翻译校对：刘洋 | Ansys高级应用工程师

概述

AR HUD通过直接在驾驶员的视野中显示有用的信息来为驾驶员提供行车信息。与基于反射镜的AR HUD系统相比，使用衍射光波导的AR HUD更小，因此更容易集成到空间有限的各种类型的驾驶舱中。本文演示了使用Ansys光学解决方案来设计和分析由具有输入和输出表面浮雕光栅组成的AR HUD，将Zemax OpticStudio的光学透镜系统信息和Lumerical的光栅信息导入Speos，进行系统级性能分析，评估人眼视觉效果。

当使用Speos在3D环境中模拟整个AR光学系统时，这种互操作性工作流程捕获了光栅的纳米级结构和投影透镜系统的宏观尺度结构之间的相互作用，优化组件并构建具有物理级渲染的3D场景感知。

以下工作流是用于建模完整的AR-HUD，每个步骤都将在Ansys光学解决方案套件的软件中执行设计和仿真：

• 步骤1：在Zemax OpticStudio中设计投影镜头系统（本文未涉及具体设计参数）。
  Zemax OpticStudio用于设计投影透镜系统，并使用“export optical design to Speos”（*.odx）功能将光学系统导出到Speos。
• 步骤2: Lumerical中的光栅设计（本文未涉及具体设计参数）。
  可以使用Lumerical RCWA或FDTD对衍射光栅表面进行建模，将光散射到所支持的光栅阶级，并以JSON文件的形式导出光栅表面模型。
• 步骤3：在Speos中进行集成和系统级分析
  利用 Speos进行深入的系统级分析，通过光学设计交换（*.odx）功能无缝、准确地集成投影透镜模型，并通过JSON文件耦合衍射光栅表面。利用GPU/CPU计算进行精确的非顺序光线跟踪分析和生成光度/辐射测量结，通过考虑人眼视觉感知进行综合分析，验证系统的性能。

这个例子主要涵盖了 Speos部分的完整工作流程。案例数据请在Ansys optics网站下载。

结果与数据分析

步骤1：Zemax OpticStudio中设计投影镜头系统（本文未涉及具体设计参数）

利用Zemax OpticStudio软件对投影透镜系统进行了设计。该系统包括一个三镜头系统，以实现精确的光准直。两个双透镜有助于减少色差和球差，这对于保持HUD视野范围内的图像清晰度至关重要。视场为22°，光源和第一个镜头之间有45mm。

有关Zemax OpticStudio中镜头设计技术和功能的更多信息，请访问Zemax Knowledgebase

由于系统级分析将在Speos中执行，因此镜片设计需要从Zemax OpticStudio转移Speos。因此，建议使用Optical Design Exchange生成ODX数据，包含镜头几何形状及其位置和方向，以及它们的光学特性（材料和涂层）。ODX功能可以Zemax OpticStudio 24R1以上的版本使用，或者低版本Zemax OpticStudio中不支持此功能，仍然可以将镜头系统导出为STEP文件，将其导Speos，并设置光学属性。

步骤2: Lumerical中的光栅设计（本文未涉及具体设计参数）

该AR HUD依赖于一维衍射波导，其中需要两个光栅：耦入光栅使光线进入波导，耦出光栅使光线通过全反射传播后出射波导。

利用Lumerical软件的RCWA求解器对其进行设计。耦入和耦出光栅的衍射特性保存在JSON数据文件中，并导入Speos中。此外还有一个通用插件，SOP文件，作为表面性质来模拟亚波长结构在光线追踪模拟中的行为。

两种光栅都经过优化，波长为530nm，折射率为1.52。它们具有以下属性：

• In-coupling grating:
  Incident Angles: θ = 65° and φ = 0°
  Output Angles: θ = 43.1° and φ = 0°
  Period: d = 4 µm
  Optimized grating order: m = 1 (θ_1 = 43.1°)
• Out-coupling grating:
  Incident Angles: θ = 43.1° and φ = 0°
  Output Angles: θ = 0° and φ = 0°
  Period: d = 0.51 µm
  Optimized grating order: m = -1
  

有关将光栅生成为JSON文件的更多信息，请访问 Lumerical Sub-Wavelength Model plugin: Introduction and Data Generation ，有关在Speos中使用这些光栅的更多信息，请访问Lumerical Sub-Wavelength Model plugin: Usage in Speos。

光栅文件（*.json）和插件文件（*.sop）可以作为表面属性导Speos，以模拟AR系统的亚波长衍射光学元件的行为。

步骤3：在Speos中进行集成和系统级分析

现在投影仪系统和光栅已经设计并导出，需要使用 Speos来组装完整的AR HUD系统并进行系统级分析。为此，需要通过添加额外的几何来完成设置，例如挡风玻璃和波导，来自Zemax OpticStudio的投影透镜系统，并通过应用来自Lumerical的光栅作为波导的光学特性。一旦数据准备完成，通过设置和运行模拟来分析系统。

1. 几何体数据

在Speos中导入或设计，汽车挡风玻璃，波导几何体，波导尺寸：140mm× 21 mm，厚度2mm，耦入光栅尺寸：10mm× 15mm，耦出光栅尺寸：120m× 15mm，HUD结构设计，为了避免投影系统周围和波导周围的漏光。

1. ODX光学数据导入

导入来自Zemax OpticStudio包含透镜镜头系统的odx文件。

3. 定义光栅属性

导入光栅文件(*.Json和*.sop)作为 Speos中的光学属性。

首先，定义基础材料属性，光波导为折射率1.52和光学抛光属性。

设置In-coupling光栅面设置FOP面属性，将Use texture设置为True，选择面属性plugin模式，并选择*.sop 和 input_grating.json文件，定义光栅属性，在texture位置选择一个PlainWhite.png纹理图像。

创建In-Coupling光栅面的UV mapping贴图，UV映射功能用于定位纹理材料中定义的图像文件。点击UV mapping，选择In-Coupling光栅面，定义投影和正方向。

设置Out-coupling光栅面设置FOP面属，重复上述相同的步骤以应用output_grating.json文件在在波导耦出面上。并设置两层surface properties，一层为光栅属性，另外一层设置一个梯度纹理渐变层，以增加最终结果的均匀性。分别设置UV贴图index为1和2。

创建out-Coupling光栅面的UV mapping贴图，由于在out-Coupling光栅面的定义中选择了两层属性，所以同样需要定义两层UV mapping。

4. 设置模拟

除了几何形状和材料外，还需要定义源和传感器来运行模拟。

创建PGU的显示光源，光源是530nm是光栅被优化的波长。由于波导是一维的，所以PGU是窄光源（X方向12.5 mm， Y方向0.4 mm）。

创建Environment的HDRI光源，表示道路场景文件。

创建极端方向的natural light太阳光源。

创建了一个亮度传感器，代表司机的视野，焦距设置为7m，视场为24°x 13°。

5. 运行模拟

已经创建了三个inverse模拟，分别得到HUD显示结果，Environment环境场景结果和极端太阳角度结果。最后将所有的结果合并成一个XMP进行分析。

仿真1，Inverse_PGU，模拟HUD系统，选择包含所有几何形状和PGU光源，运算模拟仿真得到结果。

通过放大生成的图像，可以观察到来自挡风玻璃曲率的产生畸变，以及来自挡风玻璃两个表面之间相互反射的重影图像。

打开measurement测量工具并调整测量区域，以在传感器的所需区域上执行测量，例如亮度或色度值。

通过测量工具，可以轻松地通过计算输入和输出亮度之间的比率来检查系统的效率，该比率是显示源的亮度（在定义中输入的值是图像中最亮的像素的亮度）与结果的亮度值的比率。

测量视场（FOV）的一种有效方法是使用“user line”形状测量。方法取决于亮度传感器类型：

如果传感器定义为“observer”类型，则XMP表示角度图。在这种情况下，“user line”测量直接提供视场度。

如果传感器是“Frame”定义的，则XMP以毫米表示。在这里，需要使用公式进行额外的计算来确定: FOV = 2×arctan(x/(2×f))，其中x是图像大小，f是焦距。

关于颜色均匀性，测量工具可以从颜色坐标系统中提取值，包括xyY， uvY和Lab。然后，这些值可以用于公式中，例如，计算最小值和最大值之间的比率，以评估颜色均匀性。

仿真2，inverse_Environment，模拟外部环境，选择所有几何图形和环境光源，运算仿真得到XMP结果。

仔细检查这个结果，可以在下部区分出一个较暗的区域，这对应于dashboard开口上光源的“非反射”。这个开口允许来自波导的光通过dashboard并生成虚像。

仿真3，Inverse_Sun，模拟极端太阳方向产生的强反射，在计算之前，需要找到极端太阳方向，需要运行一个direct仿真，找到太阳的关键方位的步骤如下：

在eyebox位置创建一个面光源，创建一个conconscopic强度传感器，激活faces分层， 运行一个direct模拟，并激活light expert。运算后打开lpf文件，在3D视图中显示射线， 选择光线在HUD结构或波导上反射的路径，右键单击模拟并选择导出射线，使用其中一条射线来定义自然光源的轴线，完成natural light的定义。

创建inverse simulation仿真，选择所有的几何形状和太阳natural light，并运算仿真。

在这个方向下，太阳将直接照射到dashboard上，然后驾驶员将看到dashboard被反射到挡风玻璃。

结果中的白色区域来自太阳光照射在dashboard上后反射到挡风玻璃的结果。黑色区域来是太阳光在HUD系统光波导结构区域没有反射光出现在挡风玻璃的结果。而灰色的u形区域来自光线击中HUD外壳结构，然后被挡风玻璃反射。尽管外壳上使用了Vantablack材料，极大地限制了反射，但不能完全阻止反射，这也是HUD系统常见杂光的一部分。Light Expert工具可用于在3D视图中分析光线的光路。

6.合并三个结果

使用Photometric Calc Editor，可以合并来自三个模拟的结果，同时保持三个光源各自独立，允许使用虚拟光源控制器在后期处理中修改光源。修改源的功率以查看对结果的直接影响。例如修改PGU和太阳光能量对视觉的影响。

本例中使用的波导是一维的。为了更进一步，设计人员可以模拟一个二维波导。此外，波导是单色的，但可以模拟三个RGB层。

可以使用VR observer探测器来模拟不同眼盒位置的视觉感知。这样就有可能比较从不同角度感知到的结果。

最后，为了根据设定的景深考虑眼睛的真实感知，可以将radiance亮度传感器替换为human eye人眼传感器，然后进行进一步优化以调整性能。