【技术文章】战斗机驾驶员用的HUD光学系统 —— TracePro光学设计应用案例

平视显示器（HUD——Head Up Display）对于飞机驾驶员来说，平视显示器通过接口读取行驶信息，并把信息处理成图像，图像被特定的光路投射到合成器（挡风玻璃或者其它透明介质板），然后反射到驾驶员的眼睛，这样可以让驾驶员始终保持着平视的状态，不需要低头俯视去看驾驶信息而导致一些交通事故，也缓解了交替观察车内和车外不同远近的景物信息而引起的眼睛疲劳。

在二战后，HUD凭借着可以辅助机械计算机发展出射击解决方案的特点，应用在军事航空科技上，另外还发展出了（HMD），即头盔显示器(Head-Mounted Display)，是非固定的HUD。随着时代的发展，HUD受到业内的关注，渐渐民用化，现在在汽车领域也有HUD的一番天地了，下面是平视显示器应用于战斗机的画面。

LPHUD（Low Profile HUD，小轮廓平视显示器），因为其体型较大，一般只应用于飞机。接下来，将主要介绍LPHUD应用于战斗机的光学系统的TracePro仿真分析。

LPHUD是第三代HUD技术，是利用光波导直接在组合器上产生图像，主要是由中继透镜模块（relay lens module）、光波导（waveguide）和叠像镜（combiners，组合器）光学器件组成，图1的（a）（b）（c）是各个模块的组成显示在人眼的图示。

图（a）

图（b）

图（c）LPHUD光学系统实物显示

图1 LPHUD光学系统整体图示

通过TracePro的仿真，可以看出：驾驶员可以实现无需低头去查看驾驶信息，可以平视组合器上的信息，缩短时间做出判断，这对于战斗机驾驶员在作战时是相当重要的。此外，我们还可以通过系统仿真出在叠像镜上的辐照度和和该系统整体的出光角度分布，来调整中继透镜系统实现驾驶员在水平方向和垂直方向视野宽的特点。

现在通过该系统，已经能够使HUD实现在水平和垂直方向超过25°的视野角度了。如果还需要加大视野角度，可以通过中继透镜的同轴双透镜来调整图像放大倍率实现。

在此系统的光学设计中，还通过TracePro添加了光波导（waveguide），波光导有两个区域，一个输入面是由倾斜的具有透射表面特性组成，而输出区域由双斜分束器特性的表面组成。光波导中的输入源是来自于中继透镜系统的图像，而将光传播通过双斜分束器后通过反射原理继续传播。

在TracePro中，设置光波导有以下两种放置情况，如图2（a）和图2（b）：

图2（a）波导板被垂直放置

在挡风玻璃的中心线   

*（中继透镜系统被垂直放置）

图2（b）波导板被垂直放置

在挡风玻璃的中心线

*（中继透镜系统被水平放置）

我们可以将中继透镜系统垂直放置和水平放置，但要实现光的传播，中继透镜系统的结构会随着放置的方式而改变。如图2（a）的放置，这种放置方式得视野会较宽，但光波导的位置距离驾驶员会较远，进而导致遮挡到驾驶员查看挡风玻璃外的情况。若如图2（b），光波导的位置离得近了，不会干扰到挡风玻璃，但却使LAD（Large Area Display，大面积显示）受到干扰，所以这两种方式都不可行。

因此，在此系统中利用TracePro添加一个叠像镜（组合器）将波导水平放置后，将波导输出的光通量通过叠像镜表面反射到达飞行员的眼睛。即不会干扰到挡风玻璃，也不会对LAD造成影响，通过此也可以意识到TracePro操作简单的特点。

图2（c）波导板被水平放置

因此采用第三种，有叠像镜的方式。但是，这种方式还是存在一点不足：无法使图像完整的呈现在叠像镜上。

光波导具有光输入区域和输出区域，在波导输入区域的传输边缘，LPHUD图像上出现了不可显示的区域，因为引入波导的磁通宽度受边缘尺寸的限制，没有足够的尺寸。为了防止这种情况的发生，通过下面两种方式可以避免光损失而造成显示缺失，如图3（a）（b）所示。

图3（a）扩大输出边缘的尺寸

图3（b）添加一个补偿元件（带有分束特性表面）

通过上述的分析，我们在TracePro中可以添加不同的光学元件，来使其完成LPHUD系统效果。

当然，现在的车载显示技术也可以通过多种方式进行实现了：如前置反射式平视显示系统、全光息平视显示系统、自由曲面平视显示系统、菲尼尔透镜平视显示系统等多种方式，如图是不同系统的显示技术原理图，以上都可以通过TracePro进行仿真，就不一一列举说明了。原理都大同小异，通过改变其中的光源元件等可以实现。

图4（a）前置反射式平视显示系统	图4（b）全光息平视显示系统

图4（c）自由曲面平视显示系统	图4（d）菲尼尔透镜平视显示系统

通过TracePro仿真对LPHUD光学系统的分析，LPHUD光学系统需包括中继透镜模块、波导和叠像镜。在中继透镜模块中，在TracePro中改变双轴透镜的孔径等参数来达到扩大驾驶员视野的效果，光波导几乎垂直于视场的中心光线，输入区域由一个倾斜的透射面组成，并使用一个带有分束面的补偿元件来防止LPHUD显示器上的不可显示区域。利用TracePro可以完整的仿真出我们想要的效果，通过改变光学元件参数或者添加不同的光学元件等手段。

通过TracePro中，我们可以很简便添加不同的光学器件，通过设置不同的属性来实现不同的光学效果。并且，也可以通过分析此系统的辐照度图、配光曲线等来不断优化此光学系统，真正的达到可以应用的效果。