Speos案例 | 基于Speos的衍射波导AR风挡HUD系统仿真解决方案

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：

1. 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；
2. 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；
3. 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：

1. 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；
2. 优化光栅核心参数，适配530nm基准波长、1.52折射率波导材料；
3. 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：

1. 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；
2. 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；
3. 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；
4. 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：

1. 导入整车弧形风挡模型，还原真实曲面形态；
2. 内置设计标准尺寸光波导，并划分输入、输出光栅区域；
3. 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

更多产品资讯，欢迎关注！