水晶技術(shù)之車載光電系列| 車載顯示的最佳載體——HUD

來源:投影時(shí)代 更新日期:2024-07-07 作者:佚名

    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(jìn)出口)前裝標(biāo)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(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)分市場的競爭格局逐漸清晰,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,長安深藍(lán)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(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。

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(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。

圖3   戰(zhàn)斗機(jī)上的HUD系統(tǒng)

    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Liquid 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(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。

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