Bibliografia: COLLINSON, R. P. G. Introduction to Avionics Systems. 3. ed. Boston: Springer, 2011.
Cap. 7: Displays and Man-Machine Interaction · Seção 7.2: Head-Up Displays
O que é o HUD e por que ele existe
Óptica e configuração do HUD refrativo
FOV, brilho e restrições de instalação
HUDs holográficos de amplo FOV
Eletrônica e arquitetura de dados do HUD
Projeto numérico e geração de display
Síntese, fórmulas-chave e guia de estudo
FOV (Field of View, ou Campo de Visão) é o ângulo — ou região angular — dentro do qual o piloto enxerga a imagem colimada do HUD sobreposta à cena externa. Divide-se em TFOV (campo total) e IFOV (campo instantâneo, o que se vê em um instante). Quanto maior o FOV, maior a área útil exibida ao piloto.
Seção 7.2.1 — Introdução · Da definição ao problema que o HUD resolve em voo e em combate
O que é: mudança brusca de intensidade e/ou de direção do vento entre dois pontos próximos da trajetória. Na final, ao cruzar uma corrente descendente, a aeronave passa de vento de proa para vento de cauda: perde sustentação e velocidade e afunda sem aviso ao piloto. O HUD projeta a trajetória prevista contra o solo e comanda a correção (arfagem + potência).
Orientação de pouso automático em baixa visibilidade
FLIR ou radar milimétrico em aeródromos sem ILS/MLS
Informação primária de voo
Informação de navegação
Dados de motor · dados de célula
Avisos (warnings)
O que sustenta o voo seguro e o cumprimento da missão
Sensores de imagem infravermelha
Radar
Dados táticos da missão
Mira de armas · alertas de ameaça
Regra de projeto: a informação deve ser assimilável de imediato — e o supérfluo é eliminado para aliviar a carga de trabalho
Manter a trajetória e conduzir a aproximação
Diretor de cisalhamento de vento no pouso
Orientação de pouso em nevoeiro · visão aprimorada
O dado de voo é protagonista: a decisão é sempre manter a rota
Cabeça erguida para escanear ameaças
Mira computadorizada de armas
Localizar, designar e engajar
O dado de voo passa a pano de fundo: sustenta a pontaria sem disputar o foco
Seção 7.2.2 — Princípios Básicos (primeira parte) · Vocabulário óptico e o diagrama de blocos do HUD refrativo
Fonte da imagem: simbologia gerada pelos sensores/sistemas (ex.: INS e dados aéreos)
Ampliam a imagem e corrigem parte dos erros ópticos
Reflete ~90°, permitindo configuração compacta na cabine
Colima a imagem (raios paralelos)
Combina a simbologia colimada com a cena externa
Seção 7.2.2 — Princípios Básicos (segunda parte) · Quantificando o desempenho do HUD refrativo
IFOV = 2·tan⁻¹(Dlente/2L) — determinado pelo diâmetro da lente colimadora (Dlente) e distância olho–lente (L)
TFOV = 2·tan⁻¹(DCRT/2F) — determinado pelo diâmetro do CRT (DCRT) e distância focal efetiva (F) — atenção: o D é diferente em cada fórmula!
No refrativo, IFOV ≈ 2/3 do TFOV (não são iguais): decorre dos diâmetros (lente × CRT) e distâncias (L × F) típicos — confere com os valores do próximo slide (13°–18° ≈ 2/3 de 20°–25°)
| Parâmetro | Valor típico |
|---|---|
| IFOV (refrativo) | 13° – 18° |
| TFOV (refrativo) | 20° – 25° |
| FOV vertical (veneziana) | ~18° |
| Cenário | Luminância |
|---|---|
| Diurno (céu iluminado) | ~30.000 cd/m² (10.000 fL) |
| Noturno (mínimo) | ~0,3 cd/m² |
| Faixa total | 10⁵ : 1 |
Seção 7.2.3 — HUDs holográficos · A evolução do refrativo: colimação no combinador com potência óptica
A gelatina incha na revelação; o cozimento reduz a espessura e ressintoniza o comprimento de onda
Holograma gerado por computador: gera as frentes de onda arbitrárias
Produz o padrão de interferência como "modelo mestre" reutilizável
Completude da fonte: largura de banda angular determinada pela modulação de holograma; design óptico intensivo em computação
Seção 7.2.4 — Eletrônica do HUD · Fluxo de dados, modos de escrita e criticalidade de segurança
Seção 7.2.5 — Exemplo prático de design de HUD e geração de exibição · Aplicando as fórmulas em um projeto refrativo realista (Q1→Q8 em cadeia)
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| DCRT | 50 mm |
| TFOV exigido | 20° |
| Dlente | 125 mm |
| Lente → combinador | 100 mm |
| Olho → combinador | 400 mm |
| L (olho → lente) | 500 mm |
| Escala do ponto | ±100 unidades |
IFOV = 2·tan⁻¹(D/2L)
Campo instantâneo — lente colimadora (D) e distância olho–lente (L). [Q2]
TFOV = 2·tan⁻¹(D/2F)
Campo total — CRT (D) e distância focal (F). [Q1]
F = D / (2·tan(TFOV/2))
Distância focal do CRT (rearranjo de TFOV). [Q1]
IFOV ≈ (2/3)·TFOV
Verificação rápida da relação entre os campos.
deslocamento ≈ L·tan((TFOV−IFOV)/2)
Curso de cabeça para varrer o TFOV. [Q3]
D_lente / (2(L−i)) = tan(TFOV/2)
Aproximação i do olho para IFOV = TFOV. [Q4]
x₁ = −a·cosφ ; y₁ = −(ψ+θ+a·senφ)
x₂ = a·cosφ ; y₂ = −(ψ+θ−a·senφ)
Mapeamento atitude (θ,φ,ψ) → coordenadas de rampa. [Q5–Q7]
coord_rampa = escala·ângulo
Escala do ponto (escala = 10 un/grau; faixa ±100 un). [Q8]
D = diâmetro · L = olho–lente · F = distância focal · i = olho→lente · θ = arfagem · φ = inclinação lateral · ψ = depressão do vetor velocidade · a = meia-extensão da linha do horizonte.
TFOV = 2·tan⁻¹(D/2F)
F = 50 / (2·tan 10°) = 141,5 mm
IFOV = 2·tan⁻¹(125 / (2×500)) = 14,25°
⚠ Nota de arredondamento 50/(2·tan 10°) = 141,78 mm, adotado como 141,5 mm (padrão do Collinson)
Deslocamento para varrer o TFOV de 20°: ~25 mm (≈1 pol)
deslocamento ≈ L·tan((TFOV−IFOV)/2) = 500·tan(2,9°) ≈ 25 mm
O olho "varre" o campo como no buraco de nó
Aproximação para ver o TFOV total: i = 145 mm (≈5,7 pol)
125 / [2(500−i)] = tan 10° → i = 145 mm
ψ = depressão do vetor velocidade (4° abaixo da horizontal); θ = arfagem (negativa = nariz abaixo do horizonte); φ = inclinação lateral; a = metade do comprimento da linha (2a = 10° de azimute)
x₁ = −a·cosφ ; y₁ = −(ψ+θ+a·senφ)
x₂ = a·cosφ ; y₂ = −(ψ+θ−a·senφ)
x₁ = −5·cos 10° = −4,92 ; y₁ = −[4+(−3)+5·sen 10°] = −1,87
x₂ = 4,92 ; y₂ = −[4+(−3)−5·sen 10°] = −0,13
| Colimação | na lente colimadora |
| IFOV × TFOV | IFOV ≈ 2/3 TFOV |
| FOV | 13° – 18° |
| Transmissão | 70/30 com perdas |
| Colimação | no combinador |
| IFOV × TFOV | IFOV = TFOV |
| FOV | fator 2 ou mais |
| Transmissão | >90% seletivo |