抬头显示器（HUD）作为一种能够将关键信息投射到驾驶员视野范围内的技术，在汽车等领域应用广泛。Zemax OpticStudio 与Speos的联合方案为HUD的设计与分析提供了高效且全面的工具支持，以下将详细介绍二者结合进行HUD设计的完整流程。
1.HUD设计的前期准备
在进行HUD设计之前，需要明确HUD系统的基本构成和设计目标。本文所使用的HUD系统选自Zemax知识库文章，主要包含 Windshield（挡风玻璃）、Eyebox（眼盒）、Virtual image（虚像）、LCD display（LCD 显示屏）、Flat mirror（平面反射镜）、Freeform mirror（自由曲面反射镜）等组件。设计的核心是通过光学系统的优化，使虚像能够清晰、准确地呈现在驾驶员视野中。
在Zemax OpticStudio中进行设计与设置
2.准备序列模式文件
添加矩形孔径：若要将OpticStudio序列设计导入至Speos，需在物面（HUD的虚像面）和像面（LCD显示屏）添加对应的矩形孔径。物面的矩形孔径用于展示视场尺寸，像面的矩形孔径设置为Horizontal size=28mm（X-half mm）、Vertical size=28mm（Y-half mm）。
调整反射镜尺寸：源文件中反射镜的尺寸可能较小，查看光迹图结果后，需对自由曲面反射镜和折叠反射镜的尺寸进行修改，以确保光线能够有效反射。例如，自由曲面反射镜的X-Half Width可从60调整为70，Y-Half Width从30调整为40；折叠反射镜的X-Half Width和Y-Half Width可从60调整为70。
3.导出OpticStudio设计为CAD文件
设置全局坐标参考表面：在导出CAD模型之前，查看当前系统的全局坐标参考表面，该表面将作为导出 CAD 的坐标原点。
导出参数设置：在OpticStudio中，将设计导出为STEP格式的CAD文件。为使所有表面可用于Speos，需勾选“导出虚拟表面”选项，并将虚拟表面厚度设置为1，同时可设置导出光线的选项，为后续对比提供参考。
4.检查CAD精度
在转移至Speos之前，需在OpticStudio中执行对比，检查内置表面模型与CAD模型代表的系统性能。通过多配置编辑器创建包含内置表面模型和CAD导出模型的结构，使用结构矩阵点列图等工具进行分析。对比结果显示，导出的STEP文件能够很好地对应 HUD系统设计。
将CAD文件导入Speos并进行设置
5.导入设置
打开Speos后，在File Options的General设置中，可配置相关参数如公差、多线程使用等。然后打开CAD文件，导入时可选择是否改善导入数据、检查几何结构等。导入后，Speos中的结构 OpticStudio的镜头数据编辑器相对应，各元件名称可相互匹配。
6.浏览操作设置
Speos中的浏览操作与OpticStudio有所不同，但可进行定制化设置使其类似。例如，旋转视图在OpticStudio中是按住鼠标左键，在Speos中可设置为按住鼠标右键；移动视图在OpticStudio中是按住鼠标中键，在Speos中可设置为Ctrl 按住鼠标中键；缩放视图均为滚动鼠标中键。具体设置可参考Speos Getting Started guide。
在Speos中进行HUD光学分析（HOA）
7.HOA 的定义与设置
Speos中的HOA工具可对车载抬头显示系统中所成虚像的质量进行定量分析，分析内容包括虚像的距离、驾驶员低头角度、视场角、畸变、鬼影/杂散光等。运行分析前需定义坐标轴（Z轴表示车辆方向，Y轴表示朝上方向），并设置眼盒、目标图像、风挡、反射镜和PGU（图像生成单元）等，可输入从OpticStudio中读取的指标应用至对应元件。
8.扭曲分析（Warping）
HOA可提供扭曲（Warping）的输出结果，即PGU上的一个网格，代表图像被光学系统扭曲的情况。在HOA分析中，可设置扭曲模式、水平和垂直采样数等。执行分析后，结果将保存在输出文件中，提供PGU的扭曲像素结果。该“变形的网格”可用于后期处理，通过PGU显示“预变形”图像，为驾驶员提供理想的目标图像。
9.结果对比与验证
在OpticStudio中，可通过反向模型计算扭曲情况，采样虚像面对应的视场光线并计算其在PGU上的成像坐标，利用图像模拟功能、全视场点列图、2D通用绘图等进行可视化和数值结果展示。OpticStudio输出的是像面上的局部坐标（单位 mm），Speos 输出的是基于像素的结果，二者可通过公式进行转换（如Pixel_x=round((CENX PGU_Xsize/2)*Pixel_x_size,0)）。
Zemax OpticStudio与Speos的联合方案为HUD抬头显示器的设计提供了完整的流程支持。从OpticStudio中的光学系统设计、参数设置和CAD导出，到Speos中的模型导入、浏览设置和HOA分析，能够全面评估HUD系统的性能，为HUD的优化设计提供可靠依据。Speos的HOA工具更是能够输出全面的分析报告，是验证和改进HUD设计的理想工具。