Ansys Zemax/SPEOS 3片式LCD投影仪设计与仿真

概述

近年来，智能投影仪备受年轻人青睐，在社交平台上，频繁出现相关品牌的“种草”视频或帖子。其中抖音“投影仪”话题有48亿次播放，小红书上则有超过58万篇投影仪笔记。在电商平台上，投影仪的销量也不断走高。

本示例描述了一种基于Ansys OpticStudio与Speos完成3片式LCD投影仪的设计与仿真方法。如图所示，LCD显示器需要外部提供光源照射，光源发出的白光经过积分棒，然后通过红外、紫外滤光镜，进入分色棱镜后生成红、绿、蓝三束光。在合色棱镜中合成彩色图像后，最终通过投影光学系统将图像放大投射到屏幕上。

工作流程

通常情况下，投影光学设计分为成像与非成像两个方向。

#1 成像光学设计

投影镜头设计目前最流行的手段是采用OpticStudio完成。在这一流程中需要对成像质量进行完整的评估。主要指标包含投放画面的亮度、对比度、透射比、分辨率、远心度、反远距、垂直色差等参数。通过查找设计手册及文献资料，选取合适的初始结构，针对不同要求的设计目标完成优化。

#2 非成像光学设计

为了提高光源在照明平面的均匀性，投影系统中会引入复眼光路。一种方法是在OpticStudio中完成。需要非序列模式下同时配合操作数的使用得到理想结果。第二种方法是在SPEOS中利用专业光学设计模块OPD（Optical Part Design）完成复眼透镜的设计与优化。它的好处在于光机之间的交互与CAD处理更为便捷。

X棱镜属于投影系统中一个重要的元件，其主要作用是将红绿蓝三色合成彩色图像。在准直及复眼光路设计完成后，接下来将膜层属性设置在棱镜表面，观察光线追迹情况，在基本光路搭建的过程中，善用交互式仿真功能（Interactive Simulation）即时观察光学传播路径是否准确。SPEOS同时也提供强大的杂散光分析能力，可以根据光学路径寻找结构优化方向，得到最优结果。

#3 仿真结果分析

完成光源定义、材料定义、探测器设置、模拟算法选择后，SPEOS可以实现对投影系统最终的仿真。在GPU运算的加持下，SPEOS具备能够在短时间内得到高光线数及分辨率的结果。如下是投影仪投射到2米前光幕上的照度及均匀度情况。

结束语

本示例采用一个相对简单的光学结构，描述了一种基于Ansys OpticStudio与Speos完成3片式LCD投影仪的设计与仿真方法。在成像与非成像设计的工作流中，充分发挥Ansys光学产品线的优势，可以快速实现整体光学性能的评估。这种方法不仅限于液晶投影(LCD)，同样适用于数字式光处理投影(DLP)、硅基液晶投影(LCos)。

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