Ansys Speos | 超短焦投影仪
附件下载
联系工作人员可获取附件
简介
本案例介绍一套完整分析流程：针对超短距壁挂投影仪开展杂散光分析，同时结合客厅室CAD几何模型、多组室内外环境光源，完成该设备在真实使用场景下的渲染仿真。超短距壁挂投影仪的光学镜头系统源自 Ansys Zemax OpticStudio ，配套 CAD 几何模型存储于 .gltf 格式文件中；二者均导入 Ansys Speos 软件，用于整机系统级仿真分析。本案例重点讲解整套仿真流程里 Ansys Speos 的操作环节。
概述
掌握仿真完整流程与核心结果
借助 Ansys Zemax OpticStudio 软件，可完成超短距壁挂投影仪全套设计与优化工作。而 Ansys Zemax OpticStudio 与 Ansys Speos 之间的互操作性，能够进一步拓展分析维度。
具体来说，通过光学设计交换（Optical Design Exchange）功能，只需一键操作，即可将光学系统与材料参数从 Ansys Zemax OpticStudio 传输至 Ansys Speos 。之后，依托 glTF 文件导入功能，可导入近乎不限数量、用于还原完整使用场景的CAD几何模型。数据准备完成后，可开展多类仿真分析：利用光线导出工具完成杂散光分析、人眼视觉仿真分析、对比度测量、可视清晰度与可见度分析等。
步骤1：从 Ansys Zemax OpticStudio 导出光学设计交换文件
本步骤将通过生成.odx文件，从 Zemax 中导出整套光学系统。
步骤2：导入 glTF 文件
本步骤借助全新 glTF 导入功能，完成CAD模型数据导入。
步骤3：在 Ansys Speos 中导入光学设计交换文件
本步骤使用光学设计交换功能，将源自 Zemax 的光学系统导入 Speos 软件。
步骤4：在 Ansys Speos 中开展系统级仿真分析
本步骤搭建仿真工程，执行杂散光分析与人眼视觉仿真分析。
本案例所需核心软件工具：
Ansys Speos 2026R1 及更高版本
Ansys Zemax OpticStudio 2026R1 及更高版本
运行仿真与结果解读
模型运行操作说明及关键仿真结果解析
步骤1：从 Ansys Zemax OpticStudio 导出光学设计交换文件
该超短焦投影仪的光学系统已在 Ansys Zemax OpticStudio 中完成设计。你可在软件内打开文件 Ultra short throw projector_display size_049inch.zmx ，查看整套光学系统设计。
由于整机系统级分析需在 Ansys Speos 中完成，因此要将光学设计从 Ansys Zemax OpticStudio 迁移至 Ansys Speos ，该流程可通过光学设计交换（Optical Design Exchange）功能实现。生成的 .odx 文件包含整套系统的几何结构、各元件位置方向、成像芯片的位置方向，以及光学系统所使用的材料与镀膜参数，该文件后续将导入 Ansys Speos 软件。
注：下方列出了可从 Ansys Zemax OpticStudio 导出至 Speos 的全部光学元件清单，详情参考文档《Understanding What Can Be Exported from Ansys Zemax OpticStudio》。
完成 Ansys Zemax OpticStudio 内光学设计后，即可导出.odx文件，操作步骤如下：
1. 在 Ansys Zemax OpticStudio 中打开工程文件 Ultra short throw projector_display size_049inch2601.zmx
2.点击菜单栏 “File”→“Export Optical Design to Speos”
3.自定义保存路径与文件名，导出 .odx 文件。
4.软件弹出提示窗口，提示导出完成。
步骤 2：导入glTF文件
glTF 是面向三维数据交换的开源格式，广泛应用于工业设计与实时三维渲染场景。网络素材库中可直接获取街道场景、车辆、室内客厅等现成三维模型资产；也可在免费三维设计软件 Blender 中创建或导入几何模型，并导出保存为 glTF 格式文件。
自 Ansys Speos 2025 R2 版本起，软件支持零预处理直接导入 glTF 几何模型，导入效果如下：
1.多边形面片几何模型会自动生成在结构树中。
2.基于物理渲染的外观材质、纹理贴图将作为材质（外观属性）与UV./*-映射导入至仿真树，并与对应几何模型建立关联；软件会为每种材质生成全新 SVBRDF 输入文件，统一存放于工程的 Speos 输入文件文件夹内。
注:请选用2.0版本的 .gltf 与 .glb 文件，该版本文件内置UV坐标、纹理贴图与物理渲染材质；glTF1.0 版本文件无法完成导入。
3.查找并下载所需 .glTF 文件。本案例使用 CGTrader 网站中 Shapespark 提供的免费低多边形室内房间3D模型（无版权商用授权）；如需下载该文件，需先在 cgtrader 平台注册账号。下载完成后得到文件：uploads_files_4012832_shapespark-example-room.gltf
4.在Ansys Speos中打开工程文件UltraShortThrowProjector.scdocx
5.切换至 Assembly 选项卡，点击 “glTF import” 按钮。
6. 选中已下载的 .gltf 文件，点击 open ；导入耗时取决于三维场景模型的文件体量。
7. 面片几何模型、UV纹理映射、材质将一并导入工程，同时 .gltfsvbrdf 材质文件会自动存放至项目的 Speos 输入文件目录。
步骤3：在 Ansys Speos 中导入光学设计交换（ODX）文件
自 Ansys Speos 2025 R2 版本起， Optical Design Exchange 功能完成升级优化：光学材料与局部网格划分会自动生成在 Speos 资源树内专属 ODX 子组件下；材料由 .zemaxMaterial 格式文件定义，该文件会自动复制至工程的 Speos 输入文件文件夹。
本次升级两大核心优势：可直接在 Ansys Speos 内便捷修改整套光学系统的光学属性；支持直接修改几何模型本体，且修改后仍可直接用于仿真——因为模型已预先赋予对应光学材料（旧版仅能在仿真中单独调用 “Optical Design Exchange” 功能模块）。
以下为导入来自 Ansys Zemax OpticStudio 、包含投影镜头系统的 .odx 文件操作步骤：
1.在结构树中右键组件「UltraShortThrowProjector_OptoMechanicalSystem」，选择 “Activate Component”
2.在 Speos 顶部功能区点击 “Optical Design Exchange”，软件自动创建该组件并打开参数定义面板。
3.坐标系设置：依次选定 ODX 原点（ODX.Origin）、ODX X轴（ODX.X Axis）、ODX Y轴（ODX.Y Axis）
4.浏览选中此前导出的文件 Ultra short throw projector_displaysize_049inch2601.odx（也可选用Zemax素材文件夹内提供的配套文件）
5.执行该功能计算：
● 透镜与反射镜会在三维视图中显示，同时出现在 Speos 资源树的「Optical Design Exchange」节点下以及结构树内。 Speos 树中的几何对象支持编辑；内含 Zemax 参数的定义面板仅可读，无法修改。
● 各类光学材料生成在 Speos 树「光学设计交换」子组件下，对应的 .zemaxMaterial 材料文件已自动复制至 Speos 工程输入文件夹，材料参数可编辑、修改。
● 局部网格划分项生成在 Speos 树「光学设计交换」子组件下，网格细分参数支持自定义修改。
● 光源与辐照度传感器生成在 Speos 树「光学设计交换」子组件下。
6.反射镜需要裁切以适配外壳：切换至 Design 选项卡，使用分割实体（Split Body）功能，借助软件预先创建好的基准平面，剔除多余无用的实体部分。
7.反射镜几何修改后，部分关联绑定关系已失效，需执行以下操作：
● 为反射镜重新赋予 Mirror.1 光学材质
●在反射镜的背面与四条侧边重新赋予 Reflectance_0 反射属性材质
● 为反射镜重新添加局部网格划分（共计24块几何面片）
备注:如需了解通过「Optical Design Exchange and Light Box」传输加密光学模型的更多内容，可查阅官方文章：《How to exchange a black box optical system between supplier and original equipment manufacturer》
步骤 4：在 Ansys Speos 中开展系统级仿真分析
杂散光分析:本环节的目标是对超短焦投影仪执行杂散光仿真分析，识别并评估整机系统潜在的设计缺陷。
本章节仿真对象聚焦子组「UltraShortThrowProjector_OptoMechanicalSystem」，该组件包含通过光学设计交换导入的超短焦投影光学系统，以及设备外壳结构件。
第一部分：定义仿真对象并执行计算
1. 编辑杂散光仿真参数
2. 选中外壳的7个结构件，以及投影仪除光源外全部光学元件，总计需选中 24 组几何模型。
3. 使用CPU核心运行仿真（Light Expert模块暂不支持GPU运算）；可适当降低追迹光线数量，缩短仿真耗时。
第二部分：仿真结果后处理分析
1. 打开后缀为 .lpf 的结果文件：软件自动启动XMP结果查看器，三维视图中显示追迹光线，同时弹出 Light Expert 参数面板。
2. 调整模型可见性，简化光线分析操作：
● 在结构树中，仅保留 Optical Design Exchange 子组件可见，视图仅显示透镜组。
● 在Speos资源树中，仅开启 XMP 仿真结果显示。
● 点击剖切模式按钮，选取X轴剖切，查看透镜剖面结构。
● 你将得到如下视图：
3.你可以调整、移动测量区域，三维视图内的追迹光线会自动同步刷新，借此能够定位是哪些光路对该区域的杂散光结果产生贡献。
4. 利用传感器中已启用的「按光路序列拆分」功能开展深度分析。在 XMP 查看器的工具栏打开 Sequence Detection 工具。该工具可输出系统内每条光路序列的完整信息：光交互次数、传感器受光击中次数、相对总积分能量的百分比、均值与峰值辐照度。选中任意一条光路序列后，可查看光线与光学系统各面、几何体的全部交互清单；点击单次交互条目，三维视图会高亮对应的光学表面或实体。
5. 在 XMP 查看器内选中指定光路序列，三维视图与序列检测工具会同步显示对应追迹光线，以此完成多序列对比分析。以其中一条为例操作：在 XMP 查看器与序列检测工具中选中6号光路序列。该序列会在成像上形成弧形杂散光伪影，是需要消除的缺陷。注：你本地仿真结果中该缺陷对应的序列编号不一定为6。
6. 依次选中各次光交互，三维视图会高亮对应的光学表面，前4次交互高亮透镜主透光面，第5次仅高亮透镜边缘；由此判定：穿过该边缘表面的光线是产生伪影的根源，在该表面增设消反射镀膜即可抑制该杂散光伪影。
注：如需了解序列检测工具的详细说明，请查阅用户指南《Understanding the Sequence Detection Tool》；如需学习进阶杂散光分析完整流程，可访问Ansys Learning Hub查看教程：《Stray Light Analysis in Ansys Speos Software》与《Stray Light Analysis of Cell Phone Camera》。
渲染仿真与人眼视觉分析
本章节目标：获取超短焦投影系统在真实居家环境下的渲染成像结果，并借助人眼视觉实验室开展主观视觉分析。此前已导入 .gltf 格式的室内家居CAD几何模型，同时额外创建了多组光源，用于复现各类现实照明工况。
为缩短整体仿真耗时，工程拆分为多组独立仿真；全部计算完成后可合并结果，得到包含所有光源的完整渲染数据。
● 逆向仿真 Inverse_NaturalLight 内置客厅CAD几何模型（仅传感器视场内结构）、超短焦投影设备外壳、自然光光源与辐照度传感器。传感器已按光源分组，可通过虚拟光源控制器单独开关各类光源，仅需执行一次仿真即可完成多光照工况计算。
● 正向仿真 Direct_Projector 内置超短焦投影整机及外壳、投影墙面、显示面光源与辐照度传感器。
● 正向仿真 Direct_Luminaire 内置客厅CAD几何模型（仅传感器视场内结构）、超短焦投影设备外壳、室内灯具光源与辐照度传感器。
第一步：定义仿真对象并执行计算
1.在结构树右键顶层主组件，选择 “Activate Component”
2.编辑墙面材质 Wall plaster_xxx 的第1层表面层：材质库类型选择，将 Lamb100R_A0.simplescattering 设置为表面光学属性文件。
3.编辑逆向仿真 Inverse_NaturalLight 参数：选中外壳全部7个结构件，以及传感器视场内12个 glTF 场景几何体，总计需选中19组几何模型。
4.编辑正向仿真 Direct_Projector：选中外壳全部7个构件、投影仪全部17组光学元件，以及投影墙面（1个构件：Cube_face_0），总计需要选中25个几何模型。
5.编辑正向仿真 Direct_Luminaire，选取与逆向仿真 Inverse_NaturalLight 完全相同的几何构件，总计选中 19 个几何模型。
6. 使用 CPU 或 GPU 执行仿真计算。
仿真结果分析环节:br 1. 本次分析以合并结果文件 Union.xmp 为核心对象；该文件生成方式：选中三组独立仿真输出结果，在光度计算器中执行贴图合并运算。
2. 人眼视觉实验室打开合并结果文件,在 Human Vision Lab 中打开输出文件夹内的Union.xmp结果文件。该模块用于模拟人眼真实视觉感知效果：依据人眼视觉非线性特性校正辐亮度响应；可根据环境亮度自动模拟人眼明暗适应；支持景深、观察者个体参数自定义（年龄、色觉缺陷等）。
3. 虚拟光源控制器切换光照工况,打开虚拟光源控制器（Virtual Lighting Controller），切换不同光照配置，观察投影画面在各类照明场景下的渲染成像效果。
设计结论说明各光源功率会随光照场景自动调整，由此可知：超短焦投影设备的光源亮度必须支持动态可调，才能在所有环境工况下都获得良好的显示成像效果。
模型重要参数设置
本节说明本仿真模型中关键几何体与配置参数
1.杂散光分析所需Speos组件:
● 材质
● 透镜材质由「Optical Design Exchange」功能自动生成
● 设备外壳构件赋予黑色塑料光学表面材质
● 光源
● 光学系统内部创建显示面光源，用于生成待投影画面
● 传感器
● 创建按光路序列拆分的光谱辐照度传感器，布置于墙面投影区域
● 仿真设置
● 基于上述全部几何体建立正向光线追迹仿真；传感器开启 Light Expert 功能，可在三维视图中显示追迹光路
2.人眼视觉分析所需Speos组件
● 材质
● 透镜材质由「光学设计交换」功能自动生成
● 设备外壳构件赋予黑色塑料光学表面材质
● 室内场景面片几何体材质通过 glTF 导入时自动生成
● 光源
● 光学系统内部创建显示面光源，生成待投影画面
● 配置多组自然光光源，模拟不同太阳照射角度，用于评估其对投影画面对比度的影响
● 传感器
● 创建按光源分组的光谱辐亮度传感器，摆放位置模拟人坐在扶手椅上观看投影画面的观测视角
模型深度拓展使用指南
供需要深度自定义模型的用户参考的拓展方法与操作提示
对比度是投影仪核心性能指标，可开展对比度专项仿真分析。行业通用标准 ANSI 对比度（美国国家标准协会）的仿真测算方法如下：将原投影画面替换为标准棋盘格图案，该图案由8个黑色矩形、8个白色矩形交错组成；运行仿真，分别读取每个矩形区域的亮度值，计算所有白色区域平均亮度与所有黑色区域平均亮度的比值，即可得到 ANSI 标准对比度数值。
此外，为进一步深化渲染仿真分析，可在模型中置入沉浸式传感器。 该传感器会生成后缀为 .speos360 的结果文件，可借助 VR 头盔进行全景沉浸式查看。
欢迎扫码添加宇熠工作人员微信加群/了解更多技术知识
