数和镜面到像面的距离设为变量，运行优化将得到类似如下结果：

最终设计结果

为了减小系统的尺寸并更好的控制系统像差，我们添加了透镜组并使用两个反射镜折叠光路。使用相同的约束对系统进行约束得到以下结果：

为了在系统中模拟人眼，我们假设人眼是一个完美的光学系统。由于光阑面定义在视窗的中心，因此我们使用人眼瞳孔作为系统光阑，并且使用多重结构模拟人眼在视窗中的移动。

添加所有结构后，重新优化系统：

为了真实模拟人眼看到画面的成像质量，我们需要将系统反转进行成像质量分析。由于系统的成像质量接近衍射极限，因此我们可以使用惠更斯MTF对成像质量进行评估。当入瞳直径分别为1.5mm和8mm时，目标对比度为30%对应的空间频率分别为0.76lp和2.0lp。另一种评价系统成像质量的方法是使用图像模拟分析功能。由于系统成像质量接近衍射极限，因此图像模拟分析设置需选择考虑衍射效应。

模拟挡风玻璃

在之前的设计中，挡风玻璃一直以反射镜代替。为了真实模拟挡风玻璃，我们使用两个结构来建模。在第一个结构中挡风玻璃的内表面建模为反射镜面。在第二个结构中挡风玻璃建模为一块材料为B270的平行平板玻璃，并在两个表面都发生透射和折射。虽然实际的挡风玻璃比平行平板复杂的很多，但使用平板玻璃来观察菲涅尔反射是如何影响成像质量是非常有意义的。