在汽車中用上軍事科技——淺析HUD技術

HUD是抬頭顯視設備（Head-Up Display）的縮寫，它是一款從軍事領域起源的技術。HUD可以把一些重要的戰術信息顯示在正常觀察方向的視野范圍內，而同時又不會影響對于環境的注意，也不用總是轉移視線去專門觀察儀表板上的那些指針和數據。HUD 技術最早用于飛機、戰斗機等軍用設備上，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 技術也在其他領域得到應用，如頭戴式顯示設備、智能眼鏡等。HUD 技術的發展和應用不斷推動著信息顯示和用戶界面的創新。

傳統HUD虛像距 圖源：Texas Instruments

不過傳統的W-HUD顯示畫面小，信息不夠直觀，已經難以滿足人們對于抬頭顯示的期待。因此能實現虛擬圖像與道路實景相結合，在擋風玻璃直接進行AR 導航的AR HUD被行業熱捧。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，因此，AR HUD被認為是智能汽車概念的完美契合產品。

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技術的LBS方案。就目前的市場現狀來看，走向量產的僅有TFT與DLP兩種方案。而隨著華為、一數科技等廠商在LCOS方案上的發力，這一技術路線也正在被行業重點關注。

TFT-LCD

TFT-LCD投影技術以TFT作為HUD的投影單元，投影原理是LED背光源發光，隨后以電場控制液晶分支的旋轉方向，從而改變光的行進方向和呈現顏色來成像。由于技術基本成熟、成本較低，TFT-LCD成為當前最主流的HUD投影技術方案，廣泛應用于W-HUD產品中。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：智能汽車俱樂部

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題，在HUD 與AR 技術相結合的大趨勢下，LCD 投影技術將逐漸被新技術取代。

DLP

DLP（Digital Light Processing，數字光處理技術）采用的是美國德州儀器（TI）的專利技術——DMD芯片（DigitalMicromirror Device，數字微型反射鏡元件）。DMD由數百萬個高反射的鋁制獨立微型鏡片組成，每個鏡片可以通過數量龐大的超小型數字光開關控制角度。這些開關可以接受電子訊號代表的資料字節，然后產生光學字節輸出。DLP具有高亮度、高對比度和高分辨率等優點；工作溫度區間-40-105℃，滿足車規級要求；能夠實現5米以上的成像距離。

DLP光機結構圖 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量。由于DLP本身材質以及結構方面的優勢，能更好的應對太陽光倒灌問題。DLP不使用偏振光，因此即使戴著太陽鏡也能看到顯示內容；同時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，其結構是在硅片上，利用半導體制程制作驅動面板（又稱為CMOS－LCD），然后在電晶體上透過研磨技術磨平，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，進行封裝測試。LCOS技術具有大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優勢，因此被廣泛應用于HUD技術中。

LCoS的內部構造 圖源：智能汽車俱樂部

2022年，華為AR-HUD正式上車上汽飛凡R7，光機采用LCoS技術路線，實現13°*5°的超大視場角，分辨率高達1920x730。這款產品還采用了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方案。LBS方案的核心技術在于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方案的優勢在于：光學引擎大幅簡化，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勢。而意法半導體則可以通過其可編程的車規級步進電機驅動器（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。

在汽車市場應用領域

隨著新能源汽車和智能汽車的不斷發展，HUD技術也將面臨新的挑戰和機遇。未來HUD技術發展的一些可能方向。

增強現實（AR）和虛擬現實（VR）整合：未來HUD技術可能會更加注重將增強現實和虛擬現實技術整合到駕駛體驗中。這包括將導航、車輛信息和周圍環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，以確保只有授權的駕駛員能夠獲得特定的信息。此外，可能會引入駕駛員狀態監控，通過檢測駕駛員的疲勞、注意力分散等情況，提供相應的提醒和干預。

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

感知和交互性提升：隨著車輛的自動化程度提高，HUD系統可能通過更先進的傳感技術實現對車輛周圍環境的更準確感知，以提供更智能化的駕駛輔助。此外，可預見的是，更強大的交互性將使得駕駛員能夠更直觀地與HUD系統進行互動，例如手勢控制、語音識別等。

與車載網絡的深度集成：未來的HUD系統可能與車載網絡更深度地集成，獲取車輛的實時數據，并根據這些數據提供更智能、個性化的信息顯示。這可能包括車輛健康狀況、充電狀態等。

這些發展方向都與新能源汽車和智能汽車的趨勢相吻合，旨在提高駕駛體驗的安全性、便利性和智能化水平。隨著技術的不斷創新，HUD技術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。