水晶技术之车载光电系列 车载显示的最佳载体——HUD
来源:行业动态 发布时间:2024-07-08 16:18:01 浏览量:1据高工智能汽车研究院监测数据,2023年中国市场乘用车(不含进出口)前装标配W/AR HUD交付新车225.43万辆,同比增长50.26%,渗透率首次突破10%大关。
其中,自主品牌搭载交付贡献占比超过60%,成为W/AR HUD前装标配贡献主力军。与此同时,HUD细分市场的竞争格局逐渐清晰,能够整合ADAS辅助驾驶信息,实现实景导航的AR-HUD近年来非常关注,慢慢的变成为新时代智能汽车上的重要配置,开始慢慢的变多的被应用。甚至部分车型开始应用HUD产品来取代传统的汽车仪表,比如说从理想的L7、L9,长安深蓝S7等。
HUD,全称为Head Up Display,中文名叫抬头显示器。它是利用光学反射原理,将汽车驾驶辅助信息、导航信息、车速信息、检查控制信息以及ADAS信息等以投影方式显示在风挡玻璃上。这样,驾驶员在驾驶过程中只需稍微抬头,就能迅速获取这一些信息,无需低头查看仪表盘,大幅度的提升了驾驶的安全性和便捷性。下图为水晶光电002273)开发的AR HUD显示效果,能够正常的看到支持的功能、可显示的内容很丰富多元。
首先,带大家探索一下HUD的发展历史。HUD技术实际上并不陌生,它最早被应用在战斗机上。下图为战斗机上HUD系统的示意图,想象一下,飞行员在高速飞行时,无需低头查看仪表,只需平视前方就能掌握飞行信息,这是多么方便和安全啊!
到了上世纪八十年代,开始有汽车制造商将HUD技术应用到汽车上,最初只有高端车型才会配备,且显示的信息简单,色彩单一。随技术的持续不断的发展,特别是近几年来以水晶光电为代表的国内供应商深度去参加了,推动有关技术进一步成熟且成本也不断下探,使得HUD的普及加速,长安S7、理想L8等车型已经实现HUD标配,相信在接下来几年,慢慢的变多的车型会搭载HUD,使得HUD这一技术真正走进普通人的生活。
为了大家能更加深入的了解HUD显示技术,下面将从光学角度解析一下HUD显示的技术原理。
HUD技术类似投影系统,由图像生成单元和光学投影单元两大关键部分所组成。图像生成单元,即PGU(Picture Generation Unit),包含光源、透镜、膜片等光学元件,可以生成高亮度的图像信息。目前应用于PGU的技术(包括TFT-LCD、DLP、LBS、LCOS等多种技术)。以下粗略地介绍一下这几种技术的PGU成像原理。
基于TFT-LCD的图像生成单元,其原理简单说,就是LCD屏幕在背光照射下,通过每个像素点后的薄膜晶体管控制液晶分子的旋转,以调整光线的明暗。然后,通过RGB滤色片,这些光线被转化为丰富多彩的图像。由于这种方案技术成熟且成本低,目前多数HUD供应商都选择使用它,确保高清晰度、高亮度和高对比度的图像显示。
DLP DLP全称是Digital Light Processing,即数字光处理技术,其重点是数字微镜芯片(DMD)。DMD芯片上集成了数百万个微型镜片,能精确控制光源发出的光线,并通过投影镜头在扩散片上形成图像。DLP技术因其高分辨率、高亮度和出色的成像效果,深受豪华品牌车型的青睐。然而,其复杂的光学结构和较高的设计成本也限制了其广泛应用。
LBS LBS方案是一种激光扫描式投影方案。它使用RGB激光模组发出红、绿、蓝三色光,经过透镜混合后照射到微小的MEMS微镜上。这个微镜在制动器的驱动下转动,从而扫描并形成图像。这种技术结构简单整洁、体积小,色彩表现更佳。不过,这一技术还不成熟,关键器件如激光光源、MEMS芯片等还需要更加多的验证以确保其满足车规要求,另外还存在如亮度、散斑等问题是需要进一步解决。
Lcos LCOS全称为Liquid Crystal On Silicon,即硅基液晶投影技术,它是LCD技术的升级版。这种技术使用了一种特殊的CMOS集成电路芯片,芯片上涂有液晶硅。通过利用液晶的光学特性和硅芯片的电学特性,LCOS能够精确控制光的传播方向和强度,从而生成清晰、生动的图像。LCOS技术的优点是高分辨率、更广的色域和出色的对比度。
以上为大家介绍了几种不同的PGU技术,目前水晶光电已经成功自主研发出基于以上几种技术的PGU模组,其中,基于TFT-LCD技术的PGU,结构相对比较简单、成本低、发光效率高、画面均匀性好;基于DLP和LCOS技术自主研发的PGU具有亮度高、色域广等优势。
聊完了图像生成单元,接下来为大家介绍一下HUD成像的另一个重要的系统单元:光学投影单元。
光学投影单元包含一级反射镜、二级反射镜、风挡玻璃等光学元件,作用是将PGU生成的图像,经过反射镜片多次反射后,将图像放大显示到前挡风玻璃前方,从而驾驶员在眼盒处便能观看到投影在远处的影像。下图为HUD投影原理的示意图,水晶光电在HUD光学设计上有丰富的技术积累,拥有完备的光学设计开发流程和规范,设计开发周期短,设计出的HUD投影画面清晰度高、畸变小、亮度高,体验效果好,受到客户的一致好评。
在汽车智能发展的大时代,HUD技术也会迎来挑战与机遇。体积与性能的权衡、阳光倒灌与散热问题、自由曲面反射镜的设计加工等问题都会限制HUD的显示与布置,要想HUD技术更成熟,就一定要解决以上问题,而技术的应用钻研,又增加了产品的成本,这也是HUD技术持续更新的原因。
视场角、投影距离、眼盒大小是HUD产品的重要性能参数。视场角和投影距离决定了投影画面的可视角度和成像大小,视场角越大可显示的信息就越多,投影距离越远所显示的画面就越大,例如AR-HUD 产品要达到10度的水平视场角以及7.5米以上的投影距离。眼盒大小决定了人眼能够正常的看到图像的空间范围。为实现更大的视场角、投影距离和眼盒大小,需要有足够的空间和距离给虚像进行反射和放大,大幅度的提升HUD的结构复杂度和体积,增加HUD在车身中的布置难度,从而增加整体成本。目前体积与视场角、投影距离、眼盒大小之间的的权衡,是HUD设计的一大难点。
HUD的成像原理是PGU生成图像后,一部分光线通过反射镜与风挡的反射后进入人眼,如下左图中红色实线箭头所示,从而在眼盒处便能观察到投影出的虚像。由于光路是可逆的,那么沿着原光路的太阳光,必定可以会聚进入PGU单元,如下右图中红色虚线箭头所示,从而引起HUD内部温度急剧升高。
阳光倒灌问题要求HUD具备良好的耐高温性能,如果HUD散热性能不佳,在阳光直射和高温环境下易引起光学和电子元件的损坏,影响HUD常规使用的寿命。目前,主流的PGU技术采用TFT方案,此方案阳光倒灌是都会存在且急需解决的问题。而使用DLP及LCOS 技术的PGU,通过增加中继扩散膜,可以有效缓解阳光倒灌问题,但是由于成本过高,很少有应用于量产车型。因此,寻找一种低成本的阳光倒灌问题解决方案,是HUD技术的另一大难点。
自由曲面反射镜是HUD成像的核心元件,其面型的设计决定了投影画面最终的成像品质,常常要配合风挡玻璃的面型来进行补偿和优化,从而消除风挡玻璃带来的图像畸变。目前自由曲面反射镜所用的材料有PC、COC等塑料,对材料本身的耐候性要求高,对面型的精度要求高,加工难度较大。
随着有关技术的成熟,以及成本逐步下降,HUD会搭载到慢慢的变多的车型上去,给大众带来更好的驾驶体验。
水晶光电在车载光电领域,发展十分迅速,智能座舱HUD产品覆盖Lcos、DLP、TFT等多种技术路线,具备从光学、结构、硬件、软件算法等一体化全栈自研能力,光波导技术世界领先,成为国内出货量最大的AR-HUD产品供应商,2023年取得捷豹路虎HUD产品定点,也是首家打入欧美主流品牌的HUD生产厂商。
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