在汽車(chē)中用上軍事科技——淺析HUD技術(shù)

HUD是抬頭顯視設備（Head-Up Display）的縮寫(xiě)，它是一款從軍事領(lǐng)域起源的技術(shù)。HUD可以把一些重要的戰術(shù)信息顯示在正常觀(guān)察方向的視野范圍內，而同時(shí)又不會(huì )影響對于環(huán)境的注意，也不用總是轉移視線(xiàn)去專(zhuān)門(mén)觀(guān)察儀表板上的那些指針和數據。HUD 技術(shù)最早用于飛機、戰斗機等軍用設備上，以在駕駛或飛行過(guò)程中提供駕駛員或飛行員必要的信息，而無(wú)需將視線(xiàn)移離駕駛或飛行的方向。除了交通工具，HUD 技術(shù)也在其他領(lǐng)域得到應用，如頭戴式顯示設備、智能眼鏡等。HUD 技術(shù)的發(fā)展和應用不斷推動(dòng)著(zhù)信息顯示和用戶(hù)界面的創(chuàng )新。

傳統HUD虛像距 圖源：Texas Instruments

不過(guò)傳統的W-HUD顯示畫(huà)面小，信息不夠直觀(guān)，已經(jīng)難以滿(mǎn)足人們對于抬頭顯示的期待。因此能實(shí)現虛擬圖像與道路實(shí)景相結合，在擋風(fēng)玻璃直接進(jìn)行AR 導航的AR HUD被行業(yè)熱捧。AR HUD需要整合各種車(chē)輛傳感器信息（包括ADAS信息），給駕乘人員帶來(lái)更智能的體驗，因此，AR HUD被認為是智能汽車(chē)概念的完美契合產(chǎn)品。

根據影像源的硬件與原理的不同，目前主流的成像方式分為四種：TFT、DLP、LCOS、

以及基于MEMS技術(shù)的LBS方案。就目前的市場(chǎng)現狀來(lái)看，走向量產(chǎn)的僅有TFT與DLP兩種方案。而隨著(zhù)華為、一數科技等廠(chǎng)商在LCOS方案上的發(fā)力，這一技術(shù)路線(xiàn)也正在被行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注。

TFT-LCD

TFT-LCD投影技術(shù)以TFT作為HUD的投影單元，投影原理是LED背光源發(fā)光，隨后以電場(chǎng)控制液晶分支的旋轉方向，從而改變光的行進(jìn)方向和呈現顏色來(lái)成像。由于技術(shù)基本成熟、成本較低，TFT-LCD成為當前最主流的HUD投影技術(shù)方案，廣泛應用于W-HUD產(chǎn)品中。然而TFT-LCD存在投影距離較近、耐高溫性能較差等問(wèn)題，在A(yíng)R-HUD產(chǎn)品上的應用需要攻克以上難題。

TFT-LCD內部構造 圖源：智能汽車(chē)俱樂(lè )部

雖然當前LCD 仍為最成熟的主流投影方案，但由于其天然存在散熱不足的問(wèn)題，在HUD 與AR 技術(shù)相結合的大趨勢下，LCD 投影技術(shù)將逐漸被新技術(shù)取代。

DLP

DLP（Digital Light Processing，數字光處理技術(shù)）采用的是美國德州儀器（TI）的專(zhuān)利技術(shù)——DMD芯片（DigitalMicromirror Device，數字微型反射鏡元件）。DMD由數百萬(wàn)個(gè)高反射的鋁制獨立微型鏡片組成，每個(gè)鏡片可以通過(guò)數量龐大的超小型數字光開(kāi)關(guān)控制角度。這些開(kāi)關(guān)可以接受電子訊號代表的資料字節，然后產(chǎn)生光學(xué)字節輸出。DLP具有高亮度、高對比度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)；工作溫度區間-40-105℃，滿(mǎn)足車(chē)規級要求；能夠實(shí)現5米以上的成像距離。

DLP光機結構圖 圖源：Texas Instruments

在A(yíng)R HUD上相較于TFT，DLP更容易獲得高亮度，TI官網(wǎng)的介紹是大于15K cd/m2 ，此外DLP在不同溫度下也可以保持一致的圖像質(zhì)量。由于DLP本身材質(zhì)以及結構方面的優(yōu)勢，能更好的應對太陽(yáng)光倒灌問(wèn)題。DLP不使用偏振光，因此即使戴著(zhù)太陽(yáng)鏡也能看到顯示內容；同時(shí)DLP支持光波導和全息的AR HUD設計。

LCoS

LCOS（Liquid Crystal on Silicon）是一種新型的反射式MICRO LCD投影技術(shù)，其結構是在硅片上，利用半導體制程制作驅動(dòng)面板（又稱(chēng)為CMOS－LCD），然后在電晶體上透過(guò)研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進(jìn)行封裝測試。LCOS技術(shù)具有大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，因此被廣泛應用于HUD技術(shù)中。

LCoS的內部構造 圖源：智能汽車(chē)俱樂(lè )部

2022年，華為AR-HUD正式上車(chē)上汽飛凡R7，光機采用LCoS技術(shù)路線(xiàn)，實(shí)現13°*5°的超大視場(chǎng)角，分辨率高達1920x730。這款產(chǎn)品還采用了NXP i.MX 8 QM，提供高達30K DMIPS的算力以及128GFLOPS的圖形處理能力，并配備4GB運行內存、16GB閃存、支持高清地圖導航視頻的AR引擎渲染。

LBS

LBS（Laser Beam Scanning）方案是一種將RGB三基色激光模組與微機電系統（MEMS）結合的投影顯示技術(shù)方案。LBS方案的核心技術(shù)在于MEMS微激光投影，它屬于掃描式投影顯示。該方案應用微機電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光，以激光掃描的方式成像。其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。LBS方案的優(yōu)勢在于：光學(xué)引擎大幅簡(jiǎn)化，體積??；對比度高，可以輕松達到7000:1；亮度高，色域廣（>150%）；功耗低（<4-6W），發(fā)熱量很小。然而，由于激光二極管對溫度較敏感，不能達到85℃的工作要求等原因，LBS方案尚未成熟應用。

據悉，英飛凌的 MEMS 掃描儀芯片組采用創(chuàng )新的傾斜鏡，為新一代激光掃描儀（LBS）投影奠定基礎；相比其他光學(xué)系統設計和競品 MEMS 掃描儀解決方案，英飛凌的新款掃描儀芯片的在性能、尺寸、能耗和系統成本上更具競爭優(yōu)勢。而意法半導體則可以通過(guò)其可編程的車(chē)規級步進(jìn)電機驅動(dòng)器（用于圖像調整，由32位控制單元監控）為HUD設計提供通用型解決方案。

在汽車(chē)市場(chǎng)應用領(lǐng)域

隨著(zhù)新能源汽車(chē)和智能汽車(chē)的不斷發(fā)展，HUD技術(shù)也將面臨新的挑戰和機遇。未來(lái)HUD技術(shù)發(fā)展的一些可能方向。

增強現實(shí)（AR）和虛擬現實(shí)（VR）整合：未來(lái)HUD技術(shù)可能會(huì )更加注重將增強現實(shí)和虛擬現實(shí)技術(shù)整合到駕駛體驗中。這包括將導航、車(chē)輛信息和周?chē)h(huán)境的虛擬顯示融入到駕駛員的視野中，提供更豐富、交互性更強的信息。

生物識別和駕駛員監控：HUD系統可能集成生物識別技術(shù)，以確保只有授權的駕駛員能夠獲得特定的信息。此外，可能會(huì )引入駕駛員狀態(tài)監控，通過(guò)檢測駕駛員的疲勞、注意力分散等情況，提供相應的提醒和干預。

全息投影技術(shù)：未來(lái)HUD系統可能采用更先進(jìn)的全息投影技術(shù)，實(shí)現更大視角、更高分辨率的圖像，以提供更真實(shí)的顯示效果。這將有助于駕駛員更清晰地看到導航指示、車(chē)輛狀態(tài)等信息。

感知和交互性提升：隨著(zhù)車(chē)輛的自動(dòng)化程度提高，HUD系統可能通過(guò)更先進(jìn)的傳感技術(shù)實(shí)現對車(chē)輛周?chē)h(huán)境的更準確感知，以提供更智能化的駕駛輔助。此外，可預見(jiàn)的是，更強大的交互性將使得駕駛員能夠更直觀(guān)地與HUD系統進(jìn)行互動(dòng)，例如手勢控制、語(yǔ)音識別等。

與車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的深度集成：未來(lái)的HUD系統可能與車(chē)載網(wǎng)絡(luò )更深度地集成，獲取車(chē)輛的實(shí)時(shí)數據，并根據這些數據提供更智能、個(gè)性化的信息顯示。這可能包括車(chē)輛健康狀況、充電狀態(tài)等。

這些發(fā)展方向都與新能源汽車(chē)和智能汽車(chē)的趨勢相吻合，旨在提高駕駛體驗的安全性、便利性和智能化水平。隨著(zhù)技術(shù)的不斷創(chuàng )新，HUD技術(shù)將在未來(lái)為汽車(chē)駕駛員提供更加智能、全面的信息顯示和駕駛輔助功能。