在汽車中用上軍事科技——淺析HUD技術(shù)

HUD是抬頭顯視設(shè)備（Head-Up Display）的縮寫，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(zhàn)術(shù)信息顯示在正常觀察方向的視野范圍內(nèi)，而同時(shí)又不會影響對于環(huán)境的注意，也不用總是轉(zhuǎn)移視線去專門觀察儀表板上的那些指針和數(shù)據(jù)。HUD 技術(shù)最早用于飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等軍用設(shè)備上，以在駕駛或飛行過程中提供駕駛員或飛行員必要的信息，而無需將視線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(yīng)用，如頭戴式顯示設(shè)備、智能眼鏡等。HUD 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不斷推動(dòng)著信息顯示和用戶界面的創(chuàng)新。

傳統(tǒng)HUD虛像距 圖源：Texas Instruments

不過傳統(tǒng)的W-HUD顯示畫面小，信息不夠直觀，已經(jīng)難以滿足人們對于抬頭顯示的期待。因此能實(shí)現(xiàn)虛擬圖像與道路實(shí)景相結(jié)合，在擋風(fēng)玻璃直接進(jìn)行AR 導(dǎo)航的AR HUD被行業(yè)熱捧。AR HUD需要整合各種車輛傳感器信息（包括ADAS信息），給駕乘人員帶來更智能的體驗(yàn)，因此，AR HUD被認(rèn)為是智能汽車概念的完美契合產(chǎn)品。

根據(jù)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。就目前的市場現(xiàn)狀來看，走向量產(chǎn)的僅有TFT與DLP兩種方案。而隨著華為、一數(shù)科技等廠商在LCOS方案上的發(fā)力，這一技術(shù)路線也正在被行業(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，隨后以電場控制液晶分支的旋轉(zhuǎn)方向，從而改變光的行進(jìn)方向和呈現(xiàn)顏色來成像。由于技術(shù)基本成熟、成本較低，TFT-LCD成為當(dāng)前最主流的HUD投影技術(shù)方案，廣泛應(yīng)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題，在AR-HUD產(chǎn)品上的應(yīng)用需要攻克以上難題。

TFT-LCD內(nèi)部構(gòu)造 圖源：智能汽車俱樂部

雖然當(dāng)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題，在HUD 與AR 技術(shù)相結(jié)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(shù)字光處理技術(shù)）采用的是美國德州儀器（TI）的專利技術(shù)——DMD芯片（DigitalMicromirror Device，數(shù)字微型反射鏡元件）。DMD由數(shù)百萬個(gè)高反射的鋁制獨(dú)立微型鏡片組成，每個(gè)鏡片可以通過數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開關(guān)控制角度。這些開關(guān)可以接受電子訊號代表的資料字節(jié)，然后產(chǎn)生光學(xué)字節(jié)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(qū)間-40-105℃，滿足車規(guī)級要求；能夠?qū)崿F(xiàn)5米以上的成像距離。

DLP光機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖源：Texas Instruments

在AR 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(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，能更好的應(yīng)對太陽光倒灌問題。DLP不使用偏振光，因此即使戴著太陽鏡也能看到顯示內(nèi)容；同時(shí)DLP支持光波導(dǎo)和全息的AR HUD設(shè)計(jì)。

LCoS

LCOS（Liquid Crystal on Silicon）是一種新型的反射式MICRO LCD投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)面板（又稱為CMOS－LCD），然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(dāng)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(yīng)用于HUD技術(shù)中。

LCoS的內(nèi)部構(gòu)造 圖源：智能汽車俱樂部

2022年，華為AR-HUD正式上車上汽飛凡R7，光機(jī)采用LCoS技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)13°*5°的超大視場角，分辨率高達(dá)1920x730。這款產(chǎn)品還采用了NXP i.MX 8 QM，提供高達(dá)30K DMIPS的算力以及128GFLOPS的圖形處理能力，并配備4GB運(yùn)行內(nèi)存、16GB閃存、支持高清地圖導(dǎo)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）結(jié)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(yīng)用微機(jī)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)引擎大幅簡化，體積小；對比度高，可以輕松達(dá)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(dá)到85℃的工作要求等原因，LBS方案尚未成熟應(yīng)用。

據(jù)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(chǔ)；相比其他光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)成本上更具競爭優(yōu)勢。而意法半導(dǎo)體則可以通過其可編程的車規(guī)級步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（用于圖像調(diào)整，由32位控制單元監(jiān)控）為HUD設(shè)計(jì)提供通用型解決方案。

在汽車市場應(yīng)用領(lǐng)域

隨著新能源汽車和智能汽車的不斷發(fā)展，HUD技術(shù)也將面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。未來HUD技術(shù)發(fā)展的一些可能方向。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）整合：未來HUD技術(shù)可能會更加注重將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)整合到駕駛體驗(yàn)中。這包括將導(dǎo)航、車輛信息和周圍環(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(qiáng)的信息。

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

全息投影技術(shù)：未來HUD系統(tǒng)可能采用更先進(jìn)的全息投影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)航指示、車輛狀態(tài)等信息。

感知和交互性提升：隨著車輛的自動(dòng)化程度提高，HUD系統(tǒng)可能通過更先進(jìn)的傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車輛周圍環(huán)境的更準(zhǔn)確感知，以提供更智能化的駕駛輔助。此外，可預(yù)見的是，更強(qiáng)大的交互性將使得駕駛員能夠更直觀地與HUD系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，例如手勢控制、語音識別等。

與車載網(wǎng)絡(luò)的深度集成：未來的HUD系統(tǒng)可能與車載網(wǎng)絡(luò)更深度地集成，獲取車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)提供更智能、個(gè)性化的信息顯示。這可能包括車輛健康狀況、充電狀態(tài)等。

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