在汽车中用上军事科技——浅析HUD技术

HUD是抬头显视设备（Head-Up Display）的缩写，它是一款从军事领域起源的技术。HUD可以把一些重要的战术信息显示在正常观察方向的视野范围内，而同时又不会影响对于环境的注意，也不用总是转移视线去专门观察仪表板上的那些指针和数据。HUD 技术最早用于飞机、战斗机等军用设备上，以在驾驶或飞行过程中提供驾驶员或飞行员必要的信息，而无需将视线移离驾驶或飞行的方向。除了交通工具，HUD 技术也在其他领域得到应用，如头戴式显示设备、智能眼镜等。HUD 技术的发展和应用不断推动着信息显示和用户界面的创新。

传统HUD虚像距 图源：Texas Instruments

不过传统的W-HUD显示画面小，信息不够直观，已经难以满足人们对于抬头显示的期待。因此能实现虚拟图像与道路实景相结合，在挡风玻璃直接进行AR 导航的AR HUD被行业热捧。AR HUD需要整合各种车辆传感器信息（包括ADAS信息），给驾乘人员带来更智能的体验，因此，AR HUD被认为是智能汽车概念的完美契合产品。

根据影像源的硬件与原理的不同，目前主流的成像方式分为四种：TFT、DLP、LCOS、

以及基于MEMS技术的LBS方案。就目前的市场现状来看，走向量产的仅有TFT与DLP两种方案。而随着华为、一数科技等厂商在LCOS方案上的发力，这一技术路线也正在被行业重点关注。

TFT-LCD

TFT-LCD投影技术以TFT作为HUD的投影单元，投影原理是LED背光源发光，随后以电场控制液晶分支的旋转方向，从而改变光的行进方向和呈现颜色来成像。由于技术基本成熟、成本较低，TFT-LCD成为当前最主流的HUD投影技术方案，广泛应用于W-HUD产品中。然而TFT-LCD存在投影距离较近、耐高温性能较差等问题，在AR-HUD产品上的应用需要攻克以上难题。

TFT-LCD内部构造 图源：智能汽车俱乐部

虽然当前LCD 仍为最成熟的主流投影方案，但由于其天然存在散热不足的问题，在HUD 与AR 技术相结合的大趋势下，LCD 投影技术将逐渐被新技术取代。

DLP

DLP（Digital Light Processing，数字光处理技术）采用的是美国德州仪器（TI）的专利技术——DMD芯片（DigitalMicromirror Device，数字微型反射镜元件）。DMD由数百万个高反射的铝制独立微型镜片组成，每个镜片可以通过数量庞大的超小型数字光开关控制角度。这些开关可以接受电子讯号代表的资料字节，然后产生光学字节输出。DLP具有高亮度、高对比度和高分辨率等优点；工作温度区间-40-105℃，满足车规级要求；能够实现5米以上的成像距离。

DLP光机结构图 图源：Texas Instruments

在AR HUD上相较于TFT，DLP更容易获得高亮度，TI官网的介绍是大于15K cd/m2 ，此外DLP在不同温度下也可以保持一致的图像质量。由于DLP本身材质以及结构方面的优势，能更好的应对太阳光倒灌问题。DLP不使用偏振光，因此即使戴着太阳镜也能看到显示内容；同时DLP支持光波导和全息的AR HUD设计。

LCoS

LCOS（Liquid Crystal on Silicon）是一种新型的反射式MICRO LCD投影技术，其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板（又称为CMOS－LCD），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装测试。LCOS技术具有大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，因此被广泛应用于HUD技术中。

LCoS的内部构造 图源：智能汽车俱乐部

2022年，华为AR-HUD正式上车上汽飞凡R7，光机采用LCoS技术路线，实现13°*5°的超大视场角，分辨率高达1920x730。这款产品还采用了NXP i.MX 8 QM，提供高达30K DMIPS的算力以及128GFLOPS的图形处理能力，并配备4GB运行内存、16GB闪存、支持高清地图导航视频的AR引擎渲染。

LBS

LBS（Laser Beam Scanning）方案是一种将RGB三基色激光模组与微机电系统（MEMS）结合的投影显示技术方案。LBS方案的核心技术在于MEMS微激光投影，它属于扫描式投影显示。该方案应用微机电二维微型扫描振镜及RGB三基色激光，以激光扫描的方式成像。其输出分辨率取决于MEMS微镜的扫描频率。LBS方案的优势在于：光学引擎大幅简化，体积小；对比度高，可以轻松达到7000:1；亮度高，色域广（>150%）；功耗低（<4-6W），发热量很小。然而，由于激光二极管对温度较敏感，不能达到85℃的工作要求等原因，LBS方案尚未成熟应用。

据悉，英飞凌的 MEMS 扫描仪芯片组采用创新的倾斜镜，为新一代激光扫描仪（LBS）投影奠定基础；相比其他光学系统设计和竞品 MEMS 扫描仪解决方案，英飞凌的新款扫描仪芯片的在性能、尺寸、能耗和系统成本上更具竞争优势。而意法半导体则可以通过其可编程的车规级步进电机驱动器（用于图像调整，由32位控制单元监控）为HUD设计提供通用型解决方案。

在汽车市场应用领域

随着新能源汽车和智能汽车的不断发展，HUD技术也将面临新的挑战和机遇。未来HUD技术发展的一些可能方向。

增强现实（AR）和虚拟现实（VR）整合：未来HUD技术可能会更加注重将增强现实和虚拟现实技术整合到驾驶体验中。这包括将导航、车辆信息和周围环境的虚拟显示融入到驾驶员的视野中，提供更丰富、交互性更强的信息。

生物识别和驾驶员监控：HUD系统可能集成生物识别技术，以确保只有授权的驾驶员能够获得特定的信息。此外，可能会引入驾驶员状态监控，通过检测驾驶员的疲劳、注意力分散等情况，提供相应的提醒和干预。

全息投影技术：未来HUD系统可能采用更先进的全息投影技术，实现更大视角、更高分辨率的图像，以提供更真实的显示效果。这将有助于驾驶员更清晰地看到导航指示、车辆状态等信息。

感知和交互性提升：随着车辆的自动化程度提高，HUD系统可能通过更先进的传感技术实现对车辆周围环境的更准确感知，以提供更智能化的驾驶辅助。此外，可预见的是，更强大的交互性将使得驾驶员能够更直观地与HUD系统进行互动，例如手势控制、语音识别等。

与车载网络的深度集成：未来的HUD系统可能与车载网络更深度地集成，获取车辆的实时数据，并根据这些数据提供更智能、个性化的信息显示。这可能包括车辆健康状况、充电状态等。

这些发展方向都与新能源汽车和智能汽车的趋势相吻合，旨在提高驾驶体验的安全性、便利性和智能化水平。随着技术的不断创新，HUD技术将在未来为汽车驾驶员提供更加智能、全面的信息显示和驾驶辅助功能。