大眾ID.3/ID.4與最近的奧迪Q4都采用了AR-HUD，AR-HUD成為汽車電子的熱門話題，幾乎所有的新車都規(guī)劃使用AR-HUD。


奧迪A7的HUD

上圖為奧迪A7上的HUD爆炸圖，由大陸汽車提供。VID為2.2米，HFOV為6度，VFOV為2度，分辨率為864*480 。成本結(jié)構(gòu)方面，對(duì)TFT型HUD來說PGU、光機(jī)與結(jié)構(gòu)、PCBA與LED各占1/3。

按照?qǐng)D像生成單元（即PGU）常見的HUD分為TFT、DLP和激光三大類，也有冷門的很少人提及的LCOS。按光源可以分為L(zhǎng)ED和激光兩大類，按投影成像技術(shù)可以分為多片、全息和光場(chǎng)三大類。所謂AR-HUD實(shí)際就是增加了AR圖像層（也有把層說成焦段），在常規(guī)車輛信息如速度和能耗外增加了導(dǎo)航和ADAS信息。


日本精機(jī)多層圖像HUD

上圖是全球第一大HUD廠家日本精機(jī)的多層圖像HUD設(shè)計(jì)。近層圖像主要顯示儀表和設(shè)置調(diào)整信息，遠(yuǎn)場(chǎng)圖像顯示路徑導(dǎo)航和各種警告信息。還有一個(gè)側(cè)方立體信息，如盲點(diǎn)和車道偏離警告。通常只是增加一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)AR圖像層，其虛擬成像距離VID一般是5到10米，常規(guī)圖像層的VID是2米。


目前主流是多層。多層又可分為單PGU與多PGU兩種。


奧迪A4的AR HUD

上圖為奧迪A4的AR HUD，應(yīng)該是兩個(gè)PGU，一個(gè)是靜態(tài)圖像層，即常規(guī)車輛信息。另一個(gè)是AR圖像層。光機(jī)部分也基本是兩套，可以說這是兩套普通HUD放在一個(gè)盒子里，成本高且復(fù)雜。


靜態(tài)圖像層3米的VID，AR圖像層10米的VID。


也有臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)設(shè)計(jì)的單PGU型AR HUD，它將PGU的圖像分為兩個(gè)邏輯區(qū)域R1和R2，實(shí)現(xiàn)一個(gè)PGU，兩層圖像。



一個(gè)PGU兩層圖像的AR-HUD簡(jiǎn)單參數(shù)。

三星電子的光場(chǎng)型AR-HUD

光場(chǎng)型AR-HUD的缺點(diǎn)是需要一個(gè)眼球追蹤攝像頭追蹤眼球的位置，通常是立體雙目攝像頭，典型如奔馳S級(jí)的，也有TOF攝像頭，理論上完全可行，但還未見到量產(chǎn)產(chǎn)品。



三星電子的光場(chǎng)型AR-HUD的核心是Lenticular透鏡。


三星電子光場(chǎng)型AR-HUD透鏡模型。

上表是三星電子光場(chǎng)型AR-HUD的參數(shù)，未來三星哈曼將量產(chǎn)這種AR-HUD。

全息技術(shù)方面，有多種技術(shù)組合，異常復(fù)雜，簡(jiǎn)單地說有兩種，一種是光波導(dǎo)，一種是LCOS-SLM，LCOS-SLM通常都結(jié)合激光HUD使用，下文在介紹激光HUD時(shí)會(huì)介紹。

波導(dǎo)技術(shù)并不是什么新發(fā)明，我們熟悉的光通信系統(tǒng)中，用來傳輸信號(hào)的光纖組成了無數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜，就是波導(dǎo)的一種，只不過傳輸?shù)氖俏覀兛床灰姷募t外波段的光。在AR-HUD中，要想光在傳輸?shù)倪^程中無損失無泄漏，“全反射”是關(guān)鍵，即光在波導(dǎo)中像只游蛇一樣通過來回反射前進(jìn)而并不會(huì)透射出來。簡(jiǎn)單來說達(dá)到全反射需要滿足兩個(gè)條件：(1)傳輸介質(zhì)即波導(dǎo)材料需要具備比周圍介質(zhì)高的折射率;(2)光進(jìn)入波導(dǎo)的入射角需要大于臨界角θc。光機(jī)完成成像過程后，波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中，通過“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜?。這個(gè)過程中波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸圖像，一般情況下不對(duì)圖像本身做任何“功”(比如放大縮小等)，可以理解為“平行光進(jìn)，平行光出”，所以它是獨(dú)立于成像系統(tǒng)而存在的一個(gè)單獨(dú)元件。光波導(dǎo)總體上可以分為幾何光波導(dǎo)（Geometric Waveguide）和衍射光波導(dǎo)（DiffractiveWaveguide）兩種，幾何光波導(dǎo)就是所謂的陣列光波導(dǎo)，其通過陣列反射鏡堆疊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和動(dòng)眼框的擴(kuò)大，代表光學(xué)公司是以色列的Lumus，目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。衍射光波導(dǎo)主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技術(shù)制造的全息體光柵波導(dǎo)VHG (Volumetric Holographic Grating)或HOE (Holographicoptical Element)， HoloLens 2，MagicLeap One均屬于前者，全息體光柵光波導(dǎo)則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購(gòu)的Akonia公司采用的便是全息體光柵，另外致力于這個(gè)方向的還有DigiLens(HOE)。德國(guó)大陸汽車向 DigiLens投資了2500萬美元，目前持有該公司股份接近18％，并保有董事會(huì)席位。DigiLens的其他一些投資者還包括Universal Display Corporation、Samsung Venture Investment、Niantic、Sony Innovation Fund、Diamond Edge Ventures和Mitsubishi Chemical Holdings Corporation等。

PGU方面，目前主要是TFT-LCD，雖然德州儀器一再宣稱DLP才是AR-HUD的首選，但高昂的價(jià)格讓人望而卻步，未來恐怕TFT-LCD還是主流。還有冷門的LCOS，在谷歌AR眼鏡上有使用，由臺(tái)灣群創(chuàng)關(guān)聯(lián)公司奇景提供，不過AR眼鏡無一例外都失敗了，未來消費(fèi)級(jí)的AR眼鏡恐永遠(yuǎn)不可能出現(xiàn)，一天到晚看短視頻的中國(guó)人絕對(duì)不喜歡這玩意。

TFT-LCD的PGU的主要供應(yīng)商是日本JDI和京瓷，松下能夠自產(chǎn)PGU，這也是松下HUD快速崛起的主要原因。臺(tái)灣的友達(dá)和群創(chuàng)也有，國(guó)內(nèi)的天馬和京東方也有TFT-LCD的PGU。日本JDI和京瓷的PGU市場(chǎng)占有率估計(jì)超過80%甚至更高，因?yàn)槿毡酒髽I(yè)電裝、松下、日本精機(jī)三家在HUD的市場(chǎng)占有率有60%左右。


京瓷PGU

京瓷PGU一覽見上表，目前3.1英寸已經(jīng)量產(chǎn)，4.1英寸也完成了研發(fā)。目前主流PGU為3.1英寸，AR-HUD至少也要3.1英寸，非AR-HUD考慮成本有用1.8甚至1.1英寸的。

DLP方面，奔馳新S級(jí)對(duì)成本不敏感，自然采用了DLP做AR HUD，不過使用DLP技術(shù)做HUD，奔馳并非第一家，林肯大陸和領(lǐng)航員也都使用了DLP做HUD，但仍然是傳統(tǒng)HUD，都由德國(guó)大陸汽車提供。林肯大陸和領(lǐng)航員使用的是德州儀器早期DMD芯片DLP3030，只有40萬像素。奔馳AR HUD使用德州儀器最新的DMD芯片DLP5531（2018年下半年才量產(chǎn)，所以林肯沒用上），有130萬像素，F(xiàn)OV為10X5°，VID距離為33英尺即10米，奔馳稱這相當(dāng)于77英寸顯示器。不僅在HUD上使用了DLP投影，在車大燈上，奔馳還極盡奢華使用了DLP投影，也是DLP5531。


奔馳S級(jí)AR-HUD

德州儀器的DLP PGU也就是DMD，目前主推的是DLP3030-Q1，分辨率和TFT型PGU一樣，也是864*480，性能并不算突出，因此市場(chǎng)一直受限，高端產(chǎn)品則有DLP5531-Q1，分辨率1280*720，還有一款2020年9月推出的DLP5530-Q1，外接GPU和鉆石預(yù)處理分辨率可達(dá)2304*1152，德州儀器雄心勃勃，試圖用DLP5530-Q1打造IP HOE擋風(fēng)玻璃全息儀表，完全取代傳統(tǒng)儀表，我下一篇文章會(huì)詳細(xì)說明。


理光激光HUD

激光HUD是性能最強(qiáng)勁的，或許是自動(dòng)駕駛時(shí)代的標(biāo)配，需要注意這里的激光不是指光源，而是成像單元。簡(jiǎn)單地說，這很像一個(gè)MEMS激光雷達(dá)，RGB三色激光二極管編譯圖像成激光，用一個(gè)二軸掃描MEMS鏡掃描成像。


Envisics全息激光HUD

跟激光雷達(dá)一樣，有MEMS的就有OPA的，不過在全息圖像領(lǐng)域叫LC-SLM，即液晶空間光調(diào)制，涉足到LC-SLM研發(fā)的國(guó)外企業(yè)包括美國(guó)Meadowlark、日本Hamamatsu、德國(guó)Holoeye等；國(guó)內(nèi)的廠家以上海UPOLabs為代表，初創(chuàng)企業(yè)Envisics也異常活躍，上圖就是Envisics的全息激光HUD示意圖。2020年10月，車載全息AR-HUD供應(yīng)商Envisics獲得了由通用資本、上汽資本、現(xiàn)代摩比斯和Van Tuyl Companies牽頭的B輪融資，金額為5000萬美元。摩比斯計(jì)劃與Envisics一起開發(fā)自動(dòng)駕駛專用的AR-HUD，并計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

何為空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator）？廣義的空間光調(diào)制器是指一種新型的光波特性變換/調(diào)制器件；進(jìn)一步而言，是一種可編程、可使光波在時(shí)間及空間上動(dòng)態(tài)改變特性的器件;空間光調(diào)制器是一種將輸入光波信號(hào)根據(jù)控制信號(hào)按某種函數(shù)關(guān)系調(diào)制輸出光信號(hào)的器件。因此，用數(shù)學(xué)函數(shù)來表達(dá)的話，可如下：

Output（O）=C(x,y,t)*Input（O）

C(x,y,t)為控制信號(hào)；Input(O)為輸入光信號(hào)，Output(O)為輸出光信號(hào)，輸入與輸出光信號(hào)的變化可以是光波振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)、相干性等屬性參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)值，這些參數(shù)的變化能引起光波特征的各種變換。Input和Output之間不同變換意味著SLM實(shí)現(xiàn)了不同的功能。輸入光和輸出光的讀出方式不同，意味著不同的光路形式，主要有透射式和反射式。運(yùn)算量巨大，不過可不是深度學(xué)習(xí)那種單純的MAC乘和累加，而是類似毫米波雷達(dá)那種空間時(shí)域變換的FFT計(jì)算。運(yùn)算量大是其主要缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)HUD技術(shù)通常在微型顯示屏上生成圖像，然后投影到固定的焦點(diǎn)平面上，這種技術(shù)光損率太高，在光線傳播過程中通常會(huì)浪費(fèi)90%光源，不僅功耗更高而且發(fā)熱量還會(huì)大一些。激光HUD是將圖像直接生成在擋風(fēng)玻璃上，而不是PGU里。因此激光HUD具備無與倫比的性能和效率優(yōu)勢(shì)。比如FOV，頂級(jí)AR-HUD的FOV僅10X5°，而激光HUD可以達(dá)到180度。對(duì)比度和亮度方面，激光更是具備壓倒性的優(yōu)勢(shì)，分辨率方面，可以做到4K級(jí)的分辨率，DLP或TFT要做到的話，成本會(huì)高出激光不少。光機(jī)引擎方面，采用MEMS掃描的光機(jī)引擎體積非常小，遠(yuǎn)低于DLP或TFT-LCD。捷豹路虎（就是Envisics供應(yīng)的）和日本先鋒在2014年曾經(jīng)推出過激光HUD，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，AR全息技術(shù)當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)未達(dá)實(shí)用地步，傳統(tǒng)HUD完全無法發(fā)揮激光HUD的優(yōu)勢(shì)。如今AR全息已經(jīng)成熟。激光HUD差不多是公認(rèn)的未來方向。日本企業(yè)尤其積極，矢崎、ALPS阿爾派、松下、瑞薩、理光、先鋒、電裝都有不少激光HUD專利和相關(guān)產(chǎn)品。其最大缺點(diǎn)是成本太高，當(dāng)然了，成本是可以降低的。還有一個(gè)缺點(diǎn)是激光二極管發(fā)熱量大，可能需要水冷。

激光AR-HUD可以顯示異常豐富的內(nèi)容，分辨率足夠高，視覺效果非常好，自動(dòng)駕駛時(shí)代尤其適合，能夠?yàn)槿藗兲峁┳銐虻淖詣?dòng)駕駛使用信心。


松下在2021年CES大展上與Envisics合作的激光全息HUD

總結(jié)一下，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)TFT-LCD型AR-HUD恐怕都是主流，未來可能從兩個(gè)PGU縮成一個(gè)，成本更低，競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。DLP曲高和寡，只能在頂級(jí)豪華車上看到，恐怕奔馳E級(jí)都不可能使用。激光HUD是未來發(fā)展方向，但恐怕只用在L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛車輛上。