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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。 m4'x>Z U
oG+d u[ 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） Ab:+AC5{ [Qn$i/ ` J 最终步骤：从显示器到虚像(正向) W XJ%hA ]Jx_bs ~g 翻转系统 M I R))j; 翻转系统不是直接一步到位的。镜头数据编辑器中的元件翻转工具有一些限制，HUD系统肯定会破坏这些限制，因为该系统包含坐标间断和非标准表面。 i-`J+8|d sx@ %3j  [?moS! lVo}DFZ 棘手的部分是Z轴是“翻转的”。对于像HUD这样的非对称系统，该工具无法正常工作。 ]}>uvl^l Pfl8x  t}f,j^ `e
t4r%EP|Zt 另一种解决方案如下所述： 9=p/'d 8 •在镜头数据编辑器中，选择Make Double Pass工具： nlR 7V. ,2Q5'!o  |& AZ95v HkdBPMs79  Vae=Yg=fw [F}_Ime 该系统在表面12上包含一个反射面，该反射就是LCD。只有我们系统的之后部分才值得关注。 |,WP) 0E/,l ``p •表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直径，将“孔径”更改为“按光阑大小浮动”，然后将“STOP”表面设置为表面24。 !9vq"J~hz" "|<U`3y6  @ACq:+/Q c ,w$:=;i •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。 "aJf W V D.T=( •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： N7mYE D;+sStZK3  I9O%/^5^[w -~WDv[ [  3u~V& jl 3&KRG}5 •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： 8 ;"HM5+ s1%th"e
[  7'idjcR 0^ >b=a 系统性能 4O:y
?D /e •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。 ,<!v!~Iy W|AK"vf  \, -e> # -8%g{ 光斑的模糊低于2’，1’大约是人眼的分辨率。 tM3Q;8gB! sz+%4T •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： w>TTu:
7 q cGs x2  BL1d= %2 R /#g
P#Z%  /<T3^/ ' wL~- k
 yGvBQ2kYb J *;= f8 •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。 uG=~k O EC lx+tz;` 步骤3：非序列模式 FG)(,?q <KBS ;t="1 直接转换为NSC组(非序列组) )8 *}-z 系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。 W =\45BJ kV@?Oj.&I, 初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar” XWag+ K V2 >+s
y 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。 %Z+F X,AK Ox9M  usR +ZQaA P`AW8Y6o  x,LY fy"0 tui5?\ 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： |./{,", !24PJ\~I “HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar” B ,U|V •在全局坐标系中定义所有的物体： q0 L\{ PC3 ?eS }  TW-^C ;
-S7i': •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： bi[g4,`Z; Q PrP3D K  X"g`hT"i a g6[Nk •逆追迹光线： G.]'p n Q!70D)O $  ~Z' /b|x<3 {'sp8:$a •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。 TlD^ EJG •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)。 aRy" _dZ2 •将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。 1|:'jK#gE •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。 =HjC .h %#TAz7  SvQ!n4 $ :QIf0*.O •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。
Og7^7)) 20条布局光线，X半宽=1000mm，Y半宽=500mm，光源距离=2000，翻转光线。
_6-N+FI KzQu LD(e  Dg*'n >~jl0!2z@ •删除所有其他探测器(16至24)。 -+[~eqRB 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。 ( 'Ha$O72 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： 8Y [4J XUK s*R UYx 
)=A WgA |_ OoD9,M 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。 <l5s[ ~d-Q3n?zR  b8**M'k pgPm0 +N
•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。 {t| Q9& g%o kYH?  $B`ETI9g-N |E &|6h1 •添加一个幻灯片物体作为LCD显示屏上显示速度的源图像，并将其放在LCD光源的前面。将“X全宽”设置为26 mm，将“纵横比”设置为1.0。 a f LE9 IV~5Y {(l  +V;d^&S oiOu169] •虚拟图像处的矩形光源（物体#17）将用于模拟建立太阳光照射。添加一个幻灯片物体以表示司机看到的背景场景（Object Properties >Sources> Raytrace> Reverse Rays，以便光线向探测器发射）。将“幻灯片X全宽”设置为2000 mm，将“纵横比”设置为1.0。 vI ]V@i l Q-J} :U  +wfZFJ:1l [9yd29pQ] •在第17行设置矩形光源的光谱，以匹配太阳光谱。 .E;}.X ~( :$c3\  >0?ph<h1[q I#;.; %u •光源14(LCD显示器)：功率=1W，分析射线数=1E6 5?.!A
'zb •光源17(照明背景)：功率=10W，分析射线数=1E7 MAQ-'s@ -@Z9h)G| 整理后，NSC实体模型中的最终系统如下所示。 5 %+epzy !-t"}^)  &5*t*tI =3PZG dWD 结论 3;88a!AA! c3WF!~1r 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。 \d3 ~k q3 qB+OxyT&  <)
-]'@*c AoY!f'Z 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： r{f$n zb s7G  Pm QeO*f+ (yoF 除此之外 ?rziKT5OOC k"E|E";B 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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