車載抬頭顯示的案例
抬頭顯示系統(tǒng)HUD（三）：HUD顯示內(nèi)容
作者 | HYZY
出品 | 焉知
一、 HUD顯示內(nèi)容
HUD的初衷是幫助駕駛員減輕認知負荷，提升對當前情勢的感知能力。通?？稍贖UD上顯示的信息包括：車輛信息和外界信息。
圖 1 HUD顯示內(nèi)容
1. 車輛信息
車輛信息指能夠反映當前車輛狀態(tài)的信息，HUD一般通過車載總線獲取，具體包括以下四類：
圖 2 車輛信息
1) 核心信息
指在傳統(tǒng)儀表上顯示的部分重要信息，如車速、轉(zhuǎn)速、里程、油量等。
2) 提示信息
指在車輛行駛過程中需要顯示部分提示信息，如擋位、轉(zhuǎn)向燈、遠光燈、霧燈、車內(nèi)溫度、瞬時油耗等。
3) 報警信息
包括請求駕駛員接管、安全帶提醒、燃油/電量不足、發(fā)動機狀態(tài)、車門狀態(tài)、駐車狀態(tài)、機油剩余量、胎壓、安全氣囊狀態(tài)、玻璃清洗液存量等。
4) 附加信息
指部分車型上的特色功能信息，如四驅(qū)模式、轉(zhuǎn)向模式、駕駛模式、天窗及天窗開啟狀態(tài)、座椅狀態(tài)、底盤狀態(tài)等。
2. 外界信息
HUD除了可獲取車輛自身的狀態(tài)信息外，還可通過與外界的交互獲取更多外界信息，具體包括：
圖 3 外界信息
1) 出行
包含有定位、地圖、導航、行人/障礙物檢測、車道保持輔助等信息。
2) 安全
主要顯示來自智能駕駛系統(tǒng)感知到的實時交通情況，以輔助駕駛員安全駕駛，包括：超速預警、前車碰撞預警、車距信息提示、交通信號燈提示、道路安全預警、遠程故障診斷信息等。
展開 專訪 | 京瓷顯示業(yè)務現(xiàn)狀：車載顯示多元化發(fā)展，Micro LED技術應用探索中
CINNO Research 產(chǎn)業(yè)資訊，日本京瓷株式會社（KYOCERA）自2021年開始調(diào)整集團組織架構(gòu)，并把顯示屏業(yè)務并入解決方案事業(yè)部。京瓷正加速拓展液晶、以及與其他產(chǎn)品相融合的解決方案。
此次，日本電子Device產(chǎn)業(yè)新聞采訪了京瓷執(zhí)行董事、顯示屏事業(yè)部本部長池內(nèi)雅文先生。
京瓷株式會社執(zhí)行董事顯示屏事業(yè)部本部長 池內(nèi)雅文先生（圖片來源：電子Device產(chǎn)業(yè)新聞）
Q：首先，請介紹一下顯示屏事業(yè)部的現(xiàn)狀。
池內(nèi)：2018年京瓷接手了旗下子公司京瓷顯示屏株式會社的顯示屏業(yè)務，繼續(xù)生產(chǎn)以車載和工業(yè)設備為主要方向的液晶顯示屏。車載產(chǎn)品主要以抬頭顯示（Head Up Display，以下簡稱為“HUD”）為主，工業(yè)設備用顯示屏種類繁多、可滿足客戶全方位需求。
滋賀野洲工廠（日本滋賀縣野洲市）負責研究開發(fā)和前段工序，中國東莞工廠SKC和泰國工廠KTC為京瓷海外工廠，主要負責后段工藝。SKC原來主要生產(chǎn)工業(yè)顯示屏，隨著2022年1月張家港工廠的關閉，未來SKC工廠也將生產(chǎn)車載顯示屏。此外，KTC主要生產(chǎn)車載顯示屏。
Q：貴司正在推進高附加值產(chǎn)品，請介紹一下情況。
池內(nèi)：本公司生產(chǎn)的內(nèi)置了存儲器的MIP（Memory In Pixel）液晶屏被卡西歐公司的“G-SHOCK”手表采用，而且卡西歐正在將我們的液晶屏推廣應用于多款“G-SHOCK”手表上。在工業(yè)應用方面，我們現(xiàn)在可為客戶提供帶觸摸功能的液晶屏，也可根據(jù)客戶需求，提供外置式、On-cell式觸摸屏。2一3英寸HUD用顯示屏（已占有業(yè)界最高市占率）和電子后視鏡（Mirror）用顯示屏是我們的主力產(chǎn)品。此外，我們的優(yōu)勢在于可以提供客制化產(chǎn)品，如異形屏等。目前，正在按照計劃將重心從近年來推進的通用型顯示屏轉(zhuǎn)為高附加值產(chǎn)品。
展開 增強現(xiàn)實抬頭顯示AR-HUD
增強現(xiàn)實抬頭顯示（AR-HUD）可以將當前車身狀態(tài)、障礙物提醒等信息3D投影在前擋風玻璃上，并通過自研的AR-Creator算法，融合實際道路場景進行導航，使駕駛員無需低頭即可了解車輛實時行駛狀況。結(jié)合DMS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)眼動追蹤功能。使駕駛更安全的同時，提高了產(chǎn)品的交互性。
產(chǎn)品功能
車輛信息顯示
導航信息顯示
車道線、障礙物提醒
車內(nèi)觀影
解決方案優(yōu)勢
防抖算法
大視場角
超遠人眼感知距離
高色域
高分辨率
高亮度
高對比度
OpticStudio如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
改變光楔的角度，直至重影完全消失，得到如下結(jié)果：
小結(jié)
今天和大家分享了一種抬頭顯示系統(tǒng)的光學設計。本文首先建立了反向初始結(jié)構(gòu)。并使用惠更斯MTF和圖像模擬功能分析了最終設計的成像結(jié)果。通過圖像模擬和光跡圖對重影現(xiàn)象進行了仿真，并驗證了楔形擋風玻璃對重影的校正效果。
HUD抬頭顯示光學解決方案
通過Speos，可以獲得OEM定制的分析報告，方便評估
? Open API - Speos和Zemax都為二次開發(fā)提供了豐富的API接口
HUD Optical Coating Film Design
客戶目標
? Reduce development cost - 通過實際驗證關鍵的工程要求，例如顯示對比度、亮度、背景透明度
? Maximize the device performance - 通過優(yōu)化多層薄膜或/和等離子體效應的極化敏感涂層
Ansys解決方案
? Physics-based photonics modelling for microscopic scale, 全波光學模擬(Lumerical)
? Data exchange - 利用傳輸和反射光信息記錄在涂層文件中
? Physics-based optical modelling for macroscopic scale - 雜散光分析，人類感知模擬(Speos)
效益分析
? Increased Display brightness - 更靈活地適應不同的天氣情況;
? Save Time - 虛擬測試代替現(xiàn)場測試可以大大節(jié)省時間;
? Save Costing - 節(jié)省昂貴的多微結(jié)構(gòu)薄膜原型測試和擋風玻璃測試
HUD Stray Light Analysis
客戶目標
? Stray light - 避免制造后的雜散光
? Light path analysis - 如何分析車輛中的HUD光路
? Scenarios analysis - 分析不同場景下的HUD性能
? Glare influential - 評估圖像和眩光對人們的影響
Ansys解決方案
? Whole structures
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（一）：HUD系統(tǒng)概述
在奔馳的AR-HUD系統(tǒng)上，AR（增強現(xiàn)實）技術令導航信息與實際路面信息疊加，導航信息的顯示更為直接且易于理解。且AR-HUD結(jié)合ADAS功能，可以實時進行道路危險警示和預告路況，提升駕駛安全性。
圖 2 奔馳S AR-HUD
二、 HUD技術的意義
1. 提升駕駛安全性
正常駕駛時，人眼需要在道路和儀表之間來回切換，容易導致視覺疲勞和注意力分散。一項美國的研究表明，假設車輛行駛速度是120km/h，如果駕駛者的視線偏離路面2秒以上，車輛會行駛超過65m的距離。
HUD技術的最大意義就是可以讓駕駛者不用將視線從路面上挪開就能獲取大量的信息：駕駛員查看HUD上的信息，需要低頭5°~10°，而查看組合儀表需要低頭20°~25°。
圖 3 HUD解決低頭看儀表痛點
2. 提升人機交互體驗
除了提升駕駛安全性外，HUD技術還可進一步提升人機交互體驗。一方面，HUD可讓車況、智能駕駛等信息的顯示更為高效；另一方面，HUD還可大幅增強導航的顯示效果，使二維導航邁向?qū)嵕皩Ш健?圖 4 AR-HUD實景導航
隨著人們對駕駛安全意識的不斷增強，科學技術的不斷發(fā)展，HUD系統(tǒng)會不斷普及到中低檔汽車中，讓普通人也能享受到科技帶來的安全享受。
三、 HUD的分類
汽車HUD主要有三種類型：組合型抬頭顯示系統(tǒng)C-HUD（Combiner-HUD）、風擋型抬頭顯示W-HUD（Windshield-HUD）和增強現(xiàn)實型抬頭顯示系統(tǒng)AR-HUD（Augmented Reality HUD）。
1.
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（二）：HUD技術原理
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(jīng)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(yōu)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(huán)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(yōu)勢；
三、光學顯示系統(tǒng)
HUD的光學顯示系統(tǒng)一般包括反射鏡、調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)有內(nèi)外兩層玻璃，內(nèi)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(nèi)PVB夾層制成楔形，使玻璃呈上厚下薄的狀態(tài)。
圖 6 楔形PVB夾層
此外，還可以通過在外層玻璃或內(nèi)層玻璃的內(nèi)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(shù)據(jù)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。
展開 ZEMAX OpticStudio 如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
今天和大家分享一個 HUD 設計案例
OpticStudio 如何模擬抬頭顯示系統(tǒng)
概
述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中創(chuàng)建抬頭顯示系統(tǒng)。抬頭顯示系統(tǒng)是一個透視顯示系統(tǒng)，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數(shù)據(jù)，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實現(xiàn)透視顯示，系統(tǒng)必須在擋風玻璃前形成一個虛像。該虛像的尺寸必須與儀表盤相近且不阻礙駕駛員的視線。另外，駕駛員應該在一定空間內(nèi)都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)
抬頭顯示系統(tǒng)有多種光路結(jié)構(gòu)，本文將和大家分享其中一種結(jié)構(gòu)。
展開 抬頭顯示系統(tǒng)HUD（四）：AR-HUD與智能駕駛
圖 1 自動駕駛交互界面
智能駕駛?cè)藱C交互設計應遵循以下三條原則：
建立用戶信心：通過“你見即我見”及“決策預告”設計，將智駕系統(tǒng)感知信息及規(guī)劃、預測信息以視覺形式實時顯示給用戶，增強用戶使用信心；
明確駕駛責任分配：需通過視覺等形式清晰告知用戶，當前自己與系統(tǒng)所承擔的任務及擔負的責任；
駕駛接管：無論是系統(tǒng)接管用戶，還是用戶接管系統(tǒng)，交互設計都必須保證雙方對駕駛權(quán)的更替進行反饋認可。
二.AR-HUD的應用場景
智能駕駛?cè)藱C界面中所有需要通過視覺顯示的內(nèi)容，AR-HUD無疑都是一個理想選項。因為AR-HUD讓用戶得以和周圍環(huán)境直接互動，而不只是注意車前的位置。用戶可通過AR-HUD準確掌握自己的車在干什么。以下為具體的AR-HUD的應用場景：
1. 車道輔助
AR-HUD可根據(jù)智能駕駛系統(tǒng)輸入的車道線信息，將圖像直接顯示在真實的車道線上，可增強車道輔助類智能駕駛功能體驗效果。
圖 2 AR-HUD車道輔助
2. 自動跟車
在智能駕駛系統(tǒng)進行跟車行駛時，AR-HUD可以顯示出目前的跟車目標，同時還可顯示出本車與目標車之間的距離。
圖 3 AR-HUD自動跟車
甚至，AR-HUD還可以同時顯示多車道的目標。
圖 4 AR-HUD多目標顯示
3. 變道輔助
在智能駕駛系統(tǒng)將要主動變道時，AR-HUD可提前將變道信息指示出來，增用戶使用信心。
展開 領取視頻 | 使用 Zemax OpticStudio 設計汽車抬頭顯示器（HUD）
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Zemax OpticStudio 如何模擬抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)
通過這篇文章我們了解到如何在 OpticStudio 中創(chuàng)建抬頭顯示系統(tǒng)。抬頭顯示系統(tǒng)是一個透視顯示系統(tǒng)，它的作用在于在用戶不改變視角的情況下為用戶提供數(shù)據(jù)，最大程度的讓駕駛員的視線保持在路面上。為了實現(xiàn)透視顯示，系統(tǒng)必須在擋風玻璃前形成一個虛像。該虛像的尺寸必須與儀表盤相近且不阻礙駕駛員的視線。另外，駕駛員應該在一定空間內(nèi)都能看到該虛像，這個空間也叫視窗 (eyebox)。抬頭顯示系統(tǒng)有多種光路結(jié)構(gòu)，這篇文章和我們分享了其中一種。
今天我們?yōu)榇蠹覝蕚淞耸褂?Zemax OpticStudio 設計汽車抬頭顯示器（HUD）的學習視頻，方便大家學習交流。
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視頻內(nèi)容
HUD 設計概述
序列模式反向光路系統(tǒng)搭建。
展開 一期一會 | 什么是抬頭顯示器（HUD）？
什么是抬頭顯示器？
抬頭顯示器（HUD）是一種增強現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)，它將直接在您的水平視線內(nèi)呈現(xiàn)信息，因此您不必移開視線就能讀取信息。 顧名思義，它有助于駕駛員將視線始終集中于道路，在讀取信息的同時抬頭正視前方。
抬頭顯示器的應用有哪些？
雖然抬頭顯示器在車輛駕駛中的應用最廣為人知，但其實該技術有許多其他用途。只要是操作人員需要同時觀察真實世界和查看數(shù)字信息的場景，HUD就可以提供幫助。比如，飛機、軍用車輛和重型機械等有人駕駛的系統(tǒng)，都是HUD的理想的用例。在這些情況下，信息會被投影到操作人員可以直接查看的位置，操作人員無需將目光從道路、天空或手頭的任務上移開。
HUD的另一個常見應用領域是電子游戲。增強現(xiàn)實頭戴式設備采用了HUD技術，使游戲玩家能夠看到游戲場景以及他們所處的真實物理環(huán)境。在這種應用下，游戲會創(chuàng)造出一種混合現(xiàn)實體驗，游戲玩家可以直接看到與玩家狀態(tài)相關信息（如生命值、尋路和游戲統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。
此外，遠程醫(yī)療在全球的應用，也增加了抬頭顯示器在醫(yī)療領域的應用。在臨床護理、教育培訓、護理團隊協(xié)作、甚至是AI指導的手術中，采用HUD技術的頭戴式顯示器和智能眼鏡為醫(yī)療專業(yè)人員提供了免手持操作的便利。
抬頭顯示器的類型
多種不同類型的抬頭顯示器，可滿足特定的用戶需求，無論是對于需要關注飛機交通的飛行員，還是需要留意咖啡桌邊緣的游戲玩家。環(huán)境、成本限制和用戶舒適度等諸多因素都會影響如何為應用選擇合適的HUD類型。
但是，雖然可能因行業(yè)和用例而異，但大多數(shù)HUD都同樣由三大部分組成，即光源（如LED）、反射器（如擋風玻璃、組合器或平面透鏡）和放大系統(tǒng)。
所有HUD都具有光源（圖像生成單元）和反射圖像的表面。（大多數(shù)情況下，此表面是透明的，使用戶能夠透過它看到現(xiàn)實世界的物體）。在光源和反射表面之間，通常有一個放大光學系統(tǒng)。
展開 
設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第三部分
相關閱讀
設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第二部分
設計抬頭顯示器時要使用哪些 OpticStudio 工具 – 第一部分
探究 Zemax OpticStudio偏振分析功能
Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實現(xiàn)衍射光波導AR系統(tǒng)設計仿真
如何利用 Zemax OpticStudio 模擬 AR 系統(tǒng)中的全息光波導
在 Zemax OpticStudio 中建立增強現(xiàn)實頭戴式顯示器
如何在Zemax OpticStudio用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
如何使用 Zemax OpticStudio 進行雜散光分析
如何運用OpticStudio對中頻誤差進行評估和公差分析
點擊“閱讀原文”， 下載本文展示的設計附件。
展開 12/9 融合Ansys Lumerical 和Ansys SPEOS的全新設計流程 - 以抬頭顯示
本次網(wǎng)絡研討會我們將以抬頭顯示器（HUD）為例，介紹全新的設計流程，借助Ansys Lumerical內(nèi)置的優(yōu)化工具，能夠優(yōu)化微結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到均勻的反射頻譜以及低光損耗，接下來把這些數(shù)據(jù)輸出給Ansys SPEOS，在SPEOS中整合不同光源及光學器件，實現(xiàn)整個光學系統(tǒng)的仿真，分析和評價現(xiàn)行設計的光學效果。會上將詳細介紹結(jié)合波動光學工具Ansys Lumerical及幾何光學工具Ansys SPEOS，討論如何在兩個工具間傳遞仿真分析所需的資料，并對光學系統(tǒng)性能做出評估。
會議主題
融合Ansys Lumerical 和Ansys SPEOS的全新設計流程-以抬頭顯示器為例
時間
12月9日（星期三），16:00-17:00
講師介紹
陳致豪
大學就讀於清華大學電機系，在臺灣大學光電工程研究所取得碩士學位。畢業(yè)後曾就職於顯示器產(chǎn)業(yè)，研究液晶光學以及液晶顯示器光學設計，有六年液晶顯示器的設計經(jīng)驗。在2020年加入Ansys/Lumerical擔任應用工程師，熟悉FDTD和MODE仿真工具。
展開 Ansys SPEOS汽車抬頭顯示器（HUD）的設計與分析
翻譯：上海安世亞太
概述
Ansys SPEOS HUD Design & Analysis提供了專門開發(fā)汽車抬頭顯示器（HUD）的先進功能。在設計早期識別潛在問題，以在開發(fā)過程中大幅改進光學系統(tǒng)。
有了直觀易懂的功能，可以從開始設計或進行即時設計，從而直接在CAD環(huán)境中優(yōu)化布局和形狀。為不同身高的駕駛員生成設計變化，并顯示HUD系統(tǒng)所需的光學體。
圖2 根據(jù)具體定義的最優(yōu)配置比較
通過SPEOS HUD Design & Analysis，根據(jù)擋風玻璃形狀和封裝限制（這些限制要求高度緊湊的設計），研究抬頭顯示器的技術可行性。自動化工具有助于光學系統(tǒng)設計并提高圖像的感知質(zhì)量。具體而言，該工具可以：
優(yōu)化布局和形狀
生成旋轉(zhuǎn)軸
計算駕駛員身高變化的角度
自動顯示所需光學體
該功能可以對圖像質(zhì)量進行客觀鑒定，并比較多個可選擇的光學和視覺性能，根據(jù)自己的驗收標準來衡量合規(guī)性。
圖3 玻璃厚度對重像可視化影響的評估
HUD光學設計
圖4 成像系統(tǒng)的設計步驟
通過自動優(yōu)化光學反射器布局和形狀，Ansys SPEOS HUD光學設計幫助您為汽車抬頭顯示器創(chuàng)建完整的光學系統(tǒng)。這種優(yōu)化保證了從指定的三維eyebox或head motion box、目標圖像和擋風玻璃形狀獲得最高質(zhì)量的虛擬圖像。
圖5 從不同eyebox位置評估圖像
初始表面生成的反射器形狀與幾何運算自然兼容。這有助于避免幾何變換、手動轉(zhuǎn)移操作、多產(chǎn)品定義和模具設計的特定過程造成的精度損失。
SPEOS HUD光學設計自動設計多自由曲面反射器：根據(jù)力學約束交互定義元件數(shù)量、距離和方向。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
在設計抬頭顯示器(HUD)時需要使用哪些工具？
汽車抬頭顯示器或汽車平視顯示器，也被稱為HUD，是在汽車中顯示數(shù)據(jù)的透明顯示器，不需要用戶低頭就能看到他們需要的重要資訊。這個名字的由來是由于該技術能夠讓飛行員在頭部“向上”并向前看的情況下查看信息，而不是斜著眼睛看下面的儀表。
這篇博文介紹了在設計和分析抬頭顯示器（HUD）的性能時所使用的 OpticStudio 工具。
HUD 概述
下面是 HUD 的簡圖。液晶顯示器（LCD）會發(fā)光，這些光被構(gòu)成 HUD 的兩個鏡子反射，然后再被擋風玻璃反射，最后進入駕駛員的眼睛。駕駛員看到的是位于道路上的虛像，該虛像為駕駛員提供例如速度等信息。
駕駛員在駕駛過程中會移動頭部改變視角。視窗（eyebox）是一個虛擬空間，代表駕駛員在該空間內(nèi)都能看到虛像。
讓我們來看一個 HUD 系統(tǒng)示例，其規(guī)格參數(shù)如下。
虛像距離: 2 m
顯示車輛當前的行駛速度
結(jié)構(gòu)限制：HUD 將主要受到儀表盤下可用空間的限制。擋風玻璃將充當分光鏡。
視窗: 駕駛員眼睛的位置將位于一個寬度為 ± 50mm，高度為 ± 20mm的空間內(nèi)。
人眼瞳孔：在亮光下為2至4毫米，在黑暗中為4至8毫米。在本示例中，它將被設定為4毫米。
LCD 顯示屏尺寸為寬 ± 12.5mm，高 ± 5mm。
放大倍數(shù) = 6
設計 HUD 的步驟
從虛像到顯示器：設計是在序列模式下反向進行的。為什么呢？因為從駕駛員看到的虛像開始模擬很方便。這樣就可以將光闌面放置在系統(tǒng)前方，即視窗所在的位置。在光闌面放置矩形孔徑以表述對眼睛位置的約束。
從顯示器到虛像：之后在序列模式下將系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，這將能夠“真實”模擬人眼在汽車前進方向上看到的畫面的成像質(zhì)量。
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