水晶技術之車載光電系列| 車載顯示的最佳載體——HUD

    HUD基本介紹

    據(jù)高工智能汽車研究院監(jiān)測數(shù)據(jù)，2023年中國市場乘用車（不含進出口）前裝標配W/AR HUD交付新車225.43萬輛，同比增長50.26%，滲透率首次突破10%大關。

    其中，自主品牌搭載交付貢獻占比超過60%，成為W/AR HUD前裝標配貢獻主力軍。與此同時，HUD細分市場的競爭格局逐漸清晰，能夠整合ADAS輔助駕駛信息，實現(xiàn)實景導航的AR-HUD近年來備受關注，逐漸成為新時代智能汽車上的重要配置，開始越來越多的被應用。甚至部分車型開始應用HUD產(chǎn)品來取代傳統(tǒng)的汽車儀表，比如說從理想的L7、L9，長安深藍S7等。

圖1   HUD產(chǎn)品外形圖

    如上簡要分析了HUD的市場情況，下面為大家簡單介紹一下HUD。

    HUD，全稱為Head Up Display，中文名叫抬頭顯示器。它是利用光學反射原理，將汽車駕駛輔助信息、導航信息、車速信息、檢查控制信息以及ADAS信息等以投影方式顯示在風擋玻璃上。這樣，駕駛員在駕駛過程中只需稍微抬頭，就能迅速獲取這些信息，無需低頭查看儀表盤，大大提高了駕駛的安全性和便捷性。下圖為水晶光電開發(fā)的AR HUD顯示效果，可以看到支持的功能、可顯示的內(nèi)容非常豐富多元。

圖2   HUD的UI顯示示意圖

    HUD歷史起源

    首先，帶大家了解一下HUD的發(fā)展歷史。HUD技術其實并不陌生，它最早被應用在戰(zhàn)斗機上。下圖為戰(zhàn)斗機上HUD系統(tǒng)的示意圖，想象一下，飛行員在高速飛行時，無需低頭查看儀表，只需平視前方就能掌握飛行信息，這是多么方便和安全��！

圖3   戰(zhàn)斗機上的HUD系統(tǒng)

    到了上世紀八十年代，開始有汽車制造商將HUD技術應用到汽車上，最初只有高端車型才會配備，且顯示的信息簡單，色彩單一。隨著技術的不斷發(fā)展，特別是近幾年來以水晶光電為代表的國內(nèi)供應商深度參與其中，推動相關技術進一步成熟且成本也不斷下探，使得HUD的普及加速，長安S7、理想L8等車型已經(jīng)實現(xiàn)HUD標配，相信在接下來幾年，越來越多的車型會搭載HUD，使得HUD這一技術真正走進普通人的生活。

    HUD技術原理

    為了大家能夠更加深入的了解HUD顯示技術，下面將從光學角度解析一下HUD顯示的技術原理。

    HUD技術類似投影系統(tǒng)，由圖像生成單元和光學投影單元兩大關鍵部分組成。圖像生成單元，即PGU(Picture Generation Unit)，包含光源、透鏡、膜片等光學元件，可以生成高亮度的圖像信息。目前應用于PGU的技術（包括TFT-LCD、DLP、LBS、LCOS等多種技術）。以下簡單介紹一下這幾種技術的PGU成像原理。

    TFT-LCD

    基于TFT-LCD的圖像生成單元，其原理簡單說，就是LCD屏幕在背光照射下，通過每個像素點后的薄膜晶體管控制液晶分子的旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整光線的明暗。然后，通過RGB濾色片，這些光線被轉(zhuǎn)化為豐富多彩的圖像。由于這種方案技術成熟且成本低，目前多數(shù)HUD供應商都選擇使用它，確保高清晰度、高亮度和高對比度的圖像顯示。

圖4   LCD顯示原理圖

    DLP

    DLP全稱是Digital Light Processing，即數(shù)字光處理技術，其關鍵在于數(shù)字微鏡芯片（DMD）。DMD芯片上集成了數(shù)百萬個微型鏡片，能精確控制光源發(fā)出的光線，并通過投影鏡頭在擴散片上形成圖像。DLP技術因其高分辨率、高亮度和出色的成像效果，深受豪華品牌車型的青睞。然而，其復雜的光學結構和較高的設計成本也限制了其廣泛應用。

圖5   DLP原理圖

    LBS

    LBS方案是一種激光掃描式投影方案。它使用RGB激光模組發(fā)出紅、綠、藍三色光，經(jīng)過透鏡混合后照射到微小的MEMS微鏡上。這個微鏡在制動器的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，從而掃描并形成圖像。這種技術結構簡潔、體積小，色彩表現(xiàn)更佳。不過，這一技術還不成熟，關鍵器件如激光光源、MEMS芯片等還需要更多的驗證以確保其滿足車規(guī)要求，另外還存在如亮度、散斑等問題需要進一步解決。

圖6   MEMS原理圖

    Lcos

    LCOS全稱為Liquid Crystal On Silicon，即硅基液晶投影技術，它是LCD技術的升級版。這種技術使用了一種特殊的CMOS集成電路芯片，芯片上涂有液晶硅。通過利用液晶的光學特性和硅芯片的電學特性，LCOS能夠精確控制光的傳播方向和強度，從而生成清晰、生動的圖像。LCOS技術的優(yōu)勢在于高分辨率、更廣的色域和出色的對比度。

圖7   LCOS原理圖

    以上為大家介紹了幾種不同的PGU技術，目前水晶光電已經(jīng)成功自主研發(fā)出基于以上幾種技術的PGU模組，其中，基于TFT-LCD技術的PGU，結構簡單、成本低、發(fā)光效率高、畫面均勻性好；基于DLP和LCOS技術自主研發(fā)的PGU具有亮度高、色域廣等優(yōu)勢。

    聊完了圖像生成單元，接下來為大家介紹一下HUD成像的另一個重要的系統(tǒng)單元：光學投影單元。

    光學投影單元包含一級反射鏡、二級反射鏡、風擋玻璃等光學元件，作用是將PGU生成的圖像，經(jīng)過反射鏡片多次反射后，將圖像放大顯示到前擋風玻璃前方，從而駕駛員在眼盒處便能觀看到投影在遠處的影像。下圖為HUD投影原理的示意圖，水晶光電在HUD光學設計上有豐富的技術積累，擁有完備的光學設計開發(fā)流程和規(guī)范，設計開發(fā)周期短，設計出的HUD投影畫面清晰度高、畸變小、亮度高，體驗效果好，受到客戶的一致好評。

圖8   HUD投影原理示意圖

    HUD的技術難點

    在汽車智能發(fā)展的大時代，HUD技術也會迎來挑戰(zhàn)與機遇。體積與性能的權衡、陽光倒灌與散熱問題、自由曲面反射鏡的設計加工等問題都會限制HUD的顯示與布置，要想HUD技術更加成熟，就必須解決以上問題，而技術的應用鉆研，又增加了產(chǎn)品的成本，這也是HUD技術持續(xù)更新的原因。

    難點1--體積與性能的權衡

    視場角、投影距離、眼盒大小是HUD產(chǎn)品的重要性能參數(shù)。視場角和投影距離決定了投影畫面的可視角度和成像大小，視場角越大可顯示的信息就越多，投影距離越遠所顯示的畫面就越大，例如AR-HUD 產(chǎn)品需要達到10度的水平視場角以及7.5米以上的投影距離。眼盒大小決定了人眼可以看到圖像的空間范圍。為了實現(xiàn)更大的視場角、投影距離和眼盒大小，需要有足夠的空間和距離給虛像進行反射和放大，大大提高HUD的結構復雜度和體積，增加HUD在車身中的布置難度，從而增加整體成本。目前體積與視場角、投影距離、眼盒大小之間的的權衡，是HUD設計的一大難點。

圖9   HUD內(nèi)部結構示意圖

    難點2--陽光倒灌與散熱

    HUD的成像原理是PGU生成圖像后，一部分光線通過反射鏡與風擋的反射后進入人眼，如下左圖中紅色實線箭頭所示，從而在眼盒處便能觀察到投影出的虛像。由于光路是可逆的，那么沿著原光路的太陽光，必定可以會聚進入PGU單元，如下右圖中紅色虛線箭頭所示，從而引起HUD內(nèi)部溫度急劇升高。

圖10   陽光倒灌示意圖

    陽光倒灌問題要求HUD具備良好的耐高溫性能，如果HUD散熱性能不佳，在陽光直射和高溫環(huán)境下容易造成光學和電子元件的損壞，影響HUD使用壽命。目前，主流的PGU技術采用TFT方案，此方案陽光倒灌是普遍存在且急需解決的問題。而使用DLP及LCOS 技術的PGU，通過增加中繼擴散膜，可以有效緩解陽光倒灌問題，但是由于成本過高，很少有應用于量產(chǎn)車型。因此，尋找一種低成本的陽光倒灌問題解決方案，是HUD技術的另一大難點。

    難點3--自由曲面反射鏡的設計加工

    自由曲面反射鏡是HUD成像的核心元件，其面型的設計決定了投影畫面最終的成像品質(zhì)，通常需要配合風擋玻璃的面型來進行補償和優(yōu)化，從而消除風擋玻璃帶來的圖像畸變。目前自由曲面反射鏡所用的材料有PC、COC等塑料，對材料本身的耐候性要求高，對面型的精度要求高，加工難度較大。

    隨著相關技術的成熟，以及成本逐步下降，HUD會搭載到越來越多的車型上去，給大眾帶來更好的駕駛體驗。

    車載光電

    水晶光電在車載光電領域，發(fā)展十分迅速，智能座艙HUD產(chǎn)品覆蓋Lcos、DLP、TFT等多種技術路線，具備從光學、結構、硬件、軟件算法等一體化全棧自研能力，光波導技術世界領先，成為國內(nèi)出貨量最大的AR-HUD產(chǎn)品供應商，2023年取得捷豹路虎HUD產(chǎn)品定點，也是首家打入歐美主流品牌的HUD生產(chǎn)廠商。