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如何使用Ansys光學(xué)解決方案實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光學(xué)性能

LD18688690737 ? 來(lái)源:Ansys光電大本營(yíng) ? 作者:Ansys光電大本營(yíng) ? 2022-11-07 16:14 ? 次閱讀
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在本篇文章中,我們將展示如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計(jì)和分析HUD系統(tǒng)。首先,Ansys OpticStudio用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的光學(xué)性能。完成此階段后,在Ansys Speos中執(zhí)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證,其中HOA(HUD Optical Analysis)功能可根據(jù)自定義的真實(shí)指標(biāo)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)性能。最后,Speos把設(shè)計(jì)的HUD數(shù)據(jù)集成到真實(shí)環(huán)境中,將駕駛員看到的內(nèi)容可視化到模擬結(jié)果中。

操作流程概述

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HUD系統(tǒng)多用于汽車或飛機(jī),為駕駛員在其視野范圍內(nèi)提供視覺(jué)信息。它由一個(gè)顯示器和一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)為駕駛員創(chuàng)建虛影像。光學(xué)系統(tǒng)和顯示屏被放置在儀表板下方。

第一步:OpticStudio 中進(jìn)行HUD系統(tǒng)定義

第一步是在OpticStudio中定義HUD系統(tǒng)。規(guī)格包括虛擬圖像距離、視場(chǎng)范圍、放置空間、擋風(fēng)玻璃定義、眼位和PGU (Picture Generation Unit)。定義系統(tǒng)后,我們可以使用OpticStudio優(yōu)化工具優(yōu)化鏡面并檢查性能。

第二步:將最后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從OpticStudio導(dǎo)出到Speos

OpticStudio最后的設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出到Speos。Speos包含的HOD和HOA設(shè)計(jì)分析模塊可在Premium和Enterprise版本下作為附加組件使用,該模塊可以量化汽車HUD系統(tǒng)的虛擬圖像質(zhì)量。

第三步:使用HOA模塊進(jìn)行Speos模擬

分析步驟發(fā)生在Speos中。將CAD模型導(dǎo)入Speos之后,就可以運(yùn)行HOA了。設(shè)置包括定義眼位、目標(biāo)圖像、擋風(fēng)玻璃、鏡子和PGU。對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目,用戶輸入可以從OpticStudio讀取的設(shè)置,并選擇相關(guān)的對(duì)象。一旦設(shè)置完成,就可以運(yùn)行HOA,并提供完整的報(bào)告。

第四步:HUD系統(tǒng)的可視化

Speos還允許為不同的eyebox位置可視化HUD系統(tǒng)。這個(gè)模擬顯示了從駕駛員視角看到的虛擬映像??梢暬梢园ㄗ搸缀涡螤?、周圍環(huán)境和天氣。我們的案例展示了HUD鬼像分析,其中擋風(fēng)玻璃沒(méi)有楔角。

運(yùn)算和結(jié)果分析

第一步:OpticStudio 中進(jìn)行HUD系統(tǒng)定義

第一步,我們?cè)O(shè)計(jì)HUD。在這個(gè)例子中,HUD是由一個(gè)自由曲面鏡子(這將被優(yōu)化)和一個(gè)平面鏡組成的。司機(jī)透過(guò)擋風(fēng)玻璃看路面。一些例如車速的信息顯示在PGU上,來(lái)自PGU的光被兩個(gè)鏡子反射,進(jìn)入司機(jī)的眼睛。司機(jī)看到道路上速度信息的虛擬圖像。

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在OpticStudio中,設(shè)計(jì)從反向模型開始,即從虛擬圖像到PGU。從駕駛員看到的虛擬圖像開始模擬是很方便的,因?yàn)镾TOP表面被放置在系統(tǒng)的前面,也就是eyebox所在的位置。OpticStudio中的STOP表面是物體空間入口瞳孔直徑。它定義了進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光線束。由于在STOP前面沒(méi)有光學(xué)裝置,入口瞳孔就是STOP本身。eyebox規(guī)格可直接設(shè)置到STOP面。

在STOP表面上放置一個(gè)矩形孔來(lái)描述eyebox。場(chǎng)點(diǎn)表示虛像。STOP表面和擋風(fēng)玻璃之間的距離推出了眼睛的位置。擋風(fēng)玻璃在這里被定義為一個(gè)擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面。這鏡子就設(shè)置在它們的最終位置。

風(fēng)擋玻璃的形狀增加了PGU發(fā)出的光的像差,優(yōu)化自由曲面反射鏡可以部分糾正這一問(wèn)題。建立了一個(gè)價(jià)值函數(shù)來(lái)成像所有的場(chǎng)點(diǎn)(ZUI小均方根光斑半徑)。它還包含額外的限制,如放大和失真。

自由曲面鏡是根據(jù)Zernike Standard凹陷表面來(lái)建模的。

1. 打開包含初始設(shè)置的Zemax模型(hud_step1_mf_before_optimal .zar)。

2. 通過(guò)運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)來(lái)優(yōu)化自由窗體鏡像。

3. 將自由曲面鏡像的系數(shù)Z4、Z5和Z6設(shè)置為變量,并運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)。

4. 將自由曲面鏡像的系數(shù)Z7, Z8, Z9, Z10和Z11設(shè)置為變量,并運(yùn)行本地優(yōu)化器(在“Optimize…Optimize”下)。然后運(yùn)行全局Hammer優(yōu)化器1分鐘(在“Optimize…Hammer Current”下)。

第二步:將最后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從OpticStudio導(dǎo)出到Speos

設(shè)計(jì)可以導(dǎo)出為CAD文件,然后導(dǎo)入到Speos。為了簡(jiǎn)化Speos中設(shè)計(jì)的導(dǎo)入,在物體上增加了一個(gè)矩形孔徑來(lái)描述虛擬圖像。在PGU上也添加了一個(gè)矩形孔徑來(lái)描述顯示的范圍。

由于導(dǎo)出為CAD數(shù)據(jù)可能意味著準(zhǔn)確性的損失,建議檢查內(nèi)置模型(包含曲面解析描述的模型)和CAD模型之間的結(jié)果。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)差異,則對(duì)CAD描述具有良好的置信度。OpticStudio中可以使用兩種配置進(jìn)行評(píng)估。

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1. 打開包含初始設(shè)置的Zemax模型(HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar)。

2. 將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到STEP文件。要使所有表面在Speos中可用,選擇“Export Dummy Surfaces(導(dǎo)出虛擬表面)”,虛擬厚度為1。

第三步:使用HOA模塊進(jìn)行Speos模擬

1. 將STEP文件導(dǎo)入Speos。要顯示.stp文件,選擇“All Supported Files(HUD_Step1_start.stp)”。為了便于顯示,請(qǐng)按名稱從“A到Z”對(duì)結(jié)構(gòu)樹中的幾何圖形進(jìn)行排序。

2. 將新文件保存為HUD_Step1_start.scdoc。

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坐標(biāo)軸參考系(Reference axis system)

HOA需要一個(gè)參考軸系統(tǒng)的eyebox和PGU。

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1. 在3D視圖中選擇eyebox的背面(表面0)。

2. 在Design選項(xiàng)中,創(chuàng)建一個(gè)軸系統(tǒng)。使用移動(dòng)功能使軸系統(tǒng)與全局軸系統(tǒng)的方向?qū)R(提示:雙擊藍(lán)色和綠色箭頭將使軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90度)。

3. 將軸系重命名為“EB center”。

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1. 在3D視圖中選擇PGU的正面(表面12)。

2. 在Design選項(xiàng)卡中,創(chuàng)建一個(gè)軸系統(tǒng)。使用移動(dòng)功能將軸系統(tǒng)與PGU的方向?qū)R(提示:點(diǎn)擊紅色箭頭,然后點(diǎn)擊“定向到對(duì)象”,然后選擇PGU的水平軸)。

3. 將軸系統(tǒng)重命名為“PGU”。

一旦完成了這些,就可以運(yùn)行HOA模塊。HOA是一個(gè)直觀的工具,必須定義HOA的每一項(xiàng)以運(yùn)行分析。

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車輛軸(Vehicle axes)

第一步是為HOA定義坐標(biāo)軸。在OpticStudio設(shè)計(jì)中,Z軸為車輛方向,Y軸為頂部方向。

1. 在light simulation選項(xiàng)卡中,單擊system,然后單擊HUD Optical Analysis。

2. 在simulation 窗口中,將車輛方向設(shè)置為Z軸,頂部方向設(shè)置為Y軸系統(tǒng)(在屬性中,勾選“每個(gè)eyebox樣本的可視化”和“光學(xué)的可視化”設(shè)置為True)。

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然后設(shè)置包括eyebox,目標(biāo)圖像,擋風(fēng)玻璃,鏡子,PGU。對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目,用戶選擇對(duì)象,然后輸入可以從OpticStudio讀取的設(shè)置。

eyebox(Eye box)

1. 在simulation窗口中,選擇eyebox。

2. 在3D視圖中,單擊eyebox。

3. 選擇eyebox中軸系統(tǒng)。

4. 在HOA定義面板中填寫屬性。

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目標(biāo)圖像(Target Image)

1. 在simulation窗口中,選擇目標(biāo)圖像。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

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擋風(fēng)玻璃(Windshield)

1. 在simulation窗口中,選擇擋風(fēng)玻璃。

2. 在3D視圖中,先選擇擋風(fēng)玻璃內(nèi)表面(mirror 3),再選擇擋風(fēng)玻璃外表面(mirror 3),外表面只需要計(jì)算鬼像。

3. 在HOA面板中填寫屬性。

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鏡像面(mirror)

在這個(gè)HUD設(shè)計(jì)中,折射鏡有兩種光線交互作用。光線從PGU到折射鏡,到Freeform鏡,然后回到折射鏡,到擋風(fēng)玻璃,然后是eyebox。

1. 在simulation窗口中,選擇鏡像面。

2. 在3D視圖中,單擊 并選擇(按ctrl鍵進(jìn)行多個(gè)對(duì)象的選擇)折射鏡(mirror 6)、自由Freeform鏡(mirror 8)和另一個(gè)折射鏡(mirror 10)。

提示:mirror 6和mirror 10有切線面(可以使用鼠標(biāo)滾輪在幾何圖形中進(jìn)行切換選擇)。

3. 在HOA定義面板中填寫屬性。在鏡子列表中選擇從擋風(fēng)玻璃到圖像生成單元(PGU)的鏡子。

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圖像生成單元(PGU)

1. 在simulation窗口中,選擇PGU。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

注:為了更高的精度,增加PGU采樣(9x5或更高)。這會(huì)影響計(jì)算時(shí)間。

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報(bào)告設(shè)置(Report settings)

HOA設(shè)置完成,我們可以選擇輸出項(xiàng)。

可以運(yùn)行的一個(gè)有趣的分析是PGU的Warping。它顯示駕駛員查看由PGU顯示的圖像是如何被扭曲的。

1. 在模擬樹中,選擇Warping。

2. 在HOA定義面板中填寫屬性。

3. 在 Image box > File,加載Zemax OpticStudio PGU.png。

Build & Export warping 模式將以一個(gè)未失真的圖像作為輸入,并生成一個(gè)預(yù)失真的圖像,該圖像可應(yīng)用于PGU,以補(bǔ)償系統(tǒng)引入的失真。

可以運(yùn)行其他報(bào)告。只需在Report下面的Simulation樹中選擇它們。

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HOA結(jié)果分析

HOA設(shè)置完成可以正式點(diǎn)擊運(yùn)行了。

1. 在simulation窗口中,選擇HOA特性并將其重命名為START。

2. 單擊Compute以運(yùn)行模擬。'

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3D視圖和報(bào)告查看

虛擬圖像以及其他指標(biāo)顯示在3D視圖中。詳細(xì)的結(jié)果可以在.html報(bào)告中找到。

1. 在3D視圖中觀察虛擬圖像和其他指標(biāo)。

2. 打開.html報(bào)告查看詳細(xì)結(jié)果。

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鬼影分析(Ghost Image)

鬼影光線路徑和鬼影圖像都被計(jì)算,顯示出來(lái)了。

1. 在3D視圖中觀察鬼影圖像。

2. 打開報(bào)告查看Ghost測(cè)試結(jié)果。

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畸變和虛像分析(Warping and virtual image)

可以在Speos輸出文件文件夾或HOA特性下找到結(jié)果。PGU在3D視圖上顯示扭曲的圖像。

1. 觀察PGU?;儓D形已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)整應(yīng)用。

2. 觀察駕駛員視角下的ZUI佳聚焦圖像(點(diǎn)擊eyebox中軸系統(tǒng)的平面圖視圖)。增加縮放系數(shù),以檢查ZUI佳焦點(diǎn)。

3. 打開反畸變圖像和原始圖像。

4. 打開變形文件。

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光學(xué)路徑體(Optical volume)

光學(xué)路徑體在3D視圖上顯示。

1. 在HOA定義面板中,檢查光學(xué)路徑體。

2. 在3D視圖中,檢查optical volume是否在鏡像面和PGU尺寸范圍內(nèi)。

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動(dòng)態(tài)畸變(Dynamic distortion)

1. 在HOA定義面板,Visualization組中,將eyebox示例設(shè)置為True。視覺(jué)模式允許在左右眼或雙眼之間切換。

2. 改變水平樣本和垂直樣本,從不同的眼箱位置觀察3D視圖中的動(dòng)態(tài)失真。

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第四步:HUD系統(tǒng)的可視化

Speos可以通過(guò)HUD系統(tǒng)幫助不同駕駛員(不同的眼框位置)看到的東西可視化顯示在模擬結(jié)果中。對(duì)于這一步,Speos要求擋風(fēng)玻璃和HUD的兩個(gè)鏡像面都有材料應(yīng)用。

創(chuàng)建材料屬性(Create Materials)

為了進(jìn)行可視化,擋風(fēng)玻璃和鏡子需要有材料屬性應(yīng)用。

1. 點(diǎn)擊material進(jìn)行材料創(chuàng)建,并命名為Glas。

2. 將VOP屬性設(shè)置為Optic。

3. 將SOP屬性設(shè)置為Optical Polished。

4. 把材料應(yīng)用在擋風(fēng)玻璃上。

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1. 點(diǎn)擊material進(jìn)行材料創(chuàng)建,并命名為Mirror。

2. 將VOP屬性設(shè)置為Opaque。

3.將SOP屬性設(shè)置為Mirror 100%。

4.把材料應(yīng)用到兩個(gè)鏡像面上。

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添加預(yù)設(shè)(Adding Preset)

預(yù)設(shè)文件是一個(gè)XML文件*。預(yù)置,它定義給定Speos對(duì)象類型的配置(或僅定義其屬性的一個(gè)子集)。預(yù)設(shè)允許加速Speos對(duì)象的創(chuàng)建,并保持不同項(xiàng)目的一致性和連續(xù)性。

從附件中,復(fù)制并粘貼以下預(yù)設(shè)文件到此文件夾: "C:ProgramDataAnsysv221Optical ProductsPresets "

- Display_HUD.preset

- Radiance_HUD.preset

- Observer_HUD_stereo.preset

- Visualization HUD.preset

創(chuàng)建顯示屏光源(Create Display Source)

1.在light simulation選項(xiàng)中,在“source”部分,點(diǎn)擊Display。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Display選擇Display_HUD。點(diǎn)擊Display_HUD。

2. 定位Display_HUD源。確保藍(lán)色箭頭(z軸)指向折射鏡。

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創(chuàng)建亮度探測(cè)器(Create a Radiance Sensor)

1. 在light simulation選項(xiàng)中,在“sensor”部分,點(diǎn)擊Radiance。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Radiance選擇Radiance_HUD。點(diǎn)擊Radiance_HUD。

2 .定位Radiance_HUD。

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創(chuàng)建觀察者探測(cè)器(Create an Observer Sensor)

1. 在light simulation選項(xiàng)中,在“VR-Observer”部分,點(diǎn)擊Observer。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Observer選擇Observer_HUD_stereo。點(diǎn)擊Observer_HUD_stereo。

2. 定位Observer_HUD_stereo 探測(cè)器。

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運(yùn)算模擬(Run Simulation)

1. 在light simulation選項(xiàng)中,在“Simulation”部分,點(diǎn)擊Inverse。按住shift鍵同時(shí)點(diǎn)擊Inverse選擇Visualization HUD。點(diǎn)擊Visualization HUD。

2. 添加幾何體、光源、探測(cè)器到模擬中。

3. 如圖設(shè)置屬性。

4. 運(yùn)行模擬。

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結(jié)果分析(Analyze Results)

從eyebox中心位置查看虛擬像:打開“Visualization

HUD.1.Radiance_HUD.1.xmp”結(jié)果。

結(jié)果顯示有鬼影,因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃沒(méi)有楔角。

從不同的眼點(diǎn)位置查看虛擬圖像:

1. 打開“Visualization HUD.1.Observer_HUD_stereo.1.speos360”結(jié)果。

2. 使用鍵盤上的箭頭鍵來(lái)改變位置。當(dāng)開啟立體效果時(shí),你可以在左眼和右眼之間切換。

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重要的模型設(shè)置

擋風(fēng)玻璃(Windshield)

在OpticStudio中,擋風(fēng)玻璃被描述為一個(gè)擴(kuò)展多項(xiàng)式曲面。

HUD優(yōu)化(HUD optimization)

OpticStudio中的優(yōu)化是用完整的eyebox完成的。只有Freeform鏡面的形狀是優(yōu)化的。所有的元素都已經(jīng)固定了,并且在優(yōu)化過(guò)程中沒(méi)有將元素的位置設(shè)置為變量。

網(wǎng)格參數(shù)(Meshing)

在Speos、步驟4:HUD系統(tǒng)的可視化中,對(duì)象是需要網(wǎng)格化的。下面的截圖給出了網(wǎng)格設(shè)置:

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網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置是獲得正確仿真結(jié)果的關(guān)鍵。它們定義了將被模擬的幾何圖形的質(zhì)量。網(wǎng)格越細(xì),模擬效果越好,但模擬時(shí)間越長(zhǎng)。粗糙的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致較差的結(jié)果,特別是對(duì)于精密的光學(xué)元件。

導(dǎo)入CAD模型(Importing CAD)

在本例中,OpticStudio的設(shè)計(jì)被導(dǎo)出為STEP,然后導(dǎo)入到SPEOS中。因?yàn)镠UD是一個(gè)成像系統(tǒng),建議將幾何圖形轉(zhuǎn)換為重量級(jí),這樣意味著幾何圖形會(huì)具有更高度的細(xì)節(jié)。

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模擬時(shí)間(Simulation Time)

下面是我們運(yùn)行這些模擬時(shí)的模擬時(shí)間可作為參考,模擬時(shí)間在很大程度上取決于所使用的計(jì)算機(jī)。OpticStudio中的優(yōu)化只花了不到幾分鐘的時(shí)間。在Speos中運(yùn)行HOA需要12分鐘。使用GPU在Speos中運(yùn)行可視化需要1分30秒。

HOA 插件(HOA plugin)

本例使用默認(rèn)的Ansys插件計(jì)算HOA指標(biāo)。

審核編輯:郭婷

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原文標(biāo)題:如何使用Ansys光學(xué)解決方案設(shè)計(jì)和分析HUD系統(tǒng)

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    制造鏈,以實(shí)現(xiàn)確定性、可預(yù)測(cè)性和優(yōu)化的制造鏈布局、成本和交付時(shí)間。 2.調(diào)控與仿真 光學(xué)制造鏈調(diào)控的問(wèn)題在于,目前存在超過(guò)360多種已知的光學(xué)制造技術(shù)(OFT)和解決方案可供選擇,這些
    發(fā)表于 05-12 08:53

    PanDao:光學(xué)制造鏈設(shè)計(jì)

    。 總結(jié) 綜上所述,一種名為PanDao的新光學(xué)制造鏈設(shè)計(jì)軟件工具已被開發(fā),它支持光學(xué)設(shè)計(jì)與制造之間進(jìn)行人機(jī)交互。該工具在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)了成本影響分析,并能優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)以提高可制造性;從
    發(fā)表于 05-12 08:51

    PanDao:通過(guò)可生產(chǎn)性調(diào)控實(shí)現(xiàn)光學(xué)設(shè)計(jì)流程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

    性空間圖表:光學(xué)系統(tǒng)制造與裝配評(píng)估坐標(biāo)圖。圖中光學(xué)公差(X軸)與機(jī)械公差(Y軸)數(shù)值增大代表公差放寬。通過(guò)PanDao劃定的最優(yōu)工作區(qū)(圖中標(biāo)出的區(qū)域),能夠在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下,實(shí)現(xiàn)
    發(fā)表于 05-09 08:49

    PanDao:簡(jiǎn)化光學(xué)元件制造流程

    與語(yǔ)言交流障礙。盡管ISO10110等標(biāo)準(zhǔn)體系能提供部分解決方案,但無(wú)法從根本上消解這些系統(tǒng)性挑戰(zhàn)。\" \"人工智能技術(shù)正在對(duì)光學(xué)元件的制造優(yōu)化流程進(jìn)行深度革新,例如俄羅斯
    發(fā)表于 05-08 08:46

    PanDao:光學(xué)設(shè)計(jì)中的制造風(fēng)險(xiǎn)管理

    是通過(guò)對(duì)其加工參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析確定的。 1.簡(jiǎn)介 在光學(xué)制造技術(shù)中,可預(yù)測(cè)且穩(wěn)定的制造工藝對(duì)成本與質(zhì)量進(jìn)行可靠管理至關(guān)重要。本文闡述了針對(duì)特定光學(xué)元件與系統(tǒng),如何來(lái)確定光學(xué)制造鏈中應(yīng)采
    發(fā)表于 05-07 09:01

    PanDao:光學(xué)制造過(guò)程建模

    (OFT)和解決方案可供選擇,這些技術(shù)和解決方案必須被編排成僅部分取決于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的透鏡參數(shù)和公差的優(yōu)化制造鏈:特別是,優(yōu)化的光學(xué)制造鏈必須能應(yīng)對(duì)以下技術(shù)“六足”的相互關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn):
    發(fā)表于 05-07 08:54

    PanDao:光學(xué)加工評(píng)估

    一、軟件簡(jiǎn)介 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件工具可以很好地幫助光學(xué)工程師開發(fā)一款鏡頭產(chǎn)品,然而光學(xué)工程師和光學(xué)加工商之間仍然是基于人與人的交互。這個(gè)部分是光學(xué)
    發(fā)表于 05-06 08:43

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    發(fā)表于 04-15 14:16

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    的頭像 發(fā)表于 02-07 10:18 ?604次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 11-26 16:01 ?533次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 09-23 15:09 ?774次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 09-12 15:26 ?1007次閱讀
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    發(fā)表于 09-09 14:51 ?0次下載
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    發(fā)表于 09-09 14:42 ?0次下載
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    發(fā)表于 08-14 11:54