Head-up-Display
Das Head-Up-Display (HUD) ist ein Anzeigesystem, bei dem die für den Nutzer (Piloten, neuerdings auch Autofahrer etc.) wichtigen Informationen in sein Sichtfeld projiziert werden. Für Piloten von Kampfflugzeugen existieren solche Systeme schon seit den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts. In Deutschland wurden sie als Reflexvisier (Zielgerät)bekannt. Rund dreißig Jahre später entstanden Systeme, die als komplexe Frontscheibenprojektoren bezeichnet werden konnten. Typisches Merkmal für einen Frontscheibenprojektor ist die zweite Scheibe in der Pilotenkanzel, auf welche dann verschiedene Informationen projiziert werden können. Heutzutage ist das Head-Up-Display die bei weitem wichtigste Anzeige im Cockpit. Das HUD zeigt Informationen aus einer ganzen Reihe von Quellen an, wie etwa Avionik, Radar oder Waffensysteme, alles in kompakter, überschaubarer Form. Für das Head-Up-Disply hat der Pilot eine Auswahl von verschiedenen Modi zu Verfügung, die er abhängig vom jeweiligen Auftrag oder dem Stand seiner Mission wählen kann. Jeder Modus unterstützt den Piloten bei einer ganz bestimmten Aufgabe, sei es z.B. bei der Navigation, beim Einsatz von unterschiedlichen Lenkwaffen oder beim Landeanflug.
In den 80er und 90er Jahren gab es bei General Motors in den USA in verschiedenen Modellen ein Schwarz-Weiß-Head-up-Display mit festen nicht konfigurierbaren Anzeigen, bei dem der Autofahrer z. B. die aktuelle Geschwindigkeit immer im Blick hatte, ohne den Blick von der Straße wenden zu müssen.
Ab 2001 kam in der Corvette erstmals ein farbiges Display zum Einsatz.
Das erste farbige Head-up-Display im Automobilbereich haben die im Jahr 2003 vorgestellten 5er- und 6er-Modellreihen von BMW. Entwickelt wurde es von der Siemens VDO Automotive AG. Auf der Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt stellte Citroën ein weiteres Fahrzeug mit Head-up-Display vor: den C6.
Im Gegensatz zu einem Head-Up-Display muss z. B. der Fahrer eines Fahrzeugs bei einem Head-Down-Display seinen Blick von der Fahrbahn abwenden, um eine wichtige Fahrzeuginformation erfassen zu können.
In Computerspielen werden mit Head-Up-Display allgemein Statusanzeigen bezeichnet, die nicht zur virtuellen Umgebung gehören, sondern dauerhaft an den Rändern des Blickfelds sichtbar sind. Auch andere Computerprogramme werden zunehmend mit Head-Up-Displays ausgestattet.
Funktionsweise eines Head-Up-Displays
Head-Up-Displays bestehen im Allgemeinen aus einem Display, einem Optikmodul und einem Combiner.
Ein Display produziert ein Bild (=Gegenstand), woraus mit Hilfe der Optik, d. h. einer Linse, eines Hohlspiegels oder dem Einsatz der Holografietechnik ein virtuelles Bild (siehe optische Abbildung) erzeugt wird. Dieses kann dann der Fahrer in einer spiegelnden, lichtdurchlässigen Scheibe, dem Combiner, sehen. Der Combiner überlagert also die Informationen der Umwelt mit denen des HUD. Er wird im Automobil oft einfach durch die Windschutzscheibe dargestellt. Selten werden (vor der Windschutzscheibe) separate Combiner eingesetzt, da der Autofahrer diese ungern akzeptiert. Da die Windschutzscheibe aus zwei durch eine Kunststoffschicht getrennten Gläsern besteht, kommt es bei einer Projektion normalerweise zu störenden Doppelbildern. Verhindert wird dieser negative Effekt dadurch, dass die Trennschicht keilförmig (wenige Bogenminuten) ausgeführt ist und somit beide Bilder übereinander liegen. In der Luftfahrzeugtechnik wurden kleine spezielle Bildröhren eingesetzt, die das entsprechende Bild erzeugten. Da Bildröhren eine sehr große Leuchtstärke entwickeln, entfiel natürlich eine zusätzliche Lichtquelle.
Das erzeugte virtuelle Bild kann so projiziert werden, dass es mit einem Auge (monokular) oder mit beiden Augen (binokular) erfasst werden kann. Binokulare HUDs haben einen höheren Sichtbarkeitsbereich als monokulare.
Bevor das Bild auf die Windschutzscheibe projiziert wird, werden die Lichtstrahlen über mehrere Spiegel innerhalb eines Gehäuses gefaltet (umgelenkt). Dadurch erscheint das Bild ca. 2 m vor dem Fahrer über der Motorhaube. Die Spiegel haben außerdem die Aufgabe, die durch die Krümmung der Windschutzscheibe hervorgerufenen Verzerrungen zu korrigieren. Der Pilot eines Jets justiert vor dem Start mit der Höhenverstellung seines Sitzes den Blick durch das HUD.
Als Lichtquelle werden heute LEDs eingesetzt. Die Helligkeit des Bildes wird abhängig vom Umgebungslicht über einen Fotosensor gesteuert. Das Bild wird durch ein farbiges hochauflösendes TFT-Display erzeugt. Bei Bildröhren werden zwei unterschiedliche Techniken für die Bilddarstellung verwendet. Einmal ist es die lichtstarke osszillographische (Vektor) Darstellung und zum anderen ist es die fernsehtechnische (Pixel) Darstellung.
Informationsinhalte eines Head-Up-Displays
Die wichtigen Informationen eines HUDs kann man unterteilen in:
- statische Informationen und
- kontaktanaloge Informationen.
Statische Informationen
Statische Informationen sind solche, die sich im Blickfeld des Fahrers immer an derselben Stelle befinden. Beispiele hierfür sind die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Motordrehzahl. Der Fahrer hat das Gefühl, dass die Informationen auf einer senkrechten Ebene in etwa über der Motorhaube zu sehen sind. Im Flugzeug sind es solche Dinge, wie Höhe und Geschwindigkeit oder auch die Waffenlast. Das ist ganz unterschiedlich, je nach dem, welche Betriebsart des Avioniksystems gerade benutzt wird (Navigation, Radar oder beispielsweise naher Luftkampf). Das Bild wird in die Unendlichkeit projiziert.
Kontaktanaloge Informationen
Kontaktanaloge Informationen sind Anzeigeelemente, die dem Fahrer in seine aktuelle Sicht so eingeblendet werden, dass er das Gefühl hat, als seien sie fester Bestandteil der Umwelt. Dadurch erscheint ein Navigationspfeil so, als läge er direkt auf der Straße. Im Falle des Sicherheitsabstandsbalkens bedeutet dies, dass dem Fahrer geschwindigkeitsabhängig ein Balken in den Windschutzscheibenbereich eingeblendet wird, der ihm angibt, wie viel Abstand er zum vorausfahrenden Fahrzeug halten soll. Im Kampfflugzeug wird beispielsweise das schon optisch sichtbare Ziel zusätzlich durch einen Leuchtkreis markiert. Damit wird signalisiert, das die Sensorsysteme der Maschine (RADAR,IR) das Ziel erfasst haben und es begleiten. Dazu werden noch eine Vielzahl anderer Informationen in Bezug auf das Ziel eingeblendet (Prognose, Entfernung, Freund/Feind - Kennung).
Literatur
- Rolf Gengenbach: Fahrerverhalten im Pkw mit Head-Up-Display. Gewöhnung und visuelle Aufmerksamkeit. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12: Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik, Nr. 330. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1997, ISBN 3-18-333012-1
- S. Okabayashi et. al: Visual Perception of HUD Images in Practical Automobiles (S. 169-176) und Philip Barham et. al: Jaguar Cars' Near Infrared Night Vision System – Overview of Human Factors Research to Date (S. 177-185). Beide in A.G. Gale (Hrsg.): Vision in Vehicles – VIII. Amsterdam: Elsevier, 1999, ISBN 0-08-043671-4