本文為使用OpticStudio工具設(shè)計優(yōu)化HUD抬頭顯示器系統(tǒng)的第二部分，主要包含演示了如何使用OpticStudio工具設(shè)計分析抬頭顯示器（HUD）性能，即全視場像差（FFA）和NSC矢高圖。

上篇文章中，我們主要介紹了如何以逆向方式對于HUD系統(tǒng)進(jìn)行建模，下一步我們將根據(jù)分析系統(tǒng)的初始性能，并結(jié)合具體設(shè)計指標(biāo)了解如何對系統(tǒng)進(jìn)行控制與優(yōu)化。

初始性能

增加系統(tǒng)像差的因素是風(fēng)擋玻璃，我們可以對于像差進(jìn)行分析。

該系統(tǒng)可以簡化為來自無窮遠(yuǎn)處(眼睛)的光，并被風(fēng)擋玻璃反射； 反射后，點(diǎn)列圖可以告訴我們在“真實”風(fēng)擋玻璃和理想風(fēng)擋玻璃(平面鏡)的情況下的光線角度。

以下是定義文件的不同步驟：

忽略表面6至11；

將視場類型轉(zhuǎn)換為角度；

將“物面厚度”值設(shè)置為“無限”；

在風(fēng)擋玻璃后面添加一個標(biāo)準(zhǔn)表面，作為理想平面風(fēng)擋玻璃的模型。 將材質(zhì)設(shè)置為“MIRROR”。 在“Surface 4 Properties”的“Aperture”下，從“Surface 3”中拾取“Aperture”；

創(chuàng)建兩種多重結(jié)構(gòu)：一種帶有“真正”風(fēng)擋玻璃，另一種帶有理想的平面反射風(fēng)擋玻璃(表面3和4)；

勾選System Explorer… Aperture下的Afocal Image Space，設(shè)置單位為角度。

這些修改可以在“ HUD_Step1_windshield_aberration.zar ” 文件中找到：

要分析風(fēng)擋玻璃引入的像差，請單擊 Analyze... Aberrations... Full Field Aberration 。 塞德爾像差工具在此不適用，因為它只描述旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)中的三階像差。

全視場像差分析計算波前的Zernike分解項，并顯示整個視場的Zernike系數(shù)。

整個視場由紅色方框的設(shè)置定義：

以下是這些視場點(diǎn)的表示：以下是這些視場點(diǎn)的表示：

對于每個視場點(diǎn)，軟件將波前擬合為一系列Zernike標(biāo)準(zhǔn)多項式，就像在Analyze…Wavefront…Zernike Standard Coefficients下所做的那樣。以下設(shè)置定義了需要顯示的Zernike像差項：

在像差下，根據(jù)Zernike標(biāo)準(zhǔn)項5(Z5)和Zernike標(biāo)準(zhǔn)項6(Z6)計算初級像散：

初級像散定義為：

幅度 = sqrt (Z5^2 + Z6^2)

角度 = (1/2)*atan2(y = -Z5 , x = -Z6)

這里，atan2是C語言函數(shù)，它給出了（y/x）的反正切。

如果“顯示”設(shè)置為“圖標(biāo)”，則線的長度將給出大小，方向?qū)⒔o出角度。

在框架的下方是所選像差的顯示范圍，這里則為全視場的初級像散。

這個系統(tǒng)的結(jié)果為：

1.離焦：174.4 waves

2.初級像散：平均為80.2 waves

可以看出，該系統(tǒng)最初受到風(fēng)擋玻璃帶來的像散限制，光束也會被風(fēng)擋玻璃稍微聚焦。但是離焦值不是問題，因為設(shè)計會將光束聚焦到LCD顯示器上。HUD的設(shè)計將從校正像散開始。

建立評價函數(shù)

回到我們的原始文件“HUD_Step1_StartingPoint.zar”，自由曲面反射鏡現(xiàn)在可以進(jìn)行優(yōu)化，以校正風(fēng)擋玻璃引入的像差。首先，“優(yōu)化”下的“快速調(diào)整”工具可以用來使我們的自由曲面鏡成為球面鏡。這是一個很好的起點(diǎn)。

建立一個默認(rèn)的評價函數(shù)：

可以構(gòu)建默認(rèn)的評價函數(shù)來優(yōu)化最小的光斑尺寸(RMS點(diǎn))。該系統(tǒng)包含孔徑，因此將使用矩形陣列方式對光瞳進(jìn)行采樣。

這里可以使用全視場像差來檢查視場采樣。視場上像差的快速變化可能意味著需要更多的視場點(diǎn)。

然后，可以手動添加其他指標(biāo)，其中手動添加的操作數(shù)位于評價函數(shù)的頂部：

放大率：一個規(guī)格是關(guān)于放大率。可以添加REA*(真實光線坐標(biāo))操作數(shù)，以檢查LCD顯示器上光線X和Y的位置。DIVI操作數(shù)可用于計算放大率（像面上的主光線高度與物面上的比率）。將在這些DIVI操作數(shù)上放置10的權(quán)重因子。

畸變：最后一個規(guī)格是關(guān)于畸變。它必須低于2%。

像畸變這樣的近軸計算并不總是能很好地處理具有坐標(biāo)間斷的非對稱系統(tǒng)。使用畸變操作數(shù)時，請始終驗證結(jié)果是否合理。可以使用CENX和CENY對視場的四個視場角(視場2至5)手動檢查和/或計算質(zhì)心的位置。

評價函數(shù)現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒。在優(yōu)化之前，可以將自由曲面反射鏡從標(biāo)準(zhǔn)面更改為自由曲面；這里是一個Zernike標(biāo)準(zhǔn)矢高曲面，有11項。

Zernike多項式非常適合優(yōu)化，但它們可能需要轉(zhuǎn)換回標(biāo)準(zhǔn)多項式，如用于制造的擴(kuò)展多項式。

Zernike曲面的歸一化半徑設(shè)置為大于半直徑的固定值。在優(yōu)化過程中，如果該半徑不是固定的，則每次更新時，都會在優(yōu)化期間在評價函數(shù)上產(chǎn)生一些變動。

優(yōu)化之前的文件稱為“HUD_Step1_MF_before_optim.zar”。

變量：

Z1是Piston項；它不會被使用。

Z2和Z3是傾斜項。LCD顯示器等元件的不同位置是固定的，因此不會使用傾斜項。

系統(tǒng)包含兩個變量：后焦距的長度，自由曲面反射鏡的曲率半徑。

在進(jìn)行第一次局部優(yōu)化后，可以檢查全視場像差：

整個視場的平均值：

Z4是離焦/場曲，并設(shè)置為變量。

Z5和Z6是主初級像散，并且設(shè)置為變量。

優(yōu)化后，整個視場的平均值為：

Z7和Z8是初級彗差，并且設(shè)置為變量。

Z9和Z10是彗差，并且被設(shè)置為變量。

Z11是平衡的初級球差，并且被設(shè)置為變量。

然后是一分鐘的Hammer優(yōu)化：

優(yōu)化后的文件稱為“HUD_Step1_MF_after_opti.zar”。

優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化的結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)尚未翻轉(zhuǎn)，因此性能不是“真實”性能，而是“翻轉(zhuǎn)”性能。

光斑大小(RMS)：光斑的RMS半徑低于200微米。它沒有提供太多信息；當(dāng)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)時，檢查角度大小將更令人感興趣。

像散與彗差：可以再次檢查全視場像差，以查看優(yōu)化是否降低了初級像散。除了像散之外，最有可能影響HUD成像質(zhì)量的Zernike項是彗差和球差。用于以下結(jié)果的視場是總視場，它表示駕駛員看到的最大角度范圍，允許頭部在HUD眼盒內(nèi)垂直和水平移動。它還顯示了兩只眼睛所看到的視差。

整個視場的平均值為：

像散的范圍從80減少到11 waves。下圖使用的是相對比例(顯示設(shè)置)，從絕對值中減去平均值。它可以更好地了解整個視場的像差變化：

畸變：略高于2%

審核編輯：湯梓紅