技術文章 |HUD光學設計應用案例 ——戰斗機駕駛員用的HUD光學系統

HUD這一技術其實很早就已經存在了，最開始是應用于戰斗機上，有效降低了飛行員低頭查看儀表的頻率，提高駕駛安全性。隨著科技的進步，HUD 技術已經開始普及到汽車領域，通過以下戰斗機駕駛員用的HUD光學系統設計應用案例，為汽車HUD的光學設計提供可借鑒方案。

一．HUD應用背景介紹

平視顯示器（HUD——Head Up Display）對于飛機駕駛員來說，平視顯示器通過接口讀取行駛信息，并把信息處理成圖像，圖像被特定的光路投射到合成器（擋風玻璃或者其它透明介質板），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，不需要低頭俯視去看駕駛信息而導致一些交通事故，也緩解了交替觀察車內和車外不同遠近的景物信息而引起的眼睛疲勞。

在二戰后，HUD憑借著可以輔助機械計算機發展出射擊解決方案的特點，應用在軍事航空科技上，另外還發展出了（HMD），即頭盔顯示器(Head-Mounted Display)，是非固定的HUD。隨著時代的發展，HUD受到業內的關注，漸漸民用化，現在在汽車領域也有HUD的一番天地了，下面是平視顯示器應用于戰斗機的畫面。

LPHUD（Low Profile HUD，小輪廓平視顯示器），因為其體型較大，一般只應用于飛機。接下來，將主要介紹LPHUD應用于戰斗機的光學系統的TracePro仿真分析。

二．利用TracePro進行光學設計及分析

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

圖（a）

圖（b）

圖（c）LPHUD光學系統實物顯示

圖1 LPHUD光學系統整體圖示

通過TracePro的仿真，可以看出：駕駛員可以實現無需低頭去查看駕駛信息，可以平視組合器上的信息，縮短時間做出判斷，這對于戰斗機駕駛員在作戰時是相當重要的。此外，我們還可以通過系統仿真出在疊像鏡上的輻照度和和該系統整體的出光角度分布，來調整中繼透鏡系統實現駕駛員在水平方向和垂直方向視野寬的特點。

現在通過該系統，已經能夠使HUD實現在水平和垂直方向超過25°的視野角度了。如果還需要加大視野角度，可以通過中繼透鏡的同軸雙透鏡來調整圖像放大倍率實現。

在此系統的光學設計中，還通過TracePro添加了光波導（waveguide），波光導有兩個區域，一個輸入面是由傾斜的具有透射表面特性組成，而輸出區域由雙斜分束器特性的表面組成。光波導中的輸入源是來自于中繼透鏡系統的圖像，而將光傳播通過雙斜分束器后通過反射原理繼續傳播。

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

圖2（a）波導板被垂直放置

在擋風玻璃的中心線

*（中繼透鏡系統被垂直放置）

圖2（b）波導板被垂直放置

在擋風玻璃的中心線

*（中繼透鏡系統被水平放置）

我們可以將中繼透鏡系統垂直放置和水平放置，但要實現光的傳播，中繼透鏡系統的結構會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較寬，但光波導的位置距離駕駛員會較遠，進而導致遮擋到駕駛員查看擋風玻璃外的情況。若如圖2（b），光波導的位置離得近了，不會干擾到擋風玻璃，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，在此系統中利用TracePro添加一個疊像鏡（組合器）將波導水平放置后，將波導輸出的光通量通過疊像鏡表面反射到達飛行員的眼睛。即不會干擾到擋風玻璃，也不會對LAD造成影響，通過此也可以意識到TracePro操作簡單的特點。

圖2（c）波導板被水平放置

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不足：無法使圖像完整的呈現在疊像鏡上。

光波導具有光輸入區域和輸出區域，在波導輸入區域的傳輸邊緣，LPHUD圖像上出現了不可顯示的區域，因為引入波導的磁通寬度受邊緣尺寸的限制，沒有足夠的尺寸。為了防止這種情況的發生，通過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）擴大輸出邊緣的尺寸

圖3（b）添加一個補償元件（帶有分束特性表面）

利用TracePro，我們可以簡單的增加光波導的邊緣尺寸，來使光完全在波導中傳播或者可以通過在光波導的上方添加一個補償元件，如圖3（b），并且設置這個元件的屬性——帶有分束特性（即分光效應）將源圖像的光通量全部進入光波導中，這兩種方法在TracePro進行仿真都可以達到理想的效果，可使圖像完整的顯示在組合器上。

通過上述的分析，我們在TracePro中可以添加不同的光學元件，來使其完成LPHUD系統效果。

當然，現在的車載顯示技術也可以通過多種方式進行實現了：如前置反射式平視顯示系統、全光息平視顯示系統、自由曲面平視顯示系統、菲尼爾透鏡平視顯示系統等多種方式，如圖是不同系統的顯示技術原理圖，以上都可以通過TracePro進行仿真，就不一一列舉說明了。原理都大同小異，通過改變其中的光源元件等可以實現。

圖4（a）前置反射式平視顯示系統

圖4（b）全光息平視顯示系統

圖4（c）自由曲面平視顯示系統

圖4（d）菲尼爾透鏡平視顯示系統

三．總結

通過TracePro仿真對LPHUD光學系統的分析，LPHUD光學系統需包括中繼透鏡模塊、波導和疊像鏡。在中繼透鏡模塊中，在TracePro中改變雙軸透鏡的孔徑等參數來達到擴大駕駛員視野的效果，光波導幾乎垂直于視場的中心光線，輸入區域由一個傾斜的透射面組成，并使用一個帶有分束面的補償元件來防止LPHUD顯示器上的不可顯示區域。利用TracePro可以完整的仿真出我們想要的效果，通過改變光學元件參數或者添加不同的光學元件等手段。

通過TracePro中，我們可以很簡便添加不同的光學器件，通過設置不同的屬性來實現不同的光學效果。并且，也可以通過分析此系統的輻照度圖、配光曲線等來不斷優化此光學系統，真正的達到可以應用的效果。