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ヘッド アップ ディスプレイの迷光解析 - パート 2

Zemax OpticStudio

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この記事では、ヘッド アップ ディスプレイ (HUD) で実施する迷光解析のワークフローについて説明します。この記事は 3 部構成のパート 2 です。

ヘッド アップディスプレイの迷光解析 - パート 1
ヘッド アップディスプレイの迷光解析 - パート 3

著者: Michael Cheng 

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記事の添付資料

はじめに

パート 1 では、画像生成ユニット (PGU) と太陽光による正反射迷光の光路を解析しています。アイ カメラでとらえたシーンと PGU の画像を視覚化するために、そのシーンと簡単なカメラを追加します。太陽光による迷光を効率的にシミュレーションするために、アイ カメラから太陽へ逆方向に光線追跡する方法を検討します。 

パート 2 では、API 解析ツールを導入して、太陽に起因する迷光を視覚化しています。この作業には逆方向光線追跡のプロセスを使用します。 

最後のパート 3 では、機械筐体の CAD モデルを光学系にインポートしています。迷光プロセスを繰り返し、機械筐体での散乱に起因する迷光の経路を解析します。 

この記事のみを読んでもかまいませんが、記事「ヘッドアップ ディスプレイの作業で使用するツールの選択」にも目を通すことをお勧めします。そこでは、この記事で取り上げている光学系を対象として迷光解析を実施しています。 

光源: シーン 

このセクションと次のセクションで使用するファイルは、添付のファイル v2_Step2-1_adding_scene.zar にあります。HUD の画像がシーンにどのように重ね合わされるのかという疑問はたいへん興味深いと思われます。このセクションでは、2 つのオブジェクトとして光源 (DLL) (Lambertian_Overfill.dll) とスライドを図 1 のように追加してシーンをシミュレーションします。このシーンの光源はアイ カメラから 2,000 mm の位置にあります。 

image001.png

図 1 光学系に追加した光源 (DLL) (Lambertian_Overfill.dll) とスライド オブジェクト。 

シミュレーション画像は図 2 のようになります。PGU はシーンよりもはるかに明るいので、図 2 (B) のカラー バーのスケールでは上限を 0.2 ワット/cm2 に変更しています。図 3 のように、このカラー バーを右クリックして [軸オプションを変更] (Edit axis options) → [Z] (Z) を選択することで、カラー バーのスケールを変更できます。図 2 (C) は小型ディテクタ上の結果です。アイ カメラの画像に表示される各種光源の明るさは、その光源の放射輝度によって変化する点に注意します。次のセクションでは、放射輝度がわかっているランバーシアン光源の設定方法を取り上げます。 

image003.png
図 2 PGU とシーン光源のシミュレーション画像。

image005.png
図 3 カラー バーを右クリックして [軸オプションを変更] (Edit axis options) → [Z] (Z) を選択することでカラー バーのスケールを編集。

指定の放射輝度を持つ光源の設定 

このセクションで使用するファイルも添付の v2_Step2-1_adding_scene.zar ファイルにあります。放射輝度がわかっている光源の全パワーを正しく設定する方法を明確にすることは重要です。運転者が見る HUD 画像の明るさとコントラストを評価するには、正確な放射輝度による光源の設定が重要です。 
簡潔にするために、ここではすべての光源がランバーシアンであると仮定します。ランバーシアン光源の場合、すべての方向と位置で放射輝度は一定です。したがって、全パワー (光束) は次の式で求めることができます。 

\(\pi\)*A*L 

各値の定義は次のとおりです。 
A: 光源の面積 
L: 光源の放射輝度 
光源がランバーシアンではない場合、放射輝度は方向と位置 (またはそのどちらか) の関数になります。したがって、面積全体と投影された立体角全体にわたって放射輝度を積分する必要があります。 

光源ごとの全パワーの取り扱いと、光源の輝度、面積、全光束 (ルーメン) の関係を次の表に示します。 

 

輝度
(nit = Lumens/sr/\(m^{2})\)

面積
(\(m^{2})\)

全光束
(Lumens)

PGU

1,000,000

0.025 x 0.01

250\(\times \pi\)

太陽 (逆方向光線追跡) 

1,000,000,000

40 x 30

\(1.2\times 10^{6}\times \pi\)

シーン 

7,500

4 x 3

\(9\times 10^{4}\times \pi\)

どの光源の全光束も相対値です。便宜性を考慮し、添付されているファイルでは、全光束を ππ で正規化し、光源単位をワットに設定しています ([システム エクスプローラ] (System Explorer) → [単位] (Units))。 
たとえば、シーンの全光束は、光学系で 6×1046×104 ワットに設定されています。 

太陽による迷光の解析ツール 

このセクションで使用する光学系は、添付のファイル v2_Step2-2_consider_sun_straylight.zar にあります。 
前のセクションでは、HUD の画像とシーンを適切な明るさで視覚化する方法を示しました。しかし、同じ方法で太陽による迷光を扱うことは面倒です。アイ カメラのディテクタからディテクタ (極) に向かって光線を逆方向に追跡しているからです。 

アイ カメラのディテクタ上に正しいデータを表示するには、逆方向光線追跡の光源からディテクタ (極) までの各光路を確認し、透過パワーを画像に反映する必要があります。現在のところ、この操作を実現する効果的なツールはありません。したがって、このセクションでは、OpticStudio に用意されているプログラミング ユーザー インターフェースである ZOS-API を使用して、カスタマイズしたユーザー解析ツールを作成します。 

ユーザー解析をインストールするには、添付のファイル Sun_straylight_analyzer.zip をダウンロードして、\Documents\Zemax\ZOS-API\User Analysis\ フォルダに Sun_straylight_analyzer.exe を解凍します。OpticStudio を閉じてから再度開きます。図 4 のように、[プログラミング] (Programming) → [ユーザー解析] (User Analyses) でユーザー解析を実行できます。 

image009.pngimage011.png

図 4 この記事からユーザー解析 Sun_strylight_analyzer.exe をダウンロードして使用可能。 

このユーザー解析を使用するには、まずアイ カメラのディテクタから光線追跡を実行し、その結果を ZRD ファイル (Zemax 光線データベース) に保存する必要があります。このツールの使用方法は、例を引いて説明するとよくわかります。 
次の手順は、このツールを HUD 光学系で使用する方法を示しています。 

  1. 添付のファイル v2_Step2-2_consider_sun_straylight.zar を開きます。前に挙げた例 v2_Step2-1_adding_scene.zar との唯一の相違点は、このファイルでは光源 (DLL) (オブジェクト 38) が追加されていることです。この光源が追加されている理由は、太陽光の解析を目的とした小型ディテクタ (オブジェクト 31) への逆方向光線追跡で必要になるからです。 
  2. 光源 (オブジェクト 36) から、1e6 本の解析光線を追跡します (大型ディテクタ (オブジェクト 30) への逆方向光線追跡)。他の光源からの解析光線数は 0 に設定します。図 5 のように、必要なフィルタ文字列を指定して ZRD ファイルを保存します。このフィルタ文字列についてはパート 1 で説明しています。後ほど小型ディテクタ (オブジェクト 31) の光線追跡で別の ZRD ファイルを保存するので、この ZRD ファイルの名前を変更しておきます。図 5 では損失エネルギーの値が大きいように見えますが、実際にはこれほど大きくありません。この光学系の全光源パワーは 1.2e6 ワットなので、総損失エネルギーは 0.01% 程度にすぎません。
    image013.png
    図 5 大型ディテクタの光線追跡。
  3. シーンの光源 (オブジェクト 40) から 2e6 本、PGU の光源 (オブジェクト 33) から 2e6 本の光線を追跡します。追跡する光線は合計で 4e6 本になります。ここで ZRD ファイルを保存しないでください。保存すると、すでに保存済みの ZRD ファイルが上書きされます。ディテクタ (オブジェクト 30) 上には、シーンと HUD の画像が表示されます。 
  4. ユーザー解析 Sun_straylight_analyzer を開きます。この解析を図 6 のように設定します。[ZRD データのみ] (Only ZRD data) と [透過を無視] (Ignore transmission) をチェックしておきます。この 2 つのオプションをチェックする目的は正常性のチェックにあります。このチェックでは、この ZRD ファイルを選択しているディテクタ ビューアに表示される結果と、ここで得られた結果が同じであるかどうかを確認します。 
    - [ZRD データのみ] (Only ZRD data) をチェックすると、シーンと HUD の画像を表示しているディテクタの現在のデータが無視され、光源 (オブジェクト 36) からの逆方向光線のみが考慮されます。 
    - [透過を無視] (Ignore transmission) をチェックすると、アイ カメラのディテクタ (オブジェクト 30) から太陽のディテクタ (極) (オブジェクト 26) に達する光線の透過率データが考慮されません。 image015.png図 6 ユーザー解析で太陽による迷光を解析するための設定。
  5. ユーザー解析で [OK] (OK) をクリックすると、図 7 のような結果が表示されます。この結果は、同じ ZRD ファイルを読み込んだディテクタ ビューアに表示される結果と同じです。image017.png図 7 同じ ZRD ファイルを読み込んだディテクタ ビューア (左側) とユーザー解析 (右側) に表示された同じ結果
  6. ここで [透過を無視] (Ignore transmission) のチェックを外してユーザー解析を更新します。このようにすることで、各光線がディテクタに到達したときにその光線が保持している最終的なパワーが確認され、その結果が表示データに反映されます。その画像では、光学系を伝搬してアイ カメラに到達した太陽光の透過が正しく考慮されています。ただし、非現実的な要素がまだ 1 つあります。この画像では、あらゆる方向から太陽光が来ると想定していますが、実際にはそのようなことはありません。
    image019.png
  7. 迷光の画像がシーンと HUD の画像にどのように重ね合わされているかを確認するには、次の 3 つのアクションが必要です。  
      • (1) 太陽光の入射角を設定します。そのためにはディテクタ (極) での角度を測定します。 
      • (2) 発散角半値を 0.25°に設定します。 
      • (3) 図 8 のように [ZRD データのみ] (Only ZRD Data) のチェックを外します。 
      • 太陽光の放射照度は、HUD 画像の放射照度の約 3,000 倍です。シーンと HUD の画像を表示するには、図 8 の右上部分にあるカラー バーに上限として 1 を設定します。 
      • 0.25°の発散角は、晴天で太陽光が占める角度です。API では、0.25°よりも大きい発散角でディテクタ (極) に達する光線を除外するフィルタとして、この設定が機能します。要件に応じて独自の値を入力してもかまいません。たとえば曇天時のような大きい発散角を入力すると、太陽光による迷光のパワーを調整するために [スケール] (Scale) パラメータを使用できます。カラー バーのスケールを変更する方法は図 3 のとおりです

      image021.png図 8 迷光の角度を測定してユーザー解析 sun_straylight_analyzer.exe で解析。
  8. 他の迷光角度でこのプロセスを繰り返すことができます。図 9 に別の例を示します。 
    image023.png

    図 9 ユーザー解析 Sun_straylight_analyzer.exe の光路 5 による迷光画像。
    image025.png
    図 10 ユーザー解析 Sun_straylight_analyzer.exe の光路 2 と光路 3 による迷光画像。

ここまでは、カスタマイズしたユーザー解析を使用して、太陽による迷光がシーンと HUD の画像に重なった状態を表示する方法を紹介してきました。 

以下では、同じプロセスを小型ディテクタ (オブジェクト 31) について繰り返します。この手順は必須ではなく、ここでは参考までに紹介しています。 

  1. 再度、添付のファイル v2_Step2-2_consider_sun_straylight.zar を開きます。 
  2. 光源 (オブジェクト 38) (小型ディテクタ (オブジェクト 31) に対する逆方向光源) から 1e6 本の光線を追跡します。他の光源からの解析光線数は 0 に設定します。図 5 のように、必要なフィルタ文字列を指定して ZRD ファイルを保存します。この ZRD ファイル名は v2_Step2-2_small.ZRD に変更します。 
  3. PGU の光源 (オブジェクト 33) から 2e6 本の光線を追跡します。この段階では ZRD ファイルを保存しません。シーンの光源 (オブジェクト 40) からは光線を追跡しません。ここでは、太陽による迷光が小型ディテクタ (オブジェクト 31) に到達している状態で HUD の画像を確認することが主な目的であるからです。 
  4. すべての太陽角度を考慮すると、図 11 のように迷光のみの結果が得られます。なお、Z のスケールは [自動] (Automatic) に戻しています。image027.png

    図 11 すべての太陽角度を考慮した場合に太陽によって小型ディテクタ (オブジェクト 31) 上に現れる迷光。 

  5. 視野が狭いこの小型ディテクタ (オブジェクト 31) 上には、2 つの太陽高度でのみ迷光が発生します。この結果は図 12 と図 13 のようになります。 Picture1.png
    図 12 ユーザー解析 Sun_straylight_analyzer.exe の小型ディテクタ (オブジェクト 31) 上で光路 6 によって発生した迷光画像。
    image032.jpg
    図 13 ユーザー解析 Sun_straylight_analyzer.exe の小型ディテクタ (オブジェクト 31) 上で光路 2 と光路 3 によって発生した迷光画像。

まとめ 

この記事では、逆方向光線追跡法を使用したときに、太陽によって発生する迷光を API 解析ツールを使用して視覚化する方法を紹介しました。 

次の記事: 「ヘッド アップ ディスプレイの迷光解析 - パート 3」では、機械筐体の CAD モデルをインポートして、その機械筐体によって発生する迷光を調査します。 

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