应用前景广阔的“抬头显示器”

摘 要：介绍抬头显示器（HUD）的概念、产生和工作原理，以及HUD设备在航空、汽车和其他领域的应用情况，分析HUD设备的发展趋势和关键技术点，提出随着对驾驶品质、安全性要求的不断提高和智能设备的迅速发展，HUD技术将得到越来越广泛的应用。

关键词：抬头显示器，飞机座舱显示系统，可穿戴设备

中图分类号：N04；TN873；TP3 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0019-03

Introductionof Head Up Display （HUD）

GAO Lei

Abstract： This paper introduces the concept， invention and work principle of HUD （head up display）. The application situation of HUD equipment in field of avigation， motorcar and the like is introduced， and the development trend and key technology of HUD equipment is analyzed. The application of HUD technology will become more and more extensive， with the continuous improvement of drive quality and security requirement and rapid development of smart equipment.

Keywords： head up display， airplane cockpit display system， wearable device

收稿日期：2014-06-21

作者简介：高磊（1982—），男，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电技术发明审查部，研究方向为光电设备、测控技术等。通信方式：gaolei@sipo.gov.cn。

抬头显示器（head up display， HUD）又叫平视显示器，是广泛应用在航空器上的一种飞行辅助设备，它使得驾驶员不需要低头、仅保持抬头的平视姿态就能看到所需要的飞机或飞行信息，如图1。它可以降低驾驶员低头查看仪表的频率，避免驾驶员注意力中断以及丧失对状态意识（situation awareness）的掌握[1]。

一 HUD的产生及原理

HUD的前身是抬头显示武器瞄准系统，简称HUDWAC[2]，其利用光学反射原理将瞄准光圈从光源投射到飞机座舱前面的玻璃或是座舱罩前表面上，文字或者影像被投射在镀膜镜片（析光镜） 并反射进驾驶员的眼睛，驾驶员透过HUD 往前方看的时候，能够轻易地将外界的景象与HUD 显示信息融合在一起，由于反射进驾驶员眼睛中的影像保持与飞机的中轴固定，所以驾驶员的身高坐姿不会对俯仰角或瞄准造成偏差，降低低头与抬头的次数，降低外界环境的快速变化和眼睛焦距不断调整产生的延迟与不适[3]，如图2。

图1 飞机抬头显示器

图2 飞机抬头显示器原理

抬头显示器基本结构由计算单元和显示单元两个单元组成，计算单元负责接收机载传感器发送过来的数据，并通过HUD内部的字符处理机和图像处理机将数据翻译成预设好的文字、符号或图形，显示单元负责将计算单元输出的信号进行驱动显示[4]。

二 HUD的应用

HUD首先应用于战斗机，并于20世纪70年代中后期逐渐应用于民用航空业，第一架使用HUD的战斗飞机是美国海军的A5舰载机，民用航空方面，在1975年由法国Dassault飞机公司最先使用于Mercure飞机上面，70年代晚期美国的麦克唐纳·道格拉斯公司在MD80 系列飞机上也开始采用HUD设备[5]。现在HUD在民用飞行器上的使用已经越来越普遍，HUD技术已经被国际民航所认可，美国联邦航空管理局、欧洲民航局、中国民航局都在积极推进该项新技术在本国本地区的应用，目前已经有22个国家、35家航空公司使用了这项技术，超过3600架的飞机安装了HUD设备[6]。

我国国内航空公司也陆续开始安装或者测试新一代HUD设备，山东航空公司已在35架B737800型飞机上安装了新一代HUD设备，厦门航空公司也于2012年底在高崎机场完成HUD验证飞行。中国民航局于2012年8月21日发布了《平视显示器应用发展路线图》，明确了我国应用HUD的战略目标和时间框架[7]。

20世纪末，HUD技术逐渐应用于汽车上，HUD首次在汽车上的应用是1988年通用汽车公司在其旗下的奥兹莫比Cutlass Supreme车型上选装HUD系统。2003年，宝马汽车公司成为欧洲第一家采用HUD技术的汽车公司。目前世界主要汽车生产商如福特、通用、奔驰、标志-雪铁龙、丰田、本田、日产、沃尔沃等均提供带有HUD的车型。

另外HUD还应用到导航、智能眼镜、智能头盔等可穿戴设备以及互动游戏等领域中，应用前景广阔。

三 HUD技术重点及发展趋势

抬头显示器技术的发展主要是由HUD功能的改进为基础和动力的。

1全像摄影显示

全像摄影（holographic）显示又叫全息显示，该技术主要是扩大显示影像的范围，增加各个方向尤其是水平方向的视野角度，甚至可以做到抬头显示的面积即驾驶员向外界看到的面积。技术核心在于显示器硬件设计和全息图像的制作两方面。硬件设计主要是全息光学组合玻璃和全息透镜的制作，全息组合玻璃由前玻璃、明胶层和后玻璃组成，前玻璃和后玻璃的典型材料是用光学方法制造的冕玻璃，明胶层是用感光明胶薄膜在其内形成全息图制成。相比于普通HUD 20°×15°的视场，全像摄影显示至少能达到30°×20°的视场，不但有效地增大了驾驶员的视角，还提供优于一般HUD对自然光的投射性和对射线管应光的反射特性[8]。

2高可视性HUD

高可视性HUD通过改进系统设计，使得驾驶员无须移动视线及调整眼睛焦点，便可确认显示字符和影像。比如东芝正在开发的HUD系统设法只让一只眼睛看到显示的虚像，由于只有单眼能够看到显示图像，因此即使看到背景像，也不会显示重影，并且如果虚像位置在眼睛的焦点深度范围内，风景和显示图像都不会模糊，可同时观看风景和显示图像。

3高折射率镀膜

透明的高折射率镀膜是HUD所需的特殊前风挡的表层功能部分，汽车用的这种风挡玻璃主要采用浸渍法和网印法生产，由于该玻璃含有氧化的钛和硅，所以它的折射率能够介于1.8 至2.2 之间，大于普通前挡风玻璃1.52 的折射率，所以玻璃表面的反射率就可以增大，经过多次的光干涉就可在远处成像。

4可穿戴HUD设备

飞机驾驶员的HUD眼镜和HUD头盔已经面世，最大的特点是轻便便携的同时能够实现图像随着驾驶员头部的移动和转动而变化，所以能够始终观察到图像，消除了固定视域问题。系统设计包括光学系统、显示产生器、姿态感知模块和显示控制模块。在HUD头盔的基础上进一步集成其他功能就发展出光电头盔，一般是将夜视眼镜（NVG）和HUD集成在一起，根据眼镜功能和结构特点可以分为单通道型、双通道型和多通道型，单通道型一般含有NVG，美军的Apache显示器是典型代表，双通道型一般含有NVG和直视光路，典型代表是美军CAT EYE夜视眼镜，在此基础上加入阴极射线管（CRT）显示等可以进一步构成三类或多类通道型光电头盔系统。

5平显内核软件

2001年，美国航空无线电协会提出了AR1NC661规范，通过图形用户界面（GUI）集合将显示和控制进行分离，构建了一个开放式软件体系结构，在该协议的基础上，通过制定软件关键性数据结构、设置图像驱动和渲染方式、配置灵活的软件接口层，可以编制出合适的平显内核软件，随着图像处理技术以及自动控制技术的迅速发展，平显内核软件对HUD系统性能的影响越来越重要。

四 结 语

抬头显示是一种视觉辅助技术，其对驾驶品质、驾驶安全性的提升具有显著效果，随着可穿戴设备的迅速发展，抬头显示技术在其中发挥着不可替代的作用，并且在全息显示、高可视性显示以及平显内核等方面的研究进展迅速，长期来看，抬头显示技术的应用前景会越来越广泛。

参考文献

[1] Wilipedia. 抬头显示器[EB/OL]. http：//zh.wikipedia.org/zhcn/抬头显示器.

[2] 程道生. HUD数字式符号发生器[J]. 电光与控制，1982（2）： 1-10.

[3] 曹增辰， 戴磊. HUD技术的汽车应用以及国内外发展情况[J].中国建材科技， 2010（s2）： 16-18.

[4] 马登武， 吴进煌.某型教学平显的设计[J]. 实验室研究与探索， 2000（6） ： 73-74.

[5] Pope Stephen. The Future of HeadUp Display Technology[N]. Aviation International News， Jan. 2006. February 2007.

[6] Akira.平视显示器试用于山东航空公司济南机场[EB/OL]. http：//www.itavcn.com/news/201103/20110330/14335.htm1.

[7] 吴生武.厦航平视显示器（HUD）运行验证飞行获得成功[J].空运商务， 2013（1）：7.

[8] 王贞.全息平视显示器光学组合玻璃的制造方法[J]. 航空精密制造技术， 1992（3）：17-18.