本文為使用OpticStudio工具設計優化HUD抬頭顯示器系統的第三部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio非序列模式工具正向分析HUD系統的性能以及后續可能的擴展分析。

上兩篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統進行建模，以及根據分析系統的初始性能，并結合具體設計指標了解如何對系統進行控制與優化。本篇文章將主要結合OpticStudio非序列模式功能進行正向HUD系統性能的整體評估。

最終步驟：從顯示器到虛像(正向)

翻轉系統

翻轉系統不是直接一步到位的。鏡頭數據編輯器中的元件翻轉工具有一些限制，HUD系統肯定會破壞這些限制，因為該系統包含坐標間斷和非標準表面。

棘手的部分是Z軸是“翻轉的”。對于像HUD這樣的非對稱系統，該工具無法正常工作。

另一種解決方案如下所述：

?在鏡頭數據編輯器中，選擇Make Double Pass工具：

該系統在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統的之后部分才值得關注。

?表面24是新的STOP表面。首先可以固定表面24的半直徑，將“孔徑”更改為“按光闌大小浮動”，然后將“STOP”表面設置為表面24。

?系統需要整理：刪除從“虛像”到“顯示器”中定義的所有表面；從表面1到11。設計結果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm。“物面厚度(表面0)”設置為0mm。

?表面13即STOP面可以設置為全局坐標參考表面。系統如下所示：

?現在，視場數據編輯器中的視場必須重新定義為LCD視場尺寸：

文件“HUD_Step2_reverse.zar”可以在文章底部下載。

系統性能

?光斑尺寸(模糊)：可以在Afocal image Space中檢查圖像清晰度，STOP的大小等于白天的瞳孔尺寸，它的直徑是4毫米。

光斑的模糊低于2'，1’大約是人眼的分辨率。

?圖像模擬：HUD將對車輛的速度進行成像。圖像模擬工具可以讓用戶了解HUD系統圖像質量：

?發散/會聚(雙目視差)：駕駛員的雙眼將通過光學系統觀看虛像。每只眼睛看到同一圖像點的方向之間通常有一個很小的角度差異。垂直(上/下)角度差被稱為雙會聚。水平(左/右)角度差稱為收斂。可以使用結果文件“HUD_Step1_MF_after_optim_2_eyes.zar”進行檢查。瞳孔直徑為4mm，瞳孔間距設置為50mm。對于視覺系統，這些值的典型極限在1.0 mrad的數量級上，因此系統在該極限范圍內。

步驟3：非序列模式

直接轉換為NSC組(非序列組)

系統現在已準備好導出到非序列進行進一步分析。

初始的文件名為“HUD_Step2_reversed.zar”

OpticStudio有一個內置工具“轉換為NSC組”，可以將序列表面轉換為非序列元件；或者將整個序列系統轉換為非序列系統。轉換反射鏡時，如果基板厚度大于0，則會將反射鏡轉換為復合透鏡物體，其厚度等于反射鏡基板厚度。因此，在這個文件中，我們將反射鏡4、6、8和11的厚度設置為5毫米。該文件現在已準備好進行轉換。

一旦轉換了文件，就需要進行一些整理。下面的列表說明了不同的步驟。最后的非序列文件可以在文章的頂部下載：??

“HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar”

?在全局坐標系中定義所有的物體：

?只保留一個光源：以視場1為中心，第4行的橢圓光源。刪除所有其它光源（第1行至第3行和第5行至第12行）。將該光源更改為“矩形光源”，其寬度為±12.5mm，尺寸為±5mm。將布局光線的數量設置為10：

?逆追跡光線：

?刪除在序列模式中對翻轉系統有用的表面2以及表面3。刪除所有空物體。

?刪除平面反射鏡：在非序列模式下只需要一個平面反射鏡(刪除第10-14行)。

?將風擋玻璃的材料改為N-BK7(第14行)。

?將Eyebox(第15行)更改為Detector Color（檢測器顏色），并添加約為-8度的Tilt（傾斜）X。速度將顯示在Detector Color的底部。眼盒尺寸為X半寬=50mm，Y半寬=20mm。將X中的像素數設置為400，將Y中的像素數目設置為200。此外，Detector Color半角設置為X 20度和Y 10度，并且添加了180度的傾斜Y和傾斜Z，使得最終圖像在右方向上顯示。

?將檢測器25更改為矩形光源，并將注釋更改為“虛像”。添加-8度的“傾斜X”，并將“Y位置”更改為275 mm，以使其位于探測器的中心。

20條布局光線，X半寬=1000mm，Y半寬=500mm，光源距離=2000，翻轉光線。

?刪除所有其他探測器(16至24)。

在這一點上，來自LCD窗口的布局光線似乎與風擋玻璃沒有相互作用。風擋玻璃是一個布爾原生對象：它是矩形體積和由2個擴展多項式曲面組成的復合透鏡。

要了解發生了什么，讓我們通過取消勾選“Do Not Draw Object”選項卡中的“不繪制對象”選項來繪制矩形體積：

三維布局顯示“光源”位于矩形體積內，矩形體積是布爾體的父對象之一。在這種情況下，需要啟用Source的Inside Of f標識才能指向布爾對象。還需要在NSCE(非序列數據編輯器)中的布爾物體之后定義光源，以便內部能正常工作。

?在第1行剪切矩形光源物體，并將其復制到風擋玻璃下方。更改Inside Of flag。現在光線在風擋玻璃上散射了。

?添加一個幻燈片物體作為LCD顯示屏上顯示速度的源圖像，并將其放在LCD光源的前面。將“X全寬”設置為26 mm，將“縱橫比”設置為1.0。

?虛擬圖像處的矩形光源（物體#17）將用于模擬建立太陽光照射。添加一個幻燈片物體以表示司機看到的背景場景（Object Properties >Sources> Raytrace> Reverse Rays，以便光線向探測器發射）。將“幻燈片X全寬”設置為2000 mm，將“縱橫比”設置為1.0。

?在第17行設置矩形光源的光譜，以匹配太陽光譜。

?光源14(LCD顯示器)：功率=1W，分析射線數=1E6

?光源17(照明背景)：功率=10W，分析射線數=1E7

整理后，NSC實體模型中的最終系統如下所示。

結論

可以使用Detector Viewer顯示駕駛員看到的模擬圖像。首先單擊?Analyze > Ray Trace?執行光線追跡，然后設置“光線追跡控制”，如下所示。然后通過單擊?Analyze > Detector Viewer?來查看探測器查看器。在“設置”菜單下，設置“顯示為：真彩色”和“顯示數據：角度空間”。角度空間是序列非無焦像空間設置的非序列同等形式設置。這里使用它是因為人眼模型沒有在這個系統中建模。

探測器查看器現在以真彩色顯示駕駛員將使用設計的HUD系統看到的內容：

除此之外 在非序列模式下，用戶可以執行其他分析，例如Straylight Analysis(雜散光分析)，或由駕駛員頭部移動引起的圖像觀察亮度變化等。

編輯：黃飛

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