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奔驰AR HUD核心——德州仪器的DLP技术
抬头显示HUD是将车辆行驶信息比如说车速、导航等投影在风挡前方的装置。近年来HUD飞速发展,具备更大显示画面、更直接的信息展示方式的AR HUD备受重视。去年9月,奔驰S级推出业界首款量产ARHUD,行业正式进入AR HUD时代。



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奔驰 ARHUD
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奔驰一马当先,随后大众、红旗、长城 WEY、奥迪、广汽传祺GS8等陆续也发布了量产型AR HUD。HUD的成像方式也就是影像源一般有四种:DLP、TFT-LCD、LBS(激光)、LCOS。目前能成熟应用在AR HUD上的主要是DLP与TFT形式的。其中作为首发的奔驰上的AR HUD采用DLP,除此之外,就只有广汽传祺第二代GS8上采用了这种影像源,因此GS8有着“奔驰同款AR HUD”的宣传语。

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业内朋友都知道,DLP在性能上较TFT更为有优势,但实际上大家对于DLP的具体情况其实并不是都十分了解。这里,小编就根据DLP技术供应商德州仪器(TI)的官方信息为大家简单介绍一下。
 


DLP技术与原理简介


 
DLP即Digital Light Processing的缩写,采用的是TI研发的DMD芯片(DigitalMicromirror Device,中文意思为数字微型反射镜元件)。DMD由数百万个高反射的铝制独立微型镜片组成,每个镜片可以通过数量庞大的超小型数字光开关控制角度。这些开关可以接受电子讯号代表的资料字节,然后产生光学字节输出。

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据TI介绍,DLP产品的第一个专利是由该公司的Larry Hornbeck博士在1987年提交和发明的。经历近十年的发展推进,到了1996年,第一个商用的DLP系统正式出货,当时推出的产品是数字化投影机。之后产品就被广泛应用到会议室、家庭和教室等环境。三年后,采用DLP技术的放映机播放了全球第一部数字化的电影《星球大战前传》。

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DLP光机结构图
 
为了进一步推进DLP技术在多方面的应用,2012年,德州仪器成立了一个新的事业部,推动DLP技术在工业和传感方向的应用,继而发布车规级的DLP芯片。

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从2013年推出了车规级DLP芯片以后,德州仪器就密锣紧鼓地将这个产品推进到主机厂。得益于其优势,这个技术很快就被应用到HUD中。除了HUD外,DLP在车上的另一个典型应用便是奔驰等豪华车上的DLP数字化大灯,通过投影出不同图案而能够与道路上的其他参与者进行交流。
 


DLP技术在AR HUD上的性能优势



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现有的HUD都是影像经过光学组件反射而投影至风挡玻璃上形成虚像,目前的绝大多数的前装HUD虚像距离都只有2~2.5m,视场角FOV较小,虚像无法与道路实景相结合,被称之为W HUD;而前文所说的奔驰、大众、红旗等相关车型上的HUD的虚像距离达到了7.5m以上,FOV在10°以上,虚像有足够空间,通过动态变化,与道路实景产生结合感,因此被称之为AR HUD(增强现实型抬头显示)。

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AR HUD一般是传统HUD虚像距离的数倍,因此在阳光倒灌、散热,体积、成像等多方面都带来了很多挑战。而相比TFT,DLP在以下方面占据着很大的优势:
 


1、 稳定的成像质量(亮度)


 
AR HUD带给驾驶员的是一个被投影在车辆前方数米远的虚像,需要再一定范围内才能看到。而为了让不同身高、体型的驾驶员都能清晰的观察到,这就需要ARHUD能做出足够大的眼盒范围,如下图所示。

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据TI的研究数据,眼盒范围的增加以及更大的视场角FOV,都要求HUD的影像源能提供更高的亮度,以确保驾驶者所观察到的图像质量。

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ARHUD需要更大的FOV与 眼盒面积
 
另一方面,随着温度的升高,LED 会随着温度的降低而降低亮度。为了支持恒定亮度,系统必须设计为支持在最高温度下的最大目标亮度,然后在较低温度下降低最大亮度。AR HUD 的挑战在于由于更大的 FOV 和 眼盒,其亮度已经非常高,为了应对温度变化,选择能够以最低功耗支持所需流明预算的高效光源和成像技术至关重要。

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2、太阳光倒灌问题



AR HUD是一个投影系统,由于光路可逆的特性,外界光线也会反向进入HUD中。HUD对影像源发出的光起着放大的作用,因此外界光线经由同一路径进入HUD则变成了汇聚。小时候玩过凸透镜的朋友都知道,阳光经过汇聚,很容易变产生高温。这个也就是大家常说的太阳光过载。

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TFT形式的影像源一方面由于直接面对高温影响,另一方面又没有DLP本身材质的耐高温程度高,因此应对TFT在应对太阳光倒灌的问题上难度更大。

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DLP还有一个优势是DLP在成像时需要通过光扩散屏,它对于太阳光也会有一个发散作用,从而减少太阳光汇聚带来的不利影响。


3、无偏振光影响



TFT是TFT-LCD的简称,LCD的成像需要通过TFT层(即薄膜晶体管)来实现,在成像过程中需要经过滤光片来确定允许通过的颜色,因此TFT-LCD产生的图像是通过偏振光组成的。
 
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TFT-LCD的结构图,来源www.orientdisplay.com
 
而物理常识告诉我们偏振光只有在偏振方向一致的条件下才可以看清楚图像,因此当驾驶员在佩戴由偏振片组成的太阳眼镜时,很容易看不见偏振光形成的图像。这个便是TFT型的AR HUD所必须面对的一个硬伤。
 
而DLP是通过RGB LED或激光产生的光源直接成像,不存在上述偏振光问题。

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DLP形式不存在偏振光影响


4、支持光波导和全息HUD设计



AR HUD经过HUD厂商结构优化之后都会在10L以上,过大的HUD体积意味着仪表板中的空间被过多挤占。DLP技术支持LED与Laser(激光)两种光源,在使用激光光源时,DLP可以支持现在比较热门的光波导与全息薄膜的投影方式。

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DLP支持光波导方案,代表厂商:Digilens、三极光电、苏大维格、珑璟光电等

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DLP支持全息薄膜形式的AR HUD,代表厂商Way Ray
 
采用激光光源还有一个优势便是,其色域范围更广。

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小结:

DLP在ARHUD上应用的优势小结下来就是下面四点:


  1. 相较于TFT,DLP更容易获得高亮度,TI官网的介绍是大于15K cd/m2 ,此外DLP在不同温度下也可以保持一致的图像质量
  2. 由于DLP本身材质以及结构方面的优势,能更好的应对太阳光倒灌问题。
  3. DLP不使用偏振光,因此即使戴着太阳镜也能看到显示内容
  4. 支持光波导和全息的AR HUD设计



本文未标注来源图片均来源TI 关于DLP技术的介绍资料

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