在车载抬头显示器（HUD）设计领域，单一软件难以兼顾光学系统设计与性能分析的全流程需求。Zemax OpticStudio 凭借强大的光学建模与优化能力，成为 HUD 系统光学结构设计的核心工具；Speos 则在 HUD 性能定量分析、虚像质量评估上表现突出。二者联合可构建从设计到验证的完整解决方案，下面将详细拆解其协同设计流程。
一、HUD 系统设计前期准备：Zemax OpticStudio 基础设置
HUD 系统核心组件包含虚像面（Virtual Image）、LCD 显示屏（PGU）、平面反射镜（Flat mirror）、自由曲面反射镜（Freeform mirror）及风挡玻璃（Windshield）。在 Zemax 完成系统初始设计后，需针对性设置以奠定后续导入 Speos 的基础，关键步骤如下：
（一）添加矩形孔径
孔径设置直接影响视场范围与成像精度，需分别对物面（虚像面）和像面（LCD 屏）配置：
物面（虚像面）设置：打开物面（Surface 0）的表面属性，选择“Rectangular Aperture”（矩形孔径），无需调整偏移量（Aperture X/Y-Decenter 均设为 0），以此匹配 HUD 的视场尺寸需求。
像面（LCD 屏）设置：进入像面（Surface 12）的表面属性，同样选择矩形孔径，设置水平半宽（X-Half Width）与垂直半宽（Y-Half Width）均为 14mm，对应 LCD 屏 28mm×28mm 的物理尺寸，确保成像区域与实际器件匹配。
完成孔径设置的文件可保存为专用格式（如“HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.zar”），便于后续调用。
（二）调整反射镜尺寸
初始设计中反射镜尺寸可能偏小导致光线遮挡，需结合光迹图结果优化：
自由曲面反射镜（Surface 8）：原尺寸为 X-Half mm、Y-Half mm，调整后扩大至 X-Half mm、Y-Half mm，避免边缘光线溢出。
折叠平面反射镜（Surface 6）：原尺寸为 X-Half mm、Y-Half mm，调整为 X-Half mm、Y-Half mm，确保光线全反射无遮挡。
调整后需通过 3D Layout、Footprint Diagram 等工具验证，确保光线通过率（% rays through）达标（文中示例通过率约 41.96%）。
二、CAD 文件导出与精度验证：衔接 Zemax 与 Speos 的关键
Zemax 设计完成后，需将光学系统转换为 CAD 格式（STEP 文件）导入 Speos，此过程需严格控制精度，避免设计偏差。
（一）导出 CAD 文件（STEP 格式）
确定坐标原点：在 Zemax 的 System Explorer 中，查看“Global Coordinate Reference Surface”，默认设为 Surface 0（虚像面），该表面将作为 CAD 文件的坐标原点，确保与 Speos 中的坐标系统一。
配置导出参数：通过“File> Export to CAD”打开导出窗口，关键参数设置如下：表面范围选择从 0（Virtual Image）到 12（LCD），覆盖整个光学系统；勾选“Export Dummy Surfaces”并将“Dummy Thickness”设为 1mm，确保所有表面在 Speos 中可识别；Number of Rays 设为 3，Wavelength 选择“All”，Ray Pattern 设为“XY Fan”，为后续性能对比提供参考光线；文件类型选择“STEP”格式，兼容 Speos 的导入需求。
（二）CAD 精度验证
为确保导出的 CAD 模型与 Zemax 原生模型性能一致，需构建多配置文件（如“HUD_Step1_MF_after_optim_CAD.zar”）对比：
配置设置：在 Multi-Configuration Editor 中，设置两个配置，一个使用 Zemax 原生内置表面作为基准模型，另一个导入 CAD 导出的非序列元件表面作为待验证模型。
性能对比：通过“Configuration Matrix Spot Diagram”“OPD Fan”等工具对比二者的光斑尺寸、光程差（OPD）。示例结果显示，CAD 模型与原生模型的光斑分布、OPD 曲线高度吻合，证明导出精度满足需求。
三、Speos 导入与操作适配：快速上手光学分析环境
将 STEP 文件导入 Speos 后，需进行基础设置与操作适配，确保与 Zemax 的操作习惯一致，降低使用门槛。
（一）CAD 文件导入设置
导入参数配置：打开 Speos 后，通过“File> Speos Options > File Options > General”设置，精度 tolerance 设为 0.0001mm 确保几何尺寸无偏差；勾选“Use lightweight assemblies for imported documents”提升模型加载速度；勾选“Import hidden components and geometry”避免遗漏关键光学元件。
打开 CAD 文件：通过“Open”选择导出的 STEP 文件（如“HUD_Step1_MF_after_optim_apertures.stp”），导入后在 Structure 面板中可看到所有元件（如 mirror 8、mirror 10、surface 12 等），与 Zemax 的 Lens Data Editor 元件一一对应。
（二）操作习惯适配
Speos 与 Zemax 的视图操作逻辑不同，可通过“Speos Options> Navigation”自定义设置贴近 Zemax 操作习惯：旋转视图或物体时，Zemax 中按住鼠标左键，Speos 中可设为按住鼠标右键（RMB）；上下左右移动视图时，Zemax 中按住鼠标中键（MMB），Speos 中可设为 Ctrl 按住鼠标中键；缩放视图时，二者均为滚动鼠标中键。新用户可参考 Speos 官方入门指南（Ansys Speos Getting Started）进一步熟悉操作。
四、Speos HUD 光学分析（HOA）：定量评估系统性能
HOA（HUD Optical Analysis）是 Speos 专为 HUD 设计的核心分析工具，无需额外定义光源和材料，即可实现虚像质量的全方位定量评估，关键分析内容与操作步骤如下：
（一）HOA 核心分析指标
HOA 可计算 HUD 系统的关键光学性能指标，覆盖设计验证的核心需求：基础参数包括虚像距离（驾驶员与虚像的距离）、低头角度（驾驶员观察虚像时的低头角度）、视场角（虚像在驾驶员眼中的视角范围）；像质参数涵盖畸变（图像几何变形程度）、放大率（实际像与理想像的尺寸比）、旋转（图像偏转角度）、发散（光线扩散程度）、场曲（像面弯曲程度）、光斑尺寸（成像光斑的大小分布）、像散（不同方向成像清晰度差异）；还能分析鬼影 / 杂散光（非目标光线形成的干扰像），以及输出预畸变图像的扭曲（Warping）数据，用于 PGU 显示图像的预校正，抵消光学系统的像差。
（二）HOA 操作步骤
坐标系定义：与 Zemax 保持一致，设置 Z 轴为车辆前进方向，Y 轴为竖直向上方向，确保分析基准统一。
元件参数匹配：在 HOA 界面中，分别指定眼盒（Eyebox）、目标图像（Target Image）、风挡玻璃（Windshield）、反射镜（Mirrors）、PGU（LCD）的参数，直接导入 Zemax 中已定义的尺寸和位置数据，避免参数偏差。
扭曲（Warping）设置与分析：扭曲是 HOA 的核心输出之一，代表 PGU 需显示的“预变形”网格以抵消系统像差。在“Warping Generation”中，设置 Warping mode 为“Build&Export”，水平采样为 21，垂直采样为 11，Algorithm 设为“Disable”（用于插值最终图像）。执行 HOA 后，Speos 将生成 OPTWarping 文件，包含 PGU 扭曲的像素级数据（如坐标转换后的像素位置），该数据可直接用于 PGU 的图像预校正，确保驾驶员看到理想的无畸变虚像。
五、Zemax 与 Speos 扭曲结果对比：双重验证设计一致性
为确保设计的完整性与准确性，需对比 Zemax 与 Speos 的扭曲结果，实现双向验证。
（一）Zemax 扭曲计算方法
在 Zemax 中，通过反向模型（从虚像面到 PGU 的逆向光学系统）计算扭曲：对虚像面的视场进行网格采样（与 Speos HOA 的采样密度匹配，如 21×11），追踪光线至 PGU（像面，Surface 12）；使用“Universal Plot 2D”工具，通过 CENX（X 向质心坐标）、CENY（Y 向质心坐标）操作数，提取光线在 PGU 上的成像坐标（单位：mm）；通过点列图（Spot Diagram）、2D 通用绘图展示扭曲分布，直观呈现图像变形趋势。
（二）结果转换与对比
Speos 输出的扭曲结果为像素坐标，Zemax 输出为物理坐标（mm），需通过公式转换后对比。转换公式为 Pixel_x = round ((CENX PGU_Xsize/2) × Pixel_x_size, 0)，Pixel_y = round ((CENY PGU_Ysize/2) × Pixel_y_size, 0)，其中 PGU_Xsize、PGU_Ysize 为 PGU 的物理尺寸（如 28mm×28mm），Pixel_x_size、Pixel_y_size 为 PGU 的像素尺寸（如物理尺寸 / 像素数量）。转换后，二者的扭曲分布趋势应高度一致，证明 Zemax 设计与 Speos 分析的连贯性，确保设计方案可靠。
Zemax OpticStudio 与 Speos 的联合方案，构建了 HUD 抬头显示器从“光学设计 - 精度验证 - 性能分析 - 图像校正”的全流程解决方案。Zemax 负责高精度光学系统建模与优化，为后续分析提供可靠的设计基础；Speos 通过 HOA 工具实现快速、定量的性能评估，输出关键像质参数与预校正数据，二者协同可大幅提升 HUD 设计的效率与可靠性，为车载 HUD 的工程化落地提供有力支撑。