如何用OpticStudio設計一個抬頭顯示器 (HUD)


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總結:此篇文章解釋如何在OpticStudio中建立一個抬頭顯示器。
原文作者:Connor Magness, Zemax Student Intern
原文發表日期:September, 3, 2014
原文連結:How to Create a Heads-Up Display Using OpticStudio
附件檔案:
HUD_Forward_Fresnel_Reflection.zar
HUD_Reverse.zar


介紹
抬頭顯示器是一種透明的螢幕,能在提供使用者資訊的同時,又不影響使用者的視野。這篇文章中的抬頭顯示器 (Heads-Up Display,HUD) 是設計給車用的。抬頭顯示器的目的是讓駕駛把最大的注意力放在道路上,增加安全性。一個理想的透明螢幕,會有一個虛擬的影像,成像在擋風玻璃的前方。虛擬影像的大小必須跟原本儀表板上的速度表一樣,並且不應該阻擋到駕駛的視野。此外,一個稱為Eyebox的空間必須夠大,讓駕駛能輕鬆地看到虛像。整體系統的尺寸也應該不比現行市面上的抬頭顯示大上太多。

簡化的設計概念

當設計一個光學系統時,從最簡單的設計形式開始是有好處的。在這個設計中,我們在OpticStudio中把物面當作像面,而像面當作物面來設定。這樣的安排讓我們可以在之後利用Chief Ray求解。在OpticStudio中,駕駛到虛像的距離對應到編輯器中的物面 (OBJECT) 到第一面的厚度。因而,把我們第一面,也就是系統的出瞳設為光欄面。從駕駛到擋風玻璃的距離則對應到光欄之後的厚度。目前,我們把擋風玻璃模擬為一個鏡面。再下一個面則是折光鏡面,把光路徑引導向系統之中。為了簡化設計,最後一個厚度代表折光鏡面到LCD的距離,在這裡LCD就是編輯器中的像面 (IMAGE)。


上面的圖表讓光學設計師可以看到影像尺寸跟eyebox尺寸之間的關係,以及最後一個元件所需的大小。為了更加清楚的表示這個觀念,讓我們取消光路的折疊。方法是把鏡面上面的材料欄位從 “MIRROR” 改為空白。


上圖中的橘色線條代表儀表板的光學使用區。從這個Layout中可以清晰看出eyebox的直徑、駕駛到擋風玻璃的距離、駕駛到虛像的距離、以及儀表板上的光學區會限制虛像的大小這幾個設計要點。


初始設計
設計的下一步是降低系統尺寸。要做出夠小的系統的第一步是增加折光透鏡的屈光率。我們賦予鏡面一個屈光率,並位移鏡面位置以讓光軸在改變的同時讓影像聚焦。要位移一個光學元件,你可以參考知識庫中 “如何傾斜/離心一個序列式光學元件”。為了優化系統,讓我們用優化精靈設定目標為光斑半徑。對於這個系統來說,加入操作數來控制光線的入射角度、出射角度以及每個面之間的厚度是非常重要的。另外我們也設定在自動優化過程中,系統會自動修改屈光鏡面在Y方向的離心、屈光鏡面的圓錐係數、以及屈光鏡面到像面的距離。




最終設計
要進一步減小系統尺寸,並能進一步控制系統像差,我們會需要加入透鏡,並用兩個鏡面來摺疊光路。然後使用同樣的限制條件在優化一次。


為了模擬人眼在系統的情況,我們把人眼假設為完美光學系統。因為光欄面被定義為eyebox的中心,我們把眼睛設做系統的孔徑光欄 (Aperture Stop)。然後利用多重組態模擬眼睛在eyebox中不同位置移動。接著對所有的組態再進行一次優化。



因為這個系統已達繞射極限,他們效能可以用Huygens MTF來評估。瑞利準則告訴我們繞射極限可以用 1.22*wavelength*f/# 來定義。根據這個公式,我們的在2公尺遠的像面上頻率0.43 cycles/mm時的MTF對比度要有30%。若瞳孔大小是1.5 mm到8 mm之間,則系統在0.76以及2.0 cycles/mm時的對比度要分別有 30%。另一個觀看系統效能的方法是執行成像模擬 (Image Simulation)。因為此系統已是繞射極限,我們將在模擬成像時考慮繞射效應。




模擬擋風玻璃
到目前為止,我們都把擋風玻璃模擬成一個平面玻璃。雖然擋風玻璃可能會比一個平面玻璃更複雜得多,研究Fresnel反射對於系統性能的影響仍然是很有參考價值的。要把擋風玻璃當作一片玻璃來模擬,我們需要設定兩個組態。在第一個組態中,擋風玻璃的內側表面被模擬為一個鏡面。在第二個組態中,擋風玻璃被模擬為一個B270的玻璃,並且光線做來回經過兩次 (Double Pass)。



上圖放大檢視了光路在擋風玻璃中的樣子。兩組光線來都來自物空間同樣的位置,並都經過eyebox的中心。我們使用 “Footprint Diagram” 就可以很清楚的看到兩個虛像之間的位移是很清楚的。



要解決這種雙重影像的效應有好幾種方法。例如,BMW在擋風玻璃中使用一個楔型的塑膠來修正這個重影問題 (BMW E70 Heads Up Display的PDF檔中的第17頁)。解決重影問題的話,把擋風玻璃考慮到設計之中是很重要的。然而,此例中為了示範,讓我們給擋風玻璃的內側表面一個楔型傾斜,以對位讓兩個影像重合。我們將調整楔行角度,直到兩個影像之間的偏離為零。




Image Simulation - http://s300.photobucket.com/user/tnt342/media/40bb3219.jpg.html?sort=3&o=308

BMW E70 Heads Up Display PDF - http://www.123seminarsonly.com/Seminar-Reports/003/41342570BMW-E70-Head-Up-Display.pdf


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