車載抬頭顯示HUD投影技術(shù)及光學(xué)元件分析

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車載抬頭顯示（HUD）的光學(xué)元件是構(gòu)成HUD系統(tǒng)的重要組成部分，它們負(fù)責(zé)將圖像生成單元（PGU）產(chǎn)生的圖像通過光學(xué)手段投射到駕駛員前方的透明介質(zhì)（如擋風(fēng)玻璃）上。

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HUD本質(zhì)上是一個光學(xué)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(zhì)上。HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學(xué)顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像，光學(xué)顯示系統(tǒng)用于顯示圖像。

一、圖像生成單元（PGU）

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(xué)膜片和其它光學(xué)組件構(gòu)成。

PGU作為HUD的核心技術(shù)壁壘，其技術(shù)路線的選擇直接決定未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，具體可分為TFT-LCD、DLP和MEMS激光投影三種技術(shù)。不同的技術(shù)路線，其光源和光學(xué)組件都完全不同。

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 1.薄膜晶體管液晶顯示屏技術(shù)TFT-LCD

TFT-LCD是液晶顯示器（LCD）技術(shù)的一種，它結(jié)合了薄膜晶體管（TFT）與液晶顯示技術(shù)，以提供高質(zhì)量的圖像顯示。TFT-LCD技術(shù)通過在兩片玻璃基板之間夾一層液晶材料，并利用薄膜晶體管（TFT）作為開關(guān)元件來控制每個像素點(diǎn)的透光性，從而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。TFT-LCD具有高分辨率、高對比度、快速響應(yīng)時間和豐富的色彩表現(xiàn)能力，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的顯示技術(shù)之一。

構(gòu)成及原理

TFT-LCD屏主要由兩片玻璃基板、液晶層、彩色濾光片、偏光片、TFT陣列等部分組成。上層的玻璃基板附有彩色濾光片，用于生成紅、綠、藍(lán)三原色；下層的玻璃基板則鑲嵌有TFT陣列，用于控制每個像素點(diǎn)的透光性。

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工作原理：當(dāng)電流通過TFT的柵極時，會在溝道區(qū)域形成導(dǎo)電通道，從而允許源極和漏極之間的電流流動。這個電流的大小可以控制液晶分子的排列方向，進(jìn)而改變通過液晶層的光線的偏振狀態(tài)。偏光片則用于將偏振光轉(zhuǎn)化為可視光線，形成圖像。

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TFT-LCD可以做到高分辨率、高對比度、快速響應(yīng)、色彩豐富、低功耗與長壽命、安全無輻射、無閃爍且易于回收，市場技術(shù)成熟、成本低，是目前HUD的主流技術(shù)路線。

2.  數(shù)字光處理技術(shù)DLP

DLP投影是一種以數(shù)字微鏡元件（DMD，Digital Micromirror Device）的數(shù)字光處理技術(shù)，該技術(shù)由美國德州儀器（TI）公司開發(fā)，通過將影像信號進(jìn)行數(shù)字處理后，再利用DMD芯片將光投影出來，實(shí)現(xiàn)可視數(shù)字信息顯示。

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工作原理

DLP的采用UHP燈泡作為光源，發(fā)射出冷光源，通過冷凝透鏡和光管（Rod）將光線均勻化，然后經(jīng)過一個色輪（Color Wheel）將光分成RGB三色（或更多色）實(shí)現(xiàn)光處理，經(jīng)過處理后的光線投射到DMD芯片上實(shí)現(xiàn)反射，DMD芯片由集成數(shù)十萬個超微型鏡片組成，每個鏡片代表一個像素，能夠獨(dú)立控制光線的開關(guān)。在數(shù)字驅(qū)動信號的控制下，微鏡片能夠迅速改變角度，從而反射或吸收光線。反射出的光線通過投影透鏡投射到屏幕上，形成圖像。在單片DLP投影儀中，色輪順序旋轉(zhuǎn)，使得紅、綠、藍(lán)光依次投射到DMD芯片上，再通過人眼的視覺暫留效應(yīng)形成全彩色圖像。而在三片DLP投影儀中，則使用棱鏡將白光分成紅、綠、藍(lán)三色光，分別投射到三個DMD芯片上，再經(jīng)過合成形成全彩色圖像。

DLP技術(shù)的優(yōu)勢包括熱效應(yīng)不嚴(yán)重，及圖像明亮度、顏色飽和度等表現(xiàn)較佳。

DLP技術(shù)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。

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3.激光掃描技術(shù)MEMS

激光掃描技術(shù)MEMS投影是一種結(jié)合了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與激光掃描技術(shù)的投影顯示方案，MEMS技術(shù)使用具有較高功率的紅、綠、藍(lán)（三基色）單色激光器為光源，激光經(jīng)相應(yīng)的光學(xué)元件和處理芯片的整合與掃描后投射在顯示屏上。

組成結(jié)構(gòu)及工作原理

激光掃描技術(shù)MEMS投影系統(tǒng)由激光模組、MEMS微鏡、驅(qū)動電路、圖像處理控制電路幾個部分組成，激光模組包括紅、綠、藍(lán)（RGB）三基色激光管，通過內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生顏色光強(qiáng)可變且具有高度空間相關(guān)性的單像素點(diǎn)激光束；MEMS微鏡則是利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作的小尺寸反射鏡，通過電流或電壓控制實(shí)現(xiàn)快速掃描；驅(qū)動電路為MEMS微鏡提供驅(qū)動信號，控制其掃描軌跡和速度；圖像處理控制電路負(fù)責(zé)接收并處理圖像信號，將其轉(zhuǎn)換為控制MEMS微鏡運(yùn)動的指令。

激光掃描技術(shù)MEMS投影的基本工作原理是利用MEMS微鏡掃描結(jié)合RGB激光束的光強(qiáng)調(diào)制來成像。具體來說，激光器產(chǎn)生的激光束被引入MEMS系統(tǒng)，通過控制微鏡片的位置和角度，實(shí)現(xiàn)對激光束的反射和折射，從而控制激光束的方向和大小，最終將圖像投射到投影屏幕上。激光掃描技術(shù)MEMS投影具有色彩豐富、無需聚焦、體積小、功耗低、高分辨率等優(yōu)勢，在汽車抬頭顯示HUD上能夠?qū)⑿旭偹俣?、?dǎo)航信息等直接投射在駕駛員視線前方的擋風(fēng)玻璃上，提高駕駛安全性和便利性。

MEMS方案存在問題：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(shù)無成本優(yōu)勢；

二、HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)

HUD光學(xué)顯示系統(tǒng)一般包括反射鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元與前擋風(fēng)玻璃。

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反射鏡：反射鏡是HUD光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，它負(fù)責(zé)將PGU產(chǎn)生的圖像光線進(jìn)行反射，進(jìn)而投射到擋風(fēng)玻璃上。反射鏡的設(shè)計(jì)需要考慮到光線的折射和反射角度，以確保圖像能夠準(zhǔn)確、清晰地呈現(xiàn)在駕駛員的視線范圍內(nèi)。

調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元：這些組件用于調(diào)整反射鏡的角度和位置，以適應(yīng)不同駕駛環(huán)境和駕駛員的視線需求?？刂茊卧ㄟ^接收車輛數(shù)據(jù)總線傳來的信息，如車速、導(dǎo)航等，來控制調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)投射。

前擋風(fēng)玻璃：在汽車HUD系統(tǒng)中，前擋風(fēng)玻璃不僅是車輛的結(jié)構(gòu)部件，還充當(dāng)了顯示屏幕的角色。HUD圖像通過反射鏡投射到擋風(fēng)玻璃上，形成虛像供駕駛員觀看。為了消除重影和提高成像質(zhì)量，擋風(fēng)玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如PVB夾層的楔形設(shè)計(jì)）和表面處理（如附加反射膜層）都至關(guān)重要。

HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)工作原理基于光學(xué)反射和折射原理。具體來說，圖像生成單元（PGU）首先產(chǎn)生包含所需信息的圖像光線，這些光線經(jīng)過反射鏡的反射和調(diào)節(jié)后，被投射到前擋風(fēng)玻璃上。擋風(fēng)玻璃作為顯示屏幕，將光線進(jìn)一步折射和反射后進(jìn)入駕駛員的眼睛，從而在駕駛員的視線前方形成虛像。這個虛像位于駕駛員視線的前方一定距離處（通常為2-2.5米），感覺就像信息懸浮在前方道路上一樣。

HUD光學(xué)元件的發(fā)展趨勢

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，HUD技術(shù)也在不斷進(jìn)步和完善。未來HUD光學(xué)元件的發(fā)展趨勢可能包括以下幾個方面：

更高精度和更低成本的反射鏡制造技術(shù)：通過新材料和新工藝的應(yīng)用，提高反射鏡的制造精度并降低成本。

更先進(jìn)的擋風(fēng)玻璃處理技術(shù)：開發(fā)更加高效和環(huán)保的擋風(fēng)玻璃處理技術(shù)，提高HUD的顯示效果并降低對駕駛員視線的影響。

更緊湊和高效的光學(xué)透鏡組設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化透鏡組的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更緊湊的HUD系統(tǒng)并提高成像質(zhì)量。

光波導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用：隨著光波導(dǎo)技術(shù)的不斷成熟和完善，未來將有更多車型采用基于光波導(dǎo)技術(shù)的HUD系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更廣的視場角和更豐富的信息顯示功能。

未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善這些光學(xué)元件的性能和成本將得到進(jìn)一步優(yōu)化以滿足消費(fèi)者對智能化和網(wǎng)聯(lián)化汽車的需求。