抬头显示系统：从飞机来到汽车 --科技日报数字报

如果您的朋友里有换新车的，也许您会看到在他的挡风玻璃上车速、方向等信息显示，这种很炫的功能叫做抬头显示（HUD系统），可将有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶员平视范围上，且显示位置、显示亮度可调，这样可以避免低头看仪表，从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间，对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。

从视觉效果上，HUD酷似透明显示技术，但与其又有本质的区别，可以说是投影显示技术的一个变相应用。而且，汽车并不是这种技术的最初受益者，飞机才是。

———— 缘起 ————

避免低头产生的事故

车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，我们可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响等显示，而如果此时前方遇有紧急情况，那就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。HUD系统的应用就是为了避免这种情况的发生。

HUD是Heads Up Display的缩写，是目前普遍运用在航空器上的飞行辅助仪器。平视指飞行员不需要低头就能够看到他需要的重要资讯。平视显示器最早出现在军用飞机上，降低飞行员需要低头查看仪表的频率，避免注意力中断以及丧失对状态意识的掌握。

第一架使用HUD的飞机是美国海军的A-5舰载机。民用航空是在1975年由法国Dassault飞机公司首先使用在Mercure飞机上面。上世纪70年代晚期，美国麦克唐纳·道格拉斯飞机公司在生产的MD-80系列飞机上开始采用HUD。HUD的使用到了1970年代中期以后开始普遍化，除了美国以外，其他国家也陆续购买或者是研发相关的系统。

上世纪80年代末，HUD的特性被当时日渐重视安全性的汽车制造商看中。1988年，HUD作为一项安全特性出现在通用旗下的奥兹莫比Cutlass Supreme车型的选装清单上。由于功能过于单一市场反响冷淡。随后几年，民航开始全面普及HUD，再次引发了技术热。终于，奔驰宝马奥迪等豪华车型开始科技大比武，HUD成为了各家的卖点。2003年，宝马公司成为欧洲第一家使用HUD技术的汽车公司。

———— 原理 ————

半智能化投射显示系统

HUD利用光学反射，将重要的飞行相关资讯投射在一片玻璃上面。这片玻璃位于座舱前端，文字和影像被投射在镀膜镜片(析光镜) 并平衡反射进飞行员的眼睛。

飞行员透过HUD往前方看的时候，能够轻易的将外界的景象与HUD显示的资料融合在一起。由于反射进眼睛中的影像永远与飞机的中轴平衡，所以飞行员的身高不会对俯仰角或目视瞄准造成偏差。HUD设计的用意是让飞行员不需要低头查看仪表的显示与资料，始终保持抬头的姿态，降低低头与抬头之间忽略外界环境的快速变化以及眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适。

HUD的前身是使用在战斗机上的光学瞄准器，这种瞄准器利用光学反射原理，将环状的瞄准圈光网投射在装置在座舱前端的一片玻璃或者是座舱罩上面，投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离上面，当飞行员瞄准目标的时候不会妨碍到眼睛的运作，维持清晰的显示。这种瞄准器最早出现是在第一次世界大战期间，到了二战的时候开始被广泛利用。

HUD不是单纯的放大显示系统，而是一种半智能化的系统，通过电脑模拟计算，将预估、处理后的信息显示出来。HUD诞生的最重要关键是模拟电脑开始运用在飞机上。因为显示在HUD上的文字或者是图形需要经过处理之后产生，传统仪表产生的讯号无法直接使用在HUD的显示需求上，必须透过电脑处理转换之后，将需要的资料传递给HUD的显示单元，再将影像投射到前方的玻璃上。

———— 成像 ————

关键在光学和材料学

HUD系统也不是单一的一个电子系统，其成像的关键是在光学和材料学方面，一种透明的高折射率镀膜才是其真正的成像根基。

这种膜并非单独存在，它是特殊前风挡玻璃的表层功能部分，这种汽车风挡玻璃生产主要采用有浸渍法和网印法等。由于它含有氧化的Ti 和Si，所以它的折射率介于1.8至2.2之间，大于普通前风挡玻璃1.52的折射率，所以表面的反射率就可以增大，再经过多次光干涉就可在远处成像。

在HUD上使用的透明放大反射膜，最初光透射率在70%左右，膜厚多在530纳米左右，这个厚度正是绿色的选择性反射的峰值波长，这也就是大多数汽车老一代HUD显示多为绿色的原因所在。它的缺点不仅仅是颜色单调，观测方向不同还会造成干涉色外观的变化。所以宝马等公司的HUD投影载体膜就增加了膜厚，能支持整个可见光区域反射，从而实现HUD的多彩色显示和与角度无关的均匀外观，当然它需要高亮度的光源支持，而且成本较高。

目前，家用普通轿车上的HUD功能相对比较普通，车速、水温、油量、电压等基本信息，这是一些新手喜欢的平视化信息，可减少因生疏造成的操作错误。对于新手而言，HUD看起来很有趣，而在老司机看来，这些似乎可有可无。

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HUD与透明显示技术

投影技术有一个明显的特点，就是需要投影距离，即使是透射比最小的短焦投影机型亦有一定的投影空间要求。HUD系统需要一定的投射空间，只是把汽车前挡风玻璃作为了显示幕，都是将小画面变成大画面，工作原理有异曲同工之处。

出于透光性、坚固度和成本的考虑，透明显示技术还并未应用在汽车上。透明显示技术因其透明的显示面板这一特性及其独特的应用，越来越受到人们的关注。透明显示技术的核心是透明显示面板，透明显示板是一种能够显示图像的透明面板，它与双面显示板不同，双面显示板是一种能够在显示面板两侧同时显示图像的显示器件。透明显示板在关闭时，面板就仿佛一块透明玻璃; 当其工作时，观看者不仅能够观看到在面板上显示的内容，同时还能透过面板观看到面板后的物体。

近几年，研究人员对透明显示技术做了大量研究，尝试了各种不同的显示技术，如液晶显示技术、有机发光二极管显示技术、等离子体显示技术等。

总体来说，透明显示技术可以根据显示器的不同分为两种。对于液晶显示器这种非自发光的显示器件，透明显示技术主要是利用外界光或者进行背光源的重排来达到透明显示; 而对于OLED、PDP 这种自发光显示器件，透明显示技术主要指通过技术改进采用透明度高的材料替代或者去除原来器件中不透明的部分，不断提高器件的整体透明度以实现透明显示。

HUD从军用转为民用后，尤其是在轿车领域，HUD最实用的功能可归纳为三大类，车辆信息、导航和安全，尤其是安全功能尤为可贵，相信也是未来的主要发展方向。