车载HUD产品设计实战：Ansys工具功能搭配仿真流程的深度拆解

为进一步提升汽车驾驶的安全性、便捷性与科技感，车载抬头显示器（HUD）可将车速等关键行车信息投射至驾驶员前方视野，让驾驶员无需转移视线、保持前路聚焦的同时，即可快速获取行车所需信息。本文将介绍基于ANSYS软件的HUD产品设计与仿真流程。

光学系统初始建模

在实际驾驶过程中，驾驶员头部的转动会导致视线偏移，因此系统引入了  眼盒（Eye Box）的概念来模拟这一动态范围。眼盒是一个虚拟的三维空间区域，它定义了驾驶员眼睛可能出现的位置范围，是评估HUD 虚像可视性的核心指标之一。

从光学逆向追迹的角度（以虚像为起点），光线的等效传播路径为：

虚像等效光线 → 入瞳光阑（定义有效入射口径）→ 风挡玻璃 → HUD 内部反射镜 → 图像源（液晶显示器）像面

光学系统规格

1)虚像距离：设定为 2 米，确保虚像与驾驶场景的视觉融合度，减少驾驶员的视觉疲劳。

2)显示信息：以当前车速（例如 80km/h）为核心显示内容，满足驾驶场景下的关键信息提示需求。

3)机械与光学限制

空间约束：HUD 的布局受限于仪表板下方的可用安装空间，需在紧凑结构内实现光学设计。

4)风挡玻璃功能：风挡玻璃作为半透半反分束器，既要投射虚像，又要保证驾驶员对前方道路的清晰视野。

5)人眼适配参数

眼盒范围：覆盖驾驶员眼睛的动态位置，定义为宽度 ±50 mm、高度 ±20 mm 的虚拟区域，确保头部转动时虚像仍可视。

6)入瞳直径：基于典型驾驶场景设定为 4 mm，适配明亮环境下的人眼瞳孔尺寸（2–4 mm），兼顾黑暗环境的使用需求（4–8 mm）。

7)图像源（液晶显示器）尺寸：宽 ±12.5 mm、高 ±5 mm，为虚像提供原始图像。

8)放大倍数：设定为 6 倍

光学系统选择

本 HUD 系统采用折叠式光学架构，可在仪表板下方的有限安装空间内实现紧凑化布局，其基础光学结构由两枚反射镜组成，分别为平面反射镜与自由曲面反射镜。反射镜作为成像元件的核心优势在于，不会为光学系统引入任何色差，能有效保障成像精度；其中自由曲面反射镜为系统关键可调元件，需通过后续优化确定其最优曲面参数，以匹配整体光路设计要求。

基于ansys软件进行HUD设计流程

1)虚像至显示器：序列模式逆向建模

光学系统设计率先在序列模式下从虚像向显示器逆向推进，该方式的核心优势为从驾驶员观测到的虚像端切入建模，更贴合实际视觉感知逻辑，设计思路更直观。建模时将光阑面设置于系统前端（眼盒所在位置），并在光阑面配置矩形孔径，以此精准约束驾驶员的眼睛位置范围。

2)显示器至虚像：序列模式正向验证

完成逆向建模后，将光学系统在序列模式下反向切换为正向光路（从显示器到虚像），通过该方式可精准评估系统的实际正向光学性能，验证光路设计的合理性与成像效果。

3)杂散光与真实成像：非序列（NSC）模式仿真

最终将系统转换为非序列（NSC）模式进行全维度仿真。该模式可构建更贴合实际的光学模型，支持开展杂散光分析，同时能精准还原驾驶员通过抬头显示器观测到的真实成像效果，完成系统综合性能的最终验证。

从虚像到显示器

系统选项：

孔径：眼盒是系统的光阑面，因此它代表了驾驶员眼睛的位置范围：宽度=±50毫米，高度=±20毫米，所以我们将该尺寸的矩形孔径放置在光阑面。

-入瞳直径(EPD)计算可得2 × (20ˆ2 +50 ˆ2) ˆ2 = 108毫米。

-视场：视场类型为物高，规格定义为矩形。在实际系统中，显示器上的图像为虚像尺寸的6倍，因为当前的设计是逆向从虚拟图像到LCD显示器的，因此可以计算虚像的大小，并将其用作“视场编辑器”中定义视场大小的物高。液晶显示器尺寸为：宽度=±12.5毫米，高度=±5毫米。因此，物高尺寸应该是此值的6倍。

视场宽度=±75毫米(6 x 12.5)，视场高度=±30毫米(6 x 5)

-波长：LCD显示器将发出0.55μm的波长

风挡玻璃

如需精准定位该 HUD 光路的有效作用区域，可借助 Footprint Diagram（足迹图）工具实现 —— 该工具能可视化呈现光线传播过程中，在各光学表面的实际投射迹点与照明范围，以此清晰标定风挡玻璃上与 HUD 光路匹配的考察区域。

该分析使用探测光源光线并记录该探测光线击中NSC物体的位置。包含风挡玻璃CAD零件和资源。

风挡玻璃的X和Y尺寸需要在NSC矢高图中进行设置。可以近似使用相机视图结合活动光标位置读取需要设置的X-Y：

NSC 模式下的矢高图支持伪彩色可视化呈现；若在软件 “设置” 的 “显示” 选项中切换为 “文本” 模式，矢高数据也可以文本列表形式输出。该文本输出结果可保存后转换为标准.DAT 数据格式，直接用于网格矢高曲面的建模与调用。本示例中为简化建模流程，风挡玻璃的曲面形态采用扩展多项式曲面进行拟合与建模

定位所有元件

这是一个表示所有元件位置的示意图：

可以利用以下实用工具将表面进行放置：

• 坐标间断面可通过返回（Return） 方式定义表面的倾斜与偏心参数，该功能可在Surface Properties（表面属性）→Tilt/Decenter（倾斜 / 偏心） 面板中进行设置。OpticStudio 会自动计算该坐标间断面的相关参数，确保在该面之后的局部坐标系，与此前序列中各光学表面的局部坐标系保持一致。

• 主光线计算：计算坐标间断面的倾斜和偏心，使其垂直于主光线并以主光线为中心：

总结：

以车载 HUD 产品设计展开，利用 Zemax OpticStudio 工具功能进行设计与仿真的流程。HUD 可将行车信息投影至驾驶员前方视野，提升驾驶安全性与便利性，其系统有明确规格，包括虚像距离、眼盒范围、液晶显示器尺寸等参数。设计采用折叠系统，含平面反射镜和需优化的自由曲面反射镜，流程分为逆向（从虚像到显示器）、正向（从显示器到虚拟图像）及非序列模式转换三步，重点阐述了逆向设计中初始结构搭建、系统选项设置（孔径、视场、波长）、风挡玻璃建模（含 NSC 矢高图相关操作）与元件定位等关键步骤，为后续系统性能评估和优化奠定基础。

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新科益系统与咨询（上海）有限公司 作为Ansys Elite Partner全球精英级合作伙伴，致力于CAE仿真领域30余年，拥有资深的技术服务团队以及完整的培训和服务体系，为客户提供基于Ansys仿真平台多学科的仿真支持，包含：结构、碰撞、流体与热、电磁、光学、功能安全、材料数据管理等全线仿真领域；在新加坡、北京、上海、深圳、等都有本地的技术服务团队，为用户提供业界领先的仿真技术和及时专业的服务。

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