水晶技术之车载光电系列| 车载显示的最佳载体——HUD

    HUD基本介绍

    据高工智能汽车研究院监测数据，2023年中国市场乘用车（不含进出口）前装标配W/AR HUD交付新车225.43万辆，同比增长50.26%，渗透率首次突破10%大关。

    其中，自主品牌搭载交付贡献占比超过60%，成为W/AR HUD前装标配贡献主力军。与此同时，HUD细分市场的竞争格局逐渐清晰，能够整合ADAS辅助驾驶信息，实现实景导航的AR-HUD近年来备受关注，逐渐成为新时代智能汽车上的重要配置，开始越来越多的被应用。甚至部分车型开始应用HUD产品来取代传统的汽车仪表，比如说从理想的L7、L9，长安深蓝S7等。

图1   HUD产品外形图

    如上简要分析了HUD的市场情况，下面为大家简单介绍一下HUD。

    HUD，全称为Head Up Display，中文名叫抬头显示器。它是利用光学反射原理，将汽车驾驶辅助信息、导航信息、车速信息、检查控制信息以及ADAS信息等以投影方式显示在风挡玻璃上。这样，驾驶员在驾驶过程中只需稍微抬头，就能迅速获取这些信息，无需低头查看仪表盘，大大提高了驾驶的安全性和便捷性。下图为水晶光电开发的AR HUD显示效果，可以看到支持的功能、可显示的内容非常丰富多元。

图2   HUD的UI显示示意图

    HUD历史起源

    首先，带大家了解一下HUD的发展历史。HUD技术其实并不陌生，它最早被应用在战斗机上。下图为战斗机上HUD系统的示意图，想象一下，飞行员在高速飞行时，无需低头查看仪表，只需平视前方就能掌握飞行信息，这是多么方便和安全啊！

图3   战斗机上的HUD系统

    到了上世纪八十年代，开始有汽车制造商将HUD技术应用到汽车上，最初只有高端车型才会配备，且显示的信息简单，色彩单一。随着技术的不断发展，特别是近几年来以水晶光电为代表的国内供应商深度参与其中，推动相关技术进一步成熟且成本也不断下探，使得HUD的普及加速，长安S7、理想L8等车型已经实现HUD标配，相信在接下来几年，越来越多的车型会搭载HUD，使得HUD这一技术真正走进普通人的生活。

    HUD技术原理

    为了大家能够更加深入的了解HUD显示技术，下面将从光学角度解析一下HUD显示的技术原理。

    HUD技术类似投影系统，由图像生成单元和光学投影单元两大关键部分组成。图像生成单元，即PGU(Picture Generation Unit)，包含光源、透镜、膜片等光学元件，可以生成高亮度的图像信息。目前应用于PGU的技术（包括TFT-LCD、DLP、LBS、LCOS等多种技术）。以下简单介绍一下这几种技术的PGU成像原理。

    TFT-LCD

    基于TFT-LCD的图像生成单元，其原理简单说，就是LCD屏幕在背光照射下，通过每个像素点后的薄膜晶体管控制液晶分子的旋转，以调整光线的明暗。然后，通过RGB滤色片，这些光线被转化为丰富多彩的图像。由于这种方案技术成熟且成本低，目前多数HUD供应商都选择使用它，确保高清晰度、高亮度和高对比度的图像显示。

图4   LCD显示原理图

    DLP

    DLP全称是Digital Light Processing，即数字光处理技术，其关键在于数字微镜芯片（DMD）。DMD芯片上集成了数百万个微型镜片，能精确控制光源发出的光线，并通过投影镜头在扩散片上形成图像。DLP技术因其高分辨率、高亮度和出色的成像效果，深受豪华品牌车型的青睐。然而，其复杂的光学结构和较高的设计成本也限制了其广泛应用。

图5   DLP原理图

    LBS

    LBS方案是一种激光扫描式投影方案。它使用RGB激光模组发出红、绿、蓝三色光，经过透镜混合后照射到微小的MEMS微镜上。这个微镜在制动器的驱动下转动，从而扫描并形成图像。这种技术结构简洁、体积小，色彩表现更佳。不过，这一技术还不成熟，关键器件如激光光源、MEMS芯片等还需要更多的验证以确保其满足车规要求，另外还存在如亮度、散斑等问题需要进一步解决。

图6   MEMS原理图

    Lcos

    LCOS全称为Liquid Crystal On Silicon，即硅基液晶投影技术，它是LCD技术的升级版。这种技术使用了一种特殊的CMOS集成电路芯片，芯片上涂有液晶硅。通过利用液晶的光学特性和硅芯片的电学特性，LCOS能够精确控制光的传播方向和强度，从而生成清晰、生动的图像。LCOS技术的优势在于高分辨率、更广的色域和出色的对比度。

图7   LCOS原理图

    以上为大家介绍了几种不同的PGU技术，目前水晶光电已经成功自主研发出基于以上几种技术的PGU模组，其中，基于TFT-LCD技术的PGU，结构简单、成本低、发光效率高、画面均匀性好；基于DLP和LCOS技术自主研发的PGU具有亮度高、色域广等优势。

    聊完了图像生成单元，接下来为大家介绍一下HUD成像的另一个重要的系统单元：光学投影单元。

    光学投影单元包含一级反射镜、二级反射镜、风挡玻璃等光学元件，作用是将PGU生成的图像，经过反射镜片多次反射后，将图像放大显示到前挡风玻璃前方，从而驾驶员在眼盒处便能观看到投影在远处的影像。下图为HUD投影原理的示意图，水晶光电在HUD光学设计上有丰富的技术积累，拥有完备的光学设计开发流程和规范，设计开发周期短，设计出的HUD投影画面清晰度高、畸变小、亮度高，体验效果好，受到客户的一致好评。

图8   HUD投影原理示意图

    HUD的技术难点

    在汽车智能发展的大时代，HUD技术也会迎来挑战与机遇。体积与性能的权衡、阳光倒灌与散热问题、自由曲面反射镜的设计加工等问题都会限制HUD的显示与布置，要想HUD技术更加成熟，就必须解决以上问题，而技术的应用钻研，又增加了产品的成本，这也是HUD技术持续更新的原因。

    难点1--体积与性能的权衡

    视场角、投影距离、眼盒大小是HUD产品的重要性能参数。视场角和投影距离决定了投影画面的可视角度和成像大小，视场角越大可显示的信息就越多，投影距离越远所显示的画面就越大，例如AR-HUD 产品需要达到10度的水平视场角以及7.5米以上的投影距离。眼盒大小决定了人眼可以看到图像的空间范围。为了实现更大的视场角、投影距离和眼盒大小，需要有足够的空间和距离给虚像进行反射和放大，大大提高HUD的结构复杂度和体积，增加HUD在车身中的布置难度，从而增加整体成本。目前体积与视场角、投影距离、眼盒大小之间的的权衡，是HUD设计的一大难点。

图9   HUD内部结构示意图

    难点2--阳光倒灌与散热

    HUD的成像原理是PGU生成图像后，一部分光线通过反射镜与风挡的反射后进入人眼，如下左图中红色实线箭头所示，从而在眼盒处便能观察到投影出的虚像。由于光路是可逆的，那么沿着原光路的太阳光，必定可以会聚进入PGU单元，如下右图中红色虚线箭头所示，从而引起HUD内部温度急剧升高。

图10   阳光倒灌示意图

    阳光倒灌问题要求HUD具备良好的耐高温性能，如果HUD散热性能不佳，在阳光直射和高温环境下容易造成光学和电子元件的损坏，影响HUD使用寿命。目前，主流的PGU技术采用TFT方案，此方案阳光倒灌是普遍存在且急需解决的问题。而使用DLP及LCOS 技术的PGU，通过增加中继扩散膜，可以有效缓解阳光倒灌问题，但是由于成本过高，很少有应用于量产车型。因此，寻找一种低成本的阳光倒灌问题解决方案，是HUD技术的另一大难点。

    难点3--自由曲面反射镜的设计加工

    自由曲面反射镜是HUD成像的核心元件，其面型的设计决定了投影画面最终的成像品质，通常需要配合风挡玻璃的面型来进行补偿和优化，从而消除风挡玻璃带来的图像畸变。目前自由曲面反射镜所用的材料有PC、COC等塑料，对材料本身的耐候性要求高，对面型的精度要求高，加工难度较大。

    随着相关技术的成熟，以及成本逐步下降，HUD会搭载到越来越多的车型上去，给大众带来更好的驾驶体验。

    车载光电

    水晶光电在车载光电领域，发展十分迅速，智能座舱HUD产品覆盖Lcos、DLP、TFT等多种技术路线，具备从光学、结构、硬件、软件算法等一体化全栈自研能力，光波导技术世界领先，成为国内出货量最大的AR-HUD产品供应商，2023年取得捷豹路虎HUD产品定点，也是首家打入欧美主流品牌的HUD生产厂商。