Zemax案例 | 基于Zemax实现无机械变焦AR-HUD全流程光学设计 原创

引言

智能汽车快速普及，AR-HUD作为车载人机交互核心器件，持续向大视场、连续变焦、小型化方向迭代。传统变焦AR-HUD依靠机械平移光学元件、液体透镜、多PGU组合实现焦面切换，普遍存在体积臃肿、通光孔径受限、加工成本高、变焦范围窄等痛点，难以适配座舱狭小安装空间。一知名高校团队^[1]依托Zemax完成一款无机械运动、5~15m连续变焦离轴三反AR-HUD光学系统完整设计、优化、像质评估与公差仿真，为车载变焦HUD提供新的轻量化技术路线。本文结合该学术成果，深度解析Zemax在变形反射镜主动光学、PSLC多层液晶切换光路、自由曲面挡风玻璃建模、蒙特卡罗公差分析全链条核心能力，为车载光学研发工程师提供标准化仿真设计参考。

传统变焦AR-HUD设计瓶颈

1.1固定焦面AR-HUD视觉缺陷

量产单焦面AR-HUD仅能将虚像固定在单一距离，驾驶员远近路况切换时，人眼调节与虚像辐辏距离不匹配，极易产生视觉疲劳、眩晕等辐辏调节冲突问题，长期驾驶存在安全隐患。行业标准要求新一代AR-HUD需具备连续可调投影距离，实现虚像与实景自然融合。

1.2现有变焦方案固有缺陷

机械移镜变焦：通过电机驱动PGU、反射镜轴向位移实现变焦^[2]，系统体积增加6L以上，占用仪表舱大量空间，机械结构长期震动易产生装配偏移、图像抖动；

透射式变焦元件（液体/液晶透镜）：受车载大口径光路限制，通光孔径不足，最大景深仅数百毫米，无法实现远距离投影；

多PGU/偏振分光双焦面：仅支持2~3档离散焦面，无法连续平滑变焦，多光源结构大幅提升硬件成本与整机功耗^[3]；

Alvarez自由曲面滑动透镜^[4]：依靠平面滑动两组自由曲面实现调焦，曲面加工难度高、量产良率低。

1.3新型方案核心创新思路

本文依托Zemax仿真验证的方案，采用变形反射镜（DM）+双PSLC聚合物稳定液晶切换屏幕组合架构：无需任何机械运动部件，通过电压调控实现双重调焦机制，将变焦区间拓展至5~15m，整机体积与传统单焦面AR-HUD保持一致，高效解决小型化与大范围变焦矛盾。

系统整体架构与变焦核心原理

2.1离轴三反光学系统整体结构

整套系统属于离轴三反反射式光路，核心组件包含：PGU图像生成单元、两层PSLC切换投影幕、变形反射镜、自由曲面反射镜、楔形汽车挡风玻璃，人眼观测区域定义为眼盒。

图1 变形反射镜简化示意图

变形反射镜由薄膜反射镜面、基底、电压促动电极阵列构成。薄镜片覆盖在二维电极阵列上，通过控制不同促动器的驱动电压，可使对应镜片区域在受力作用下发生相应的形变。

图2 变焦AR-HUD光学系统原理图。（a）结构示意图；（b）基于PLSC的切换式投影屏幕显示原理图

2.2双重连续变焦实现机制

PSLC电压切换，分段切换图像源

PSLC无电压时呈扩散态，作为有效图像源；施加电压后透光率80%，完全透明不参与成像。两层PSLC组合划分三段独立变焦区间：

• PSLC1扩散、PSLC2透明：图像源为PSLC1，变焦区间5~6.5m；
• PSLC1透明、PSLC2扩散：图像源为PSLC2，变焦区间6.5~10m；
• 两层PSLC全部透明：图像源为原生PGU，变焦区间10~15m。

分段切换图像源，大幅降低变形反射镜单次形变量需求，控制镜面最大形变低于0.5mm，规避大形变带来的严重像差畸变。

变形反射镜电压调曲率，实现区间内连续微调

Zemax中以XY扩展多项式表征变形镜面型，通过修改多项式系数模拟促动器电压驱动产生的镜面曲率变化，在每一段PSLC固定图像源区间内，连续微调虚像投影距离，三段区间无缝衔接，实现5~15m全域连续变焦。

图3 在Zemax中建立三挡变焦AR-HUD光学系统模型

图4 变形镜的最大变形量随着投影距离的变化曲线

基于Zemax标准化光学设计流程

3.1明确系统核心设计指标（Zemax初始参数输入）

团队结合车载AR-HUD行业规范，设定系统硬性约束，全部参数录入Zemax系统通用编辑器：

3.2逆向光路建模：HUD行业标准仿真方法

AR-HUD虚像成现在挡风玻璃外部空间，无法直接正向建模，Zemax采用逆向光线追迹设计思路：

1. 光路起点：眼盒人眼瞳孔，设置5mm标准光阑孔径，模拟人眼昼夜瞳孔变化；
2. 光线依次穿过楔形挡风玻璃、自由曲面反射镜、变形反射镜；
3. 透射两层PSLC液晶屏幕，最终成像于PGU像面；
4. 依据光路可逆原理，通过PGU端成像指标反向等效评估前方道路虚像显示质量。

3.3复杂曲面高精度建模（Zemax核心曲面功能应用）

1. 楔形挡风玻璃拟合：导入车企原厂挡风玻璃CAD面型数据，使用Zemax序列模式XY多项式面型拟合，准确模拟玻璃内外表面反射造成的重影问题，替代低效非序列CAD导入模式，便于批量优化；
2. 自由曲面反射镜：统一采用XY多项式矢高公式表征，自由调整各阶系数校正离轴系统彗差、畸变；
3. 变形反射镜动态曲面：将多项式系数设为优化变量，分段约束镜面最大矢高＜0.5mm，模拟电压驱动下的连续形变；
4. 核心矢高公式直接嵌入Zemax曲面编辑器，无需外部数值工具联动，一键完成形变仿真。

3.4分阶段多目标优化策略

阶段1：基础结构粗优化

将变形镜临时固定为平面反射镜，约束各光学元件间距、偏心、旋转角度，避免元件光路遮挡重叠，优化得到5.5m、7.5m、12.5m三档基础切换光路，视场全程保持稳定无收缩。

阶段2：变形镜独立精细优化

锁定其余光学元件参数，仅开放变形镜XY多项式高阶系数作为变量，采用低阶到高阶逐步扩展的优化策略，设置200mm变焦步长迭代计算，平衡全变焦区间像差，衔接三段PSLC图像源区间，消除6.5m、10m两个切换断点成像断层。

阶段3：全域多采样点评价函数搭建

Zemax评价函数内置多类约束操作数：

• MTF操作数MTFT/MTFS：约束5.8lp/mm空间频率下传递函数大于0.3；
• DIMX畸变操作数：全局控制网格畸变低于5%；
• REAX/REAY光线坐标操作数：保证9个视场、5个眼瞳全部完整成像；
• TTHI厚度间距操作数：锁定整机体积，不超过传统单焦面HUD。

Zemax全维度像质仿真验证

依托Zemax内置像质分析工具，完成变焦区间端点、中段、切换断点多场景批量仿真，输出点列图、MTF曲线、畸变网格、镜面矢高图四类标准分析图表。

4.1图像源切换断点成像连续性验证

切换断点6.5m、10m为系统成像易断裂位置，Zemax仿真结果证明切换无画质断层：

• 6.5m投影距离（PSLC1/PSLC2双图像源切换）
• (a)点列图：全视场光斑均小于系统艾里斑，光能集中；
• (b)MTF曲线：5.8lp/mm处MTF＞0.5，远超0.3设计阈值；
• (c)畸变网格：最大畸变4.07%，低于5%限值；
• (d)变形镜矢高云图：最大变形0.456mm，在可控区间内。

图5：6.5m眼盒中心成像仿真结果

10m投影距离（PSLC2/PGU双图像源切换）：

图6：10m眼盒中心成像仿真结果

两种图像源模式下MTF、畸变指标全部达标，切换过程图像清晰度无明显衰减，变焦视觉平滑连续。

4.2极限远端15m最差工况像质分析

15m为系统变焦最远端点，变形镜形变量达到峰值，是全区间成像质量最差工况，Zemax对5个眼瞳边缘/中心点位分别采样分析：

图7：15m极限距离成像仿真结果

眼盒中心E1点位MTF高达0.553，仅眼盒边缘E2点位畸变5.047%，轻微超出5%光学阈值，可通过后端图像软件数字校正完全补偿，不影响实际车载使用；其余全部眼瞳点位畸变＜5%，MTF全部高于0.3设计底线。

4.3多随机距离抽样像质数据汇总

Zemax随机抽取5m、5.562m、9.828m、13.66m四段变焦区间，批量导出成像指标：各点位MTF稳定0.507~0.569，畸变3.969%~4.195%，全区间成像质量均衡稳定，无明显劣化区间。

基于Zemax蒙特卡罗公差分析

光学设计不能仅满足理想仿真工况，加工、装配误差会直接导致量产良率下滑，Zemax完备公差分析模块是车载光学落地量产的关键工具。

5.1公差参数分配设置

选取最差工况15m系统模型，对挡风玻璃、自由曲面镜、变形反射镜统一分配加工装配公差，包含曲率半径、元件间距、XY偏移、XY旋转角度六大类误差参数。

5.2蒙特卡罗仿真设置

采样4组视场、500组随机蒙特卡罗样本，遍历眼盒5个观测点位，统计全样本MTF分布。

5.3仿真结论

系统98%样本在5.8lp/mm处平均MTF＞0.3，公差敏感度低，常规机械加工、装配精度即可满足量产要求；单独变量分析显示，自由曲面X轴偏移为对成像影响最大的公差项，Zemax可直接输出误差敏感度排序，指导工厂装配重点管控工序，大幅提升产品良率。

无机械变焦AR-HUD方案核心优势

6.1小型化无机械结构：

整机体积与传统单焦面AR-HUD一致，无电机、滑动导轨等运动部件，降低整车震动失效风险；

6.2超大连续变焦范围：

5~15m平滑无级调焦，覆盖城市低速、高速远距离导航全场景；

6.3成像质量稳定可控：

全区间MTF、畸变满足车载规范，切换断点无画质断层；

6.4量产兼容性强：

公差敏感度低，依托现有自由曲面加工产线即可落地，无需新增特殊工艺；

6.5低延迟电压调控：

PSLC切换响应0.65ms，变形镜电压实时调节，调焦无滞后。

参考文献

[1] 杨洋, 周木春. 基于变形反射镜的变焦抬头显示光学系统设计[J]. 光学学报, 2026, 46(11): 1111003. Yang Yang, Muchun Zhou. Design of Zoom Head-Up Display System Based on Deformable Mirror[J]. Acta Optica Sinica, 2026, 46(11): 1111003.

[2] Tian M L, Xue C X. Design of variable focal plane duallight-path vehicle head-up display system[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(14): 1422001.

[3] 王思婧, 蒋世磊, 王波, 等 . 三像面增强现实式车载平 视显示光学系统设计[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(10): 1011012. Wang S J, Jiang S L, Wang B, et al. Optical system design for three virtual plane augmented reality in vehicle head-up display[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(10): 1011012.

[4] Liu Y, Qiu Y Q, Dong J Q, et al. A varifocal augmented reality head-up display using Alvarez freeform lenses[J]. Journal of the Society for Information Display, 2024, 32(5): 226-236.

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