抬頭顯示系統(HUD)

抬頭顯示系統(Head up Display,HUD)也稱汽車平視顯示系統,它是利用光學反射原理,將汽車駕駛輔助信息、導航信息、檢查控制信息以及ADAS信息等以投影方式顯示在風擋玻璃上或約2m遠的前方、發動機罩尖端的上方,同時還可以顯示來自各個駕駛輔助系統的警告信息,例如車道偏離警告、來自帶行人識別功能的夜視輔助系統的行人避讓警告等,避免駕駛員在行車過程中頻繁低頭看儀表或車載屏幕,對於行車安全起著很好的輔助作用。

HUD投影技術由圖像生成器形成圖像,通過一系列光學手段將圖像放大、拉遠後呈現在駕駛員前方。目前HUD使用的投影技術主要有TFT-LCD投影、DLP投影、MEMS激光掃描投影和LCOS投影四種。

01 TFT-LCD投影技術

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,隨後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。TFT-LCD由於技術基本成熟、成本較低,成為當前最主流的HUD投影技術方案,廣泛應用於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。

02 DLP投影技術

DLP(Digital Light Processing,數字光處理技術)是美國德州儀器(TI)的專利技術。在DLP投影技術中,圖像是由DMD(Digital Micro-mirror Device,數字微鏡器件)產生的。DMD集成50-130萬個微型鏡片,每個鏡片代表1個像素,通過控制鏡片的轉動來反射需要的光,同時通過吸收器來吸收不需要的光,實現對圖像的投影。

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,滿足AR-HUD的寬視角工作場景,因此成為當前AR-HUD的最優解決方案。但由於DLP投射的是整個屏幕,為改善顯示效果需要針對不同的擋風玻璃定制高精度的反射非球面鏡,導致整體成本較高。DLP是目前最受認可的AR-HUD技術路徑。

03 MEMS激光掃描投影

MEMS激光掃描投影是將激光模組與微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)結合的投影顯示技術方案。MEMS投影技術屬於掃描式投影顯示,在MEMS掃描振鏡掃過顯示區域時RGB彩色激光二極管將同步施以脈沖,將圖像直接投射於擋風玻璃上。MEMS投影技術采用聚焦的激光束投射圖像,不需要重新對焦,因此能大幅度簡化光學系統的尺寸和復雜度、降低整體成本,同時實現較高的對比度和亮度。

但MEMS投影目前仍然存在兩個問題:

(1)分辨率不高導致圖像較為模糊,並且改善分辨率成本較高;

(2)激光二極管耐高溫性較差,目前難以實現車規級應用。

04 LCOS投影

LCOS(Liquid Crystal on silicon,矽基液晶)投影技術是一種基於反射式的微型矩陣液晶顯示技術。矽基液晶可視為LCD的一種,傳統的LCD是做在玻璃基板上,LCOS則是做在矽晶圓上。LCoS結構中液晶分子填充於上層玻璃基板和下層金屬反光層之間,金屬反光層和頂層ITO公共電極之間的電壓共同決定液晶分子的光通性能並展現出不同的像素灰階,而顯示驅動電路直接在矽基板上完成制備。同時,為瞭避免入射光對矽基板內部晶體管照射形成光生載流子,影響驅動電路性能,通常在電路走線層和金屬反光層之間添加一層金屬遮光層,實現對入射光的屏蔽目的導向層可以確定液晶分子的有序排列。LCoS的顯示原理是通過施加在液晶層像素兩端電壓大小來影響液晶分子的光通性能,進而決定該像素的顯示灰階。具體而言當液晶層像素的外加電壓為零時,入射光經過液晶層後將不發生偏振並經過PBS棱鏡沿原光路反射回來。此時光線不進入投影光路,即此時不進行成像。相反,當液晶像素存在外加電壓時,入射光經過液晶層後將發生偏振,並經過PBS棱鏡發射至投影光路並在屏幕上顯示成像。

此外,為優化成像效果,目前,市場上主流LCoS成像方案均采用三片式LCoS光機,即由激光光源發出白色光線,通過分光系統系統分成紅、綠、藍三原色的光線,而每一個原色光線照射到對應的反射式LCOS芯片上系統通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態來改變該塊芯片每個像素點反射光線的強弱,最後反射的光線通過必要的光學折射匯聚成一束光線,經過投影機鏡頭照射到成像面上,形成彩色的圖像。

LCoS技術方案成像效果可觀、並且可擺脫DLP技術受限於TI專利的問題,但短期內量產難度較大。LCoS的優勢具體可分為:

1)光利用效率高、像素更為平滑、畫面更為自然:由於LCoS的晶體管及驅動線路都制作於矽基板內,位於反射面之下,不占表面面積,所以僅有像素間隙占用開口面積,因此在LCoS方案下畫面中的像素柵格結構幾乎不可見,光利用率達到40以上。相對於DLP方案,LCoS成像像素邊緣將更加平滑,畫面更為自然

2)核心技術可自主掌控LCoS光機技術被諸多廠傢所掌握,避免瞭DLP技術是德州儀器獨傢專利問題;

3)避免陽光倒灌LCoS結構中的反光層和矽基板電路之間具有一層金屬遮光層,可以有效防止陽光倒灌。

不過,LCoS方案目前量產仍較為困難,主要系LCoS芯片對封測技術要求較高,工藝上需將ITO玻片與CMOS基板貼合並灌裝液晶,因而目前僅有部分工程試驗HUD產品采用這一技術。未來隨著LCoS技術的不斷突破升級,該方案有望憑借其優秀的性能以及技術可自主掌控的獨特優勢被HUD廠商所采納。

按照產品形態,目前HUD經歷瞭三代產品,分別是C-HUD組合型抬頭顯示、W-HUD風擋型抬頭顯示、AR-HUD增強現實型抬頭顯示。

第一代是C-HUD(Combination Head Up Display)組合型抬頭顯示,投影成像載體為駕駛員前方的一塊6-8寸的透明樹脂玻璃,投影成像距離小於2米。成像信息包括車速、導航、油耗、溫度等,多為數字信息,顯示形式較為集中且單一。主要缺點為:車內零部件數目增加,在發生事故時容易對駕駛員造成二次傷害;投影距離較近,駕駛員在行車過程中視線遠近切換容易導致晶狀體調焦疲憊,影響駕駛狀態。但總體成本較低。

第二代為W-HUD(Windshield Head Up Display)風擋型抬頭顯示,投影成像載體變更為汽車前擋風玻璃,為目前主流使用的HUD形式。W-HUD量產較晚核心因素在於曲面擋風玻璃成像會出現重影,致使生產專用成像擋風玻璃制造成本較高。相比於C-HUD,W-HUD尺寸在7-12寸,顯示范圍變大,投影距離增加至2-6米,顯示內容增加中控娛樂信息、來電顯示、周圍路況、天氣、行車告警等信息,但仍然存在成像距離較近,駕駛員實現遠近調焦影響狀態等問題。

第三代為AR-HUD(Augmented Reality Head Up Display)增強現實型抬頭顯示。AR-HUD在W-HUD基礎上有以下變化:1)成像距離(VID);2)成像廣角(FOV);3)顯示信息增加。但AR-HUD也存在較多困難:1)陽光倒灌;2)體積較大。

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