Zemax案例 | 基于Zemax实现无机械变焦AR-HUD全流程光学设计

引言随着智能汽车座舱技术快速迭代，增强现实抬头显示（AR HUD）已成为高端智能车载座舱的核心配置。相较于传统反射镜式AR HUD，衍射波导型AR HUD凭借体积小巧、集成性强、适配各类车载座舱狭小空间的优势，成为行业主流发展方向。衍射波导AR HUD融合纳米级光栅微结构与宏观投影镜头系统，光学链路复杂，传统单一仿真软件难以实现全链路性能校验。Ansys光学仿真套件构建了Zemax OpticStudio+Lumerical +Speos一体化设计仿工作流，覆盖投影镜头设计、亚波长光栅建模、系统级光学集成分析全流程。其中Ansys Speos作为系统级仿真核心工具，可实现多软件数据无缝对接、三维环境光学仿真、人眼视觉感知评估，为车载AR HUD光学性能优化、成像质量校验、杂散光抑制提供专业仿真支撑。本文基于Ansys官方衍射波导AR风挡HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研发中的应用价值、仿真流程、核心参数及结果分析，为车载光学行业研发人员提供参考。衍射波导AR HUD技术优势与仿真痛点1.1 技术核心优势AR HUD可将车速、导航、路况等行车信息直接投射至驾驶员视野区域，实现视线不离路的安全驾驶辅助。衍射波导架构摒弃传统大体积反射镜模组，利用表面浮雕光栅（SRG）与光波导全反射原理完成光信号传输，核心优势如下：结构微型化：整体体积远小于传统反射镜方案，易于嵌入仪表台狭小空间；成像画质优：可精准控制光路传播，适配大视场、高清晰度成像需求；适配性广泛：兼容各类车型风挡曲面结构，满足不同座舱布局设计要求。1.2 行业研发仿真痛点衍射波导AR HUD跨尺度光学特性显著，纳米级光栅结构与宏观镜头、风挡、波导结构相互耦合，研发过程面临多重仿真难题：跨尺度仿真割裂：纳米光栅衍射特性与宏观镜头光路无法同步建模分析；多部件协同难：投影镜头、耦合光栅、光波导、车载风挡的光学匹配难以校验；真实场景适配弱：无法模拟日光干扰、环境路况、人眼实际视觉感知效果；性能量化缺失：视场角、成像均匀性、光效、杂散光等关键指标难以精准测算。Ansys Speos依托多软件协同能力、非序列光线追迹、物理无偏渲染技术，完美解决上述痛点，实现AR HUD从部件设计到系统级验证的全流程仿真落地。基于Ansys一体化AR HUD仿真架构与软件分工本次AR风挡HUD仿真采用Ansys三大光学软件协同作业模式，各软件各司其职，数据无缝流转，最终由Speos完成系统级集成与分析。图1：AR HUD仿真全流程架构图2.1 Ansys Zemax OpticStudio：投影镜头系统设计作为专业光学镜头设计工具，负责AR HUD投影光路核心设计：设计三片式投影镜头模组，搭配双胶合透镜结构，有效校正色差与球差，保障全视场成像清晰度；锁定核心光学参数：系统视场角22°、总长106mm、光源与首透镜间距45mm、入瞳直径10mm；支持通过Export Optical Design to Speos功能导出.odx格式文件，完整留存镜头几何结构、位置姿态、材料及镀膜参数，直接对接Speos。2.2 Ansys Lumerical FDTD/RCWA：亚波长光栅设计聚焦纳米级表面浮雕光栅仿真建模，是衍射波导核心器件设计关键：采用严格耦合波分析（RCWA）与时域有限差分（FDTD）求解器，建模输入、输出耦合光栅衍射特性；优化光栅核心参数，适配530nm基准波长、1.52折射率波导材料；导出JSON光栅数据文件与.sop插件文件，以表面属性形式接入Speos，实现亚波长结构在光线追迹仿真中的精准复刻。2.3 Ansys Speos：系统级集成与光学仿真分析作为仿真流程核心载体，承担模型集成、三维场景搭建、光线追迹、性能仿真、人眼感知评估全流程工作：无缝导入Zemax镜头.odx文件与Lumerical光栅JSON文件，实现跨尺度模型融合；构建车载三维场景，包含风挡、光波导、外壳等几何结构，还原真实装车环境；基于CPU/GPU并行计算，开展非序列光线追迹，输出光谱辐照度、辐射亮度分布图；量化评估成像畸变、重影、视场角、光效、色彩均匀性及日光杂散光干扰等关键指标。衍射波导AR HUD核心器件关键参数本次仿真案例采用一维衍射波导架构，配置输入耦合光栅与输出耦合光栅，依托全反射实现光路传输，核心器件参数标准化设定如下。图2：波导光栅结构示意图3.1 光波导几何参数光波导尺寸140mm×21mm，厚度2mm；输入耦合光栅尺寸10mm×15mm，输出耦合光栅尺寸120mm×15mm，搭配专用遮光外壳结构，杜绝投影系统与波导周边漏光问题。3.2 输入耦合光栅核心参数优化工作波长530nm，材料折射率1.52；入射角度θ=65°、φ=0°，出射角度θ=43.1°、φ=0°；光栅周期4μm，优化衍射级次m=1。当材料折射率为1.52时，光波导全反射临界角为41.14°，该光栅出射角度满足全反射传输条件。3.3 输出耦合光栅核心参数匹配波导内光路入射角度θ=43.1°、φ=0°，垂直出射θ=0°、φ=0°；光栅周期0.51μm，优化衍射级次m=-1，保障光路垂直投射至驾驶员视野。3.4 光栅衍射角度理论计算通过光栅方程n₂×sin(θₘ)=n₁×sin(θᵢ)+m×λ/d，可精准计算各级衍射角度，仅1~4级衍射光可在波导内实现有效传播，其余级次光路被抑制，为光栅参数优化提供理论依据。基于Ansys Speos的AR HUD完整仿真流程本次仿真核心聚焦Speos端操作，分为模型导入配置、三维几何搭建、光栅属性赋予、仿真工况设置、仿真运算、结果分析六大环节，适配Speos 2025 R1及以上版本。4.1 多软件模型数据导入投影镜头导入：在Speos中调用光学设计交换组件，加载Zemax导出的.odx文件，匹配坐标轴系统，一键生成三维镜头模型，可直接查看镜头原始设计参数且不可篡改；图3：Speos光学设计导入界面光栅模型导入：加载Lumerical输出的.json光栅参数文件与.sop插件文件，为光波导耦合面赋予亚波长结构表面属性，同时配置纹理贴图与尺寸参数。4.2 三维几何结构搭建在Speos中完成车载核心结构建模与导入：导入整车弧形风挡模型，还原真实曲面形态；内置设计标准尺寸光波导，并划分输入、输出光栅区域；定制遮光外壳几何模型，规避光路漏光与杂散光反射。所有基础模型可直接调用案例初始文件HUDWaveguide_Start.scdocx快速搭建。4.3 光栅材料与UV映射配置自定义光学材料：分别创建输入、输出耦合光栅专用材料，绑定光栅插件文件与参数文件，配置纹理贴图基础参数；UV映射定向：新建UV映射坐标系，精准匹配光栅排布方向，确保衍射光路传播角度符合设计值；渐变效率优化：在输出耦合面添加渐变蒙版纹理，通过梯度亮度调节，提升AR HUD全屏成像亮度均匀性；图4：波导光栅属性配置界面4.4 仿真光源与传感器设定仿真配置三类光源与专用辐射亮度传感器，还原真实行车光学环境：PGU显示光源：单色530nm窄带光源，尺寸12.5mm×0.4mm，亮度1000cd/m²，朗伯光源发散角20°，模拟AR HUD图像投影光源；环境路况光源：搭载.exr格式路况环境贴图，亮度1000cd/m²，模拟日间行车外部环境光；自然太阳光源：设定临界照射角度，模拟强光直射下日光对AR HUD成像的干扰；人眼视觉传感器：焦距7米，视场角24°×13°，成像分辨率1mm×1mm，模拟驾驶员人眼实际观测视野。4.5 逆向仿真工况搭建与运算采用反向仿真模式（光线从传感器向光源反向追踪），搭建三组独立仿真工况，支持GPU加速运算大幅缩短仿真耗时：Inverse_PGU工况：仅包含投影光源与全结构，仿真AR HUD自身成像光路；Inverse_Env工况：搭载环境路况光源，仿真外部环境光与AR HUD的耦合成像效果；Inverse_Sun工况：配置临界角度太阳光源，仿真日光杂散光、仪表台反射对成像的干扰。三组仿真独立运算后，可通过光度计算编辑器合并结果，保留各光源独立可控属性。Speos仿真结果深度分析与性能评估通过XMP Viewer、测量工具、光迹分析工具及人眼视觉实验室，从成像缺陷、核心性能、环境适应性三大维度完成结果校验。5.1 AR HUD原生成像效果分析调取Inverse_PGU仿真结果，可清晰观测两大成像缺陷：一是车载弧形风挡导致的图像畸变问题；二是风挡双层玻璃表面互反射引发的重影现象，为风挡曲率优化、镀膜方案改进提供仿真依据。图5：AR HUD成像畸变仿真效果图同时借助Speos测量工具，可精准测算三大核心性能指标：光学效率：通过输入光源亮度与成像像素亮度比值，计算系统光传输效率；视场角（FOV）：利用自定义线条测量功能，直接读取角度型传感器视场角，或通过公式FOV=2×arctan(x/(2×f)）计算画幅型传感器视场；图6：自定义线条测量视场角色彩均匀性：提取xyY、uvY、Lab等色彩坐标参数，通过极值比值评估全屏色彩一致性，支撑光学系统参数折中优化。图7：色彩均匀性测量5.2 环境光耦合仿真分析Inverse_Env仿真结果显示，仪表台预留透光开口区域存在明显亮度暗区，该区域为波导光路投射虚拟像的专用通道，仿真可精准预判仪表台结构布局对AR HUD成像的遮挡影响，指导座舱结构协同设计。5.3 日光杂散光干扰分析Inverse_Sun仿真还原强光下三类光学现象：白色 区域：太阳光照射仪表台哑光皮革后，经风挡反射进入人眼视野；纯黑区域：光线入射波导光栅后无反射，形成视觉暗区；U型灰色 区域：HUD外壳反射光经风挡二次反射形成杂散光，即便采用纳米黑材料仍无法完全消除。通过Light Expert光迹分析工具，可三维追溯杂散光传播路径，针对性优化外壳材质、安装角度及遮光结构。图8：日光杂散光光迹分析界面5.4 多工况结果融合与可视化调试将三组仿真结果合并后导入人眼视觉实验室，通过虚拟光照控制器可实时调节PGU光源、太阳光、环境光亮度比例，直观观测不同光照场景下AR HUD成像效果，实现参数快速迭代优化。图9：成像效果图参考案例https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/44843180268179-Augmented-Reality-Windshield-Head-Up-Display来源：摩尔芯创