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车载抬头显示AR HUD成像技术大解密
作为最开始应用于飞机的抬头显示系统(HUD),经过多年的发展,目前这一配置在前装市场上的应用正受到越来越多的主机厂所重视。

HUD的热点趋势是与AR技术相结合,整合先进驾驶辅助系统如ADAS、ACC,将导航与驾驶信息投影到车辆前方,与前方实物相结合,获得更好的驾驶体验。


HUD大致都是通过将影像源的图像经光学镜片反射后投影至挡风玻璃最终反射进人眼中。成像方式是HUD影像源部分的核心组件,目前,在AR HUD的大趋势下,影像源技术分为屏幕模组与光电集成芯片式的成像技术。

据小编了解,正在被各大厂商用来研发AR HUD的影像源技术主要是TFT-LCD屏、MEMS光扫描微投影(LSP)、DLP(由德州仪器开发的数字光学处理技术)这三种。此外,作为目前较为成熟的微投影技术,LCoS(硅基液晶)反射式微投影也有部分厂家在试验。

今天,小编就和大家一起盘点下这四种HUD 成像技术以及各自的优缺点。

TFT-LCD屏


TFT-LCD屏光学成像方案比较成熟,有着清晰度高等优点,其原理是液晶屏显示后通过反射改变光源角度最终在挡风玻璃上成像。目前的风挡式HUD(W-HUD)的影像源基本采用这一方案。(宝马是目前是将 TFT (Thin Film Transistor)反射成像技术利用得最好的案例。)


对目前热点的AR HUD来说,TFT是各大厂商最早开发的投影方案,但目前来说成本、投影距离、散热也都还有很多挑战。


宝马的ARHUD 渲染图,应用 TFT 成像技术 来源网络


TFT-LCD 显示屏:京瓷、天马、信利、京东方、JDI

HUD厂家:目前的主流 W-HUD量产方式,也有很多厂家在研发TFT-LCD的AR HUD

DLP投影


DLP(Digital Light Processing)数位光数处理技术是美国德州仪器的专利技术,透过集成数十万个超微型镜片的DMD(数位微镜芯片),可将强光源经过反射后投影出来。


DLP 影像源结构原理图(图片由惠州华阳多媒体的张先生提供)


DLP投影技术亮度高、分辨率高、成像逼真,目前有部分前装HUD及后装市场会采用此种技术,德州仪器公司也一直在汽车行业推广DLP。不过,由于DLP投影的是整个平面,为了提升显效果,需要针对不同挡风玻璃订制高精度的反射非球面镜,这也直接导致DLP HUD成本提高。


对于ARHUD,DLP技术在散热、投影距离等方面有着很大优势,但缺陷是整体成本有待降低,总的来说,DLP技术是一个很不错的选择。比如说惠州华阳便有采用这一技术作为AR HUD方案。


cocoecar   后装市场 HUD:采用DLP数字光学处理技术
                                     
DLP技术厂商:德州仪器TI

DLP PGU厂家:广景视睿、水晶光电等

HUD厂商:目前主流的AR HUD方式之一,代表厂家如:大陆电子、华阳、泽景、未来黑科技

MEMS激光扫描投影(LSP)


“MEMS激光扫描投影(LSP)”,是将RGB三基色激光模组与微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)结合的投影显示技术方案。从驱动的角度来说,MEMS微激光投影属于扫描式投影显示,应用微机电二维微型扫描振镜及RGB三基色激光,以激光扫描的方式成像,其输出分辨率取决于MEMS微镜的扫描频率。

MEMS微激光投影设备结构图


因为是点光源直接投射,其结构简单,不需要调焦,光学引擎大幅度简化,对比度、单位亮度都比较高,尤其对比度可以轻松达到7000:1,远超DLP。体积很小,色域广(>150%),功耗更低(<4-6W),发热量很小;可靠性高,安装很容易。另一巨大优势是,MEMS激光显示纯黑像素时是可以关掉的,带来的好处有两点:高对比度和零纱窗效应。

MEMS投影原理,图片来源点石创新官网


缺点是目前分辨率不高,约720P,提高分辨率需要比较高的成本,但可通过量产降成本。另一方面激光二极管对温度较敏感,实现车规级还有困难需克服;好消息是目前也有大厂在针对性的开发相关产品,据了解,欧司朗有成功研发出工作范围高达85℃、无主动散热的绿光直接激光器。

另外,DLP和LSP都需要先投影到扩散膜(Diffuser),在Diffuser上的成像就相当于LCD的角色了。典型的方案如MicroVision的Picop ;市面上还有用台湾及至微(Ultimems)的LSP模组做出的AR HUD样机。

上图为先锋在2012年推出的HUD,结合了激光扫描与AR,售价高达4000美元。(图片来源:佐思汽车研究)

上图为松下的激光扫描HUD原型(图片来源:佐思汽车研究)

MEMS振镜厂家:BOSCH、ST、MicroVision、台湾Ultimems(上海丰宝代理)、日本理光、HLDS

HUD厂商:目前仅有少数HUD厂家采用,如先锋、松下,多家厂商正在评估此方案


LCOS成像技术


LCOS (Liquid Crystal on Silicom )硅基液晶技术,是一种基于反射式的微型矩阵液晶显示技术,可以在非常小的尺寸内显示丰富的冷风讯,亮度、分辨率、对比度等性能都非常优越,Google Glass采用的就是这种技术;但目前硅基液晶并不能大量量产,成本太高,仅有部分工程试验HUD产品采用这一技术。


三片试LCOS成像原理


其他还有一些不算主流的成像方式,比如OLED屏这些。

总结


以上介绍的四种影像源方式,前三种目前都有相关的AR HUD样机面世,但总体来说,这四种方式各有优劣。小编猜测,目前AR HUD的这四种方案中TFT-LCD可能是最早量产的方案 其次是DLP、LSP,而LCOS的量产可能还需要一段较长时间。下表是这四种方案的性能对比。


表格由广景视睿 王先生提供

汽车智能化和网联化是大势所趋,也是不可阻挡的方向。车联网和人工智能等新技术的应用,将为未来的人车交互带来更多新变化。HUD特别是AR HUD,将不仅仅只是一个安全显示的屏幕,更可以是一个系统集成中心,将车载娱乐系统、辅助驾驶系统等多系统进行整合与集中显示。根据现有的技术发展趋势,AR HUD或许有可能在近几年之内正式上市。


ARHUD是今后的趋势,但往后哪种技术会成为主流这个问题需要考虑到AR虚像距离远,亮度要求高,图像分辨率高,散热,车规产品等多方面的问题。满足这些条件的情况下如何进行空间与成本控制更是难点。

本文感谢华阳多媒体张先生、丰宝骆总、疆程林总、广景视睿王先生的指导与修改

艾邦现建有汽车抬头显示HUD微信群,目前已有大批产业链企业朋友加入:大陆电子、未来黑科技、泽景、马瑞利、华阳、前海智云谷、613所、怡利电子、萤欧科技、均胜科技、舜宇光学、广景、宝沃汽车、北汽、日产、比亚迪、一汽、上汽、蔚来、吉利、3M、积水、福耀玻璃、富兰光学、亮宇光学、京瓷等,欢迎扫码加入。加入前请转发本文。



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