HUD简介

抬头显示系统（Head-Up Display,HUD)，亦称平视显示系统，是一种光学虚像显示系统。此系统通过光学镜片的反射或折射，将与汽车、飞机行驶相关的各种信息通过位于驾驶者视线正前方的放大虚像来呈现。虚像与景物同时出现在驾驶者的视野中，这样可以让驾驶者的视线一直保持在路面之上，而不用低头去看仪表盘、中控台。

1. 机载HUD

和许多高新科技一样，HUD也是从军事领域过渡到民用的技术，HUD的前身是使用在战斗机上的光学瞄准器，这种瞄准器是一种光学虚拟图像，其利原理是先将光学瞄准刻度的图像反射到飞行员座舱前方的透明玻璃板上，然后透明玻璃板把图像光线反射到飞行员眼睛中，通过特定的光学设计飞行员看到的光学瞄准器是一个位于无穷远的虚像。由于飞行员是透过透明的玻璃板观察瞄准器虚像，所以飞行员可以同时看到瞄准器刻度和目标位置，提高了对目标的打击准确度。

1.1 折射式HUD

折射式平显，原理是计算机接收接口单元送来的数据，处理后产生信号，控制CRT内的电子束产生图像，再通过一组平行透镜和一片半透明镜在显示单元上投射出图像。外界光线可以部分透过显示单元，同时来自CRT的光线也会被部分反射进入飞行员的眼中。

目前车载HUD基本为这一形式的变形，衍射式由于其复杂的工艺和高昂的价格还未在汽车上大量应用。

1.2 衍射式HUD

所谓衍射式就是平显的组合玻璃不再是平板肚摸玻璃，而是带小刻蚀线的（双）曲面玻璃制成的全息透镜，光线不是反射，而是衍射到飞行员的眼睛里（所以衍射式平显也叫全息平显）。

衍射平显主要应用了光学全息照相的方法，主要包括波前记录和波前在现两个过程。简单来说，应用于平视显示器时，波前记录就是指全息元件的制作过程，波前再现指衍射平视显示器的显示过程。但整个光学系统的像差会严重不对称。为此，需要有一个复杂的非对称中继透镜组来平衡校正系统的不对称像差，中继透镜组的每个透镜都将可能是倾斜偏心的，且透镜数量会比较多。设计的主要难点是因为引入全息透镜导致像差难以纠正以及全息材料、全息记录等带来的各种不确定性。

2. 车载HUD

车载视觉辅助系统，即汽车平视显示系统，把行车信息投射成一个虚像，显示在驾驶员前方的一定距离处，为驾驶员在汽车行驶过程中提供汽车的关键数据，比如车速、转速、油量、轮胎压力等仪表信息，甚至还可以显示实时导航信息，虚像的显示亮度、水平显示位置和垂直显示位置可以根据需求调节。汽车 HUD 能够使驾驶员在平视状态下获取驾驶信息，避免了因低头产生的盲区时间，从而减少潜在的道路交通事故,因此,汽车HUD对提高驾车舒适度、保障行车安全有着重要的意义。

随着汽车市场的发展,汽车HUD也根据市场需求发展出了几种不同的类型，目前主要可分为直接反射式HUD (Entry HUD，E-HUD) 、组合型 HUD(Combiner HUD，C-HUD）、挡风玻璃HUD ( Windshield HUD，W-HUD)和以及与虚拟现实结合的HUD (Augmented Reality HUD，AR-HUD)。其中W-HUD和E-HUD是利用汽车前挡风玻璃把虚像光线反射到驾驶员眼睛中，C-HUD是利用一块透明玻璃板反射虚像到驾驶员眼睛中,透明玻璃板正对驾驶员放置于汽车前挡风玻璃与仪表台之间。其中把虚像反射到驾驶员眼睛中的汽车前挡风玻璃或者透明玻璃板叫做汽车 HUD的组合器，其作用是使驾驶员能够同时看到虚像与车外环境。

2.1 E-HUD

E-HUD是简化的HUD版本，一般是将一块段码式显示屏安装于汽车前挡风玻璃与仪表盘之间的仪表台上，显示屏面向汽车前挡风玻璃显示镜像图像，经过汽车前挡风玻璃反射到人眼中，人眼看到的是正向的虚像。E-HUD显示的虚像只经过汽车前挡风玻璃的一次简单反射，没有精密的光路设计，因此这种方式显示的虚像较为模糊，而且视距很短，通常不超过0.3m。总体来说，E-HUD虚像视距短、成像不清晰、功能简单，长时间使用会加重驾驶员的眼部疲劳，造成额外的视觉负担。

2.2 C-HUD

C-HUD使用一块经过光学设计的透明玻璃板作为组合器。C-HUD没有与汽车集成在一起,它的整套光学成像系统是独立的。光路中的组合器正对驾驶员眼睛，驾驶员透过这块透明玻璃板可以看到虚像内容。这种设计方法降低了光学设计难度，提高了显示效果,但由于仪表上方狭小的空间限制了透明玻璃板面积，所以C-HUD的显示的虚像面积较小、视距较短。C-HUD的机身一般是安装于汽车前挡风玻璃与仪表台之间,机身和组合器会对驾驶员的视野造成一定的阻碍,影响驾驶体验。目前类似车萝卜等的C-HUD工艺已经成熟，但成像大多在2m以内。

其光学原理与凹面镜在焦距内成像原理相似，如下图。AB为实像，FO为焦距，RO为球面曲率中心，A’B’为所成虚像。由相似三角形，$\frac{RB}{RB'} = \frac{AB}{A'B'};\frac{FO}{FB'} = \frac{CO}{A'B'}$;令物距u=BO，像距v=B’O，焦距f=FO，凹面镜交点大约在1/2半径处，所以2FO=RO，可以推导出$\frac{2f-u}{2f+v} = \frac{f}{f+v}$。

可得像距$v= \frac{uf}{f-u}$，放大倍数$d=\frac{A'B'}{AB}=\frac{2f+v}{2f-u} = \frac{f}{f-u}$

2.3 W-HUD

W-HUD利用汽车前挡风玻璃作为组合器将虚像光线反射到驾驶员眼睛中，驾驶员直接透过汽车前挡风玻璃观察虚像信息。汽车前挡风玻璃一般是不规则面型，参与反射成像时会引入像差，不同车型的前挡风玻璃面型也有差别，所以 W-HUD 需要根据不同车型的前挡风玻璃面型设计特定的光路。W-HUD是集成在汽车仪表台内部的，但汽车仪表台内的空间有限，为了能够在汽车仪表台里面安装HUD系统，其光路结构要足够精简，同时还要矫正光路中产生的像差，目前W-HUD光路中的反射镜多采用自由曲面。W-HUD光路设计难度较大，但与车身集成度高，显示效果好。W-HUD显示的虚像视距和面积等性能参数都有很大的设计空间，是目前汽车HUD的主要发展方向。

2.4 AR-HUD

增强现实技术（Augmented Reality, AR）是利用计算机技术将虚拟环境信息与真实世界相结合的新技术，其利用实时的“虚实”融合技术，对真实环境起着补充和强调的作用。

AR-HUD 同样也是将汽车挡风玻璃作为投影介质进行图像显示，与W-HUD一样也存在重影的问题，但AR-HUD 较W-HUD而言具有更大的投影面积，与投影距离，投影距离目前已经达到5m-7.5m。根据投影距离的不同，AR-HUD的投影成像面积可以达到55时，能够很好地与道路景物进行融合，也能够获得更加丰富的投影信息，可以实现人机交互，让驾驶员能够同时获取到路面交通状况与车内信息，解决视觉盲区的问题。AR-HUD与W-HUD都是安装在仪表台之下，也解决了C-HUD在事故发生时会掉落的风险。