以下為HUD的示意圖。液晶顯示器作為光源發(fā)光，光線被HUD的兩個反射鏡反射，然后通過風擋玻璃反射，再進入駕駛員的眼睛。駕駛員將在道路上看到虛擬圖像，比如給他指示此時的速度影像的投影。

司機在開車時會轉動頭部導致視線的偏移，司機的視角我們可以使用眼盒代替。眼盒本質上是一個虛擬方框，表示駕駛員眼睛位置的范圍。

系統(tǒng)規(guī)格

●虛像距離：2米

●顯示當前車速

●機械限制：HUD主要受到儀表板下可用空間的限制，風擋玻璃將充當一個分束器

●眼盒：駕駛員眼睛的位置在寬度為±50毫米、高度為±20毫米的眼盒范圍內

●瞳孔：在明亮的光線下直徑為2至4毫米，在黑暗中直徑為4至8毫米。對于該研究，它被設置為4毫米

●液晶顯示器尺寸寬為±12.5毫米，高為±5毫米

●放大倍數=6

設計選擇

HUD的起始結構是一個折疊系統(tǒng)，在儀表板下保持足夠小的尺寸。示例HUD由兩個反射鏡構成：一個平面，一個自由曲面。反射鏡在成像系統(tǒng)中具有不增加任何色差的優(yōu)點。系統(tǒng)中自由曲面反射鏡需要被優(yōu)化。

HUD設計流程

●從虛像到顯示器：設計在序列模式中反向進行。原因從駕駛員看到的虛像開始進行光學系統(tǒng)建模相對容易。然后可以將光闌表面放置在系統(tǒng)的前部，即眼盒所在的位置。在光闌表面上放置一個矩形孔徑，以描述對眼睛位置的限制。

●從顯示器到虛擬圖像：系統(tǒng)將在序列模式下翻轉。允許評估從顯示器到虛像的“真實”性能，即正向性能。

●然后，系統(tǒng)將轉換為非序列(NSC)模式。這提供了一個更真實的模型，其中用戶可以包括雜散光分析。它將顯示駕駛員使用抬頭顯示器看到的真實圖像。

為了方便起見，已經構建了一個模板，其中包含所有的初始結構。文件名為“HUD_Step1_StartingPoint.zar”并且可以在閱讀原文鏈接下載。初始結構中包含整個風擋玻璃的自由曲面模型。風擋玻璃可視為一個擴展多項式表面。

系統(tǒng)選項：

孔徑：眼盒是系統(tǒng)的光闌面，因此它代表了駕駛員眼睛的位置范圍：寬度=±50毫米，高度=±20毫米，所以我們將該尺寸的矩形孔徑放置在光闌面。

入瞳直徑(EPD)計算可得2 × (20^2 +50?^2)?^2 = 108毫米。

視場：視場類型為物高，規(guī)格定義為矩形。在實際系統(tǒng)中，LDC顯示器上的圖像為虛像尺寸的6倍，因為當前的設計是逆向從虛擬圖像到LCD顯示器的，因此可以計算虛像的大小，并將其用作“視場編輯器”中定義視場大小的物高。液晶顯示器尺寸為：寬度=±12.5毫米，高度=±5毫米。因此，物高尺寸應該是此值的6倍。
視場寬度=±75毫米(6 x 12.5)，視場高度=±30毫米(6 x 5)

• 波長：LCD顯示器將發(fā)出0.55微米的波長

風擋玻璃

可以對整個風擋玻璃進行建模，也可以僅對HUD使用的風擋玻璃區(qū)域進行建模。

要找到“考察”區(qū)域，可以使用Footprint Diagram工具顯示疊加在風擋玻璃表面上的光線跡點情況：

風擋玻璃建模：

風擋玻璃模型：

風擋玻璃可以用序列模式表面來描述，如自由曲面或非序列CAD零件。如果將其描述為插入序列系統(tǒng)的非序列CAD零件，則系統(tǒng)變?yōu)榛旌夏Ｊ?。這在從虛像到顯示器的逆向系統(tǒng)建模時效果良好，但在正向工作時會出現問題，因為光闌面位于非序列結構表面之后（違反混合模式建模規(guī)則）。這也會使光線瞄準更加困難，并可能導致其它光線追跡問題。

一種解決方法是測量CAD零件的矢高，然后使用序列網格矢高表面對其進行建模。通過這種方式，系統(tǒng)保持在純序列模式，OpticStudio可以將網格矢高表面轉換為非球面類型表面。可在?Optimize...Convert Asphere Type?下找到對應轉換工具。

將風擋玻璃轉換為網格矢高表面：

非序列模式下的矢高分析是ZOS-API的擴展，用于測量CAD零件的矢高。有關詳細信息，請參閱題為 'NSC矢高圖用戶自定義分析'。（https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles/1500005489041）

在設置中，您可以：

●取消勾選“移除XY傾斜”。NSC矢高不會將NSC物體的傾斜設置為0。

●勾選“保留保存的文件”，將.zmx和.zrd文件保存到當前文件夾。

NSC矢高圖以偽彩色顯示。如果在“設置”下，“顯示”選項設置為“文本”，則它也可以顯示為文本列表。然后可以保存此文本輸出并將其轉換為正確的數據格式.DAT，該數據可以用于網格矢高表面。為了簡單起見，本示例中風擋玻璃采用擴展多項式曲面進行建模。

定位所有元件

這是一個表示所有元件位置的示意圖：

可以利用以下實用工具將表面進行放置：

●坐標間斷-返回：坐標間斷面可以通過坐標返回來定義表面傾斜和偏心情況，可以在以下位置找到：Surface Properties…Tilt/Decenter。OpticStudio隨后將計算該“坐標間斷”面的對應參數，以便在該坐標間斷面之后，局部坐標與先前序列表面的局部坐標相同。

●主光線計算：計算坐標間斷面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以主光線為中心：

現在我們已經完成了對于 HUD 系統(tǒng)的元件定位與設置，下一步我們可以根據當前的系統(tǒng)去評估系統(tǒng)的初始性能以及進行后續(xù)優(yōu)化。

在后續(xù)的文章中，我們會進行進一步的介紹。