注目のヘッドアップディスプレイテクノロジー

大手自動車メーカーが次世代ヘッドアップディスプレイの開発に投資している中、シミュレーションが安全性の課題にどのように対処できるかをご紹介します。

競争が激化しているグローバル自動車市場でメーカーが優位に立つためには、安全で快適なユーザーエクスペリエンスを提供する革新的な次世代テクノロジーを活用して、差別化を図る必要があります。そうした中で、ヘッドアップディスプレイ（HUD）はイノベーションと競争上の差別化を図る重要な分野となっています。

HUDは、ドライバーが前方の道路から目を離さず、できる限り運転に集中できるように、スピードメーターの値、燃料レベル、ナビゲーションガイダンス、交通警告などの重要な情報をドライバーの視線内のフロントガラスまたは専用ミラーに投影します。拡張現実のひとつの形態であるHUDは、今日の先進運転支援システム（ADAS）プラットフォームの重要なコンポーネントとして、航空業界から商用車まで、さまざまな分野で採用されています。

この最先端テクノロジーは、広く認知されつつあり、HUDの市場は爆発的に拡大しています。現在、今後8年間でHUDの市場規模は約4倍（2023年の16億ドルから2032年には70億ドルまで）になると予測されています。

世界有数の自動車メーカー各社がこのテクノロジーに注視し、投資をしています。各メーカーは、現在はまだ比較的小さいHUDの面積をフロントガラス全面まで広げ、ドライバーが道路から目を離す機会をできる限り最小限に抑えることを目指しています。Ford社、BMW社、およびGeneral Motors社は現在、フロントガラス全面に広がるディスプレイの特許やプロトタイプの開発に投資しています。

Hyundai社は最も意欲的に開発を進めています。早ければ、2027年モデルからフロントガラス全面に広がるHUDが実装される予定です。また、Hyundai社はHUDのガラス部分をさらに拡大し、車内のダッシュボードを排除した車両の設計にも取り組んでいます。

Ansysによる設計最適化の実現

HUDの開発は、人の知覚が関与するため、常に複雑な設計上の課題を抱えています。部門横断型の設計チームは、ガラスの強度や投影システムのコストなどの懸念事項に対処するだけでなく、人の行動や視覚能力の違いも考慮しなければなりません。ゴースト、歪み、ワーピング、色収差など、情報の読みやすさや照明に関するさまざまな懸念点を考慮する必要があります。

不確かさをもたらす最大の要因の1つは迷光です。迷光とは、検出器によって感知または人が知覚する意図しない光です。たとえば、光がフロントガラスのコーティング剤に当たり、予期しない振る舞いで跳ね返るなど、HUDに搭載された光学部品が原因で迷光が発生する場合は、ドライバーの混乱を招き、ガラスを通して視界を妨げたりするゴースト反射が発生します。迷光は、太陽の光や対向車のヘッドライトなどの非光学コンポーネントから発生して、意図しないグレアを引き起こすこともあります。

当然ながら、HUDの表面積が増加するにつれて、迷光がディスプレイデータと前方の道路の両方の可視性に干渉するリスクも高まります。HUD設計が1つの科学分野として成熟するにつれて、自動車エンジニアリングチームは、迷光とその影響を軽減するためのさまざまなツールやベストプラクティスを自由に採用できるようになりました。それにより、HUDの光学部品の角度、材料、基材、コーティング剤、位置を変更できるようになりました。また、ライトトラップ（望ましくない光路のための機械的な収集装置）をHUD設計に組み込むこともできます。

しかし、難しい問題がまだ残っています。HUD開発チームは、コストのかかるプロトタイプ作製や実機試験を行う前に、どうすれば人の知覚の全範囲を正確に再現して、迷光を発生させるあらゆる原因を特定し、不要な光学現象を排除できるのでしょうか。その答えはエンジニアリングシミュレーションです。

シミュレーションは、HUDの多くのコンポーネントをモデル化し、数千もの動作パラメータを用いて性能を再現して、迷光とその影響を最小限に抑えるために、低リスクの仮想環境で設計を調整できる、高速かつ実行可能で費用対効果に優れた唯一の方法です。設計者が事前に定義した仕様を満たす上でエンジニアリング指標が役立ちますが、最高基準の安全性が確保された自動車を設計するには、人の行動がディスプレイの読みやすさにどのように影響するかを理解することが不可欠です。

Ansysはシミュレーション業界のリーダーとして、光学系設計および解析ソフトウェアであるAnsys Zemax OpticStudioとCADを統合した光学および照明シミュレーションソフトウェアであるAnsys Speosという2つの高度なソリューションを提供しています。これらのソリューションを使用することで、極めて高度かつ大規模なHUDシステムでも稼働環境での性能を正確に再現できるようになります。

認識技術と光学の融合

ここでは、どのようにOpticStudioとSpeosを連携させて、迷光を検出して最小限に抑えるかを理解するために、Ansysの専門家が作成したシミュレーション例を見てみましょう。Ansysの2つのソリューションを活用して、自動車のミラーに投影されるHUDの設計を最適化します。

まず、エンジニアは、OpticStudioでHUDシステムの最適化を実行し、光学部品によって生じる迷光を軽減させながら、期待する光学性能を達成できるようにします。迷光は、ゴーストや太陽光の熱などの現象によりHUDの内部または外部から発生し、投影された画像を判読不能にさせ、最悪の場合は画像生成ユニット（PGU）に損傷を与えます。ミラーの形状／角度、材料、コーティング剤を調整することで、迷光の影響を大幅に抑えることができます。コーティング剤の選択も非常に重要です。たとえば、PGUの熱を軽減するためにコールドミラー膜を追加することも効果的です。

次に、エンジニアは、このデータをSpeosに転送して、実際の運転状況下でHUDの包括的なシステムレベル解析を実行します。たとえば、機械的ハウジングを追加したり、非光学ジオメトリを採用したりします。まず、HUDシステムだけでなく、外部から生じる迷光も含めて、最悪の場合の迷光生成条件を決定します。次に、HUDのガラス面、機械的ハウジング、またはダッシュボードに当たる迷光の影響をシミュレーションします。こうしたオブジェクトからのグレアは、ディスプレイの可視性だけでなく、ドライバーの前方視界を妨げる可能性があります。この時点で、ドライバーの視点からのユーザーエクスペリエンスの妥当性を確認します。人の視界を（グレアや被写界深度などを用いて）再現した仮想世界では、迷光の影響を正確に「見る」ことができます。ここで、エンジニアは、「生じる光学現象は、運転の安全性に対して、単なる煩わしさなのか、あるいは安全性を低下させる脅威となるのか」を考えます。

どちらの場合でも、Speosを使用して、迷光の影響を軽減する設計補正を適用できます。たとえば、グレアや反射を最小限に抑えるために、ディスプレイ材料の特性を変更できます。さらに、より多くの拡散および光吸収材料を試して、その効果を確認できます。

Ansysのシミュレーションを使用すると、設計変更を簡単かつ迅速に行えるようになり、次世代HUDの開発に必要な部門横断型コラボレーションも可能になります。Ansysのツールを活用したシミュレーションでは、さまざまな分野のメンバーで構成されたチームが実稼働環境での設計性能を動的に可視化し、コラボレーションを通じて反復的に作業を行い、精度の高い仮想プロトタイプを作製できるようになることで、設計の信頼性、チームワーク、イノベーションレベルが最大限まで高まります。

設計と安全性のリーダーシップを推進

現在、自動車メーカーは多くの課題に直面しています。ユーザーは、HUDなどの革新的なADAS安全機能を迅速に開発し導入することを期待しています。各メーカーは自社ブランドを差別化できるような車両モデルやデジタルテクノロジーをリリースしようと競い合いますが、その中で、物理特性の計算を省略したり、分析精度を犠牲にすることは絶対にあってはなりません。

HUDに対する期待が高まっている中、Ansysのシミュレーションを導入することで、実際の運転条件下でのシステム性能の包括的で複雑な解析を実行しながら、高速かつ費用対効果の高いアプローチで設計と検証を行えるようになります。HUD設計サイクルの初期段階から安全性を検討できるようになり、実機試験を実施するまでの間、何回でもモデル作成とシミュレーションを繰り返すことができます。

ディスプレイのサイズが大きくなり、機能が向上するにつれて、大手自動車メーカーはHUDの開発に本腰を入れるようになりました。こうした意欲的な計画を達成するには、OpticStudioとSpeosをツールとして組み込み、自動車設計の主要なベストプラクティスの採用が必要となるでしょう。

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