解析HUD顯示的技術(shù)原理

HUD基本介紹

據(jù)高工智能汽車研究院監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2023年中國(guó)市場(chǎng)乘用車（不含進(jìn)出口）前裝標(biāo)配W/AR HUD交付新車225.43萬輛，同比增長(zhǎng)50.26%，滲透率首次突破10%大關(guān)。

其中，自主品牌搭載交付貢獻(xiàn)占比超過60%，成為W/AR HUD前裝標(biāo)配貢獻(xiàn)主力軍。與此同時(shí)，HUD細(xì)分市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局逐漸清晰，能夠整合ADAS輔助駕駛信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)景導(dǎo)航的AR-HUD近年來備受關(guān)注，逐漸成為新時(shí)代智能汽車上的重要配置，開始越來越多的被應(yīng)用。甚至部分車型開始應(yīng)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(zhǎng)安深藍(lán)S7等。

如上簡(jiǎn)要分析了HUD的市場(chǎng)情況，下面為大家簡(jiǎn)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(xué)反射原理，將汽車駕駛輔助信息、導(dǎo)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(fēng)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。

HUD歷史起源

首先，帶大家了解一下HUD的發(fā)展歷史。HUD技術(shù)其實(shí)并不陌生，它最早被應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)上。下圖為戰(zhàn)斗機(jī)上HUD系統(tǒng)的示意圖，想象一下，飛行員在高速飛行時(shí)，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啊！

到了上世紀(jì)八十年代，開始有汽車制造商將HUD技術(shù)應(yīng)用到汽車上，最初只有高端車型才會(huì)配備，且顯示的信息簡(jiǎn)單，色彩單一。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近幾年來以水晶光電為代表的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商深度參與其中，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步成熟且成本也不斷下探，使得HUD的普及加速，長(zhǎng)安S7、理想L8等車型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)HUD標(biāo)配，相信在接下來幾年，越來越多的車型會(huì)搭載HUD，使得HUD這一技術(shù)真正走進(jìn)普通人的生活。

HUD技術(shù)原理

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

HUD技術(shù)類似投影系統(tǒng)，由圖像生成單元和光學(xué)投影單元兩大關(guān)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(xué)元件，可以生成高亮度的圖像信息。目前應(yīng)用于PGU的技術(shù)（包括TFT-LCD、DLP、LBS、LCOS等多種技術(shù)）。以下簡(jiǎn)單介紹一下這幾種技術(shù)的PGU成像原理。

TFT-LCD

基于TFT-LCD的圖像生成單元，其原理簡(jiǎn)單說，就是LCD屏幕在背光照射下，通過每個(gè)像素點(diǎn)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(shù)成熟且成本低，目前多數(shù)HUD供應(yīng)商都選擇使用它，確保高清晰度、高亮度和高對(duì)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(shù)，其關(guān)鍵在于數(shù)字微鏡芯片（DMD）。DMD芯片上集成了數(shù)百萬個(gè)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(kuò)散片上形成圖像。DLP技術(shù)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(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)和較高的設(shè)計(jì)成本也限制了其廣泛應(yīng)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(lán)三色光，經(jīng)過透鏡混合后照射到微小的MEMS微鏡上。這個(gè)微鏡在制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而掃描并形成圖像。這種技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小，色彩表現(xiàn)更佳。不過，這一技術(shù)還不成熟，關(guān)鍵器件如激光光源、MEMS芯片等還需要更多的驗(yàn)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(jìn)一步解決。

圖6 MEMS原理圖

Lcos

LCOS全稱為L(zhǎng)iquid Crystal On Silicon，即硅基液晶投影技術(shù)，它是LCD技術(shù)的升級(jí)版。這種技術(shù)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(xué)特性和硅芯片的電學(xué)特性，LCOS能夠精確控制光的傳播方向和強(qiáng)度，從而生成清晰、生動(dòng)的圖像。LCOS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于高分辨率、更廣的色域和出色的對(duì)比度。

圖7 LCOS原理圖

以上為大家介紹了幾種不同的PGU技術(shù)，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(shù)的PGU模組，其中，基于TFT-LCD技術(shù)的PGU，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、發(fā)光效率高、畫面均勻性好；基于DLP和LCOS技術(shù)自主研發(fā)的PGU具有亮度高、色域廣等優(yōu)勢(shì)。

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(gè)重要的系統(tǒng)單元：光學(xué)投影單元。

光學(xué)投影單元包含一級(jí)反射鏡、二級(jí)反射鏡、風(fēng)擋玻璃等光學(xué)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(fēng)玻璃前方，從而駕駛員在眼盒處便能觀看到投影在遠(yuǎn)處的影像。下圖為HUD投影原理的示意圖，水晶光電在HUD光學(xué)設(shè)計(jì)上有豐富的技術(shù)積累，擁有完備的光學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)流程和規(guī)范，設(shè)計(jì)開發(fā)周期短，設(shè)計(jì)出的HUD投影畫面清晰度高、畸變小、亮度高，體驗(yàn)效果好，受到客戶的一致好評(píng)。

圖8 HUD投影原理示意圖

HUD的技術(shù)難點(diǎn)

在汽車智能發(fā)展的大時(shí)代，HUD技術(shù)也會(huì)迎來挑戰(zhàn)與機(jī)遇。體積與性能的權(quán)衡、陽光倒灌與散熱問題、自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)加工等問題都會(huì)限制HUD的顯示與布置，要想HUD技術(shù)更加成熟，就必須解決以上問題，而技術(shù)的應(yīng)用鉆研，又增加了產(chǎn)品的成本，這也是HUD技術(shù)持續(xù)更新的原因。

難點(diǎn)1--體積與性能的權(quán)衡

視場(chǎng)角、投影距離、眼盒大小是HUD產(chǎn)品的重要性能參數(shù)。視場(chǎng)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(chǎng)角越大可顯示的信息就越多，投影距離越遠(yuǎn)所顯示的畫面就越大，例如AR-HUD 產(chǎn)品需要達(dá)到10度的水平視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)更大的視場(chǎng)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(jìn)行反射和放大，大大提高HUD的結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎng)角、投影距離、眼盒大小之間的的權(quán)衡，是HUD設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

圖9 HUD內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

難點(diǎn)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(fēng)擋的反射后進(jìn)入人眼，如下左圖中紅色實(shí)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(huì)聚進(jìn)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(xué)和電子元件的損壞，影響HUD使用壽命。目前，主流的PGU技術(shù)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(shù)的PGU，通過增加中繼擴(kuò)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(yīng)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(shù)的另一大難點(diǎn)。

難點(diǎn)3--自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)加工

自由曲面反射鏡是HUD成像的核心元件，其面型的設(shè)計(jì)決定了投影畫面最終的成像品質(zhì)，通常需要配合風(fēng)擋玻璃的面型來進(jìn)行補(bǔ)償和優(yōu)化，從而消除風(fēng)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(duì)材料本身的耐候性要求高，對(duì)面型的精度要求高，加工難度較大。

隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，以及成本逐步下降，HUD會(huì)搭載到越來越多的車型上去，給大眾帶來更好的駕駛體驗(yàn)。

車載光電

水晶光電在車載光電領(lǐng)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(shù)路線，具備從光學(xué)、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件算法等一體化全棧自研能力，光波導(dǎo)技術(shù)世界領(lǐng)先，成為國(guó)內(nèi)出貨量最大的AR-HUD產(chǎn)品供應(yīng)商，2023年取得捷豹路虎HUD產(chǎn)品定點(diǎn)，也是首家打入歐美主流品牌的HUD生產(chǎn)廠商。