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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 正序阅读 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。 $6!`  
    ' 1P_*  
    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) R~RY:[5?w  
    Rz=]KeZu  
    最终步骤:从显示器到虚像(正向)  vA`[#(C  
    mSQ!<1PM  
    翻转系统 =Bo0Oei  
    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。 ;t?pyFT2Z  
    )STt3.  
    NlcWnSv  
    '2[ _U&e  
    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。 $Uewv +  
    &<UOi@  
    Kyl(  
    ixKQh};5/  
    另一种解决方案如下所述: (OG@]|-  
    •在镜头数据编辑器中,选择Make Double Pass工具: b:O4d<+%  
    %< j=&  
    -IX;r1UD  
    Wnf`Rf)1z  
    3J,/bgL5  
    STOE=TC>  
    该系统在表面12上包含一个反射面,该反射就是LCD。只有我们系统的之后部分才值得关注。 ae!_u \$  
    '!1lK  
    •表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直径,将“孔径”更改为“按光阑大小浮动”,然后将“STOP”表面设置为表面24。 '.kbXw0}  
     %;W8;  
    ;( 2uQ#Y  
    xD1wHp!+  
    •系统需要整理:删除从“虚像”到“显示器”中定义的所有表面;从表面1到11。设计结果可以在表面13上移除,表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”设置为0mm。 um8ZhXq  
    q0c)pxD%`  
    •表面13即STOP面可以设置为全局坐标参考表面。系统如下所示: ,MvvW{EY  
    pwZ &2&|  
    Q  o=  
    ;N1FP*  
    J| DWT+$#Z  
    lJYv2EZ  
    •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: ?5GjH~  
    3K0J6/mc  
    &Y#9~$V=  
    [FCNW0NV  
    系统性能 V&}Z# 9Dx  
    •光斑尺寸(模糊):可以在Afocal image Space中检查图像清晰度,STOP的大小等于白天的瞳孔尺寸,它的直径是4毫米。 >=Rb:#UM  
    0>?mF]M  
    Sv>aZ  
    Z$hxo )|  
    光斑的模糊低于2’,1’大约是人眼的分辨率。 Xs?>6i@$$  
     C3<3  
    •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: !EW]: u  
    VI+Y4T@  
    hOC,Eo  
    ?<}qx`+%Q  
    0WPxzmY  
    cM"I3  
    s3knh&'zb  
    . LS.Z 4@  
    •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。 T(}da**X  
    gSv<.fD"  
    步骤3:非序列模式 l3MH+o  
    i)p__Is  
    直接转换为NSC组(非序列组) SwL\=nq+~  
    系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。 WUV Q_<i+  
    hg&AQk  
    初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar”  _HL3XT  
    c ~C W-%wN  
    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。 W>Kwl*Cis"  
    ?@,:\ ,G  
    !3&}r  
    )- \w  
    BA5= D>T-  
    KWYG\#S0]  
    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:   ";xEuX  
    +Q9HsfX/  
    “HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar” ;K_B,@:'  
    •在全局坐标系中定义所有的物体: bpILiC  
    7/yd@#$X  
    INT2i8oU  
    u`~{:V  
    •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: sg y  
    0k>&MkM\^  
    ;wF|.^_2  
    tv{.iM|V c  
    •逆追迹光线: `sXx,sV?B  
    C G7 LF  
    W7 E-j+2  
    i@6 /#  
    •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。 @W,Y_8:  
    •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)。 r/v&tU  
    •将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。 ^/uGcz|.  
    •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。 Y^G3<.B  
    g=(+oK?  
    R;yAqr29  
    yKI.TR#  
    •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。 +NY4j-O  
    20条布局光线,X半宽=1000mm,Y半宽=500mm,光源距离=2000,翻转光线。 bi[l,  
    ? `KOW  
    ^m=%Ctu#  
    .R'i=D`Pz  
    •删除所有其他探测器(16至24)。 8G P}g?%  
    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。 l_%~X 9"  
    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: gK(4<PO'  
    ("6W.i>  
    r;C\eN  
    a\w | tf  
    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。 bM-Rj1#Lo  
    Kd)m"9Cc  
    _XZ=4s  
    B`aAvD`7  
    •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。 U VKN#"_{  
    >C[1@-]G%7  
    * 2%e.d3"M  
    u2< h<}Y  
    •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。 yh:,[<q  
    l/^-:RRNKi  
    uH[0kh  
    ^j %UZ  
    •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。 Yn>zR I  
    'qJ-eQ7e  
    }D+8K  
    W6T&hB  
    •在第17行设置矩形光源的光谱,以匹配太阳光谱。 Ji[g@#  
    zIFL?8!H9{  
    (Y)h+}n5N  
    %#9~V  
    •光源14(LCD显示器):功率=1W,分析射线数=1E6 @W8}N|jek  
    •光源17(照明背景):功率=10W,分析射线数=1E7 GJs[m~`8#  
    fJ2{w[ne  
    整理后,NSC实体模型中的最终系统如下所示。 %Be[DLtE"  
    H>f{3S-%  
    5-HJ&Q  
    lM*O+k  
    结论 rj~ian  
    ssITe., ny  
    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。 e0HP~&BRs  
    :, [ !8QP  
    ?w/nZQWi  
    z|*6fFE   
    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: *^6xt7  
    +c`C9RXk  
    vXyo  
    p,\bez  
    除此之外 vw] D{OBv*  
    FM"BTA:C  
    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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