作者 | HYZY

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一、基本原理

HUD本質上是一個光學器件，其工作原理與投影儀基本相同，就是將需要顯示的信息投影到駕駛員前方的透明介質上。

  

圖 1  HUD工作原理

HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學顯示系統兩大部分構成，圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像，光學顯示系統用于顯示圖像。

圖 2  HUD結構拆解

二、圖像生成單元

圖像生成單元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD總成本的50%左右。圖像生成單元的作用是生成HUD輸出圖像，由光源、光學膜片和其它光學組件構成。

PGU是HUD的核心技術壁壘，其技術路線的選擇直接決定未來的產業發展路線，具體可分為TFT-LCD、DLP和MEMS激光投影三種技術。不同的技術路線，其光源和光學組件都完全不同。

1.     薄膜晶體管液晶顯示屏技術TFT-LCD

TFT是LCD液晶顯示技術的一種，TFT-LCD的工作原理是LCD被背光光源照亮后，通過集成在LCD面板每個像素點背后的薄膜晶體管驅動液晶分子旋轉改變光源偏振狀態，從而呈現不同的明暗灰度，再通過RGB濾色片呈現彩色圖像。

圖 3  TFT-LCD

TFT-LCD可以做到高響應速度、高亮度、高對比度地顯示圖像信息，且技術成熟、成本低，是目前HUD的主流技術路線。

TFT-LCD技術的劣勢主要在于熱管理難度大，需要有更多熱管理方面的光學設計。

2.     數字光處理技術DLP

DLP是一種以數字微鏡裝置作為主要光學控制元件調節反射光，并在勻光片上實現投射成像的技術。DLP是美國德州儀器的專利技術，通過集成數十萬個超微型鏡片的DMD（數字微鏡芯片），可將強光源經過數字系統計算反射后投影出來。

圖 4  DLP

DLP技術的優勢包括熱效應不嚴重，及圖像明亮度、顏色飽和度等表現較佳。

DLP技術的劣勢有圖像對位、清晰度、銳度、重影、失真等問題，以及成本相對較高。

3.     激光掃描技術MEMS

MEMS技術使用具有較高功率的紅、綠、藍（三基色）單色激光器為光源，激光經相應的光學元件和處理芯片的整合與掃描后投射在顯示屏上。

圖 5  MEMS

MEMS方案的優勢為低能耗、高亮度、大視場和高對比。

MEMS方案存在的主要問題包括：

n 激光二極管不耐高溫，暫無法滿足車載高溫工作環境要求；

n 激光二極管目前價格昂貴，相對使用其它投影技術無成本優勢；

三、光學顯示系統

HUD的光學顯示系統一般包括反射鏡、調節電機及控制單元與前擋風玻璃。

1.     前擋風玻璃

除C-HUD依賴放置于儀表板上方的樹脂曲面鏡成像外，W-HUD和AR-HUD都需要通過擋風玻璃成像。前擋風玻璃的結構有內外兩層玻璃，內外兩層玻璃之間存在一層PVB薄膜夾層。若將HUD圖像通過普通擋風玻璃投射，在玻璃厚度和傾斜角度作用下，很容易行車虛像重影，投射效果差。

為了消除重影，目前的主流方案是將玻璃夾層內PVB夾層制成楔形，使玻璃呈上厚下薄的狀態。

圖 6  楔形PVB夾層

此外，還可以通過在外層玻璃或內層玻璃的內表面上附加一層反射膜層，用于校正重影。

圖 7  反射膜

2.     反射鏡

反射鏡和擋風玻璃需要進行擬合以盡可能消除畫面畸變。自由曲面反射鏡磨具需要用精密儀器制造，做成納米級，非球面鏡需要一次成型。

圖 8  自由曲面反射鏡消除畸變

3.     控制單元

HUD的控制單元接入車輛數據總線，獲取車速、導航、智能駕駛等信息，并在圖像生成單元輸出圖像。