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2023-04-26 11:58 |
Ansys Zemax | 设计抬头显示器时要使用哪些工具 – 第一部分
本文演示了如何使用OpticStudio工具设计分析抬头显示器(HUD)性能,即全视场像差(FFA)和NSC矢高图。(联系我们获取文章附件) 1=Z, #r IZs NMY 初始结构 ~QngCg-5q E;bv;RUio HUD简介 YHOo6syk 以下为HUD的示意图。液晶显示器作为光源发光,光线被HUD的两个反射镜反射,然后通过风挡玻璃反射,最后进入驾驶员的眼睛。驾驶员将在道路上看到虚拟图像,比如给他指示此时的速度影像的投影。 pGdFeEkB/ eUVhNg 司机在开车时会转动头部导致视线的偏移,司机的视角我们可以使用眼盒代替。眼盒本质上是一个虚拟方框,表示驾驶员眼睛位置的范围。 ~wFiq)v( od-yVE& [attachment=117488] fc<~R 4de:h E [attachment=117489] -d4|EtN Yv/T6z@ 系统规格 ".7\>8A#a •虚像距离:2米 ( u^ `3=%n •显示当前车速 ae>B0#= •机械限制:HUD主要受到仪表板下可用空间的限制,风挡玻璃将充当一个分束器 WyU\," •眼盒:驾驶员眼睛的位置在宽度为±50毫米、高度为±20毫米的眼盒范围内 \~>
.NH- •瞳孔:在明亮的光线下直径为2至4毫米,在黑暗中直径为4至8毫米。对于该研究,它被设置为4毫米 dvu8V_U •液晶显示器尺寸宽为±12.5毫米,高为±5毫米 f;=<$Y>i •放大倍数=6 Ih<.2 yA]OX" T?* 设计选择 n09P!],Xa HUD的起始结构是一个折叠系统,在仪表板下保持足够小的尺寸。示例HUD由两个反射镜构成:一个平面,一个自由曲面。反射镜在成像系统中具有不增加任何色差的优点。系统中自由曲面反射镜需要被优化。 awl3|k/ w2) @o>w HUD设计流程 aP[oLk$'Z •从虚像到显示器:设计在序列模式中反向进行。原因从驾驶员看到的虚像开始进行光学系统建模相对容易。然后可以将光阑表面放置在系统的前部,即眼盒所在的位置。在光阑表面上放置一个矩形孔径,以描述对眼睛位置的限制。 [.'9Sw •从显示器到虚拟图像:系统将在序列模式下翻转。允许评估从显示器到虚像的“真实”性能,即正向性能。 rlQ=rNrG&E •最后,系统将转换为非序列(NSC)模式。这提供了一个更真实的模型,其中用户可以包括杂散光分析。它将显示驾驶员使用抬头显示器看到的真实图像。 .$ X|96~$ tF:AqR:(~ 步骤1:从虚像到显示器(逆向设计) dwqR,| l.xKv$uOGR 初始结构 2&zklXuo: 为了方便起见,已经构建了一个模板,其中包含所有的初始结构。在附件中即可看到。初始结构中包含整个风挡玻璃的自由曲面模型。风挡玻璃可视为一个扩展多项式表面。 1<;VD0XX oV'G67 W 系统选项: b ;>?m •孔径:眼盒是系统的光阑面,因此它代表了驾驶员眼睛的位置范围:宽度=±50毫米,高度=±20毫米,所以我们将该尺寸的矩形孔径放置在光阑面。 oc"7|YG 入瞳直径(EPD)计算可得2 × (20ˆ2 +50 ˆ2) ˆ2 = 108毫米。 4+J>/ xiZ Al+}4{Q+? [attachment=117490] 8 .t3`FGH )I"I[jDw [attachment=117491] joBS{] DJb9] ,=a [attachment=117492] wpg7xx! }`y%*-- •视场:视场类型为物高,规格定义为矩形。在实际系统中,LDC显示器上的图像为虚像尺寸的6倍,因为当前的设计是逆向从虚拟图像到LCD显示器的,因此可以计算虚像的大小,并将其用作“视场编辑器”中定义视场大小的物高。液晶显示器尺寸为:宽度=±12.5毫米,高度=±5毫米。因此,物高尺寸应该是此值的6倍。 bTMgEY 视场宽度=±75毫米(6 x 12.5),视场高度=±30毫米(6 x 5) *)L~1;7j> mLfY^&2Pr [attachment=117493] Mq='|0, )|6OPR@(#/ •波长:LCD显示器将发出0.55微米的波长 _+OCI%=: Pq,iR J 风挡玻璃 ~;}uYJ 可以对整个风挡玻璃进行建模,也可以仅对HUD使用的风挡玻璃区域进行建模。 ,uPN\`.u8 p,BoiYdi 要找到“考察”区域,可以使用Footprint Diagram工具显示叠加在风挡玻璃表面上的光线迹点情况: k8b5~A, s6k(K>Pl [attachment=117494] )jjL' ~KczP1p 风挡玻璃建模: Q^8/"aV\ 风挡玻璃模型: X>%li$9J. 风挡玻璃可以用序列模式表面来描述,如自由曲面或非序列CAD零件。如果将其描述为插入序列系统的非序列CAD零件,则系统变为混合模式。这在从虚像到显示器的逆向系统建模时效果良好,但在正向工作时会出现问题,因为光阑面位于非序列结构表面之后(违反混合模式建模规则)。这也会使光线瞄准更加困难,并可能导致其它光线追迹问题。 _UV_n!R &88c@Ksn 一种解决方法是测量CAD零件的矢高,然后使用序列网格矢高表面对其进行建模。通过这种方式,系统保持在纯序列模式,OpticStudio可以将网格矢高表面转换为非球面类型表面。可在 Optimize…Convert Asphere Type 下找到对应转换工具。 & | |