抬头显示HUD技术解析

抬头显示HUD技术解析，抬头显示（HUD）是一种将重要驾驶信息投影到驾驶员前方的风挡玻璃上的技术，旨在帮助驾驶员保持对路面的关注，从而提高行车安全。‌

抬头显示HUD技术解析

• 一、 HUD概念定义
  • 抬头显示（HUD）是一种将重要驾驶信息投影到驾驶员前方的风挡玻璃上的技术，旨在帮助驾驶员保持对路面的关注，从而提高行车安全。‌
    • HUD通过光学反射原理结合新型显示技术，将车辆仪表信息、导航信息以及高级驾驶辅助系统（ADAS）信息等投射到前挡风玻璃上，减少了驾驶员眼球视点位移，避免了因低头查看仪表或车载导航而导致的盲驾风险
• 二、 HUD技术演进
  • 1960 年
    • 在美国海军的 A-5 舰载机上成功运用
    • 在飞机上叫平视显示系统 ，用于将飞机的飞行参数、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，飞行员在不低头的情况下，可以兼顾仪表参数和外界目视参照物，减少飞行员低头看仪表的频次，从而提高飞行安全
  • 1980年
    • HUD技术开始应用于民航飞机上，当时仅仅用于显示导航信息
  • 1988年
    • 通用汽车在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上应用了HUD，是世界上首款采用HUD技术的汽车
  • 1991年
    • 丰田在皇冠Majesta上搭载了HUD
  • 1997年
    • 通用在其第五代Corvette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
  • 2006 年
    • 通用汽车在其高端品牌车型凯迪拉克STS4.6 车型上装备了 HUD 系统，车速信息显示颜色可随车速改变
  • 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(增强现实型抬头显示系统)。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
• 三、 HUD产品形态
  • 1. C-HUD
    • C-HUD是Combiner HUD的缩写，一般是将一块半透明树脂板安装在仪表盘上方，作为投影介质，该树脂板通常会根据成像条件进行特殊处理，例如做成楔形来避免反射重影，提升显示效果
    • 优点
      • 结构简单，成本较低，成像清晰
    • 缺点
      • 成像区域小，显示内容有限；成像距离近，成像高度较低；布置位置处于驾驶员前方的仪表板上，在车辆发生碰撞时可能会对驾驶员造成二次伤害
      • 需要眼睛焦点在C-HUD屏和前方路况之间来回切换，用久了之后非但不能减轻驾驶疲劳，反而会让眼睛更累
  • 2. W-HUD
    • W-HUD是英文Windshield-HUD的缩写，其中Windshield就是前挡玻璃的意思，按字面理解，相比于C-HUD，就是将投影介质改成前挡风玻璃
    • 优点
      • 显示效果一体化，有助于驾驶安全
    • 缺点
      • 由于挡风玻璃一般为曲面玻璃，需要精确的非球面反射镜来确保效果，导致成本较高
      • 挡风玻璃是由内外两层玻璃粘合而成的，由于内外玻璃的曲率不同，会导致内外反射光的反射角度不同，让虚像焦点不重叠，而人眼看过去的效果就是会出现重影
  • 3. AR-HUD
    • AR-HUD是Augmented Reality-HUD的缩写，翻译为中文为增强现实抬头显示器，其可提供更远距离及与实景相结合的图像
    • 优点
      • 成像距离远，成像尺寸大，显示信息丰富，与真实驾驶环境融为一体，无视觉盲区
    • 缺点
      • 技术复杂，研发、生产成本高，对光学设计、光源选择等有较高要求
• 四、 AR-HUD结构原理
  • 系统组成
    • 1. 图像生成单元（PGU）
      • （1） 作用
        • PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD总成本的50%左右，作用是生成HUD输出图像
      • （2） 构成
        • 由光源、光学膜片和其它光学组件构成
      • （3） PGU技术方案
        • 1||| 薄膜晶体管液晶显示屏技术TFT-LCD
          • 结合了薄膜晶体管（TFT）与液晶显示技术，以提供高质量的图像显示。TFT-LCD技术通过在两片玻璃基板之间夹一层液晶材料，并利用薄膜晶体管（TFT）作为开关元件来控制每个像素点的透光性，从而实现图像的显示
        • 2||| DLP数字光处理式
          • 是一种以数字微镜元件（DMD，Digital Micromirror Device）的数字光处理技术，该技术由美国德州仪器（TI）公司开发，通过将影像信号进行数字处理后，再利用DMD芯片将光投影出来，实现可视数字信息显示
        • 3||| LCOS技术
          • 就是LCD液晶屏+CMOS集成电路构成的产物，其将原本液晶屏中的玻璃基板，替换成硅晶圆半导体上，可以大幅提升亮度和分别率，相当于液晶显示器的“强化版”
        • 4||| MEMS
          • 是一种结合了微机电系统（MEMS）与激光扫描技术的投影显示方案，MEMS技术使用具有较高功率的红、绿、蓝（三基色）单色激光器为光源，激光经相应的光学元件和处理芯片的整合与扫描后投射在显示屏上
    • 2. 光学显示系统
      • （1） 反射镜
        • 反射镜是HUD光学系统中的关键元件，它负责将PGU产生的图像光线进行反射，进而投射到挡风玻璃上。反射镜的设计需要考虑到光线的折射和反射角度，以确保图像能够准确、清晰地呈现在驾驶员的视线范围内
      • （2） 调节电机及控制单元
        • 用于调整反射镜的角度和位置，以适应不同驾驶环境和驾驶员的视线需求。控制单元通过接收车辆数据总线传来的信息，如车速、导航等，来控制调节电机的运动，从而实现图像的精准投射
      • （3） 前挡风玻璃
        • 在汽车HUD系统中，前挡风玻璃不仅是车辆的结构部件，还充当了显示屏幕的角色。HUD图像通过反射镜投射到挡风玻璃上，形成虚像供驾驶员观看
  • 工作原理
• 五、 HUD光学元件的发展趋势
  • 1. 更高精度和更低成本的反射镜制造技术
    • 通过新材料和新工艺的应用，提高反射镜的制造精度并降低成本
  • 2. 更先进的挡风玻璃处理技术
    • 开发更加高效和环保的挡风玻璃处理技术，提高HUD的显示效果并降低对驾驶员视线的影响
  • 3. 更紧凑和高效的光学透镜组设计
    • 通过优化透镜组的设计和结构，实现更紧凑的HUD系统并提高成像质量
  • 4. 光波导技术的广泛应用
    • 随着光波导技术的不断成熟和完善，未来将有更多车型采用基于光波导技术的HUD系统以实现更广的视场角和更丰富的信息显示功能