Ansys Zemax / SPEOS | 3片式LCD投影儀的設(shè)計與仿真

概述

近年來，智能投影儀備受年輕人青睞，在社交平臺上，頻繁出現(xiàn)相關(guān)品牌的“種草”視頻或帖子。其中抖音“投影儀”話題有48億次播放，小紅書上則有超過58萬篇投影儀筆記。在電商平臺上，投影儀的銷量也不斷走高。

本示例描述了一種基于Ansys OpticStudio與Speos完成3片式LCD投影儀的設(shè)計與仿真方法。如圖所示，LCD顯示器需要外部提供光源照射，光源發(fā)出的白光經(jīng)過積分棒，然后通過紅外、紫外濾光鏡，進入分色棱鏡后生成紅、綠、藍三束光。在合色棱鏡中合成彩色圖像后，最終通過投影光學(xué)系統(tǒng)將圖像放大投射到屏幕上。

工作流程

通常情況下，投影光學(xué)設(shè)計分為成像與非成像兩個方向。

#1 成像光學(xué)設(shè)計

投影鏡頭設(shè)計目前最流行的手段是采用OpticStudio完成。在這一流程中需要對成像質(zhì)量進行完整的評估。主要指標包含投放畫面的亮度、對比度、透射比、分辨率、遠心度、反遠距、垂直色差等參數(shù)。通過查找設(shè)計手冊及文獻資料，選取合適的初始結(jié)構(gòu)，針對不同要求的設(shè)計目標完成優(yōu)化。

#2 非成像光學(xué)設(shè)計

為了提高光源在照明平面的均勻性，投影系統(tǒng)中會引入復(fù)眼光路。一種方法是在OpticStudio中完成。需要非序列模式下同時配合操作數(shù)的使用得到理想結(jié)果。第二種方法是在SPEOS中利用專業(yè)光學(xué)設(shè)計模塊OPD（Optical Part Design）完成復(fù)眼透鏡的設(shè)計與優(yōu)化。它的好處在于光機之間的交互與CAD處理更為便捷。

X棱鏡屬于投影系統(tǒng)中一個重要的元件，其主要作用是將紅綠藍三色合成彩色圖像。在準直及復(fù)眼光路設(shè)計完成后，接下來將膜層屬性設(shè)置在棱鏡表面，觀察光線追跡情況，在基本光路搭建的過程中，善用交互式仿真功能（Interactive Simulation）即時觀察光學(xué)傳播路徑是否準確。SPEOS同時也提供強大的雜散光分析能力，可以根據(jù)光學(xué)路徑尋找結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，得到最優(yōu)結(jié)果。

#3 仿真結(jié)果分析

完成光源定義、材料定義、探測器設(shè)置、模擬算法選擇后，SPEOS可以實現(xiàn)對投影系統(tǒng)最終的仿真。在GPU運算的加持下，SPEOS具備能夠在短時間內(nèi)得到高光線數(shù)及分辨率的結(jié)果。如下是投影儀投射到2米前光幕上的照度及均勻度情況。

結(jié)束語

本示例采用一個相對簡單的光學(xué)結(jié)構(gòu)，描述了一種基于Ansys OpticStudio與Speos完成3片式LCD投影儀的設(shè)計與仿真方法。在成像與非成像設(shè)計的工作流中，充分發(fā)揮Ansys光學(xué)產(chǎn)品線的優(yōu)勢，可以快速實現(xiàn)整體光學(xué)性能的評估。這種方法不僅限于液晶投影(LCD)，同樣適用于數(shù)字式光處理投影(DLP)、硅基液晶投影(LCos)。