模擬抬頭顯示器 (HUD,Head-Up Display)


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摘要:本範例介紹使用Zemax OpticStudio來設計車用抬頭顯示器。
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。


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。


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。


在Field的設定視窗中輸入虛像的大小。


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。


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。


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。


注意本範例中,面6與面10的孔徑必須要一樣大。


HUD的性能評估可以利用Image Simulation完成。
設定如下圖


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。


本文章建立時,參考了以下日本專利
公開特許公報 2009-115908

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