浅谈设计抬头显示器的正向HUD系统性能评估
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。
上两篇文章中，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。
最终步骤：从显示器到虚像(正向)
翻转系统
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。
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。
另一种解决方案如下所述：
•在镜头数据编辑器中，选择make double pass工具：
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。
•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。
•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。
•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：
•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：
文件“hud_step2_reverse.zar”可以在文章底部下载。
系统性能
•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。
光斑的模糊低于2'，1’大约是人眼的分辨率。
•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：
•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。
步骤3：非序列模式
直接转换为nsc组(非序列组)
系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。
初始的文件名为“hud_step2_reversed.zar”
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。
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：
“hud_step3_nonseq_after_tidying_up.zar”
•在全局坐标系中定义所有的物体：
•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：
•逆追迹光线：
•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。
•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)。
•将风挡玻璃的材料改为n-bk7(第14行)。
•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。
•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。
20条布局光线，x半宽=1000mm，y半宽=500mm，光源距离=2000，翻转光线。
•删除所有其他探测器(16至24)。
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。
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：
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。
•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。
•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。
•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。
•在第17行设置矩形光源的光谱，以匹配太阳光谱。
•光源14(lcd显示器)：功率=1w，分析射线数=1e6
•光源17(照明背景)：功率=10w，分析射线数=1e7
整理后，nsc实体模型中的最终系统如下所示。
结论
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。
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：
除此之外 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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最终步骤：从显示器到虚像(正向)
翻转系统
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。
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。
另一种解决方案如下所述：
•在镜头数据编辑器中，选择make double pass工具：
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。
•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。
•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。
•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：
•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：
文件“hud_step2_reverse.zar”可以在文章底部下载。
系统性能
•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。
光斑的模糊低于2'，1’大约是人眼的分辨率。
•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：
•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。
步骤3：非序列模式
直接转换为nsc组(非序列组)
系统现在已准备好导出到非序列进行进一步分析。
初始的文件名为“hud_step2_reversed.zar”
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。
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：
“hud_step3_nonseq_after_tidying_up.zar”
•在全局坐标系中定义所有的物体：
•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：
•逆追迹光线：
•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。
•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)。
•将风挡玻璃的材料改为n-bk7(第14行)。
•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。
•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。
20条布局光线，x半宽=1000mm，y半宽=500mm，光源距离=2000，翻转光线。
•删除所有其他探测器(16至24)。
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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。
•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。
•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。
•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。
•在第17行设置矩形光源的光谱，以匹配太阳光谱。
•光源14(lcd显示器)：功率=1w，分析射线数=1e6
•光源17(照明背景)：功率=10w，分析射线数=1e7
整理后，nsc实体模型中的最终系统如下所示。
结论
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。
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：
除此之外 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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