ヘッドアップディスプレイ投影光学系：SpeosからOpticStudioへ - パート1

Also available in English

著者:Julia Zhang, HunjuYi, Mike Grove, Alexandra Culler

はじめに

OpticStudioでヘッドアップディスプレイ（HUD）システムを設計するには、まずSpeosで初期設定を行うと便利です。Speosでは、HUDプロジェクタ、ミラー、アイボックス、仮想像面を簡単に構成することができます。CADプラットフォームはグラフィカルなインタラクティブ性とユーザーフレンドリーな操作を備えており、光線と体積的な制約を視覚的に適用しやすくします。これにより、最初から車両内に適切にフィットし、フロントガラスやダッシュボードなどの自動車アセンブリに埋め込まれた光学エレメントを配置することができます。

この記事は、SpeosとOpticStudioを使ったHUD投影光学系の設定と最適化のワークフローを解説する全4回のシリーズのうちの第1回目です。

このパートでは、ワークフローで使用するSpeos HUD光学設計ツールについて説明します。これは、指定された設計パラメータで開始点HUD設計を作成するための所定の手順を含んでいます。さらに、SpeosとOpticStudioの両方で一貫性のあるグローバル座標系を調整する手順も説明します。

ヘッドアップディスプレイ投影光学系：SpeosからOpticStudioへ - パート2

SpeosでのHUD光学設計の準備

ヘッドアップディスプレイ（HUD）投影光学系の開始点を作成するには、CADプラットフォームで形状の制約を直接定義する方法が非常に便利です。このアプローチでは、ミラーと画像生成ユニット（PGU）を搭載したグラフィックウィンドウで、HUD投影光学系のボリュームを視覚的にアウトライン化することができます。自動車のフロントガラスやその他のステップ部品やアセンブリと連動することで、光学エレメントの空間配置を容易にします。なお、フロントガラスをコンバイナーとして使用するHUDシステムに含まれるエレメントについては説明しません。 

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

ヘッドアップ ディスプレイ: OpticStudioからSpeos へ

HUD光学設計（HOD）は、HUDミラー投影光学系を作成するために使用するSpeosツールです。HODは、自由曲面ミラーで最適化された結果を提供し、サイズ寸法や距離/位置などの入力仕様に基づいて光学系全体を構築するのに役立ちます。

OpticStudioのユーザーは、SpeosのグラフィカルウィンドウでCADパーツやアセンブリの操作を行うのが難しいと感じるかもしれません。その理由は、Speosグラフィックウィンドウのエレメントの回転、移動、ズームイン、ズームアウトの方法がOpticStudioレイアウト/シェーディングモデルと異なるためです。さらに、2つのソフトウェア間で操作を一貫させるためのオプション/設定はありません。この記事の「OpticStudioユーザーから見た Speos の操作」セクションは、OpticStudioユーザーがSpeosのナビゲーションに素早く慣れるための有用なリソースです。

Speosで設計の開始点を構築

Speos HODツールの手順は、クリティカル光線（中心光線）の経路長と方向に基づいて光学系を構築し、ユーザーが入力した特定のエレメントの寸法を組み合わせます。

HUD光学設計を作成するには、通常の手順に従い、追加の手順を実行して、SpeosとOpticStudioの間で座標系を調整します。最初に座標の位置合わせ手順について説明し、次にルーチンHUD作成手順について説明します。

図 1.1: Speos座標位置合わせ

座標系の調節

座標系の調節の目的は、両方のソフトウェアで同じグローバル座標参照を使用して、Speos から取得した位置値とサイズ値をOpticStudioでそのまま使用できるようにすることです。

Speos（SpaceClaimのCADプラットフォーム）には固定されたグローバル原点があり、これはOpticStudioで設定するグローバル参照と同等です。Speosで、オブジェクトまたはコンポーネントを選択して、[Design (設計) > Editor (エディター) > Move (移動)] をクリックすると、オブジェクト/コンポーネントの中心に別の原点が表示されます。この原点を使用すると、OpticStudioシーケンシャルシステムのローカル軸またはローカル座標参照と同様に、オブジェクト/コンポーネントをそれに基づいて回転または平行移動できます。

OpticStudioでのHUD設計の初期設定では、システムは逆に設定され、アイボックスの中心がグローバル原点/頂点、光学軸がグローバルZ軸となります。座標調節は、次の一連のステップを使用して、Speosで実行します。

1. Speosで、[Design (設計) > Edit (編集) > Select (選択)] をクリックし、グラフィックウィンドウまたは左側の構造ツリーから移動させたいすべてのコンポーネントを選択します（Ctrlを押して複数の形状を選択します）。

   
   図1.2: 座標系の調整 - ステップ1

2. 形状を選択した状態で、[Design (設計) > Editor (エディター) > Move (移動)] に移動します。移動操作のオプションが表示されます。最初に [Anchor (アンカー)] オプションをクリックしてから、アイボックスの中心点をクリックします。 
   上のハイライトされた移動ハンドルは、選択した構成部品の新しい参照方向として機能します。その頂点は、選択したアイボックスの中心点と一致しています。

   
   (a) アンカー操作
   
   (b) アイボックスの中心と一致するハンドルを移動
   図 1.3:座標系の調節 -ステップ2

3. 次に、[Up To] オプションで、選択したコンポーネントのハンドルを移動し、頂点をSpeosのグローバル原点に合わせます。アイボックスの中心点は、選択した他のコンポーネントの相対位置は同じままで、Speosグローバル原点に配置されます。

   
   図 1.4: 座標系の調整 - ステップ3

4. グローバルY軸を中心に90度回転させ、グローバル+Z軸がフロントガラス要素の方を向くようにします。

   
   (a) 回転操作
   
   (b) Y方向を90度回転 
   図 1.5: 座標系の整列 - ステップ4
   
   
   図1.6:最終結果

Speos HOD ルーチン手順

このルーチン手順は、まず、Speosで、[Design (設計) > Optical Part Design (光学部品設計) > HOD Optical Design (HOD光学設計)] で設計を作成することから始まります。

1. 車両方向と上面方向の2つの方向を定義します。 　　これらの2つの方向により、仮想画像面からアイボックス面に正確な方向（逆方向）で光線を向けることができます。
2. グラフィックスウィンドウでアイボックスの中心を選択します。
3. 光線が反射されるフロントガラスの内面を選択します。
4. 最初の3つのステップでは、事前に計算された形状が生成され、グラフィックスウィンドウに表示されます。これにより、グラフィカルウィンドウでインタラクティブに表示し、Speosのオブジェクト定義から各エレメントの寸法や位置を調整することができます。
5. 調整する主なオプションは以下のとおりです：
   • アイボックスの寸法
   • ターゲット像面のサイズと位置
   • PGUのサイズと位置
   • 投影ミラーのサイズと位置

図 1.7: Speos HOD の操作手順

このトピックの詳細な手順と学習教材については、The Ansys Learning Hubを参照してください。