抬头显示器已准备好迎接闪耀时刻

随着大型汽车制造商布局新一代抬头显示器技术，仿真可助力其应对安全挑战。

为了在竞争日益激烈的全球市场中赢得胜利，汽车制造商需要凭借新一代创新技术脱颖而出，实现安全舒适的驾驶体验。抬头显示器（HUD）正在成为创新和竞争差异化优势的关键领域。

HUD可将速度表读数、剩余油量、导航指引和交通警告等关键信息投影到挡风玻璃或驾驶员视野范围内的专用反射镜上，从而帮助驾驶员时刻关注路况并保持注意力。HUD是增强现实的一种形式，最早出现在航空业，现已被应用于商用汽车领域，成为了当今高级驾驶辅助系统（ADAS）平台的重要组成部分。

随着驾驶员纷纷接纳这种前沿技术，HUD市场正在呈爆炸式发展。事实上，未来八年内，其市场规模预计将增加近四倍，从2023年的16亿美元增长到2032年的70亿美元。

全球最大的汽车制造商都在密切关注HUD，并进行相应的投资。他们关注的重点是将HUD从当前较小的显示区域扩大至整个挡风玻璃，从而尽可能避免驾驶员视线偏离道路。福特、宝马和通用汽车都在全挡风玻璃显示技术方面布局专利并开发原型。

也许目前最雄心勃勃的研发工作当属于现代汽车，该公司计划尽早在2027年款车型中推出全挡风玻璃HUD。现代汽车还推出了重新设计的座舱，去除了仪表板，使HUD的玻璃面积变得更大。

通过Ansys技术实现照明设计优化

HUD的开发一直面临复杂的设计挑战，主要是因为其涉及人类感知。跨职能设计团队不仅需要解决玻璃强度和投影系统成本等实际问题，还必须应对人类行为和视觉能力的差异问题。设计人员必须考虑各种可读性和照明问题，例如鬼影/重影、畸变、扭曲和色差。

造成不确定性的主要根源之一是杂散光，它被定义为探测器感测到或人类感知到的任何非预期的光线。如果杂散光来自HUD自身的光学组件，例如，如果光以意外的方式从挡风玻璃涂层上反射，则会导致鬼影反射，从而使驾驶员感到混淆或阻挡他们的视线。杂散光也可能来自非光学组件，例如太阳或迎面来车的前照灯，从而导致意外眩光。

显然，随着HUD的表面积的增加，杂散光干扰显示数据和前方道路可见性的风险也随之增加。随着HUD设计逐渐成熟并发展成为一门科学，汽车工程团队现在可以使用一系列工具和最佳实践来抑制杂散光及其影响。他们可以更改HUD光学组件的角度、材料、基板、涂层和位置。工程师还可以在其HUD设计中纳入光阱——用于捕获非预期光线路径的机械结构。

但仍存在一个棘手的问题：HUD开发团队如何在成本高昂的原型设计和物理测试阶段之前，准确再现人类感知的全部范围，识别杂散光的每一种可能的来源，并消除不必要的光学现象呢？答案就是工程仿真。

仿真是目前罕有的能够实现对HUD众多组件进行建模的快速、可行且具有经济效益的方法，可在数千个潜在的运行参数下再现HUD性能，并在低风险虚拟环境中进行设计调整，以最大限度地减少杂散光及其影响。工程指标可以帮助设计人员满足预设规范，但要确保汽车安全性达到最高标准，关键在于了解人类体验对显示器易读性的实际影响。

作为仿真领域的领先企业，Ansys提供了两种先进的解决方案——Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计与分析软件以及Ansys Speos CAD集成式光学及照明仿真软件。即使是最先进、最大规模的HUD系统，其实际性能也能通过这些解决方案精确再现。

将感知艺术与光学科学相结合

为了解OpticStudio软件和Speos软件如何协同工作来检测并最大限度地减少杂散光，我们不妨来看一下Ansys专家创建的一个仿真示例。该示例应用了这两种Ansys解决方案来优化投影到汽车反射镜上的HUD设计。

首先，工程师可以在OpticStudio软件中对HUD系统进行优化，以实现预期的光学性能，同时缓解光学组件引起的杂散光。杂散光可能来自于HUD内部或外部，以鬼影或太阳热点的形式出现，导致投影图像模糊不清，或者更糟糕的，会损坏图像生成单元（PGU）。不过，通过调整镜面形状/角度、材料和涂层，就可以大幅减少这些影响。涂层选择也非常重要，例如添加冷反射镜膜以减少PGU热量。

接下来，工程师将这些数据传输到Speos软件中，以便在真实驾驶情况下对HUD进行全面的系统级分析，包括引入额外的机械外壳和其他非光学几何结构。工程师先确定最坏情况下的杂散光产生条件，这不仅包括HUD系统中的杂散光，而且还包括来自外部世界的杂散光。然后，他们对杂散光照射HUD玻璃表面、机械外壳或仪表板的影响进行仿真。来自这些物体的眩光不仅会影响显示屏的可视性，而且还可能会遮挡驾驶员对前方道路的视野。在这里，我们还可以从人类驾驶员的角度验证视觉体验。在再现人眼视觉的虚拟世界中，我们可以准确地“看到”杂散光的影响，即眩光、景深等。工程师可以问问自己，“由此产生的光学现象，是否只是一种轻微干扰或对驾驶安全构成了实际威胁？”

无论是哪种情况，设计人员都可以使用Speos软件来应用设计校正，以减轻杂散光的影响。例如，设计人员可以改变显示材料特性，以最大限度地减少眩光或反射。设计人员可以测试具有漫反射和吸光特性的材料的影响。

Ansys仿真不仅可实现轻松、快速的设计变更，还能够实现开发新一代HUD所需的跨职能协作。通过Ansys仿真，不同的团队成员能够将其设计的真实性能动态可视化，开展迭代协作并成功创建虚拟原型，从而最大限度地提高了设计置信度、团队合作和创新水平。

同时提高设计和安全领先地位

目前，汽车制造商面临着极具挑战性的局面。市场需求促使他们快速推出HUD等创新的ADAS安全功能，但在竞相发布能够实现其品牌差异化优势的汽车模型和数字技术时，汽车制造商绝不能在物理建模计算或分析严谨性上打折扣。

他们对HUD的投入和期望甚高，而Ansys仿真可提供两全其美的优势：对实际驾驶条件下的系统性能进行综合复杂的分析，以及提供快速、低成本的设计和验证方法。在HUD设计周期的最早期阶段就可以开始考虑安全性，而且可以反复建模持续优化，直到准备好进行物理测试。

随着HUD尺寸不断增大，功能越来越先进，所有主要的汽车制造商都将目光集中在HUD开发上。为了实现这些宏伟的计划，他们需要将OpticStudio软件、Speos软件以及其他领先的汽车设计最佳实践纳入到工具箱中。

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