Ansys Zemax / Ansys Speos | 如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計(jì)和分析 HUD系統(tǒng)

在本篇文章中，我們將展示如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計(jì)和分析HUD系統(tǒng)。首先，Ansys OpticStudio用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光學(xué)性能。完成此階段后，在Ansys Speos中執(zhí)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證，其中HOA（HUD Optical Analysis）功能可根據(jù)自定義的真實(shí)指標(biāo)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)性能。最后，Speos把設(shè)計(jì)的HUD數(shù)據(jù)集成到真實(shí)環(huán)境中，將駕駛員看到的內(nèi)容可視化到模擬結(jié)果中。

操作流程概述

HUD系統(tǒng)多用于汽車或飛機(jī)，為駕駛員在其視野范圍內(nèi)提供視覺信息。它由一個(gè)顯示器和一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)為駕駛員創(chuàng)建虛影像。光學(xué)系統(tǒng)和顯示屏被放置在儀表板下方。

第一步：OpticStudio 中進(jìn)行HUD系統(tǒng)定義
第一步是在OpticStudio中定義HUD系統(tǒng)。規(guī)格包括虛擬圖像距離、視場(chǎng)范圍、放置空間、擋風(fēng)玻璃定義、眼位和PGU （Picture Generation Unit）。定義系統(tǒng)后，我們可以使用OpticStudio優(yōu)化工具優(yōu)化鏡面并檢查性能。

第二步：將最后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從OpticStudio導(dǎo)出到Speos
OpticStudio最后的設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出到Speos。Speos包含的HOD和HOA設(shè)計(jì)分析模塊可在Premium和Enterprise版本下作為附加組件使用，該模塊可以量化汽車HUD系統(tǒng)的虛擬圖像質(zhì)量。

第三步：使用HOA模塊進(jìn)行Speos模擬
分析步驟發(fā)生在Speos中。將CAD模型導(dǎo)入Speos之后，就可以運(yùn)行HOA了。設(shè)置包括定義眼位、目標(biāo)圖像、擋風(fēng)玻璃、鏡子和PGU。對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目，用戶輸入可以從OpticStudio讀取的設(shè)置，并選擇相關(guān)的對(duì)象。一旦設(shè)置完成，就可以運(yùn)行HOA，并提供完整的報(bào)告。

第四步：HUD系統(tǒng)的可視化
Speos還允許為不同的eyebox位置可視化HUD系統(tǒng)。這個(gè)模擬顯示了從駕駛員視角看到的虛擬映像。可視化可以包括座艙幾何形狀、周圍環(huán)境和天氣。我們的案例展示了HUD鬼像分析，其中擋風(fēng)玻璃沒有楔角。

運(yùn)算和結(jié)果分析

 
第一步：OpticStudio 中進(jìn)行HUD系統(tǒng)定義

第一步，我們?cè)O(shè)計(jì)HUD。在這個(gè)例子中，HUD是由一個(gè)自由曲面鏡子(這將被優(yōu)化)和一個(gè)平面鏡組成的。司機(jī)透過擋風(fēng)玻璃看路面。一些例如車速的信息顯示在PGU上，來自PGU的光被兩個(gè)鏡子反射，進(jìn)入司機(jī)的眼睛。司機(jī)看到道路上速度信息的虛擬圖像。

在OpticStudio中，設(shè)計(jì)從反向模型開始，即從虛擬圖像到PGU。從駕駛員看到的虛擬圖像開始模擬是很方便的，因?yàn)镾TOP表面被放置在系統(tǒng)的前面，也就是eyebox所在的位置。OpticStudio中的STOP表面是物體空間入口瞳孔直徑。它定義了進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光線束。由于在STOP前面沒有光學(xué)裝置，入口瞳孔就是STOP本身。eyebox規(guī)格可直接設(shè)置到STOP面。

在STOP表面上放置一個(gè)矩形孔來描述eyebox。場(chǎng)點(diǎn)表示虛像。STOP表面和擋風(fēng)玻璃之間的距離推出了眼睛的位置。擋風(fēng)玻璃在這里被定義為一個(gè)擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面。這鏡子就設(shè)置在它們的最終位置。

風(fēng)擋玻璃的形狀增加了PGU發(fā)出的光的像差，優(yōu)化自由曲面反射鏡可以部分糾正這一問題。建立了一個(gè)價(jià)值函數(shù)來成像所有的場(chǎng)點(diǎn)(最小均方根光斑半徑)。它還包含額外的限制，如放大和失真。

自由曲面鏡是根據(jù)Zernike Standard凹陷表面來建模的。

1. 打開包含初始設(shè)置的Zemax模型(hud_step1_mf_before_optimal .zar)。

2. 通過運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)來優(yōu)化自由窗體鏡像。

3. 將自由曲面鏡像的系數(shù)Z4、Z5和Z6設(shè)置為變量，并運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)。

4. 將自由曲面鏡像的系數(shù)Z7, Z8, Z9, Z10和Z11設(shè)置為變量，并運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)。然后運(yùn)行全局Hammer優(yōu)化器1分鐘(在“Optimize…Hammer Current”下)。

第二步：將最后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從OpticStudio導(dǎo)出到Speos
設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出為CAD文件，然后導(dǎo)入到Speos。為了簡(jiǎn)化Speos中設(shè)計(jì)的導(dǎo)入，在物體上增加了一個(gè)矩形孔徑來描述虛擬圖像。在PGU上也添加了一個(gè)矩形孔徑來描述顯示的范圍。

由于導(dǎo)出為CAD數(shù)據(jù)可能意味著準(zhǔn)確性的損失，建議檢查內(nèi)置模型(包含曲面解析描述的模型)和CAD模型之間的結(jié)果。如果沒有發(fā)現(xiàn)差異，則對(duì)CAD描述具有良好的置信度。OpticStudio中可以使用兩種配置進(jìn)行評(píng)估。

1. 打開包含初始設(shè)置的Zemax模型(HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar)。

2. 將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到STEP文件。要使所有表面在Speos中可用，選擇“Export Dummy Surfaces（導(dǎo)出虛擬表面）”，虛擬厚度為1。

第三步：使用HOA模塊進(jìn)行Speos模擬
1. 將STEP文件導(dǎo)入Speos。要顯示.stp文件，選擇“All Supported Files(HUD_Step1_start.stp)”。為了便于顯示，請(qǐng)按名稱從“A到Z”對(duì)結(jié)構(gòu)樹中的幾何圖形進(jìn)行排序。

2. 將新文件保存為HUD_Step1_start.scdoc。

坐標(biāo)軸參考系(Reference axis system)

HOA需要一個(gè)參考軸系統(tǒng)的eyebox和PGU。

1. 在3D視圖中選擇eyebox的背面(表面0)。

2. 在Design選項(xiàng)中，創(chuàng)建一個(gè)軸系統(tǒng)。使用移動(dòng)功能使軸系統(tǒng)與全局軸系統(tǒng)的方向?qū)R(提示:雙擊藍(lán)色和綠色箭頭將使軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90度)。

3. 將軸系重命名為“EB center”。

1. 在3D視圖中選擇PGU的正面(表面12)。

2. 在Design選項(xiàng)卡中，創(chuàng)建一個(gè)軸系統(tǒng)。使用移動(dòng)功能將軸系統(tǒng)與PGU的方向?qū)R(提示:點(diǎn)擊紅色箭頭，然后點(diǎn)擊“定向到對(duì)象”，然后選擇PGU的水平軸)。

3. 將軸系統(tǒng)重命名為“PGU”。

一旦完成了這些，就可以運(yùn)行HOA模塊。HOA是一個(gè)直觀的工具，必須定義HOA的每一項(xiàng)以運(yùn)行分析。

車輛軸(Vehicle axes)

第一步是為HOA定義坐標(biāo)軸。在OpticStudio設(shè)計(jì)中，Z軸為車輛方向，Y軸為頂部方向。

1. 在light simulation選項(xiàng)卡中，單擊system，然后單擊HUD Optical Analysis。

2. 在simulation 窗口中，將車輛方向設(shè)置為Z軸，頂部方向設(shè)置為Y軸系統(tǒng)(在屬性中，勾選“每個(gè)eyebox樣本的可視化”和“光學(xué)的可視化”設(shè)置為True)。

然后設(shè)置包括eyebox，目標(biāo)圖像，擋風(fēng)玻璃，鏡子，PGU。對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目，用戶選擇對(duì)象，然后輸入可以從OpticStudio讀取的設(shè)置。

eyebox(Eye box)

1. 在simulation窗口中，選擇eyebox。

2. 在3D視圖中，單擊eyebox。

3. 選擇eyebox中軸系統(tǒng)。

4. 在HOA定義面板中填寫屬性。

目標(biāo)圖像(Target Image)

1. 在simulation窗口中，選擇目標(biāo)圖像。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

擋風(fēng)玻璃(Windshield)

1. 在simulation窗口中，選擇擋風(fēng)玻璃。

2. 在3D視圖中，先選擇擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面(mirror 3)，再選擇擋風(fēng)玻璃外表面(mirror 3)，外表面只需要計(jì)算鬼像。

3. 在HOA面板中填寫屬性。

鏡像面(mirror)

在這個(gè)HUD設(shè)計(jì)中，折射鏡有兩種光線交互作用。光線從PGU到折射鏡，到Freeform鏡，然后回到折射鏡，到擋風(fēng)玻璃，然后是eyebox。

1. 在simulation窗口中，選擇鏡像面。

2. 在3D視圖中，單擊 并選擇(按ctrl鍵進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的選擇)折射鏡(mirror 6)、自由Freeform鏡(mirror 8)和另一個(gè)折射鏡(mirror 10)。

提示:mirror 6和mirror 10有切線面(可以使用鼠標(biāo)滾輪在幾何圖形中進(jìn)行切換選擇)。

3. 在HOA定義面板中填寫屬性。在鏡子列表中選擇從擋風(fēng)玻璃到圖像生成單元(PGU)的鏡子。

圖像生成單元(PGU)

1. 在simulation窗口中，選擇PGU。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

注:為了更高的精度，增加PGU采樣(9×5或更高)。這會(huì)影響計(jì)算時(shí)間。

報(bào)告設(shè)置(Report settings)

HOA設(shè)置完成，我們可以選擇輸出項(xiàng)。

可以運(yùn)行的一個(gè)有趣的分析是PGU的Warping。它顯示駕駛員查看由PGU顯示的圖像是如何被扭曲的。

1. 在模擬樹中，選擇Warping。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

3. 在 Image box >   File，加載Zemax OpticStudio PGU.png。

Build & Export warping 模式將以一個(gè)未失真的圖像作為輸入，并生成一個(gè)預(yù)失真的圖像，該圖像可應(yīng)用于PGU，以補(bǔ)償系統(tǒng)引入的失真。

可以運(yùn)行其他報(bào)告。只需在Report下面的Simulation樹中選擇它們。

HOA結(jié)果分析

HOA設(shè)置完成可以正式點(diǎn)擊運(yùn)行了。

1. 在simulation窗口中，選擇HOA特性并將其重命名為START。

2. 單擊Compute以運(yùn)行模擬?！?/p>

3D視圖和報(bào)告查看

虛擬圖像以及其他指標(biāo)顯示在3D視圖中。詳細(xì)的結(jié)果可以在.html報(bào)告中找到。

1. 在3D視圖中觀察虛擬圖像和其他指標(biāo)。

2. 打開.html報(bào)告查看詳細(xì)結(jié)果。

鬼影分析(Ghost Image)

鬼影光線路徑和鬼影圖像都被計(jì)算，顯示出來了。

1. 在3D視圖中觀察鬼影圖像。

2. 打開報(bào)告查看Ghost測(cè)試結(jié)果。

畸變和虛像分析(Warping and virtual image)

可以在Speos輸出文件文件夾或HOA特性下找到結(jié)果。PGU在3D視圖上顯示扭曲的圖像。

1. 觀察PGU。畸變圖形已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)整應(yīng)用。

2. 觀察駕駛員視角下的最佳聚焦圖像(點(diǎn)擊eyebox中軸系統(tǒng)的平面圖視圖)。增加縮放系數(shù)，以檢查最佳焦點(diǎn)。

3. 打開反畸變圖像和原始圖像。

4. 打開變形文件。

光學(xué)路徑體(Optical volume)

光學(xué)路徑體在3D視圖上顯示。

1. 在HOA定義面板中，檢查光學(xué)路徑體。

2. 在3D視圖中，檢查optical volume是否在鏡像面和PGU尺寸范圍內(nèi)。

動(dòng)態(tài)畸變(Dynamic distortion)

1. 在HOA定義面板，Visualization組中，將eyebox示例設(shè)置為True。視覺模式允許在左右眼或雙眼之間切換。

2. 改變水平樣本和垂直樣本，從不同的眼箱位置觀察3D視圖中的動(dòng)態(tài)失真。

第四步：HUD系統(tǒng)的可視化
Speos可以通過HUD系統(tǒng)幫助不同駕駛員(不同的眼框位置)看到的東西可視化顯示在模擬結(jié)果中。對(duì)于這一步，Speos要求擋風(fēng)玻璃和HUD的兩個(gè)鏡像面都有材料應(yīng)用。

創(chuàng)建材料屬性(Create Materials)

為了進(jìn)行可視化，擋風(fēng)玻璃和鏡子需要有材料屬性應(yīng)用。

1. 點(diǎn)擊material進(jìn)行材料創(chuàng)建，并命名為Glas。

2. 將VOP屬性設(shè)置為Optic。

3. 將SOP屬性設(shè)置為Optical Polished。

4. 把材料應(yīng)用在擋風(fēng)玻璃上。

1. 點(diǎn)擊material進(jìn)行材料創(chuàng)建，并命名為Mirror。

2. 將VOP屬性設(shè)置為Opaque。

3.將SOP屬性設(shè)置為Mirror 100%。

4.把材料應(yīng)用到兩個(gè)鏡像面上。

添加預(yù)設(shè)（Adding Preset）

預(yù)設(shè)文件是一個(gè)XML文件*。預(yù)置，它定義給定Speos對(duì)象類型的配置(或僅定義其屬性的一個(gè)子集)。預(yù)設(shè)允許加速Speos對(duì)象的創(chuàng)建，并保持不同項(xiàng)目的一致性和連續(xù)性。

從附件中，復(fù) 制并粘貼以下預(yù)設(shè)文件到此文件夾: “C:\ProgramData\Ansys\v221\Optical Products\Presets “
– Display_HUD.preset

– Radiance_HUD.preset

– Observer_HUD_stereo.preset

– Visualization HUD.preset

創(chuàng)建顯示屏光源(Create Display Source)

1.在light simulation選項(xiàng)中，在“source”部分，點(diǎn)擊Display。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Display選擇Display_HUD。點(diǎn)擊Display_HUD。

2. 定位Display_HUD源。確保藍(lán)色箭頭(z軸)指向折射鏡。

創(chuàng)建亮度探測(cè)器(Create a Radiance Sensor)

1. 在light simulation選項(xiàng)中，在“sensor”部分，點(diǎn)擊Radiance。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Radiance選擇Radiance_HUD。點(diǎn)擊Radiance_HUD。

2 .定位Radiance_HUD。

創(chuàng)建觀察者探測(cè)器(Create an Observer Sensor)

1. 在light simulation選項(xiàng)中，在“VR-Observer”部分，點(diǎn)擊Observer。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Observer選擇Observer_HUD_stereo。點(diǎn)擊Observer_HUD_stereo。

2. 定位Observer_HUD_stereo 探測(cè)器。

運(yùn)算模擬(Run Simulation)

1. 在light simulation選項(xiàng)中，在“Simulation”部分，點(diǎn)擊Inverse。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Inverse選擇Visualization HUD。點(diǎn)擊Visualization HUD。

2. 添加幾何體、光源、探測(cè)器到模擬中。

3. 如圖設(shè)置屬性。

4. 運(yùn)行模擬。

結(jié)果分析(Analyze Results)

從eyebox中心位置查看虛擬像：打開“Visualization

HUD.1.Radiance_HUD.1.xmp”結(jié)果。

結(jié)果顯示有鬼影，因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃沒有楔角。

從不同的眼點(diǎn)位置查看虛擬圖像：

1. 打開“Visualization HUD.1.Observer_HUD_stereo.1.speos360”結(jié)果。

2. 使用鍵盤上的箭頭鍵來改變位置。當(dāng)開啟立體效果時(shí)，你可以在左眼和右眼之間切換。

重要的模型設(shè)置

擋風(fēng)玻璃(Windshield)

在OpticStudio中，擋風(fēng)玻璃被描述為一個(gè)擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面。

HUD優(yōu)化(HUD optimization)

OpticStudio中的優(yōu)化是用完整的eyebox完成的。只有Freeform鏡面的形狀是優(yōu)化的。所有的元素都已經(jīng)固定了，并且在優(yōu)化過程中沒有將元素的位置設(shè)置為變量。

網(wǎng)格參數(shù)(Meshing)

在Speos、步驟4：HUD系統(tǒng)的可視化中，對(duì)象是需要網(wǎng)格化的。下面的截圖給出了網(wǎng)格設(shè)置：

網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置是獲得正確仿真結(jié)果的關(guān)鍵。它們定義了將被模擬的幾何圖形的質(zhì)量。網(wǎng)格越細(xì)，模擬效果越好，但模擬時(shí)間越長(zhǎng)。粗糙的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致較差的結(jié)果，特別是對(duì)于精密的光學(xué)元件。

導(dǎo)入CAD模型(Importing CAD)

在本例中，OpticStudio的設(shè)計(jì)被導(dǎo)出為STEP，然后導(dǎo)入到SPEOS中。因?yàn)镠UD是一個(gè)成像系統(tǒng)，建議將幾何圖形轉(zhuǎn)換為重量級(jí)，這樣意味著幾何圖形會(huì)具有更高度的細(xì)節(jié)。

模擬時(shí)間(Simulation Time)

下面是我們運(yùn)行這些模擬時(shí)的模擬時(shí)間可作為參考，模擬時(shí)間在很大程度上取決于所使用的計(jì)算機(jī)。OpticStudio中的優(yōu)化只花了不到幾分鐘的時(shí)間。在Speos中運(yùn)行HOA需要12分鐘。使用GPU在Speos中運(yùn)行可視化需要1分30秒。

HOA 插件(HOA plugin)

本例使用默認(rèn)的Ansys插件計(jì)算HOA指標(biāo)。