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    [分享]Ansys Zemax | 设计抬头显示器时要使用哪些工具 – 第三部分 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-05-18
    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。 {,o =K4CD  
    hKQg:30<  
    上两篇文章中(第一部分点此查看 ,第二部分点此查看 ),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。(联系我们获取文章附件) fq[,9lK  
    9,A HC2kn%  
    最终步骤:从显示器到虚像(正向) :k oXS  
    :x_;-  
    翻转系统 /A%31WE&1  
    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。 $4rMYEn08  
    rqi|8gKY  
    2E=vMAS  
    8$6^S{M3  
    棘手的部分是Z轴是“翻转的”。对于像HUD这样的非对称系统,该工具无法正常工作。 1n+JHXR\  
    ,*{9g6  
    ?\T):o;/  
    ]1i1_AR'`  
    另一种解决方案如下所述: vsCy?  
    •在镜头数据编辑器中,选择Make Double Pass工具: 3 *[YM7y  
    <a$'tw-8  
    !>QD42  
    (n~GKcA  
    /Es&~Fn  
    ch:0qgJ  
    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。 tCP;IU$  
    B)(ZRH  
    •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。 3h>5 6{P  
     Qf(mn8  
    W .bJ.hO*  
    ]$ iqJL  
    •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。 :k7h"w  
    81 /t)Cp  
    •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: ?Y#x`DMh  
    }SF<. A  
    @G>Q(a*,  
    KZt4 dr  
    Umt?COc  
    IAa}F!6Q1  
    •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: '"<h;|  
    j?cE0 hz  
    QGQ}I  
    K\vyfYi  
    系统性能 DAtZp%  
    •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。 Y1h)0_0  
    Wk&g!FR  
    (}NKW  
    CYWL@<p,  
    光斑的模糊低于2’,1’大约是人眼的分辨率。 s.uV,E*wu  
    sT|FgB  
    •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: `p)$7!  
    OKp0@A)8  
    auV<=1<zJ  
    F8%.-.l)  
    jV!9IK;HA.  
    u!WjG@  
    ?3{:[*  
    GH!Lu\y\  
    •发散/会聚(双目视差):驾驶员的双眼将通过光学系统观看虚像。每只眼睛看到同一图像点的方向之间通常有一个很小的角度差异。垂直(上/下)角度差被称为双会聚。水平(左/右)角度差称为收敛。可以使用结果文件“HUD_Step1_MF_after_optim_2_eyes.zar”进行检查。瞳孔直径为4mm,瞳孔间距设置为50mm。对于视觉系统,这些值的典型极限在1.0 mrad的数量级上,因此系统在该极限范围内。 Fj~,>   
    V]$J&aD  
    步骤3:非序列模式 j)neVPf%v  
    :#=XT9  
    直接转换为NSC组(非序列组) \ZPmPu9^(  
    系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。 *D$[@-7  
    7`IoQvX  
    初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar” Ps!~miN|>  
    +8\1.vY  
    OpticStudio有一个内置工具“转换为NSC组”,可以将序列表面转换为非序列元件;或者将整个序列系统转换为非序列系统。转换反射镜时,如果基板厚度大于0,则会将反射镜转换为复合透镜物体,其厚度等于反射镜基板厚度。因此,在这个文件中,我们将反射镜4、6、8和11的厚度设置为5毫米。该文件现在已准备好进行转换。 8KU5x#  
    ic_q<Y}  
    LU=`K4  
    )k}UjU`!  
    I"<ACM  
    Lupug"p0   
    一旦转换了文件,就需要进行一些整理。下面的列表说明了不同的步骤。最后的非序列文件可以在文章的顶部下载:   [Q5>4WY  
    p%+uv\Ix  
    “HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar” `78:TU~5S  
    •在全局坐标系中定义所有的物体: #nOS7Q#uW  
    {BA1C (  
    qz .{[ l  
    L)`SNN\ipR  
    •只保留一个光源:以视场1为中心,第4行的椭圆光源。删除所有其它光源(第1行至第3行和第5行至第12行)。将该光源更改为“矩形光源”,其宽度为±12.5mm,尺寸为±5mm。将布局光线的数量设置为10: ;m[-yqX  
    [9S?  
    R!8qkG  
    )Kw Gb&l&  
    •逆追迹光线: /) Pf ]  
    ;$Q&2}L[  
    L6-zQztn  
    z[q#Dw  
    •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。 <:rbK9MIl  
    •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)。 ~ojH$=K>d  
    •将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。 KkJK5dZo  
    •将Eyebox(第15行)更改为Detector Color(检测器颜色),并添加约为-8度的Tilt(倾斜)X。速度将显示在Detector Color的底部。眼盒尺寸为X半宽=50mm,Y半宽=20mm。将X中的像素数设置为400,将Y中的像素数目设置为200。此外,Detector Color半角设置为X 20度和Y 10度,并且添加了180度的倾斜Y和倾斜Z,使得最终图像在右方向上显示。 ^mA^7jB  
    gISG<!+X^  
    +hJ@w-u,G  
    L&WhX3$u  
    •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。  XAb!hc   
    20条布局光线,X半宽=1000mm,Y半宽=500mm,光源距离=2000,翻转光线。 g]hTz)8fF  
    )Zcw G(o0  
    vl{G;[6  
    O_u2V'jy9  
    •删除所有其他探测器(16至24)。 HoIK^t~VT#  
    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。 GV1SKa  
    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: B?c n5  
    #@#/M)  
    X?'v FC  
    P'dH*}H  
    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。 |H LU5=Y  
    =/J{>S>(i  
    sfv{z!mo  
    2Bf]#l{z  
    •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。 rLU+-_  
    *C (/ 2  
    tS2Orzc>,  
    U{+<c [  
    •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。 EO<{Bj=2  
    9HjtWQn  
    -f+U:/'.>v  
    BO3#*J5S\  
    •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。 91 ]"D;NN  
    U49#?^?  
    nsRZy0@$t  
    @w H+,]xE  
    •在第17行设置矩形光源的光谱,以匹配太阳光谱。 H1alf_(_ \  
    `H:5D5]  
    l Wa4X#~.  
    23F<f+2S  
    •光源14(LCD显示器):功率=1W,分析射线数=1E6 P2q'P&  
    •光源17(照明背景):功率=10W,分析射线数=1E7 ? ^E B"{  
    Od?M4Ed(  
    整理后,NSC实体模型中的最终系统如下所示。 &rcC7v K9  
    1h"CjOp,7  
    errT7&@,A  
    -27uh  
    结论 "`aNNIG&  
    IwE{Zvr  
    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。 ]7*Z'E  
    zSpL^:~  
    !OVTs3}  
    <rO0t9OH  
    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: 7nzNBtk  
    4! Cu>8B  
    A[/_}bI|  
    X"S-f; b#  
    除此之外 N^G:m~>  
    dW32O2@-  
    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。
     
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