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前装W-HUD/AR-HUD成像光学设计（一）

2021-12-16 17:23| 发布者：Davis| 查看：2179| 评论：0|原作者: 冰糖雪梨说光学

摘要：本文介绍了前装W-HUD/AR-HUD的光学设计流程，并给出了一个W-HUD设计案例。通过导入风挡玻璃和眼椭圆数据，在Zemax软件中进行逆向成像光路建模，设置多重结构和优化约束函数，使用操作数控制畸变量和PGU尺寸等，最后进行自动优化设计，得到一个比较好的成像系统。

在上篇文章中，已经简单介绍过前装W-HUD/AR-HUD的光学设计流程，那么本篇文章就给出一个W-HUD设计案列，AR-HUD设计流程是类似的。

遵循设计流程，首先要有风挡玻璃数据和眼椭圆数据，最好是STP格式，将其导入到Zemax软件中。然后，按照逆向成像光路进行建模，从虚像面开始，建立各个光学面。光学面的顺序依次是虚像面（Object，图1中未显示），入瞳面（STOP），风挡玻璃反射面（导入STP数据），主反射镜，次反射镜，PGU像面（Image）。主反射镜的曲率半径可以先设置一个值（如-600，因为是凹面反射镜，所以曲率半径是负数），使成像光线有汇聚的效果出来。

图1 W-HUD初始结构

图2 Zemax建模Lens data

由于风挡玻璃是导入的STP数据，所以W-HUD光学系统建模是一个混合模式，即序列模式中包含有非序列光学面。图2中的光学面6就是风挡玻璃内表面，光学属性设置为Mirror。面5和面6是非序列光学面6的入口（Entry）和出口（Exit），也就是光线追迹从序列模式进出非序列模式的接口。非序列光学面的使用方法可以参考Zemax手册。

本案例采用的光学参数如下表所示。按照FOV和VID计算，虚像面尺寸大概是10英寸（对角线长度）。

初始系统建立好之后，还有一个很重要的环节就是多重结构的设置。这里要设置的多重结构是为了控制在眼盒范围内不同位置的成像畸变量。通常，眼盒大小是130mmx50mm，但是人眼的瞳孔直径只有2mm~8mm的变化范围。因此，需要在眼盒范围内的不同位置，控制HUD光学成像系统的畸变量，避免驾驶员的眼睛在左右或上下移动时，出现过大的图像畸变，影响HUD驾驶体验。图2中的坐标断点面1和面3就是为了设置多重结构专门设置的。

多重结构设置好之后，就需要设置优化变量和优化约束函数。W-HUD的主反射镜是自由曲面面型，将此反射面的面型设置为Extented polynomial之后，设置方程系数的最大数目，然后将这些方程系数都设置为变量。每个方程系数被设为优化变量之后，其后面会出现一个字母“V”标识（variable），代表优化过程中该参数是可变的。优化约束函数的设置主要包括以下几个方面：a）约束在不同的多重结构下，不同视场角对应的最大畸变量，b）PGU的尺寸，c）光学面的偏移量和旋转角度等等。

推荐使用操作数“DISG”来约束畸变量，用操作数“REAX”和“REAY”来约束PGU的尺寸，具体使用方法可参考Zemax手册，这里不再做详细介绍。另外，不同的多重结构要先使用操作数“CONF”来声明，然后在该操作数下面，设置其他的操作数来对该多重结构下的其他光学参数进行约束，如图3所示。这一点非常重要，如果没设置好是哪个多重结构，将会导致得不到好的优化结果。因此，一定要仔细检查设置的优化约束函数。

图3 优化约束函数

下面就是自动优化了。建议首次优化进行5个或10个cycle，优化时间不会超过5分钟，然后看一下优化结果，看看优化结果是否朝着预期的方向进行的。如果结果不符合预期，需要修改光学初始结构，或者修改优化约束函数。如果优化结果符合预期，那么下面需要做的就是微调光学系统的结构布局，譬如反射镜的偏移量和旋转角度，使得反射镜和PGU的空间布局符合仪表空间要求，减小HUD系统体积等等。然后，再进行下一次的自动优化设计，每次优化进行10个cycle就可以了。这样反复循环几次优化之后，就可以得到一个比较好的成像系统了。

怎样才能知道优化得到的光学系统是否符合要求呢？详见下回分解。