前言：

驾驶员在车辆驾驶时需要关注路况、车辆状态、车内人员等多方面的信息，所以驾驶员一般会首选车辆的显示设备作为获取信息来源。随着显示技术与汽车技术融合的加深，车内显示屏的功能和位置在不断演进和重构，新的产品形态也在不断出现，但其核心目的都是为驾驶员提供所需的关键信息，以便驾驶员能够掌握车辆的状态并做出相应的操作和决策，同时带给驾乘人员更多、更便捷的功能和体验。

在汽车发展初期，驾驶员较多选择车载仪表作为第一屏幕，通过仪表显示来了解车辆整体运行状态。随着车载显示屏的技术和代际演进，驾驶员也逐渐开始从仪表显示偏向安全性更强体验更好的HUD显示，作为日常驾驶过程中主要关注的信息显示来源。

HUD 系统通常包括PGU和自由曲面反射镜构成的成像系统，本案例主要介绍使用ZEMAX及Speos软件进行HUD系统中的自由曲面成像系统的设计、仿真工作。

第一部分：HUD在ZEMAX中的建模优化（涉及视场、风挡建模、下视角、上中下眼盒、评价系统搭建）

该部分是对ZEMAX设计HUD系统的初级介绍，主要关注的是ZEMAX模拟HUD成像光学系统，涉及视场、风挡建模、下视角、上中下眼盒、评价系统搭建。

整个设计进行逆向设计，将HUD系统中的像作为物，将LCD屏作为像，使用混合序列模式进行设计，本案例主要以下几个部分：

一、基础参数设置（视场角、Eyebox等设置）。

二、混合序列模式挡风玻璃数据导入。

三、添加自由曲面反射镜进行初始结构构建。

四、多重结构设置上中下眼盒，双目系统。

五、评价系统搭建设计调优。

六、ZEMAX中集成的关于HUD系统分析功能。

一、基础参数设置：视场、像距、Eyebox设置

1. 设置视场类型，并根据视场角(7.44°*4.9°)、物距（7500mm）计算Object尺寸并进。

例如：7000*tan(7.44/2)=455.12

2. 在ZEMAX序列模式中，将OBJECT面的Thickness 设置为-7000（系统像距7m）。

3. 按照下图设置系统孔径类型及孔径值，“Aperture Type”设置为“Entrance Pupil Diameter”，值为131。注：131为成像面对角线长度。

二、使用混合序列模式导入挡风玻璃数据

1. 将挡风玻璃的STP格式文件复制到C:\Users\admin\Documents\Zemax\Objects\CAD Files 文件夹中（具体文件夹跟ZEMAX软件安装位置有关）。

2. 在序列模式中依次插入Non-Sequential Component 、Standard表面。

说明：在序列模式中插入“Non-Sequential Component”表面，整个系统构成了混合序列模式。系统前端的序列光线通过“入射端口”进入非序列元件，与非序列元件发生折射、反射后再从“出射端口”进入后续的序列元件。

入射端口： 位于Non-Sequential Component元件的前一个面。

出射端口：位于Non-Sequential Component元件后一个Standard表面，其具体位置在Non-Sequential Component 面进行设置。

3. 打开“Non-Sequential ”编辑器，打开属性编辑页面，依次选择“Object”、“CAD Parts STEP/IGES/SAT/WS HOD DEMO DOUBLE R1.stp”。

三、添加自由曲面反射镜进行初始结构构建

HUD 成像系统通常由2片自由曲面组成，本案例中采用2片自由曲面反射镜。

如下图所示，添加2个自由曲面并且每个表面的前后各添加两个个坐标断点面，分别用于控制每个自由曲面镜的偏心和旋转以及坐标返回。

注：通过控制曲面镜之间的距离、曲面镜1与eye box间距、曲面镜的旋转、使得光路尽可能折叠，从而缩小HUD的系统空间大小及像散的控制。

补充：风挡的其他处理方式：将Grid Sag 表面转化成参数化表面。

四、多重结构设置上中下眼盒，双目系统

按照下图构建多重结构，设置系统下视角、眼盒大小及双目系统：

五、评价系统搭建设计调优

HUD 成像系统通常由1片或者2片自由曲面组成，自由曲面会对光路进行多次折叠，我们可以使用REAY、REAX（也可以控制质心，会更准确，但稍慢）直接对光线位置进行优化控制。

通过读取光线位置可以控制曲面镜及像面上光斑的足迹，通过ZEMAX自带的足迹图可以查看；除此之外需要控制系统的XY两个方向的放大倍率；通过ZEMAX的ZPL功能编写相关宏文件，控制光线与曲面镜及像面的干涉，保证在自动优化过程中优化出非理想的系统；ZEMAX自带的畸变优化操作数对于HUD系统意义降低，需要自动构建动态畸变的优化系统，通过读取中心眼点与周边眼点的数据，根据畸变公式进行相关运算；最后对于HJUD系统不可缺少的双目视差的评价也是至关重要的。以上描述细节可参考如下截图进行搭建。

六、ZEMAX中集成的关于HUD系统分析功能

1. ZEMAX集成了全视场像差、畸变、双目系统分析，可进行快速分析HUD系统性能。

2. HUD设计按照逆向光路设计，需要将其翻转为正向光路进行后续性能分析ZEMAX 中内置元件/系统翻转工具，在 HUD 系统中结合坐标调整使用。

第二部分：HUD在Speos中的仿真分析（涉及HOA模块、HOD模块、杂散光分析）

一、HOA模块

HUD系统设计在zemax or Codev中设计完系统架构，再导入Spoes or Lts中进行评估车身干涉，需要来回往复多次评估，工作量大。因此快速生成HUD架构用于评估车身空间大小及干涉问题显得尤为重要。

Ansys Speos HUD的初始结构设计：Speos 中集成的HOA模块利用HUD光学设计能力，再设计阶段基于CAD平台给出的光体，实时调整更改设计，参数化设计便于设计修改，捕捉设计便于设计修改，捕捉设计意图大幅缩减设计过程中的重复工作，拓展光学设计特征与结构设计的协同工作。

Ansys Speos HUD量化汽车HUD虚拟图像的质量：从数字模型（PGU输出、自由曲面镜、挡风玻璃），提供光学指标描述HUD光学系统的性能，以数据及图形化形式输出VID、下视角、畸变、放大率、重影、动态畸变、双目视差等相关结果。通过重影分析，实现风挡楔形角度的设计，直观的可视化分析和虚拟图像模拟分析。

二、Speos杂散光分析：

Ansys Speos HUD的光学系统设计的杂散光分析功能：HUD系统需要分析眼盒范围内的杂散光、IP台的光能量、阳光倒灌、白斑等杂散光来源。Speos集成了不同经纬度地区及时间点的太阳模型，可以实现正向仿真及逆向寻找光源等仿真功能。Speos光路追迹功能实现HUD的杂散光分析，在HUD光路分析时，依据是光线可逆原则寻找杂散光来源。