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ヘッドアップディスプレイ[ 1 ]は、HUD（/ hʌd /）またはヘッドアップガイダンスシステム（HGS）とも呼ばれ、ユーザーが通常の視点から目を離すことなくデータを表示する透明なディスプレイです。この名前の由来は、パイロットが下向きに計器を見るのではなく、頭を「上」にして前方に向け、情報を見ることができることに由来します[ 2 ] [ 3 ]。HUDには、光学的に近い計器を見た後、パイロットの目が外部を見るために焦点を合わせ直す必要がないという利点もあります。
HUDは当初軍用航空機向けに開発されたが、現在では民間航空機、自動車、その他（主に業務用）用途にも使用されている。
ヘッドアップディスプレイは拡張現実（AR）の前身となる技術であり、完全なAR体験に必要な機能の一部を備えていたが、仮想コンテンツとユーザーの現実世界環境との間の必要な位置合わせと追跡が欠けていた。[ 4 ]
一般的なHUDは、プロジェクターユニット、コンバイナー、ビデオ生成コンピュータの3つの主要コンポーネントで構成されています。[ 5 ]
一般的なHUDの投影ユニットは、光学コリメータ構成です。これは、凸レンズまたは凹面鏡の焦点に陰極線管、発光ダイオードディスプレイ、または液晶ディスプレイを配置したものです。この構成（1900年の反射式照準器の発明以来存在する設計）により、光が平行光となる画像が生成されます。つまり、焦点は無限遠にあるように認識されます。
コンバイナーは通常、視聴者の正面に配置された角度のついた平らなガラス板（ビームスプリッター）で、プロジェクターから投影された画像を、視野と投影された無限遠像を同時に見ることができるように方向転換します。コンバイナーには、プロジェクターから投影された単色光を反射し、他のすべての波長の光を透過させる特殊なコーティングが施されている場合があります。一部の光学系では、プロジェクターからの画像を再焦点化するために、コンバイナーに曲面が設けられている場合もあります。
コンピュータは、HUD（すなわち投影ユニット）と表示されるシステム／データとの間のインターフェースを提供し、投影ユニットによって表示される画像とシンボルを生成する。
固定式のHUD以外にも、ヘッドマウントディスプレイ（HMD）があります。これにはヘルメットマウントディスプレイ（どちらもHMDと略される）が含まれ、これはユーザーの頭の向きに合わせて表示要素が動くHUDの一種です。
多くの現代戦闘機（ F/A-18、F-16、ユーロファイターなど）は、HUDとHMDを同時に使用している。F -35ライトニングIIはHUDを搭載せず、HMDのみに依存するように設計されており、固定式HUDを持たない最初の現代軍用戦闘機となっている。
HUDは、画像生成に使用される技術を反映して、4つの世代に分類されます。
液晶ディスプレイ（LCD）、シリコン基板上液晶（LCoS）、デジタルマイクロミラー（DMD）、有機EL（OLED）など、より新しいマイクロディスプレイ画像技術が導入されつつある。
HUDは、第二次世界大戦前の軍用戦闘機用の視差のない光学照準技術である反射式照準器から発展しました。[ 6 ]ジャイロ照準器は、機動中に目標に命中させるために必要なリード量を解決するために、速度と旋回率に基づいて移動するレティクルを追加しました。
1940年代初頭、英国のレーダー開発を担当していた電気通信研究所（TRE）は、英国空軍（RAF）の夜間戦闘機パイロットが目標に接近する際にレーダー操作員の口頭指示に反応するのに苦労していることを発見した。彼らはパイロット用に2つ目のレーダー表示を追加する実験を行ったが、目標を見つけるために点灯した画面から暗い空を見上げるのに苦労していることがわかった。1942年10月、彼らはレーダー管からの画像と標準のGGS Mk. IIジャイロ照準器からの投影を風防の平らな部分に、そして後に照準器自体にうまく組み合わせることに成功した。[ 7 ]重要な改良は、オリジナルのAI Mk. IVレーダーからデ・ハビランド・モスキート夜間戦闘機に搭載されているマイクロ波周波数のAI Mk. VIIIレーダーへの移行であった。このセットは人工水平儀を生成し、ヘッドアップ飛行をさらに容易にした。
1955年、米国海軍の海軍研究開発局は、現代のジェット機を操縦するパイロットの負担を軽減し、飛行中の計器類をよりシンプルにするために、サイドスティックコントローラーとともにHUDコンセプトユニットのモックアップを用いた研究を行った。この研究は当時の航空機には採用されなかったものの、彼らが作った粗雑なHUDモックアップには、今日の最新のHUDユニットのすべての機能が備わっていた。[ 8 ]
HUD技術は次にイギリス海軍のバッカニアでさらに発展し、その試作機は1958年4月30日に初飛行した。この航空機は超低高度を超高速で飛行し、数秒で終わる戦闘で爆弾を投下するように設計されていた。そのため、パイロットが計器から爆撃照準器に目を向ける時間はなかった。これが、高度、対気速度、および銃/爆撃照準器を単一の銃照準器のような表示に統合する「ストライクサイト」の概念につながった。新しいHUD設計の支持者と古い電気機械式銃照準器の支持者の間で激しい競争があり、HUDは過激で、無謀な選択肢とさえ評された。
英国国防省航空局がストライクサイトの開発を後援した。王立航空研究所（RAE）が機器を設計し、「ヘッドアップディスプレイ」という用語が最初に使われたのはこの頃である。[ 9 ]量産ユニットはランク・シンテル社によって製造され、システムは1958年に初めて統合された。シンテル社のHUD事業はエリオット・フライト・オートメーション社に引き継がれ、バッカニアHUDが製造され、さらに開発が進められ、マークIIIバージョンまで続き、 合計375システムが製造された。英国海軍はこれを「取り付けたらあとは忘れていい」と称し、25年近く経ってもまだ運用されていた。BAEシステムズは、GEC-マルコーニ・アビオニクス社を通じてエリオット社の後継企業となったため、運用中の世界初のヘッドアップディスプレイを開発したという主張ができる。[ 10 ]爆撃モードをミサイル攻撃モードに置き換えた同様のバージョンは、 1959年からイングリッシュ・エレクトリック・ライトニングに搭載されたAIRPASS HUDの一部でした。
イギリスでは、新しい照準器を使って飛行するパイロットが航空機の操縦が上手くなっていることがすぐに注目されました。この時点で、HUD は武器の照準だけでなく、一般的な操縦にもその目的を拡大しました。1960 年代には、フランスのテスト パイロットであるギルバート クロプシュタインが、最初の近代的な HUD と HUD シンボルの標準化されたシステムを作成し、パイロットが 1 つのシステムだけを学習すればよく、航空機間をより簡単に移行できるようにしました。計器飛行方式による着陸アプローチで使用される近代的な HUD は 1975 年に開発されました。[ 11 ]クロプシュタインは、軍用戦闘機やヘリコプターで HUD 技術を開拓し、重要な飛行データをパイロットの視野内に集中させることを目指しました。このアプローチは、パイロットのスキャン効率を高め、「タスク飽和」と情報過多を軽減することを目的としていました。
その後、HUDの利用は軍用機以外にも拡大した。1970年代には民間航空にも導入され、1988年にはオールズモビル・カトラス・シュプリームがヘッドアップディスプレイを搭載した初の量産車となった。
数年前までは、エンブラエル 190、サーブ 2000、ボーイング 727、ボーイング 737クラシック(737-300/400/500) および次世代航空機 (737-600/700/800/900 シリーズ) だけが HUD を搭載した商用旅客機でした。しかし、カナディア RJ、エアバス A318、およびディスプレイを搭載したいくつかのビジネス ジェット機など、この技術はより一般的になりつつあります。ボーイング 787では HUD が標準装備になりました。[ 12 ]さらに、エアバス A320、A330、A340、および A380 ファミリーは現在 HUD の認証プロセスを受けています。[ 13 ]スペース シャトルオービターにも HUD が追加されました。
HUDの設計には、いくつかの要素が相互に影響し合っています。
航空機の航空電子機器システムでは、HUD は通常、独立した冗長な 2 つのコンピュータ システムから動作します。航空機に搭載されたセンサー (ピトー静圧、ジャイロスコープ、ナビゲーションなど) から直接入力を受け取り、フライト コンピュータから事前に計算されたデータを受け取るのではなく、独自の計算を実行します。他の航空機 (たとえばボーイング 787) では、低視程離陸 (LVTO) および低視程進入の HUD ガイダンス計算は、オートパイロットを駆動する同じフライト ガイダンス コンピュータから行われます。コンピュータは航空機のシステムと統合されており、ARINC 429、ARINC 629、MIL-STD-1553などのさまざまなデータ バスへの接続が可能です。[ 11 ]
一般的な航空機のHUDには、対気速度、高度、水平線、方位、旋回/バンク、横滑り/スキッドの指示器が表示されます。これらの計器は、14 CFR Part 91で要求される最低限のものです。[ 15 ]
一部のHUDでは、その他のシンボルやデータも利用可能です。
HUDに導入されて以来、FPVと加速度のシンボルはヘッドダウンディスプレイ（HDD）でも標準になりつつあります。HDD上のFPVシンボルの実際の形状は標準化されていませんが、通常は、2本の短い斜めの線（180±30度）と下降線の両端に「翼」が付いた円などの単純な航空機の図です。FPVを水平線上に維持することで、パイロットはさまざまなバンク角で水平旋回を行うことができます。
上記で説明した一般的な情報に加えて、軍事用途には、以下のような兵器システムおよびセンサーデータが含まれます。
1980年代、米国軍は垂直離着陸機（VTOL）および短距離離着陸機（STOL）でのHUDの使用を試験した。NASAエイムズ研究センターでは、VTOLおよびSTOL機のパイロットにカテゴリーIII Cターミナルエリア飛行運用のための完全な飛行誘導および制御情報を提供するHUDフォーマットが開発された。これには、陸上滑走路でのSTOL飛行から航空母艦でのVTOL運用まで、さまざまな飛行運用が含まれる。この表示フォーマットの主な特徴は、飛行経路と追跡誘導情報を狭い視野に統合し、パイロットが一目で容易に理解できるようにすることと、垂直および水平の状況情報を重ね合わせることである。このディスプレイは、従来の輸送機用に開発された成功した設計の派生である。[ 16 ]
ヘッドアップディスプレイの使用により、商用航空機は運航において大幅な柔軟性を得ることができます。視界不良時の離着陸、およびカテゴリー III Aの完全手動着陸とロールアウトを可能にするシステムが承認されています。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]当初は高価で物理的に大きかったこれらのシステムは、それをサポートできる大型航空機にのみ搭載されていました。これらは、標準でオートランドをサポートする航空機と同じ傾向があり (HUD がオプションとして用意されている特定のターボプロップタイプを除く)、カテゴリー III 着陸にはヘッドアップディスプレイは不要でした。これが商用航空機への HUD の採用を遅らせました。同時に、着陸時に HUD を使用すると、すべての着陸条件で中心線からの横方向のずれが減少することが研究で示されていますが、中心線に沿った接地点は変わりません。[ 20 ]
一般航空向けには、MyGoFlightはSTCを取得し、 Cirrus SR22のような単発ピストンエンジン機向けには設置費用抜きで25,000ドルでSkyDisplay HUDを販売する予定です。Cessna CaravanやPilatus PC-12のような単発ターボプロップ機向けにはそれ以上の価格設定となります。これは従来のHUDのコストの5～10%ですが、非適合で、外の地形に完全に一致するわけではありません。[ 21 ]タブレットコンピュータ からの飛行データは、1,800ドルのEpic Optix Eagle 1 HUDに投影できます。[ 22 ]
米国連邦航空局(FAA) が「Enhanced Flight Vision System」と呼ぶようなより高度なシステムでは、[ 23 ]現実世界の視覚イメージをコンバイナーに重ね合わせることができます。通常、赤外線カメラ (シングルバンドまたはマルチバンド) が航空機の機首に設置され、パイロットに適合した画像を表示します。「EVS Enhanced Vision System」は業界で受け入れられている用語ですが、FAA は「91.175(l) および (m) に記載されているシステム定義および運用概念と混同される可能性がある」ため、使用しないことを決定しました。[ 23 ]ある EVS の設置では、カメラは「パイロットの目の位置のできるだけ近く」ではなく、垂直尾翼の上部に設置されています。ただし、HUD と併用する場合は、パイロットがコンバイナーを通して見るときに画像が現実世界に「重ね合わせられる」ことが期待されるため、カメラはパイロットの目の位置のできるだけ近くに取り付ける必要があります。
「位置合わせ」、つまりEVS画像と現実世界の画像との正確な重ね合わせは、HUDベースのEVSが承認される前に当局が綿密に調査する機能の一つです。これは、HUDが現実世界と一致し、誤解を招く情報ではなく正確なデータを提供できることが重要だからです。
EVSディスプレイは大いに役立つものの、FAAは運用規則を緩和しただけで[ 24 ]、 EVS搭載機はカテゴリーIIの最低高度に対してカテゴリーIアプローチを実行できるようになったに過ぎない。その他のすべてのケースでは、乗務員は「補助なし」の視覚制限をすべて遵守しなければならない。（例えば、霧のために滑走路の視界が制限されている場合、EVSが鮮明な視覚画像を提供したとしても、地上100フィート以下でEVSのみを使用して航空機を操縦することは適切ではない（または違法である）。）
HUDシステムは、高精度のナビゲーション、姿勢、高度、地形データベースを使用して、外界のリアルで直感的なビューを作成する合成視覚システム（SVS）グラフィック画像を表示するようにも設計されています。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
右側に表示されている最初の SVS ヘッドダウン画像では、すぐに目に入るインジケーターとして、左側に速度テープ、右側に高度テープ、上部中央に旋回/バンク/横滑り/スキッド表示があります。中央にはボアサイトシンボル (-v-) があり、そのすぐ下には飛行経路ベクトル (FPV) シンボル (短い翼と垂直尾翼が付いた円) があります。水平線は中央で途切れてディスプレイを横切って表示され、そのすぐ左には ±10 度の数字と ±5 度の短い線 (+5 度の線の方が見やすい) があり、水平線とともに航空機のピッチを示しています。ヘッドダウンプライマリーフライトディスプレイ上の SVS のこのカラー表示とは異なり、HUD に表示される SVS はモノクロ、つまり通常は緑色の濃淡です。
この画像は、水平飛行状態の航空機を示しています（つまり、飛行経路ベクトルシンボルが水平線に対して水平であり、旋回/バンク指示器のロールがゼロです）。対気速度は140ノット、高度は9,450フィート、方位は343度（旋回/バンク指示器の下の数値）です。画像をよく見ると、飛行経路ベクトルからわずかに右下にずれた小さな紫色の円が見えます。これは、飛行誘導システムからの誘導指示です。着陸進入で安定している場合、この紫色のシンボルはFPVの中央に位置するはずです。
地形はすべて高解像度の地形データベースからコンピュータで生成されたものです。
SVS（安全監視システム）は、一部のシステムでは、航空機の現在の飛行経路、または（航空機の性能モデル、現在のエネルギー、周囲の地形に基づいて）可能な飛行経路を計算し、障害物を赤色に表示して乗務員に警告します。このようなシステムがあれば、 1995年12月に発生したアメリカン航空965便の山への墜落事故を防ぐことができたかもしれません。
ディスプレイの左側には、SVS独自のシンボルが表示されています。これは、紫色の横向きに細くなるはしごのような形をしており、ディスプレイの右側にも続いています。この2本の線は「空のトンネル」を表しています。このシンボルは、航空機の目標軌道を3次元で示しています。例えば、パイロットが左側の空港を選択した場合、このシンボルは左下方向にカーブします。パイロットが飛行経路ベクトルを軌道シンボルに沿って維持すれば、航空機は最適な経路を飛行します。この経路は、フライトマネジメントシステムのデータベースに保存されている情報に基づいており、その空港に対するFAA承認のアプローチを示します。
空中のトンネルは、要求航法性能（RNP）の垂直または水平クリアランス要件の減少など、より精密な4次元飛行が必要とされる場合にもパイロットを大きく支援することができます。このような状況下では、パイロットは高度、対気速度、方位、エネルギー、経度、緯度を頭の中で統合して航空機を正しく操縦する必要はなく、航空機がどこにいるべきか、どこに向かうべきかをグラフィカルに表示することができます。[ 28 ]
2017年半ば、イスラエル国防軍は、世界初の戦車用ヘルメット装着型ヘッドアップディスプレイであるエルビット社のアイアンビジョンの試験を開始する予定だ。F -35戦闘機用のヘルメット装着型ディスプレイシステムを開発したイスラエルのエルビット社は、アイアンビジョンでは、外部に取り付けられた複数のカメラを使用して、戦車の周囲の360°の視界を乗員のヘルメット装着型バイザーに投影することを計画している。これにより、乗員はハッチを開けて外を見ることなく、戦車内に留まることができる。[ 29 ]
Patria TechnologiesとDistance Technologiesの共同開発により2025年に発表されたプログラムは、ヘルメットを必要とせずにヘッドアップディスプレイを車両のフロントガラスに設置することを目的としている。このプログラムはまた、AIを使用してデータの表示と処理を支援することも意図している。[ 30 ]
これらのディスプレイは市販車にますます普及しており、通常は速度計、タコメーター、ナビゲーションシステムの表示機能を備えています。一部の自動車では、夜間視界情報もHUDに表示されます。航空機に搭載されているほとんどのHUDとは異なり、自動車のヘッドアップディスプレイは視差補正機能がありません。偏光レンズのサングラスをかけているドライバーには、ディスプレイが見えない場合があります。
後付け型のHUDシステムも存在し、フロントガラスの上または下に取り付けられたガラス製のコンバイナーにディスプレイを投影したり、フロントガラス自体をコンバイナーとして使用したりする。
最初の車載HUDは、1999年にゼネラルモーターズ社によって開発され、運転者の視界の前にナビゲーションサービスを表示する機能を備えていました。2010年になると、AR技術が導入され、既存の車載HUDと組み合わされました。この技術に基づいて、ナビゲーションサービスが車両のフロントガラスに表示されるようになりました。[ 31 ]
2012年、パイオニア株式会社は、運転席側のサンバイザーを置き換えて前方の状況のアニメーションを視覚的に重ね合わせる拡張現実（AR）の一種であるHUDナビゲーションシステムを発表しました。 [ 32 ] [ 33 ]パイオニア株式会社が開発したAR-HUDは、仮想網膜ディスプレイ（VRD）としても知られる、目に直接レーザービームを走査する方式を採用した最初のアフターマーケット自動車用ヘッドアップディスプレイとなりました。AR-HUDの中核技術は、マイクロビジョン株式会社が開発した小型レーザービーム走査ディスプレイです。[ 34 ]
オートバイ用ヘルメットのHUDも市販されている。[ 35 ]
近年、従来の HUD は、WayRayが開発したホログラフィック光学素子(HOE)を使用したホログラフィックAR技術などに置き換えられると主張されている。HOE は、デバイスのサイズを縮小しながら視野を広げ、あらゆる車種に合わせてカスタマイズできるソリューションを可能にする。[ 36 ] [ 37 ]メルセデス・ベンツは拡張現実ベースのヘッドアップディスプレイを導入し[ 38 ]、フォルシアは視線と指で制御するヘッドアップディスプレイに投資した。[ 39 ]
HUDは、他の多くの用途向けに提案されているか、実験的に開発されています。軍事環境では、HUDはレーザー距離計の出力や分隊員の位置などの戦術情報を歩兵に重ねて表示するために使用できます。水泳用ゴーグルやスキューバダイバーのマスクの内側に情報を表示するプロトタイプHUDも開発されています。[ 40 ]低出力レーザーで情報を装着者の網膜に直接投影するHUDシステム（仮想網膜ディスプレイ）もテストされています。[ 41 ] [ 42 ]
2012年に開発されたHUD製品は、リアルタイムの言語翻訳を実行できた。[ 43 ]光学式ヘッドマウントディスプレイの実装では、EyeTap製品により、コンピュータで生成されたグラフィックファイルをレンズ上に重ねて表示できる。Google Glassも初期の製品の一つである。