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ueotek 2023-05-18 09:32

Ansys Zemax | 设计抬头显示器时要使用哪些工具 – 第三部分

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。 yCJFo  
`cx]e  
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) Tirux ;  
>7!6nF3x,  
最终步骤:从显示器到虚像(正向) c}3W:}lW  
;"O&X<BX-  
翻转系统 bs9aE< 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。 C^ Q tSha  
%/>xO3"T  
[attachment=117913] {bO|409>W  
X1 ZgSs+i  
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。 [-&L8Un  
}HE6aF62O  
[attachment=117914] Kj=b[ e%  
0Ok,oW {  
另一种解决方案如下所述: {lth+{&L#  
•在镜头数据编辑器中,选择Make Double Pass工具: }F+zs*S  
:V2bS  
[attachment=117915] kNu'AT#3|  
*9)SmS s  
[attachment=117916] )2,eFNB#n  
OB ~X/  
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。 4tSv{B/}  
mDh1>>K'~  
•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。 H:p Z-v*  
@aQ1khEd  
[attachment=117917] ogFKUD*h&>  
9Lh|DK,nV/  
•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。 nC {K$  
\c[IbL07  
•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: ~2EHOO{  
nW "q  
[attachment=117918] nA?Hxos  
(H oqR  
[attachment=117919] TpA\9N#$  
:';L/x>  
•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: `nUO l  
2 xw6 5z  
[attachment=117920] ??hJEE  
[sW.CK= 3  
系统性能 10#oG{ 9  
•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。 :S$l"wrh\  
Pmi#TW3X  
[attachment=117921] P;PQeXKw  
{brMqE>P#  
光斑的模糊低于2’,1’大约是人眼的分辨率。 V|)>{Xdn  
~) ?  
•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: H A}f,),G  
B*htN  
[attachment=117922] I ];M7  
;Ut+yuy  
[attachment=117923] 0?WcoPU  
X0{/ydG F8  
[attachment=117924] )Qm[[pnj  
~lEVXea!  
•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。 6.t',LTB  
3Rm#-T s  
步骤3:非序列模式 UZ8?[  
39 {{7(hh  
直接转换为NSC组(非序列组) )pw&c_x  
系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。 reo{*) %  
,mPnQ?  
初始的文件名为“HUD_Step2_reversed.zar” avmcw~ TF  
y{q*s8NY  
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。 %hlspI(J  
Bh&Ew   
[attachment=117925] <"o"z2  
)o!XWh  
[attachment=117926] W:i?t8y\y  
HxK$4I`  
一旦转换了文件,就需要进行一些整理。下面的列表说明了不同的步骤。最后的非序列文件可以在文章的顶部下载:   p}Fs'l?7Rq  
UDf9FnG}L  
“HUD_Step3_NONSEQ_after_tidying_up.zar” %tA57Pn>  
•在全局坐标系中定义所有的物体: uGdp@]z&8Q  
G ;?qWB,  
[attachment=117927] Bs`$ i ;&  
DN4#H`  
•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: 0"pVT%b  
EoX_KG{  
[attachment=117928] >k']T/%  
F2(q>#<_  
•逆追迹光线: ]IJRnVp%  
/R X1UQ.s  
[attachment=117929] I PE}gp  
XwM611  
•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。 Ql?^ B SqG  
•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)。 6]Q3Yz^h  
•将风挡玻璃的材料改为N-BK7(第14行)。 l? #xAZx&_  
•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。  Do?P<x o  
KsAH]2Q%  
[attachment=117930] "Clz'J]{  
<(@Syv)  
•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。 '%v#v3'  
20条布局光线,X半宽=1000mm,Y半宽=500mm,光源距离=2000,翻转光线。 Np)3+!^1"  
X7UBopm&  
[attachment=117931] fbZibcQ%k  
$#o1MX  
•删除所有其他探测器(16至24)。 ps1YQ3Ep&  
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。 B68H&h]D#'  
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: $ &5w\P  
]T O/kl/  
[attachment=117932] $awi>#[  
,KW;2t*IQ@  
三维布局显示“光源”位于矩形体积内,矩形体积是布尔体的父对象之一。在这种情况下,需要启用Source的Inside Of f标识才能指向布尔对象。还需要在NSCE(非序列数据编辑器)中的布尔物体之后定义光源,以便内部能正常工作。 HU B|bKy  
/I&wj^   
[attachment=117933] V6iL5&  
~WVO  
•在第1行剪切矩形光源物体,并将其复制到风挡玻璃下方。更改Inside Of flag。现在光线在风挡玻璃上散射了。 &UAe!{E0  
j'Y / H5  
[attachment=117934] Bt^K]F\  
(J:dK=O@Z  
•添加一个幻灯片物体作为LCD显示屏上显示速度的源图像,并将其放在LCD光源的前面。将“X全宽”设置为26 mm,将“纵横比”设置为1.0。 zxD,E@lF  
bv?0.{Z  
[attachment=117935] c yQ(fIYl  
']51jabm  
•虚拟图像处的矩形光源(物体#17)将用于模拟建立太阳光照射。添加一个幻灯片物体以表示司机看到的背景场景(Object Properties >Sources> Raytrace> Reverse Rays,以便光线向探测器发射)。将“幻灯片X全宽”设置为2000 mm,将“纵横比”设置为1.0。 pL oy  
g+q@i{Yn  
[attachment=117936] ,W5.:0Y;f[  
ty1fcdFZM  
•在第17行设置矩形光源的光谱,以匹配太阳光谱。 {sN"( H4$  
cErI%v}v0  
[attachment=117937]  SVP:D3)  
90 { tIX  
•光源14(LCD显示器):功率=1W,分析射线数=1E6 s(@h 2:j  
•光源17(照明背景):功率=10W,分析射线数=1E7 K6\` __mLf  
`LP!D  
整理后,NSC实体模型中的最终系统如下所示。 2@@l{Y0f6  
5P^U_  
[attachment=117938] Wz=OSH7"f  
%j]ST D.E  
结论 =(U/CI  
H9"=  p  
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。 (*^DN{5  
eO5ktEoJ  
[attachment=117939] "h$R ]~eG  
f>iuHR*EXB  
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: <,39_#H?F3  
P@ypk^v  
[attachment=117940] ;"7/@&M\m  
vb=CFV#  
除此之外 >Gd.&flSj  
ySX/=T:<;  
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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