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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。 zVFz}kJa  
    ppP7jiGo  
    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) J*IC&jH:  
    K\v1o  
    最终步骤:从显示器到虚像(正向) e/'d0Gb-  
    7;ZSeQ yC  
    翻转系统 :)_Ap{9J  
    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\w.6  
    dq?{?~3  
    VQI  
    <nOK#;O)  
    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。 O'a Srjl  
    6&5p3G{%0  
    TL lR"L5  
    r~N0P|Tq  
    另一种解决方案如下所述: c&vY0/ [  
    •在镜头数据编辑器中,选择Make Double Pass工具: GSj04-T"  
    tG+ E'OP  
    ?{ns1nW:  
    PBc.}TSGj  
    `VM@-;@w  
    l$=Y(Xk  
    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。 R] L|&{   
    W7r1!/ccj  
    •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。 q^ lx03   
    z-<U5-'  
    <1cYz\/ !M  
    o[pv.:w  
    •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。 P]hS0,sE<(  
    zBg>I=hiG  
    •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: xcz[w}{eEq  
    3eX;T +|o  
    aVcQ  
    rw/WD(  
    ('BFy>@  
    H.cN(7LXm  
    •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: :\[W]  
    ;dgxeP;mp  
    s=9gp$9m  
    9un* 1%  
    系统性能 o\6A]T=R  
    •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。 ^o^[p %  
    O CIWQ/ P  
    Gu?O yL  
    QwPL y O  
    光斑的模糊低于2’,1’大约是人眼的分辨率。 #-?C{$2I  
    $J}d6%   
    •图像模拟:HUD将对车辆的速度进行成像。图像模拟工具可以让用户了解HUD系统图像质量: RQiGKz5  
    0*0]R C5?  
    ,5`pe%W7  
    e }>8rnR{  
    /3`#ldb%}  
    F/GfEMSE  
    l,5<g-r V  
    m:U.ao6  
    •发散/会聚(双目视差):驾驶员的双眼将通过光学系统观看虚像。每只眼睛看到同一图像点的方向之间通常有一个很小的角度差异。垂直(上/下)角度差被称为双会聚。水平(左/右)角度差称为收敛。可以使用结果文件“HUD_Step1_MF_after_optim_2_eyes.zar”进行检查。瞳孔直径为4mm,瞳孔间距设置为50mm。对于视觉系统,这些值的典型极限在1.0 mrad的数量级上,因此系统在该极限范围内。 KZ_d..l*W  
    r#ES|  
    步骤3:非序列模式 9ReH@5_bGM  
    CGmObN8~'F  
    直接转换为NSC组(非序列组) T;!7GW4E ?  
    系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。 "BSSA%u?c  
    mRVE@ pc2X  
    初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar” *9V;;bY#  
    J?4aSssE  
    OpticStudio有一个内置工具“转换为NSC组”,可以将序列表面转换为非序列元件;或者将整个序列系统转换为非序列系统。转换反射镜时,如果基板厚度大于0,则会将反射镜转换为复合透镜物体,其厚度等于反射镜基板厚度。因此,在这个文件中,我们将反射镜4、6、8和11的厚度设置为5毫米。该文件现在已准备好进行转换。 ]r++YIg!j  
    hwgLJY?  
    ^Qrezl&  
    IoUQ~JviA  
    yO}RkRA  
    f`Km ctI  
    一旦转换了文件,就需要进行一些整理。下面的列表说明了不同的步骤。最后的非序列文件可以在文章的顶部下载:   &%3$zgvR  
    /O@'XWW  
    “HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar” W[B%,Km%]  
    •在全局坐标系中定义所有的物体: pZ4]K xX@  
    Gd^K,3:. T  
    *6uZ"4rb.  
    Oa7x(wS  
    •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: 8w,U[aJm  
    !&4<"wQ  
    v,6  
    Bqo8G->  
    •逆追迹光线: 1e=<df  
    yVds2J'w-  
    zQY|=4NP  
    Hj&mwn]  
    •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。 Cm)_xnv  
    •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)。 yL =*yC  
    •将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。 cH$zDm1  
    •将Eyebox(第15行)更改为Detector Color(检测器颜色),并添加约为-8度的Tilt(倾斜)X。速度将显示在Detector Color的底部。眼盒尺寸为X半宽=50mm,Y半宽=20mm。将X中的像素数设置为400,将Y中的像素数目设置为200。此外,Detector Color半角设置为X 20度和Y 10度,并且添加了180度的倾斜Y和倾斜Z,使得最终图像在右方向上显示。 oy+``W~  
    A4!IbJD,0  
    0XwDk$l<  
    'C=8.P?  
    •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。 `<R;^qCt  
    20条布局光线,X半宽=1000mm,Y半宽=500mm,光源距离=2000,翻转光线。 o)w8 ]H /  
    iCA!=%M@D  
     B _;W!  
    P_:A%T  
    •删除所有其他探测器(16至24)。 {O\>"2}m'f  
    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。 @  s  
    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: lgR;V]^YX  
    ,P G d  
    pUs:r0B  
    (#zSVtZ  
    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。 J LOTl.  
    IYtM'!u  
    WxNPAJ6YH  
    "6.JpUf  
    •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。 Z7 \gj`  
    KIt:ytFx  
    \9[_*  
    v0pyyUqS  
    •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。 !@ERAPuk  
    f<!3vAh  
    I%dFVt@  
    V*an0@  
    •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。 *.g0;\HF  
    !'-K>.B  
    :\ %.x3T'  
    hAHZN^x&  
    •在第17行设置矩形光源的光谱,以匹配太阳光谱。 K \?b6;ea  
    Rg/*)SKj  
    ,,*i!%Adw  
    5k&tRg  
    •光源14(LCD显示器):功率=1W,分析射线数=1E6 `1I@tz|  
    •光源17(照明背景):功率=10W,分析射线数=1E7 gQpF(P  
    7"L`|O?8)  
    整理后,NSC实体模型中的最终系统如下所示。 Vq7L:,N9  
    Q~/TqG U  
    $s]c'D)  
    RS`]>K3t  
    结论 l=jfgsjc  
    %m\dNUz4g  
    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。 -C9 _gZ  
    t?[|oz:v  
    o)NQE?  
    .SdHFWx  
    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: WdXi  
    JaC =\\B  
    7C7eX J9q  
    G]q1_q4P1?  
    除此之外 zE"ME*ou  
     T~I5W=y  
    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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