模拟抬头显示器(HUD，Head-Up Display)

billyunver

1.这个是zemax中文论坛里的一个抬头显示器（平视显示器，hud）的建模范例（共有两个范例，还有一个是宝马的，但是看到已经有人搬运了）。看到没有人搬运，我就搬运过来。
2.此文章搭配2018年zemax官方在线研讨会的hud建模的那个视频一起观看效果更好，（普清版优酷有，一搜就能搜到，高清版隔壁油管有https://www.youtube.com/watch?v=nQ_zQ1Vg9lQ）
3.这个文章是光路的设计和一种进行放大率约束的优化方式讲解。
4.发这个文章是因为这个官方附属的zemax文件链接坏掉了，我很想要附属的文件，各种搜索引擎，论坛都找过了都没有。我就直接给美国zemax官方邮箱发了邮件进行了索取，没想到真的发给我了，现在分享给大家。
5.在下也是刚接触光学设计的学生，也在努力地了解学习hud这一领域。也十分希望欢迎大家和我一起交流。
6.官方给我的文件为高版本编辑的，给的我是zar格式，持有13以及以上的版本的可以下载zar后缀的就行，13以及以下的下载zmx后缀的就行。


摘要：本範例介紹使用Zemax OpticStudio來設計車用抬頭顯示器。
http://forum.zemax.com/7795/HUDHeadUp-Display?Keywords=%E5%A6%82%E4%BD%95%E7%94%A8OpticStudio%E8%A8%AD%E8%A8%88%E4%B8%80%E5%80%8B%E6%8A%AC%E9%A0%AD%E9%A1%AF%E7%A4%BA%E5%99%A8%20(HUD)
原文作者：永田信一さん
原文發布時間：Oct 19, 2013
文章附件：本文有範例檔，請到連結中下載。

主要規格如下，
液晶面板尺寸：25 x 8.3 mm
駕駛眼睛的移動範圍（寬x高）：100 x 40 mm
投射倍率：6倍 （虛像尺寸）：150 x 50 mm

下圖為光學系統的示意圖。
從HUD出來的光在擋風玻璃上反射，進入駕駛的眼睛。
駕駛可以透過擋風玻璃看到擋風玻璃後面的虛像。
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下圖是HUD部分的放大示意圖。
從液晶面板 (LCD) 出來的光在平面鏡上反射後，入射到自由曲面鏡上。
在自由曲面鏡上反射的光再次在平面鏡上反射後，朝向擋風玻璃前進。
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這種形式的光學系統，其入瞳通常是設定在駕駛的眼睛。
如果光線從LCD的部分發出，因為光欄 (STOP) 的位置要通過好幾次鏡子反射才能到達，軟體不容易找到光欄的位置。
因此我們會用逆向追跡的方式模擬。
如果讓光線從駕駛看到的虛像出發，入瞳位置不會受到光學系統的影像，設定上就可以簡單很多。
但必須注意，在反向追跡的情況下，慧差、畸變、橫向色差等像差會與正向追跡相反。

鏡頭數據編輯器 (Lens Data Editor) 的資料如下，因為光線會經過平面鏡兩側，我們把第9面Coordinate Break的參數用Pickup求解參照到第7個面。
把入瞳直徑設為駕駛眼睛的移動範圍，直徑為108 mm。
面1設為STOP，並設定100x40 mm的方形孔徑，只讓必要的光線通過。
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在Field的設定視窗中輸入虛像的大小。
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須注意Gaussian Quadrature是在入瞳為圓形時才有用的取樣方法。此例中的入瞳是舉行的場合下，評價函數的「Pupil Sampling」設定要改為「Rectangular Array」。勾選Delete Vignetted可以在一開始就把會被光欄面漸暈的光線刪除。
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注意這類光學系統的X方向倍率與Y方向倍率必定會有不同。
下圖中的第12行定義了Y方向的倍率，第16行定義了X方向的倍率。
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優化之後，把每個面的孔徑固定起來。
開啟Analyze > Rays & Spots > Footprint Diagram
可以利用這個工具檢查通過每個面的光束大小。
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注意本範例中，面6與面10的孔徑必須要一樣大。
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HUD的性能評估可以利用Image Simulation完成。
設定如下圖
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下圖是模擬結果，可以看出像的模糊以及扭曲。
不過，這是考慮整個入瞳同時有光線入射的結果。
人眼的瞳孔大小在白天大約是3 mm左右，因此實際上看到的模糊會比這個模擬中所看到的還要不明顯。
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本文章建立時，參考了以下日本專利
公開特許公報 2009-115908

鬼马先生

今年毕业了吗？有兴趣做HUD方面的工作吗？

billyunver

高清版视频已经发布到bilibili B站上了，有需要的点开就可以看。https://www.bilibili.com/video/BV1JV411f7fe/

wsfxn

讨论个问题：评价函数里是控制的X/Y方向的放大率，如果我直接控制X/Y方向像的大小呢，效果是不是一样的？一直没想明白案例里为啥不直接控制像的大小。

注意這類光學系統的X方向倍率與Y方向倍率必定會有不同。这个是为啥了？感觉是一样的啊。

小风

wsfxn 发表于 2020-5-7 22:19
讨论个问题：评价函数里是控制的X/Y方向的放大率，如果我直接控制X/Y方向像的大小呢，效果是不是一样的？一 ...

不会一样的呀，这是离轴的光学系统，一般不一样的

liyijiang

wsfxn 发表于 2020-5-7 22:19
讨论个问题：评价函数里是控制的X/Y方向的放大率，如果我直接控制X/Y方向像的大小呢，效果是不是一样的？一 ...

不一样，除非你强行要求，我自己做模拟的时候窄的那个维度放大率会小一些，可能是离轴系统吧，或者是因为汽车玻璃的弧度造成的必定会有一个维度被影响

小米蕉

请问我把这个这个系统要求的虚像尺寸为150×50，怎样才能扩大虚像尺寸呢，我想变成245×105的尺寸，为什么我改完视场后，在光线追迹图中看，从eyebox第二个面就没有光了呢这个怎么办呢

柠檬养乐多

请问，HUD在设置孔径类型时是用什么？

小黄叶

这玩意能改装到车上吗

Sky

小黄叶 发表于 2021-9-2 10:50
这玩意能改装到车上吗

C-HUD可以直接应用在车上，就是放一个HUD系统带一个反射板，和车辆信息通信就可以。如果是W-HUD，要靠风挡玻璃反射，通常是要匹配风挡玻璃进行W-HUD设计，随便拿过来一个装的话，且不说装不装得下，就算装得下看到的图像效果大概率也很差，倾斜，畸变，模糊，远近不一致各种问题，毫无体验感。而且普通车的风挡玻璃无法适配HUD，会有重影。所以不建议自己改装W-HUD上车。如果想用HUD的话，建议还是买原配HUD的车，体验感还是不错滴~