如何將OpticStudio中的HUD設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換進(jìn)入Speos中

Speos 作為分析抬頭顯示器性能的絕佳工具，一旦系統(tǒng)在 OpticStudio 中完成設(shè)計(jì)，我們可以將系統(tǒng)整體作為 STEP 文件導(dǎo)入至 Speos 當(dāng)中。系統(tǒng)性能可以通過 HOA 工具（HUD 光學(xué)分析）進(jìn)行計(jì)算。注意，該工具需要使用 Speos HUD Design and Analysis 插件以及旗艦版或企業(yè)版授權(quán)。

1、HUD 簡介

本文中使用的 HUD 系統(tǒng)及以下文章中設(shè)計(jì)得到的：選自于Zemax 知識(shí)庫文章在設(shè)計(jì)抬頭顯示器(HUD)時(shí)需要使用哪些工具？

以下內(nèi)容展示了 HUD 系統(tǒng)的總結(jié)以及特性。

2、準(zhǔn)備 OpticStudio 序列模式文件

如果需要將 OpticStudio 序列設(shè)計(jì)導(dǎo)入至 Speos 中，我們需要添加：

在物面上添加對(duì)應(yīng)的矩形孔徑，當(dāng)前物面為 HUD 的虛像面。矩形孔徑將展示視場的尺寸。

在 PGU 上設(shè)置對(duì)應(yīng)矩形孔徑。

打開文件：“HUD_Step1_MF_after_optim.zar”。
打開物面的表面屬性設(shè)置，添加對(duì)應(yīng)的矩形孔徑。

打開像面的表面屬性設(shè)置，添加如下矩形孔徑：

Horizontal size = 28mm (X-half Width = 14 mm)
Vertical size = 28mm (Y-half Width = 14 mm)

含有孔徑設(shè)置的文件已經(jīng)添加至本文章附件中，名為：

HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar

源文件中反射鏡的尺寸較小，我們需要在查看光跡圖結(jié)果之后對(duì)其尺寸進(jìn)行修改。

自由曲面反射鏡：原尺寸以及新尺寸

折疊反射鏡：原尺寸以及新尺寸

3、導(dǎo)出 OpticStudio 作為 CAD 文件

OpticStudio 模型將轉(zhuǎn)換成為 CAD 文件并且導(dǎo)入至 Speos 中。

在導(dǎo)出成為 CAD 模型之前，查看當(dāng)前系統(tǒng)的全局坐標(biāo)參考表面，該表面將作為導(dǎo)出 CAD 的坐標(biāo)原點(diǎn)。

在 OpticStudio 中，將設(shè)計(jì)導(dǎo)出成為 CAD 文件：

為了將所有表面可用于 SPEOS 中，需要勾選以下 “導(dǎo)出虛擬表面” 選項(xiàng)，并且將虛擬表面厚度設(shè)置為 1。我們也可以設(shè)置導(dǎo)出光線的選項(xiàng)，為后續(xù)對(duì)比提供一些參考。

4、檢查 CAD 精度

在轉(zhuǎn)移至 Speos 之前，我們需要在 OpticStudio 中執(zhí)行對(duì)比，檢查使用內(nèi)置表面的 OpticStudio 模型與 CAD 模型代表的系統(tǒng)性能的對(duì)比情況?？梢栽谖恼赂郊姓业綄?duì)應(yīng)文件，文件內(nèi)包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)：

HUD_Step1_MF_after_optim_CAD.zar

結(jié)構(gòu) 1 作為內(nèi)置表面模型

結(jié)構(gòu) 2 包含非序列元件表面，其中包含 CAD 導(dǎo)出的模型

我們可以使用結(jié)構(gòu)矩陣點(diǎn)列圖分析直接對(duì)比兩個(gè)結(jié)構(gòu)的性能結(jié)果。在對(duì)比文件中，STOP 尺寸被設(shè)置為 4 mm 直徑用于模擬眼睛的瞳孔。

對(duì)比結(jié)果顯示，導(dǎo)出的 STEP 文件可以很好地對(duì)應(yīng)我們的 HUD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

5、將 CAD 文件導(dǎo)入 Speos

在打開 Speos 后，在如下位置點(diǎn)擊導(dǎo)入設(shè)置：

File…Speos Options…File Options…General

然后打開 CAD 文件：

在 Speos 中打開 CAD 文件后結(jié)構(gòu)如下所示，與 OpticStudio 的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器對(duì)比，對(duì)應(yīng)元件的名稱為對(duì)應(yīng)行列中的名稱：

6、針對(duì) OpticStudio 用戶的 Speos瀏覽操作

在 Speos 中與元件進(jìn)行交互將不同于在 OpticStudio 一樣，但我們可以對(duì)于 Speos 中的瀏覽操作進(jìn)行定制化設(shè)置，使其與 OpticStudio 中的方式類似。以下的一些操作可能對(duì)于本文中的示例有所幫助：

操作	介紹	OpticStudio	Speos
旋轉(zhuǎn)	旋轉(zhuǎn)視圖、物體或者物體組	按住鼠標(biāo)左鍵 ??	按住鼠標(biāo)右鍵
移動(dòng)	上下左右移動(dòng)視圖	按住鼠標(biāo)中鍵	CTRL +按住鼠標(biāo)中鍵
縮放	縮小和放大視圖	滾動(dòng)鼠標(biāo)中鍵	滾動(dòng)鼠標(biāo)中鍵

具體的 Speos 瀏覽操作設(shè)置可以在 Speos Getting Started guide 中找到，對(duì)于新用戶而言十分有幫助。

7、Speos 中的 HUD 光學(xué)分析 (HOA)

SPEOS 中的 HOA 允許用戶對(duì)于車載抬頭顯示系統(tǒng)中所成的虛像質(zhì)量進(jìn)行定量分析，分析工具將計(jì)算：

虛像的距離、駕駛員低頭角度、視場角

畸變、扭曲、放大率、旋轉(zhuǎn)、發(fā)散等

鬼影/雜散光

場曲、光斑尺寸、像散

指定汽車制造商對(duì)于硬件插件使用的光學(xué)指標(biāo)定義以及接受標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)預(yù)畸變圖像進(jìn)行校正的扭曲數(shù)據(jù)，并且導(dǎo)入這部分扭曲信息

一旦 CAD 文件被導(dǎo)入 SPEOS 當(dāng)中，HOA 可以在沒有定義任何光源和材料的情況下執(zhí)行。HOA 工具的使用非常直觀，為了運(yùn)行分析需要定義其中的每一項(xiàng)。

第一步需要定義的就是 HOA 里面的坐標(biāo)軸情況。在 OpticStudio 中，Z 軸表示車輛方向且 Y 軸表示朝上的方向。

下一步需要設(shè)置對(duì)應(yīng)眼盒、目標(biāo)圖像、風(fēng)擋、反射鏡和 PGU。對(duì)于每一項(xiàng)元件，我們都可以輸入其從 OpticStudio 中讀取的指標(biāo)并且應(yīng)用至對(duì)應(yīng)元件上。我們也將 Speos 文件添加至了本文附件。

關(guān)于更多 Speos 相關(guān)的設(shè)置情況，您可以查看以下對(duì)應(yīng)視頻（即將上線）。

8、扭曲情況

HOA 可以提供的一種輸出結(jié)果為扭曲 (Warping)。讓我們?cè)趦蓚€(gè)軟件中比較這個(gè)指標(biāo)，以進(jìn)行完整性檢查。Warping 可以看做是 PGU 上的一個(gè)網(wǎng)格，表示圖像是如何被光學(xué)系統(tǒng)扭曲的。

該 “變形的網(wǎng)格” 后續(xù)可被用作一個(gè)后期處理步驟，以糾正光學(xué)系統(tǒng)的像差。例如，PGU 顯示一個(gè) “已預(yù)變形” 的圖像，從而為駕駛員提供一個(gè)較佳的目標(biāo)圖像。

9、在 SPEOS 內(nèi)的操作

在 HOA 分析中，扭曲 Warping 的設(shè)置如下所示：

上圖中，扭曲算法被設(shè)置為禁用。我們將需要該設(shè)置以插值最終圖像。執(zhí)行 HOA 并檢查最終結(jié)果。

一旦執(zhí)行，將在 SPEOS 輸出文件中對(duì)文件進(jìn)行保存，其中將提供 PGU 的扭曲 Warping 像素結(jié)果。

10、在 OpticStudio 中的操作

在 OpticStudio 中我們可以在反向模型計(jì)算扭曲的情況（即 HUD 設(shè)計(jì)的步驟 1：從虛像面至顯示屏（逆向系統(tǒng)）中），我們可以采樣虛像面對(duì)應(yīng)的視場光線并且計(jì)算最終視場光線將成像落在 PGU 上的坐標(biāo)。OpticStudio 圖像模擬功能可以給我們提供可視化結(jié)果，全視場點(diǎn)列圖可以展示所有視場的光斑結(jié)果并提供數(shù)值結(jié)果，并且 2D 通用繪圖也可以作為不錯(cuò)的結(jié)果輸出方式：

我們可以執(zhí)行兩次分析，一次通過 CENX 操作數(shù)輸出對(duì)應(yīng)視場質(zhì)心的 X-坐標(biāo)，另一次則通過 CENY 操作數(shù)輸出質(zhì)心 Y-坐標(biāo)。

OpticStudio 最終輸出結(jié)果像面上 (Surface 12) 的局部坐標(biāo)，單位為 mm。SPEOS 所輸出的結(jié)果為基于像素的結(jié)果。

像素結(jié)果和坐標(biāo)結(jié)果可以通過如下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

Pixel_x = round((CENX + PGU_Xsize/2) * Pixel_x_size,0)

Pixel_y = round((CENY + PGU_Ysize/2) * Pixel_y_size,0)

11、結(jié)論

本文重點(diǎn)描述了如何將 OpticStudio 中的 HUD 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換進(jìn)入 Speos 中。Speos HOA 工具可以作為分析已設(shè)計(jì)得到的 HUD 系統(tǒng)并輸出全面報(bào)告的絕佳工具。

審核編輯：劉清