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汽车AR HUD TFT PGU 阳光倒灌对策

AR HUD 将快速普及已是不容置疑的趋势,AR HUD普遍采用大FOV、长VID距离、GUI画面并具有AR箭头动态标示。


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AR HUD的酷炫感与实用性都远远大于W HUD,取代W HUD是必然的,但AR HUD的高成本,大体积与高畸变画质都可能是AR HUD市场普及的障碍。

解决上述障碍是AR HUD厂家必须努力的过程。

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(表: 奔驰与大众体积与性能比较表)
 
投影距离与重影的关系:

AR HUD 的VID越长就可以让前挡产生的画面重影与主影的距离越接近,根据计算:

VID达13米,重影可以在1pixel之内;
几十VID只有 7米,其重影也是在2pixel 之内。

再透过UI的巧妙设计,便可以让重影不明显,从而省去楔型玻璃的成本与困扰。
 
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(表: 虚像距离超过13m后没有重影(鬼影)现象,楔型玻璃属于非必要条件,但驾驶者容易产生晕眩感。数据源:德州仪器)
 
AR HUD最大的技术挑战在于:高放大倍率所衍生的高倍率畸变差晕眩问题太阳光倒灌烧毁光机的问题。
 
要使用越小的体积产生同样的VID距离,放大倍率就得越大。
 
放大倍率越大,阳光倒灌与晕畸变差眩就越严重。一般来说,晕眩问题不容易被重视,由于样机在开发前期会被精准的调整曲面镜以减少晕眩,但在量产时却必然会因为尺寸公差产生一定畸变,无法满足量产中的全场景应用。
 
关于如何优化画质,克服两眼畸变差晕眩,怡利有独到的专利技术,我将另辟文章来介绍。本文主要专注在如何解决太阳光倒灌的问题。

图片(图: 固定的VID距离,凹面镜的放大倍率愈大,体积越小。但晕眩感也愈强烈
数据源: Vol. 28, No. 24 / 23 November 2020 / Optics Express 35716)
 
最容易解决阳光倒灌伤害的方法是采用DLP 或LCOS 等投影式光机来取代TFT光机,让阳光聚在扩散片上,利用扩散片把阳光的聚光打散。


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然而投影式光机的成本远高于TFT,这将垫高 AR HUD的成本,影响AR HUD的量产普及。此外,DLP与LCOS 本身也有自己的性能限制:对比度,环境温度的耐受性都不如TFT;而且阳光倒灌被扩散片反射、打散,部分光将会循着光路反射到眼球,形成炫光现象。

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(图: 在特定阳光角度,会在DLP扩散片表面形成炫光,影响驾驶)
 


随着使用TFT光机的技术不断突破, TFT太阳光倒灌问题已经不再是问题,许多厂家发展出各自的对策,本文举怡利所自行发展出来的对策做说明,包括三方面:



一.去除部分阳光的热能
二. 减少背光对TFT的加温
三.对TFT进行高效散热

以下我一一说明对策机制:
 
一、去除部分阳光热能

阳光辐射热依波长区分红外线与可见光,按偏振方向区分为S波与P波; HUD 只使用到可见光的S波,因此光路组件只让可见光的S波通过,其他的红外线P波,红外线S波,可见光P波都被HUD内的光路做阻断,从而让太阳光倒灌到TFT的热能剩下1/4,大幅降低热冲击。

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(图: 红外线在太阳光的辐射热源约有50%的占比)

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(图: 偏光片方案阻挡P波减少太阳光热50%,不会影响HUD的S波亮度)

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(图: 冷镜方案减少太阳光热53%,不会影响HUD可见光亮度。数据源:3M)
 
二、降低背光对TFT的加温

TFT在阳光倒灌的损坏通常发生在烧毁TFT背面的偏光片,这是因为,当阳光强烈时,TFT需相对增强背光亮度以保障显示效果。高强度的背光伴随的辐射热与传导热已使TFT背面温度处在TFT耐热的极限边缘,加上阳光倒灌很容易就被烧毁。
 
怡利专利技术的超指向性背光光源可以提升数倍的背光效率,以3D AR HUD 的案例而言约可提升效率四倍。同样是10,000 nits的亮度,普通2D AR HUD可能需要25W 的背光功耗,怡利3D ARHUD 仅需要6W 。如此不但省电,还可以大幅降低TFT的基础温度,使TFT有更大的储备来承受更强的阳光倒灌。

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三、对TFT进行高效散热

前面两项对策是从减少对TFT的加热出发,此部分针对的是TFT散热。普通风扇散热带走热能的效率不高,怡利专利技术——“正压风洞”,使空气对TFT正背两面同时施加风压帮助导热,并快速的带走热量,经实验验证降温效果非常显著。

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(图: 怡利HUD专用正压风洞专利)
 
从以上三个方向来应对TFT光机的阳光倒灌问题,经试验证明,即使在最恶劣的环境之下,都能有效保护TFT不受阳光倒灌的任何伤害。且其成本远低于改用DLP 或LCOS,还可以保证TFT光机成熟稳定的质量与优异的画质以及对比度。
 
总之, AR HUD 的光机不仅仅是DLP等投射式的光机,考虑性价比、使用寿命、画质对比度与成本, TFT可能会再度回到AR HUD大餐的餐桌上,成为主菜。
 
以下是试验结果的数据

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(数据㈠: 市场上 ARHUD Eyebox共需8W才能达到所需亮度)
 
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(数据㈡: 怡利专利的超指向性背光3D ARHUD Eyebox只需2W就能达到所需亮度,几乎没有串扰现象、标靶扩散片更将背光效率提高 4 倍以上)

图片(数据㈢: 正压风洞散热机制在短时间之内将TFT温度大幅下降)

结论:


  • 在去除红外线与P波之后,阳光倒灌在TFT上的最高温度为144℃

  • 导入怡利标靶扩散片增加光效率后降低25℃ (144℃降至119℃)

  • 在采用怡利正压风洞散热方案则再降低25℃ (119℃降至94℃)

  • TFT温度只剩下94℃,这是在最高温度144℃采用怡利方案TFT液晶都能在其温度规格(105℃)内安全的运作。


 
本文作者: 怡利电子工业股份有限公司 董事长 陈锡勋



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