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聯(lián)合方案 | Zemax + Speos 助力HUD抬頭顯示器設(shè)計

發(fā)布日期:
2022-11-08

瀏覽次數(shù):

Speos 作為分析抬頭顯示器性能的理想工具,一旦系統(tǒng)在 OpticStudio 中完成設(shè)計,我們可以將系統(tǒng)整體作為 STEP 文件導(dǎo)入至 Speos 當(dāng)中。系統(tǒng)性能可以通過 HOA 工具(HUD 光學(xué)分析)進(jìn)行計算。注意,該工具需要使用 Speos HUD Design and Analysis 插件以及旗艦版或企業(yè)版授權(quán)。


1

HUD 簡介


本文中使用的 HUD 系統(tǒng)及以下文章中設(shè)計得到的:選自于Zemax 知識庫文章在設(shè)計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具?


以下內(nèi)容展示了 HUD 系統(tǒng)的總結(jié)以及特性。


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2

準(zhǔn)備 OpticStudio 序列模式文件


如果需要將 OpticStudio 序列設(shè)計導(dǎo)入至 Speos 中,我們需要添加:

  • 在物面上添加對應(yīng)的矩形孔徑,當(dāng)前物面為 HUD 的虛像面。矩形孔徑將展示視場的尺寸。

  • 在 PGU 上設(shè)置對應(yīng)矩形孔徑。


打開文件:“HUD_Step1_MF_after_optim.zar”。
打開物面的表面屬性設(shè)置,添加對應(yīng)的矩形孔徑。


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打開像面的表面屬性設(shè)置,添加如下矩形孔徑:
Horizontal size = 28mm (X-half Width = 14 mm)
Vertical size = 28mm (Y-half Width = 14 mm)


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含有孔徑設(shè)置的文件已經(jīng)添加至本文章附件中,名為:

HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar

源文件中反射鏡的尺寸較小,我們需要在查看光跡圖結(jié)果之后對其尺寸進(jìn)行修改。

自由曲面反射鏡:原尺寸以及新尺寸

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折疊反射鏡:原尺寸以及新尺寸

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3

導(dǎo)出 OpticStudio 作為 CAD 文件


OpticStudio 模型將轉(zhuǎn)換成為 CAD 文件并且導(dǎo)入至 Speos 中。
在導(dǎo)出成為 CAD 模型之前,查看當(dāng)前系統(tǒng)的全局坐標(biāo)參考表面,該表面將作為導(dǎo)出 CAD 的坐標(biāo)原點(diǎn)。


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在 OpticStudio 中,將設(shè)計導(dǎo)出成為 CAD 文件:


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為了將所有表面可用于 SPEOS 中,需要勾選以下 “導(dǎo)出虛擬表面” 選項,并且將虛擬表面厚度設(shè)置為 1。我們也可以設(shè)置導(dǎo)出光線的選項,為后續(xù)對比提供一些參考。


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4

檢查 CAD 精度


在轉(zhuǎn)移至 Speos 之前,我們需要在 OpticStudio 中執(zhí)行對比,檢查使用內(nèi)置表面的 OpticStudio 模型與 CAD 模型代表的系統(tǒng)性能的對比情況。可以在文章附件中找到對應(yīng)文件,文件內(nèi)包含兩個結(jié)構(gòu):

HUD_Step1_MF_after_optim_CAD.zar

  • 結(jié)構(gòu) 1 作為內(nèi)置表面模型

  • 結(jié)構(gòu) 2 包含非序列元件表面,其中包含 CAD 導(dǎo)出的模型


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我們可以使用結(jié)構(gòu)矩陣點(diǎn)列圖分析直接對比兩個結(jié)構(gòu)的性能結(jié)果。在對比文件中,STOP 尺寸被設(shè)置為 4 mm 直徑用于模擬眼睛的瞳孔。


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對比結(jié)果顯示,導(dǎo)出的 STEP 文件可以很好地對應(yīng)我們的 HUD 系統(tǒng)設(shè)計。



5

將 CAD 文件導(dǎo)入 Speos


在打開 Speos 后,在如下位置點(diǎn)擊導(dǎo)入設(shè)置:

File…Speos Options…File Options…General


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然后打開 CAD 文件:


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在 Speos 中打開 CAD 文件后結(jié)構(gòu)如下所示,與 OpticStudio 的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器對比,對應(yīng)元件的名稱為對應(yīng)行列中的名稱:


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6

針對 OpticStudio 用戶的 Speos 瀏覽操作


在 Speos 中與元件進(jìn)行交互將不同于在 OpticStudio 一樣,但我們可以對于 Speos 中的瀏覽操作進(jìn)行定制化設(shè)置,使其與 OpticStudio 中的方式類似。以下的一些操作可能對于本文中的示例有所幫助:


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操作

介紹

OpticStudio

Speos

旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)視圖、物體或者物體組

按住鼠標(biāo)左鍵


按住鼠標(biāo)右鍵


移動

上下左右移動視圖


按住鼠標(biāo)中鍵


CTRL +?按住鼠標(biāo)中鍵

縮放

縮小和放大視圖


滾動鼠標(biāo)中鍵


滾動鼠標(biāo)中鍵


具體的 Speos 瀏覽操作設(shè)置可以在 Speos Getting Started guide 中找到,對于新用戶而言十分有幫助。

https://www.ansys.com/training-center/course-catalog/optics-vr/ansys-speos-getting-started



7

Speos 中的 HUD 光學(xué)分析 (HOA)



SPEOS 中的 HOA 允許用戶對于車載抬頭顯示系統(tǒng)中所成的虛像質(zhì)量進(jìn)行定量分析,分析工具將計算:

  • 虛像的距離、駕駛員低頭角度、視場角

  • 畸變、扭曲、放大率、旋轉(zhuǎn)、發(fā)散等

  • 鬼影/雜散光

  • 場曲、光斑尺寸、像散

  • 指定汽車制造商對于硬件插件使用的光學(xué)指標(biāo)定義以及接受標(biāo)準(zhǔn)

  • 對預(yù)畸變圖像進(jìn)行校正的扭曲數(shù)據(jù),并且導(dǎo)入這部分扭曲信息


一旦 CAD 文件被導(dǎo)入 SPEOS 當(dāng)中,HOA 可以在沒有定義任何光源和材料的情況下執(zhí)行。HOA 工具的使用非常直觀,為了運(yùn)行分析需要定義其中的每一項。


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***步需要定義的就是 HOA 里面的坐標(biāo)軸情況。在 OpticStudio 中,Z 軸表示車輛方向且 Y 軸表示朝上的方向。


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下一步需要設(shè)置對應(yīng)眼盒、目標(biāo)圖像、風(fēng)擋、反射鏡和 PGU。對于每一項元件,我們都可以輸入其從 OpticStudio 中讀取的指標(biāo)并且應(yīng)用至對應(yīng)元件上。我們也將 Speos 文件添加至了本文附件。


關(guān)于更多 Speos 相關(guān)的設(shè)置情況,您可以查看以下對應(yīng)視頻(即將上線)。



8

扭曲情況


HOA 可以提供的一種輸出結(jié)果為扭曲 (Warping)。讓我們在兩個軟件中比較這個指標(biāo),以進(jìn)行完整性檢查。Warping 可以看做是 PGU 上的一個網(wǎng)格,表示圖像是如何被光學(xué)系統(tǒng)扭曲的。


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該 “變形的網(wǎng)格” 后續(xù)可被用作一個后期處理步驟,以糾正光學(xué)系統(tǒng)的像差。例如,PGU 顯示一個 “已預(yù)變形” 的圖像,從而為駕駛員提供一個理想的目標(biāo)圖像。



9

在 SPEOS 內(nèi)的操作




在 HOA 分析中,扭曲 Warping 的設(shè)置如下所示:


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上圖中,扭曲算法被設(shè)置為禁用。我們將需要該設(shè)置以插值***終圖像。執(zhí)行 HOA 并檢查結(jié)果。


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一旦執(zhí)行,將在 SPEOS 輸出文件中對文件進(jìn)行保存,其中將提供 PGU 的扭曲 Warping 像素結(jié)果。


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10

在 OpticStudio 中的操作


在 OpticStudio 中我們可以在反向模型計算扭曲的情況(即 HUD 設(shè)計的步驟 1:從虛像面至顯示屏(逆向系統(tǒng))中),我們可以采樣虛像面對應(yīng)的視場光線并且計算結(jié)果視場光線將成像落在 PGU 上的坐標(biāo)。OpticStudio 圖像模擬功能可以給我們提供可視化結(jié)果,全視場點(diǎn)列圖可以展示所有視場的光斑結(jié)果并提供數(shù)值結(jié)果,并且 2D 通用繪圖也可以作為不錯的結(jié)果輸出方式:


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我們可以執(zhí)行兩次分析,一次通過 CENX 操作數(shù)輸出對應(yīng)視場質(zhì)心的 X-坐標(biāo),另一次則通過 CENY 操作數(shù)輸出質(zhì)心 Y-坐標(biāo)。


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OpticStudio ***終輸出結(jié)果像面上 (Surface 12) 的局部坐標(biāo),單位為 mm。SPEOS 所輸出的結(jié)果為基于像素的結(jié)果。


像素結(jié)果和坐標(biāo)結(jié)果可以通過如下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

Pixel_x = round((CENX + PGU_Xsize/2) * Pixel_x_size,0)

Pixel_y = round((CENY + PGU_Ysize/2) * Pixel_y_size,0)


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11

結(jié)論


本文重點(diǎn)描述了如何將 OpticStudio 中的 HUD 設(shè)計轉(zhuǎn)換進(jìn)入 Speos 中。Speos HOA 工具可以作為分析已設(shè)計得到的 HUD 系統(tǒng)并輸出全面報告的理想工具。


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