Ansys Zemax | 设计抬头显示器时要使用哪些工具 – 第二部分

引言

在本篇技术文章中，我们将深入探讨如何利用OpticStudio工具进行设计分析，以优化抬头显示器（HeadUp Display, HUD）系统的性能，特别是关注于全视场像差（Full Field Aberration, FFA）和 NSC矢高图的分析。作为OpticStudio应用的一部分，该技术将展示从初始性能分析、性能缺陷识别到精密优化的一系列框架构建与实操步骤。尤其关注于抬头显示器设计过程中，通过系统优化来提升视场的清晰度与质量。在此基础上，我们将从预见性角度深入解析如何综合考虑系统性能指标以及氦镜建模，从而实现设计目标的有效流转与达成。




初始性能分析：风挡玻璃引入的像差


风挡玻璃像差分析架构与步骤

面对😀抬头显示器设计，风挡玻璃对像差的影响表象尤为关键。在OpticStudio中，通过以下步骤进行深入分析：

1. 简化系统建模：忽略表面6至11，通过将视场类型转换为角度，设置“物面厚度”为无限值，并添加标准表面作为理想平面风挡玻璃模型，利用材料属性MIRROR，确保分析更贴近实际背景。

2. 多重结构对比：创建两种不同结构，涵盖“真正”的风挡玻璃和理想平面风挡玻璃模型，对比分析差异。

3. 系统性能输出：利用系统性能测量工具，定义单位为角度的阿波罗图像空间，以分析“真实”与理想风挡玻璃之间的表现差异。

性能指标与初步反馈

经由全视场像差分析，明确了系统通过风挡玻璃引起的像散与离焦效果。如，像散值为80.2 waves，表示初步性能受到风挡玻璃所引入的像散限制，然而考虑到优化中将聚焦至LCD显示器，该离焦值并无实质障碍。

建立优化框架与评价函数


手动调整与优化初试

选择“快速调整”工具，将自由曲面镜调整为球面镜形式，为优化过程建立一个基准点。构建评价函数，如最小化光斑尺寸（RMS Point），结合矩形阵列采样模式，对光瞳进行精细化评估。考虑到视场采样可能的快速变化，需对优化中的视场点进行调整以确保全面覆盖。

自定义指标整合与权重考量

引入额外性能指标，包括放大率与畸变控制。放大率通过REA与DIVI操作数设定调整点，而畸变至不超过2%，并且需对札克斯方法的局限性保持警惕。一贯性的质量中心位置CENX与CENY同样适用于非对称系统的性能验证。

系统优化与结果展示


优化策略细化

优化过程中通过变量明确自由曲面反射镜的特定参数配置，重点考虑曲率半径与后焦距长度。利用各项Zernike像差等级（如离焦、像散项）设立性能基准，并递进步骤优化模型架构。

优化结果可视化与分析

优化成效明确体现在光斑大小、像散畸变降低、以及更稳定的畸变控制上（约2%）。总的分析表明，优化策略有效降低了环境因素（如风挡玻璃）对系统性能的负面影响，深度提高了HUD的成像质量和可靠性。

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