【技術(shù)文章】戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員用的HUD光學(xué)系統(tǒng) —— TracePro光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

平視顯示器（HUD——Head Up Display）對(duì)于飛機(jī)駕駛員來(lái)說(shuō)，平視顯示器通過(guò)接口讀取行駛信息，并把信息處理成圖像，圖像被特定的光路投射到合成器（擋風(fēng)玻璃或者其它透明介質(zhì)板），然后反射到駕駛員的眼睛，這樣可以讓駕駛員始終保持著平視的狀態(tài)，不需要低頭俯視去看駕駛信息而導(dǎo)致一些交通事故，也緩解了交替觀察車內(nèi)和車外不同遠(yuǎn)近的景物信息而引起的眼睛疲勞。

 在二戰(zhàn)后，HUD憑借著可以輔助機(jī)械計(jì)算機(jī)發(fā)展出射擊解決方案的特點(diǎn)，應(yīng)用在軍事航空科技上，另外還發(fā)展出了（HMD），即頭盔顯示器(Head-Mounted Display)，是非固定的HUD。隨著時(shí)代的發(fā)展，HUD受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注，漸漸民用化，現(xiàn)在在汽車領(lǐng)域也有HUD的一番天地了，下面是平視顯示器應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)的畫面。

LPHUD（Low Profile HUD，小輪廓平視顯示器），因?yàn)槠潴w型較大，一般只應(yīng)用于飛機(jī)。接下來(lái)，將主要介紹LPHUD應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)的TracePro仿真分析。

LPHUD是第三代HUD技術(shù)，是利用光波導(dǎo)直接在組合器上產(chǎn)生圖像，主要是由中繼透鏡模塊（relay lens module）、光波導(dǎo)（waveguide）和疊像鏡（combiners，組合器）光學(xué)器件組成，圖1的（a）（b）（c）是各個(gè)模塊的組成顯示在人眼的圖示。

圖（a）

圖（b）

圖（c）LPHUD光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物顯示

圖1 LPHUD光學(xué)系統(tǒng)整體圖示

通過(guò)TracePro的仿真，可以看出：駕駛員可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需低頭去查看駕駛信息，可以平視組合器上的信息，縮短時(shí)間做出判斷，這對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員在作戰(zhàn)時(shí)是相當(dāng)重要的。此外，我們還可以通過(guò)系統(tǒng)仿真出在疊像鏡上的輻照度和和該系統(tǒng)整體的出光角度分布，來(lái)調(diào)整中繼透鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)駕駛員在水平方向和垂直方向視野寬的特點(diǎn)。

現(xiàn)在通過(guò)該系統(tǒng)，已經(jīng)能夠使HUD實(shí)現(xiàn)在水平和垂直方向超過(guò)25°的視野角度了。如果還需要加大視野角度，可以通過(guò)中繼透鏡的同軸雙透鏡來(lái)調(diào)整圖像放大倍率實(shí)現(xiàn)。

在此系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)中，還通過(guò)TracePro添加了光波導(dǎo)（waveguide），波光導(dǎo)有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)輸入面是由傾斜的具有透射表面特性組成，而輸出區(qū)域由雙斜分束器特性的表面組成。光波導(dǎo)中的輸入源是來(lái)自于中繼透鏡系統(tǒng)的圖像，而將光傳播通過(guò)雙斜分束器后通過(guò)反射原理繼續(xù)傳播。

在TracePro中，設(shè)置光波導(dǎo)有以下兩種放置情況，如圖2（a）和圖2（b）：

圖2（a）波導(dǎo)板被垂直放置 

在擋風(fēng)玻璃的中心線   

*（中繼透鏡系統(tǒng)被垂直放置）

圖2（b）波導(dǎo)板被垂直放置

 在擋風(fēng)玻璃的中心線

 *（中繼透鏡系統(tǒng)被水平放置）

我們可以將中繼透鏡系統(tǒng)垂直放置和水平放置，但要實(shí)現(xiàn)光的傳播，中繼透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會(huì)隨著放置的方式而改變。如圖2（a）的放置，這種放置方式得視野會(huì)較寬，但光波導(dǎo)的位置距離駕駛員會(huì)較遠(yuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致遮擋到駕駛員查看擋風(fēng)玻璃外的情況。若如圖2（b），光波導(dǎo)的位置離得近了，不會(huì)干擾到擋風(fēng)玻璃，但卻使LAD（Large Area Display，大面積顯示）受到干擾，所以這兩種方式都不可行。

因此，在此系統(tǒng)中利用TracePro添加一個(gè)疊像鏡（組合器）將波導(dǎo)水平放置后，將波導(dǎo)輸出的光通量通過(guò)疊像鏡表面反射到達(dá)飛行員的眼睛。即不會(huì)干擾到擋風(fēng)玻璃，也不會(huì)對(duì)LAD造成影響，通過(guò)此也可以意識(shí)到TracePro操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

圖2（c）波導(dǎo)板被水平放置

因此采用第三種，有疊像鏡的方式。但是，這種方式還是存在一點(diǎn)不足：無(wú)法使圖像完整的呈現(xiàn)在疊像鏡上。

光波導(dǎo)具有光輸入?yún)^(qū)域和輸出區(qū)域，在波導(dǎo)輸入?yún)^(qū)域的傳輸邊緣，LPHUD圖像上出現(xiàn)了不可顯示的區(qū)域，因?yàn)橐氩▽?dǎo)的磁通寬度受邊緣尺寸的限制，沒(méi)有足夠的尺寸。為了防止這種情況的發(fā)生，通過(guò)下面兩種方式可以避免光損失而造成顯示缺失，如圖3（a）（b）所示。

圖3（a）擴(kuò)大輸出邊緣的尺寸

圖3（b）添加一個(gè)補(bǔ)償元件（帶有分束特性表面）

通過(guò)上述的分析，我們?cè)赥racePro中可以添加不同的光學(xué)元件，來(lái)使其完成LPHUD系統(tǒng)效果。

當(dāng)然，現(xiàn)在的車載顯示技術(shù)也可以通過(guò)多種方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了：如前置反射式平視顯示系統(tǒng)、全光息平視顯示系統(tǒng)、自由曲面平視顯示系統(tǒng)、菲尼爾透鏡平視顯示系統(tǒng)等多種方式，如圖是不同系統(tǒng)的顯示技術(shù)原理圖，以上都可以通過(guò)TracePro進(jìn)行仿真，就不一一列舉說(shuō)明了。原理都大同小異，通過(guò)改變其中的光源元件等可以實(shí)現(xiàn)。

圖4（a）前置反射式平視顯示系統(tǒng)	圖4（b）全光息平視顯示系統(tǒng)

圖4（c）自由曲面平視顯示系統(tǒng)	圖4（d）菲尼爾透鏡平視顯示系統(tǒng)

通過(guò)TracePro仿真對(duì)LPHUD光學(xué)系統(tǒng)的分析，LPHUD光學(xué)系統(tǒng)需包括中繼透鏡模塊、波導(dǎo)和疊像鏡。在中繼透鏡模塊中，在TracePro中改變雙軸透鏡的孔徑等參數(shù)來(lái)達(dá)到擴(kuò)大駕駛員視野的效果，光波導(dǎo)幾乎垂直于視場(chǎng)的中心光線，輸入?yún)^(qū)域由一個(gè)傾斜的透射面組成，并使用一個(gè)帶有分束面的補(bǔ)償元件來(lái)防止LPHUD顯示器上的不可顯示區(qū)域。利用TracePro可以完整的仿真出我們想要的效果，通過(guò)改變光學(xué)元件參數(shù)或者添加不同的光學(xué)元件等手段。

通過(guò)TracePro中，我們可以很簡(jiǎn)便添加不同的光學(xué)器件，通過(guò)設(shè)置不同的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)效果。并且，也可以通過(guò)分析此系統(tǒng)的輻照度圖、配光曲線等來(lái)不斷優(yōu)化此光學(xué)系統(tǒng)，真正的達(dá)到可以應(yīng)用的效果。