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研发客服HUD（Head-Up Display，抬头显示）技术早已成为汽车领域的一个热门话题，随着光学与显示技术的发展，AR-HUD的用户体验迈上了一个新台阶。比如前几天发布的华为问界M9，其中由华为自研，整合智能驾驶与智能座舱的AR-HUD产品极为惊艳，我们可以先看一下演示图。
HUD能够在驾驶员视线前方呈现重要的驾驶信息，从而提高驾驶安全性和便利性，减少了驾驶员低头查看仪表板的次数，从而降低了交通事故的风险，同时也能和自动驾驶/辅助驾驶技术结合。
另外，HUD可以展示的内容越来越丰富，可以包括导航、音乐、电话等多种信息，从而改善驾驶体验并提升了驾驶过程中的便捷性和舒适性，并提升车辆的科技感。
随着HUD越来越普及，本文盘点了几个重要的HUD技术，有助于更好的了解汽车电子技术。
HUD的类型
HUD是一种将关键驾驶信息投射到驾驶员视线前方的透明显示技术。这些信息可以包括车速、导航指示、警告信号等。通过HUD，驾驶员无需低头查看仪表板，即可快速获取所需信息。
HUD的工作原理主要是通过投影仪将图像信息投射到一块半透明的反射镜上，反射镜再将图像反射到驾驶员的视线中。这样，驾驶员就可以在保持视线不变的情况下，看到所需的驾驶信息。
图：HUD工作原理
根据投影方式和位置的不同，HUD可以分为几种类型，C-HUD（组合型抬头显示）和W-HUD（挡风玻璃型抬头显示）以及AR-HUD(增强现实型抬头显示系统)。C-HUD通常将信息显示在一个独立的透明屏幕上，而W-HUD和AR-HUD则直接将信息投射到汽车的前挡风玻璃上。
就体验而言，AR-HUD最好，但是其实现难度也越大，尚有诸多问题需要改进，包括成本、尺寸、显示亮度、显示质量以及散热等等。
AR HUD与其他产品的效果和尺寸对比
HUD的技术实现
目前的AR-HUD以投影折射的形式实现，整体光机体积在20L左右，对车身布置和电子系统的布置要求很高，同时也很难保证成像的效果。小体积、高清化也是汽车OEM的诉求。尺寸、成本和效果是HUD目前需要攻克的三座大山。毕竟我们看到无论哪种投影技术在投影仪市场已经成熟太多年，但是在汽车上还有很长的路要走。
目前，最成熟的PGU技术路径是德州仪器的DLP技术。DLP 是一种数字光处理技术，是首先将信号经过数字化处理后再进行投影显示的技术。DLP 技术的核心是DMD 即数字微镜芯片，是目前效果最好也是商用范围最广的HUD技术。但由于其高成本和专利垄断，供应商相对单一，因此业界也一直在寻找其他HUD技术来降低成本。
图：TI的DMD，利用MEMS技术偏移实现图像生成
图：TI的DLP系统实现框图
另外几种方法包括TFT、LCoS，LBS以及MicroLED则被认为是未来的潜在技术趋势。
TFT 是 LCD 液晶显示的一种，其原理是LED发出的光透过液晶单元后将屏幕上的信息投射出去。TFT成本最为便宜，效果也最差。具体包括投影距离变长，解决阳光倒灌难度大；光线为偏振光，不支持太阳镜；光效低，产品亮度欠缺。
LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 是一种反射式投影技术。其原理是利用半导体技术和镀铝膜技术，形成有源点阵反射 CMOS 基板，然后将基板与含有 ITO 透明电极的玻璃贴合，最后在基板和玻璃之间灌入液晶形成并封装成 LCoS 器件，此次华为问界M9就采用了自研的LCoS方案。重要的是，LCoS技术PGU不会被国外公司垄断。
LCoS原理
LBS全名为Laser Beam Scanning，即激光扫描投影技术，是利用激光二极管搭配微机电系统（MEMS）组成的图像生产模块（PGU）。在HUD的设计过程中，为了应对不同的外部光线、天气等影响，需要更高的亮度来达到更佳的影像质量与视觉效果，使用LBS，可以在更高瓦数的激光光源下，有效增加HUD系统整体的亮度。
同时，LBS的技术可以有效解决AR HUD中PGU的体积占比问题，因此被认为是利用光学成像系统的调整，是未来技术中最有希望克服FOV过小的问题，在同等的体积下实现更大的FOV。在面对波导等新成像技术时，LBS也是最佳的PGU搭载选择。数年前厂商就在尝试LBS技术，不只是用于AR-HUD，包括投影仪、AR眼镜都是其潜在应用领域。不过，迄今AR-HUD商用化仍在探索中。代表企业有很多，有些并不一定只面向AR-HUD市场，具体包括龙马璞芯、意法半导体、英飞凌、Raythink、MicroVision、Maradin、Mirrorcle等公司。
Micro-LED是微型化 LED 阵列（1-100 微米级别），结构为微型发光二极管，通过对其施加电压而发出单色光，每一个 MicroLED 可视为一个像素。由于采用 GaN 等无机材料，并直接由LED发光，因此具有寿命长、工作温度范围宽、响应时间快、 亮度高、能耗低（理论上比 LCD 低 90%）等优势。MicroLED 被认为是下一代显示技术，但目前成熟度有待提高，制备过程中的巨量转移等工艺稳定性、良率均有待提高。
光学模组的创新
为了继续减少体积，业界将光波导技术（optical waveguide）视为光学成像中冉冉升起的一颗新星。光波导本身并不是什么新技术，光纤就是具体应用之一。但是要想实现其在AR-HUD上的应用，还需要更多的商业化创新。AR光波导技术分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导基于传统几何光学原理进行设计和制造，几何光波导也称为阵列光波导。 衍射光波导技术则分为表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。衍射光波导则利用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对光束的调制。体全息光波导的工艺原理较为简单，用激光干涉曝光即可形成光栅结构。
光栅波导如果要将微投影系统（光机）发出的光导入人眼，必须经过耦入和耦出的过程。即光机发出的光通过耦入光栅，进入平板波导，并在其中进行全反射传播，最后再由耦出光栅将光传递到人眼。这里的耦入和耦出光栅，采用的就是表面浮雕光栅。由于纳米级光栅的特征尺寸与光波长相当，这里已经不能将光看成普通光线，而是要把光当做一种电磁波。
DigiLens于2020年宣布推出利用光波导技术的CrystalClear AR-HUD，此款显示器拥有最高达15° x 5°的最大视场（FOV）HUD，以及仅有约5升体积的封装。与当今市场上任何其他同类最佳HUD相比，其尺寸不到竞争对手的三分之一。
从军用到民用的HUD技术
最后让我们来回顾下HUD的历史。最初HUD是在1960年代的美国海军A-5舰载机上成功运用的。这种技术在飞机上被称为平视显示系统，它能够将飞行参数、姿态信息、导航信息等投射到飞行员视野正前方的透视镜上。这样，飞行员可以在不低头的情况下，同时看到仪表参数和外界目视参照物，从而减少了低头查看仪表的频率，提高了飞行安全性。
到了1980年，HUD技术开始应用于民航飞机上，当时主要用于显示导航信息。随着时间的推移，这项技术逐渐在波音、空客等民航客机上成为标配设备，显示的信息也日益丰富，包括空速、高度、航向、垂直速度、迎角、飞行航径或速度矢量、自动驾驶相关仪器运行状态显示和警告显示等。
此后，HUD的技术边界在不断拓展。上世纪80年代，通用汽车收购了航天和国防制造公司Hughes Aircraft，之后这项技术开始在汽车上出现。1988年，通用汽车在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上应用了HUD，这是世界上首款采用HUD技术的汽车。最初的汽车HUD系统显示的信息有限并且颜色单一，但已经被认为是未来的主要技术方向之一。1991年丰田在皇冠Majesta上搭载了HUD，1997年，通用在其车型“Corvette”第五代车型上首次搭载了彩色显示HUD，2003年，宝马成为欧洲第一家使用HUD技术的汽车公司，奔驰、奥迪也随后开始使用HUD技术。同年2003 年，电装开发出了一款新型抬头显示系统，既可以显示各类行车信息，又能显示红外图像，成为世界上第一款可以同时显示行车信息与夜视成像信息的抬头显示器。
2012 年，先锋公司首次将导航信息引入车载 HUD，开发出世界上首个应用HUD 技术的车载导航系统。
2020年，奔驰S级发布AR-HUD。在奔驰的AR-HUD系统上，AR(增强现实)技术令导航信息与实际路面信息叠加，导航信息的显示更为直接且易于理解。且AR-HUD结合ADAS功能，可以实时进行道路危险警示和预告路况，提升驾驶安全性。
总之，HUD作为一种先进的汽车显示技术，在提高驾驶安全性、增强驾驶体验和提升科技感方面具有显著优势。尽管目前还存在一些挑战和局限性，但随着技术的不断进步和成本的降低，以及追求驾驶舒适性和便利性的需求，相信未来HUD将成为汽车的一项主要差异化配置。
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