在本篇文章中，我們將展示如何使用Ansys光學解決方案設計和分析HUD系統。首先，Ansys OpticStudio用于設計和優化整個系統，以實現高質量的光學性能。完成此階段后，在Ansys Speos中執行詳細的分析和驗證，其中HOA（HUD Optical Analysis）功能可根據自定義的真實指標驗證整個系統的光學性能。最后，Speos把設計的HUD數據集成到真實環境中，將駕駛員看到的內容可視化到模擬結果中。

操作流程概述

HUD系統多用于汽車或飛機，為駕駛員在其視野范圍內提供視覺信息。它由一個顯示器和一個光學系統組成，該系統為駕駛員創建虛影像。光學系統和顯示屏被放置在儀表板下方。

第一步：OpticStudio 中進行HUD系統定義

第一步是在OpticStudio中定義HUD系統。規格包括虛擬圖像距離、視場范圍、放置空間、擋風玻璃定義、眼位和PGU （Picture Generation Unit）。定義系統后，我們可以使用OpticStudio優化工具優化鏡面并檢查性能。

第二步：將最后的設計數據從OpticStudio導出到Speos

OpticStudio最后的設計可以導出到Speos。Speos包含的HOD和HOA設計分析模塊可在Premium和Enterprise版本下作為附加組件使用，該模塊可以量化汽車HUD系統的虛擬圖像質量。

第三步：使用HOA模塊進行Speos模擬

分析步驟發生在Speos中。將CAD模型導入Speos之后，就可以運行HOA了。設置包括定義眼位、目標圖像、擋風玻璃、鏡子和PGU。對于每個項目，用戶輸入可以從OpticStudio讀取的設置，并選擇相關的對象。一旦設置完成，就可以運行HOA，并提供完整的報告。

第四步：HUD系統的可視化

Speos還允許為不同的eyebox位置可視化HUD系統。這個模擬顯示了從駕駛員視角看到的虛擬映像。可視化可以包括座艙幾何形狀、周圍環境和天氣。我們的案例展示了HUD鬼像分析，其中擋風玻璃沒有楔角。

運算和結果分析

第一步：OpticStudio 中進行HUD系統定義

第一步，我們設計HUD。在這個例子中，HUD是由一個自由曲面鏡子(這將被優化)和一個平面鏡組成的。司機透過擋風玻璃看路面。一些例如車速的信息顯示在PGU上，來自PGU的光被兩個鏡子反射，進入司機的眼睛。司機看到道路上速度信息的虛擬圖像。

在OpticStudio中，設計從反向模型開始，即從虛擬圖像到PGU。從駕駛員看到的虛擬圖像開始模擬是很方便的，因為STOP表面被放置在系統的前面，也就是eyebox所在的位置。OpticStudio中的STOP表面是物體空間入口瞳孔直徑。它定義了進入光學系統的光線束。由于在STOP前面沒有光學裝置，入口瞳孔就是STOP本身。eyebox規格可直接設置到STOP面。

在STOP表面上放置一個矩形孔來描述eyebox。場點表示虛像。STOP表面和擋風玻璃之間的距離推出了眼睛的位置。擋風玻璃在這里被定義為一個擴展多項式曲面。這鏡子就設置在它們的最終位置。

風擋玻璃的形狀增加了PGU發出的光的像差，優化自由曲面反射鏡可以部分糾正這一問題。建立了一個價值函數來成像所有的場點(ZUI小均方根光斑半徑)。它還包含額外的限制，如放大和失真。

自由曲面鏡是根據Zernike Standard凹陷表面來建模的。

1. 打開包含初始設置的Zemax模型(hud_step1_mf_before_optimal .zar)。

2. 通過運行本地優化器(在“Optimize…Optimize”下)來優化自由窗體鏡像。

3. 將自由曲面鏡像的系數Z4、Z5和Z6設置為變量，并運行本地優化器(在“Optimize…Optimize”下)。

4. 將自由曲面鏡像的系數Z7, Z8, Z9, Z10和Z11設置為變量，并運行本地優化器(在“Optimize…Optimize”下)。然后運行全局Hammer優化器1分鐘(在“Optimize…Hammer Current”下)。

第二步：將最后的設計數據從OpticStudio導出到Speos

設計可以導出為CAD文件，然后導入到Speos。為了簡化Speos中設計的導入，在物體上增加了一個矩形孔徑來描述虛擬圖像。在PGU上也添加了一個矩形孔徑來描述顯示的范圍。

由于導出為CAD數據可能意味著準確性的損失，建議檢查內置模型(包含曲面解析描述的模型)和CAD模型之間的結果。如果沒有發現差異，則對CAD描述具有良好的置信度。OpticStudio中可以使用兩種配置進行評估。

1. 打開包含初始設置的Zemax模型(HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar)。

2. 將設計導出到STEP文件。要使所有表面在Speos中可用，選擇“Export Dummy Surfaces（導出虛擬表面）”，虛擬厚度為1。

第三步：使用HOA模塊進行Speos模擬

1. 將STEP文件導入Speos。要顯示.stp文件，選擇“All Supported Files(HUD_Step1_start.stp)”。為了便于顯示，請按名稱從“A到Z”對結構樹中的幾何圖形進行排序。

2. 將新文件保存為HUD_Step1_start.scdoc。

坐標軸參考系(Reference axis system)

HOA需要一個參考軸系統的eyebox和PGU。

1. 在3D視圖中選擇eyebox的背面(表面0)。

2. 在Design選項中，創建一個軸系統。使用移動功能使軸系統與全局軸系統的方向對齊(提示:雙擊藍色和綠色箭頭將使軸系統旋轉90度)。

3. 將軸系重命名為“EB center”。

1. 在3D視圖中選擇PGU的正面(表面12)。

2. 在Design選項卡中，創建一個軸系統。使用移動功能將軸系統與PGU的方向對齊(提示:點擊紅色箭頭，然后點擊“定向到對象”，然后選擇PGU的水平軸)。

3. 將軸系統重命名為“PGU”。

一旦完成了這些，就可以運行HOA模塊。HOA是一個直觀的工具，必須定義HOA的每一項以運行分析。

車輛軸(Vehicle axes)

第一步是為HOA定義坐標軸。在OpticStudio設計中，Z軸為車輛方向，Y軸為頂部方向。

1. 在light simulation選項卡中，單擊system，然后單擊HUD Optical Analysis。

2. 在simulation 窗口中，將車輛方向設置為Z軸，頂部方向設置為Y軸系統(在屬性中，勾選“每個eyebox樣本的可視化”和“光學的可視化”設置為True)。

然后設置包括eyebox，目標圖像，擋風玻璃，鏡子，PGU。對于每個項目，用戶選擇對象，然后輸入可以從OpticStudio讀取的設置。

eyebox(Eye box)

1. 在simulation窗口中，選擇eyebox。

2. 在3D視圖中，單擊eyebox。

3. 選擇eyebox中軸系統。

4. 在HOA定義面板中填寫屬性。

目標圖像(Target Image)

1. 在simulation窗口中，選擇目標圖像。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

擋風玻璃(Windshield)

1. 在simulation窗口中，選擇擋風玻璃。

2. 在3D視圖中，先選擇擋風玻璃內表面(mirror 3)，再選擇擋風玻璃外表面(mirror 3)，外表面只需要計算鬼像。

3. 在HOA面板中填寫屬性。

鏡像面(mirror)

在這個HUD設計中，折射鏡有兩種光線交互作用。光線從PGU到折射鏡，到Freeform鏡，然后回到折射鏡，到擋風玻璃，然后是eyebox。

1. 在simulation窗口中，選擇鏡像面。

2. 在3D視圖中，單擊 并選擇(按ctrl鍵進行多個對象的選擇)折射鏡(mirror 6)、自由Freeform鏡(mirror 8)和另一個折射鏡(mirror 10)。

提示:mirror 6和mirror 10有切線面(可以使用鼠標滾輪在幾何圖形中進行切換選擇)。

3. 在HOA定義面板中填寫屬性。在鏡子列表中選擇從擋風玻璃到圖像生成單元(PGU)的鏡子。

圖像生成單元(PGU)

1. 在simulation窗口中，選擇PGU。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

注:為了更高的精度，增加PGU采樣(9x5或更高)。這會影響計算時間。

報告設置(Report settings)

HOA設置完成，我們可以選擇輸出項。

可以運行的一個有趣的分析是PGU的Warping。它顯示駕駛員查看由PGU顯示的圖像是如何被扭曲的。

1. 在模擬樹中，選擇Warping。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

3. 在 Image box > File，加載Zemax OpticStudio PGU.png。

Build & Export warping 模式將以一個未失真的圖像作為輸入，并生成一個預失真的圖像，該圖像可應用于PGU，以補償系統引入的失真。

可以運行其他報告。只需在Report下面的Simulation樹中選擇它們。

HOA結果分析

HOA設置完成可以正式點擊運行了。

1. 在simulation窗口中，選擇HOA特性并將其重命名為START。

2. 單擊Compute以運行模擬。'

3D視圖和報告查看

虛擬圖像以及其他指標顯示在3D視圖中。詳細的結果可以在.html報告中找到。

1. 在3D視圖中觀察虛擬圖像和其他指標。

2. 打開.html報告查看詳細結果。

鬼影分析(Ghost Image)

鬼影光線路徑和鬼影圖像都被計算，顯示出來了。

1. 在3D視圖中觀察鬼影圖像。

2. 打開報告查看Ghost測試結果。

畸變和虛像分析(Warping and virtual image)

可以在Speos輸出文件文件夾或HOA特性下找到結果。PGU在3D視圖上顯示扭曲的圖像。

1. 觀察PGU。畸變圖形已經進行了調整應用。

2. 觀察駕駛員視角下的ZUI佳聚焦圖像(點擊eyebox中軸系統的平面圖視圖)。增加縮放系數，以檢查ZUI佳焦點。

3. 打開反畸變圖像和原始圖像。

4. 打開變形文件。

光學路徑體(Optical volume)

光學路徑體在3D視圖上顯示。

1. 在HOA定義面板中，檢查光學路徑體。

2. 在3D視圖中，檢查optical volume是否在鏡像面和PGU尺寸范圍內。

動態畸變(Dynamic distortion)

1. 在HOA定義面板，Visualization組中，將eyebox示例設置為True。視覺模式允許在左右眼或雙眼之間切換。

2. 改變水平樣本和垂直樣本，從不同的眼箱位置觀察3D視圖中的動態失真。

第四步：HUD系統的可視化

Speos可以通過HUD系統幫助不同駕駛員(不同的眼框位置)看到的東西可視化顯示在模擬結果中。對于這一步，Speos要求擋風玻璃和HUD的兩個鏡像面都有材料應用。

創建材料屬性(Create Materials)

為了進行可視化，擋風玻璃和鏡子需要有材料屬性應用。

1. 點擊material進行材料創建，并命名為Glas。

2. 將VOP屬性設置為Optic。

3. 將SOP屬性設置為Optical Polished。

4. 把材料應用在擋風玻璃上。

1. 點擊material進行材料創建，并命名為Mirror。

2. 將VOP屬性設置為Opaque。

3.將SOP屬性設置為Mirror 100%。

4.把材料應用到兩個鏡像面上。

添加預設（Adding Preset）

預設文件是一個XML文件*。預置，它定義給定Speos對象類型的配置(或僅定義其屬性的一個子集)。預設允許加速Speos對象的創建，并保持不同項目的一致性和連續性。

從附件中，復制并粘貼以下預設文件到此文件夾: "C:ProgramDataAnsysv221Optical ProductsPresets "

- Display_HUD.preset

- Radiance_HUD.preset

- Observer_HUD_stereo.preset

- Visualization HUD.preset

創建顯示屏光源(Create Display Source)

1.在light simulation選項中，在“source”部分，點擊Display。按住shift鍵同時點擊Display選擇Display_HUD。點擊Display_HUD。

2. 定位Display_HUD源。確保藍色箭頭(z軸)指向折射鏡。

創建亮度探測器(Create a Radiance Sensor)

1. 在light simulation選項中，在“sensor”部分，點擊Radiance。按住shift鍵同時點擊Radiance選擇Radiance_HUD。點擊Radiance_HUD。

2 .定位Radiance_HUD。

創建觀察者探測器(Create an Observer Sensor)

1. 在light simulation選項中，在“VR-Observer”部分，點擊Observer。按住shift鍵同時點擊Observer選擇Observer_HUD_stereo。點擊Observer_HUD_stereo。

2. 定位Observer_HUD_stereo 探測器。

運算模擬(Run Simulation)

1. 在light simulation選項中，在“Simulation”部分，點擊Inverse。按住shift鍵同時點擊Inverse選擇Visualization HUD。點擊Visualization HUD。

2. 添加幾何體、光源、探測器到模擬中。

3. 如圖設置屬性。

4. 運行模擬。

結果分析(Analyze Results)

從eyebox中心位置查看虛擬像：打開“Visualization

HUD.1.Radiance_HUD.1.xmp”結果。

結果顯示有鬼影，因為擋風玻璃沒有楔角。

從不同的眼點位置查看虛擬圖像：

1. 打開“Visualization HUD.1.Observer_HUD_stereo.1.speos360”結果。

2. 使用鍵盤上的箭頭鍵來改變位置。當開啟立體效果時，你可以在左眼和右眼之間切換。

重要的模型設置

擋風玻璃(Windshield)

在OpticStudio中，擋風玻璃被描述為一個擴展多項式曲面。

HUD優化(HUD optimization)

OpticStudio中的優化是用完整的eyebox完成的。只有Freeform鏡面的形狀是優化的。所有的元素都已經固定了，并且在優化過程中沒有將元素的位置設置為變量。

網格參數(Meshing)

在Speos、步驟4：HUD系統的可視化中，對象是需要網格化的。下面的截圖給出了網格設置：

網格參數設置是獲得正確仿真結果的關鍵。它們定義了將被模擬的幾何圖形的質量。網格越細，模擬效果越好，但模擬時間越長。粗糙的網格會導致較差的結果，特別是對于精密的光學元件。

導入CAD模型(Importing CAD)

在本例中，OpticStudio的設計被導出為STEP，然后導入到SPEOS中。因為HUD是一個成像系統，建議將幾何圖形轉換為重量級，這樣意味著幾何圖形會具有更高度的細節。

模擬時間(Simulation Time)

下面是我們運行這些模擬時的模擬時間可作為參考，模擬時間在很大程度上取決于所使用的計算機。OpticStudio中的優化只花了不到幾分鐘的時間。在Speos中運行HOA需要12分鐘。使用GPU在Speos中運行可視化需要1分30秒。

HOA 插件(HOA plugin)

本例使用默認的Ansys插件計算HOA指標。

審核編輯：郭婷