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汽車抬頭顯示器或汽車平視顯示器，也被稱為HUD，是在汽車中顯示數據的透明顯示器，不需要用戶低頭就能看到他們需要的重要資訊。這個名字的由來是由于該技術能夠讓飛行員在頭部“向上”并向前看的情況下查看信息，而不是斜著眼睛看下面的儀表。

這篇文章節選了在設計和分析抬頭顯示器（HUD）的性能時所使用的 OpticStudio 工具。

HUD 概述

下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發光，這些光被構成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。

駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內都能看到虛像。

讓我們來看一個 HUD 系統示例，其規格參數如下。

• 虛像距離: 2 m

• 顯示車輛當前的行駛速度

• 結構限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。

• 視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內。

• 人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。

• LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。

• 放大倍數 = 6

設計 HUD 的步驟

從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。

從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統反轉，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質量。

最后，系統將被轉換為非序列（NSC）模式，該模式下，用戶可以進行雜散光分析，從而實現更加真實的模擬。在該模式下，將顯示駕駛員使用 HUD 看到的真實圖像。

第一步：從虛像到顯示器（反向）

• 設計選擇:

HUD 的初始設計是一個折疊系統，這保證了它在儀表盤下可以保持足夠小的尺寸。HUD 由兩面鏡子組成：一面平面鏡，還有一面是自由曲面。鏡子的優點在于不會在成像系統中引入任何色差。自由曲面的鏡子還需要進行優化。

為了方便起見，我們建立了一個模板，其中包含了所有初始元素以及整個擋風玻璃的自由曲面模型。擋風玻璃由擴展多項式面型模擬。讓我們一起來看看這個文件是如何建立的。

• 系統選項:

孔徑：視窗為系統光闌，它表明了駕駛員眼睛位置可移動的范圍：寬度?= ± 50mm，高度?= ± 20mm，這個尺寸的矩形孔徑被放置在光闌面。

然后計算入瞳直徑?(EPD)?為 2 x (sqrt (20^2+50^2)) = 108 mm。

• 視場：

視場類型被設置為物高，歸一化被定義為矩形。在實際系統中，LCD顯示器上的圖像被放大了6倍以形成虛像。因為目前的設計是反向的，從虛像到LCD顯示器，虛像的尺寸可以被計算出來，并作為物高在視場數據編輯器里面定義視場大小。LCD顯示器尺寸為:?寬度?= ± 12.5mm，高度?= ± 5mm。因此，物面尺寸應該是這個尺寸的6倍：

波長: LCD 顯示器發光波長為0.55μm。

• 擋風玻璃

可以對整個擋風玻璃進行建模，也可以只對 HUD 使用的擋風玻璃的區域進行建模。

為了找到這個“有效”區域，可以使用光跡圖（Footprint Diagram）工具，該工具可以在分析菜單欄下的光線跡點(Rays & Spots)中找到。它顯示了光束在擋風玻璃表面上疊加的光跡：

• 擋風玻璃建模：

擋風玻璃可以通過序列模式下面型表征，例如自由曲面面型，或者也可以被看作非序列 CAD 零件。如果它被表征為一個非序列 CAD 零件插入到一個序列模式下的系統中，那么系統就變成了混合模式。當對系統反向建模時，即從虛像到顯示器，這樣做效果很好，但在正向建模時就會出現問題，因為光闌面現在位于非序列組件表面之后，這使得光線瞄準更加困難，也可能導致其他光線追跡問題。

在本例中，擋風玻璃是使用擴展多項式面型建模的。

• 定位所有元素

所有元素的位置布局如下圖所示：

• 每個面的放置是通過一些便利的工具來完成的：

坐標斷點返回：坐標斷點面可以使用表面屬性下的傾斜/偏心中的坐標返回來定義。OpticStudio 之后將計算該坐標斷點面的參數，以便在該坐標斷點面之后，局部坐標（“返回”至）與之前的序列面型的局部坐標相同。

• 主光線求解：該求解會計算坐標斷點面的傾斜和偏心，使其垂直于主光線并以其為中心。

因為篇幅關系，本次推文節選了部分內容，了解更多關于如何完成這一工作，以及如何將設計導出到非序列模式進行進一步分析，請聯系工作人員獲取全文和附件。