zemax光学设计笔记[2]-汽车抬头显示HUD
Zemax网络研讨会:使用OpticStudio设计汽车抬头显示器
HUD设计概述
HUD设计目标
| 规格 | 约束 |
|---|---|
| 虚像投影距离 | 2m |
| 机械尺寸约束 | 仪表盘下方可利用的有限空间 |
| 区域 | 驾驶员头部移动时双目活动区域 |
| 最大畸变 | <5% |
HUD设计结构选择
- 选用紧凑的折叠系统来利用有限的光路空间
- 利用反射元件设计系统避免引入色差
镜片关系
序列模式反向光路系统搭建
光路从虚像出发到达发光屏：以相反的光路开始设计系统，再将光路进行反转，观察与分析正向光路（即光路从发光屏到达虚像）的光学性能，这样子可以方便开始搭建系统，反向光路的入瞳即为第一个表面，这样的光路在入瞳前无其他光学元件，不会对入瞳有影响。
系统选项
| 选项 | 约束 |
|---|---|
| 孔径：入瞳直径 | value=108 |
| Eyebox尺寸 | Width:+/- 50mm Height:+/-20mm 定义为入瞳直径，EPD= $ 2\times \sqrt{20{2}+502} =108 $ |
| 视场 | 5个视场，类型为物高，矩形归一化 |
| 虚像尺寸 | Width:+/-75mm Height:+/-25mm |
| 波长 | Visible(F,d,C),设计初始时可仅设置中央主波长来模拟 |
镜头数据编辑器
| 表面类型 | 备注 |
|---|---|
| 物面 标准面 | 虚像 |
| 光阑 标准面 | Eyebox |
| Coordinate Break | |
| (aper) Extended Polynomial | 挡风玻璃 |
| Coordinate Break | |
| Coordinate Break | |
| (aper) 标准面 | 平面反射镜 |
| Coordinate Break | |
| (aper) Extended Polynomial | 自由曲面 |
| Coordinate Break | |
| (aper) 标准面 | 平面反射镜 |
| Coordinate Break | |
| 像面 标准面 | LCD显示器 |
挡风玻璃的模拟
方法一:使用OpticStudio的自由曲面，扩展多项式表面
方法二:利用混合模式插入CAD文件
方法三:利用ZOS-API(或ZPL)计算得出
分析：查看反向光路的初始性能
优化函数
优化函数编辑器:
- 建立默认优化函数:
采样:Rectangular array + delete vignetted(系统中的表面具有孔径) - 手动添加操作数:
- 使用操作数返回视场高度Y以及对应的像高，并计算两者的比值，得到Y方向的放大率
- 使用操作数返回视场高度X以及对应的像高，并计算两者的比值，得到X方向的放大率
目标值 Target=6
可以使用光迹图分析工具来查看光线在经过每个表面时的渐晕情形，如在自由曲面反射镜这一表面上的光迹图：
序列模式正向光路系统搭建
以上已经设计好了一个反向系统，接下来对整个系统进行翻转：光路从显示器出发到达虚像，以生成符合实际情况的系统。
对反向光路系统进行翻转
- 同时开启两个OpticStudio打开同一个文件（反向光路文件)
- 移除孔径
- 表面方位可视化：开启3D布局图，不显示光线，绘制局部坐标轴，放大箭头尺寸 Fletch Size=30
- 改变全局两文件中的全局坐标，将虚像表面设置为GCRS，方便检查操作是否有误。
- 在OBJ和IMA间插入两个虚拟面，一个文件进行元件翻转，一个文件不进行操作仅用作对照参考。
- 翻转元件后，半直径被自动修改，这里需要手动修改为原来的值（参照开启的对照文件）
- 需要注意的不易察觉的地方：元件反转后会改变一些表面的方位，例如，LCD表面（绕Z轴）
- 经过对3D布局图的观察和参数更改实验后确认：改变所有CB(Coordinate Break)面的order以及表面2 Tilt About Z值的正负符号，该系统就被正确的翻转。
- 使用元件翻转工具的注意事项：包含有反射镜、坐标间断、多重结构的系统，存在表面倾斜偏心或使用非标准面的情况下，使用元件翻转后需对系统进行进一步确认和检查来验证是否正确。
分析
