淺談設(shè)計抬頭顯示器的正向HUD系統(tǒng)性能評估

本文為使用OpticStudio工具設(shè)計優(yōu)化HUD抬頭顯示器系統(tǒng)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(tǒng)的性能以及后續(xù)可能的擴(kuò)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(tǒng)進(jìn)行建模，以及根據(jù)分析系統(tǒng)的初始性能，并結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)了解如何對系統(tǒng)進(jìn)行控制與優(yōu)化。本篇文章將主要結(jié)合OpticStudio非序列模式功能進(jìn)行正向HUD系統(tǒng)性能的整體評估。

最終步驟：從顯示器到虛像(正向)

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)不是直接一步到位的。鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中的元件翻轉(zhuǎn)工具有一些限制，HUD系統(tǒng)肯定會破壞這些限制，因為該系統(tǒng)包含坐標(biāo)間斷和非標(biāo)準(zhǔn)表面。

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

另一種解決方案如下所述：

?在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，選擇Make Double Pass工具：

該系統(tǒng)在表面12上包含一個反射面，該反射就是LCD。只有我們系統(tǒng)的之后部分才值得關(guān)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(shè)置為表面24。

?系統(tǒng)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(shè)計結(jié)果可以在表面13上移除，表面13的厚度是固定值2000mm?！拔锩婧穸?表面0)”設(shè)置為0mm。

?表面13即STOP面可以設(shè)置為全局坐標(biāo)參考表面。系統(tǒng)如下所示：

?現(xiàn)在，視場數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jìn)行成像。圖像模擬工具可以讓用戶了解HUD系統(tǒng)圖像質(zhì)量：

?發(fā)散/會聚(雙目視差)：駕駛員的雙眼將通過光學(xué)系統(tǒng)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?？梢允褂媒Y(jié)果文件“HUD_Step1_MF_after_optim_2_eyes.zar”進(jìn)行檢查。瞳孔直徑為4mm，瞳孔間距設(shè)置為50mm。對于視覺系統(tǒng)，這些值的典型極限在1.0 mrad的數(shù)量級上，因此系統(tǒng)在該極限范圍內(nèi)。

步驟3：非序列模式

直接轉(zhuǎn)換為NSC組(非序列組)

系統(tǒng)現(xiàn)在已準(zhǔn)備好導(dǎo)出到非序列進(jìn)行進(jìn)一步分析。

初始的文件名為“HUD_Step2_reversed.zar”

OpticStudio有一個內(nèi)置工具“轉(zhuǎn)換為NSC組”，可以將序列表面轉(zhuǎn)換為非序列元件；或者將整個序列系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為非序列系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換反射鏡時，如果基板厚度大于0，則會將反射鏡轉(zhuǎn)換為復(fù)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(shè)置為5毫米。該文件現(xiàn)在已準(zhǔn)備好進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

一旦轉(zhuǎn)換了文件，就需要進(jìn)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(biāo)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(shù)量設(shè)置為10：

?逆追跡光線：

?刪除在序列模式中對翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)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(fēng)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(shù)設(shè)置為400，將Y中的像素數(shù)目設(shè)置為200。此外，Detector Color半角設(shè)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(zhuǎn)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(fēng)擋玻璃沒有相互作用。風(fēng)擋玻璃是一個布爾原生對象：它是矩形體積和由2個擴(kuò)展多項式曲面組成的復(fù)合透鏡。

要了解發(fā)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(nèi)，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(biāo)識才能指向布爾對象。還需要在NSCE(非序列數(shù)據(jù)編輯器)中的布爾物體之后定義光源，以便內(nèi)部能正常工作。

?在第1行剪切矩形光源物體，并將其復(fù)制到風(fēng)擋玻璃下方。更改Inside Of flag?，F(xiàn)在光線在風(fēng)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(shè)置為26 mm，將“縱橫比”設(shè)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(jī)看到的背景場景（Object Properties >Sources> Raytrace> Reverse Rays，以便光線向探測器發(fā)射）。將“幻燈片X全寬”設(shè)置為2000 mm，將“縱橫比”設(shè)置為1.0。

?在第17行設(shè)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(shù)=1E6

?光源17(照明背景)：功率=10W，分析射線數(shù)=1E7

整理后，NSC實體模型中的最終系統(tǒng)如下所示。

結(jié)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(zhí)行光線追跡，然后設(shè)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(shè)置”菜單下，設(shè)置“顯示為：真彩色”和“顯示數(shù)據(jù)：角度空間”。角度空間是序列非無焦像空間設(shè)置的非序列同等形式設(shè)置。這里使用它是因為人眼模型沒有在這個系統(tǒng)中建模。