車載抬頭顯示HUD投影技術及光學元件分析
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車載抬頭顯示（HUD）的光學元件是構(gòu)成HUD系統(tǒng)的重要組成部分，它們負責將圖像生成單元（PGU）產(chǎn)生的圖像通過光學手段投射到駕駛員前方的透明介質(zhì)（如擋風玻璃）上。
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HUD本質(zhì)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(zhì)上。HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學顯示系統(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、光學膜片和其它光學組件構(gòu)成。
PGU作為HUD的核心技術壁壘，其技術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。不同的技術路線，其光源和光學組件都完全不同。
（TFT-LCD，圖源網(wǎng)絡，侵刪）
1.薄膜晶體管液晶顯示屏技術TFT-LCD
TFT-LCD是液晶顯示器（LCD）技術的一種，它結(jié)合了薄膜晶體管（TFT）與液晶顯示技術，以提供高質(zhì)量的圖像顯示。TFT-LCD技術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）作為開關元件來控制每個像素點的透光性，從而實現(xiàn)圖像的顯示。TFT-LCD具有高分辨率、高對比度、快速響應時間和豐富的色彩表現(xiàn)能力，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中廣泛應用的顯示技術之一。
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的透光性。
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工作原理：當電流通過TFT的柵極時，會在溝道區(qū)域形成導電通道，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、色彩豐富、低功耗與長壽命、安全無輻射、無閃爍且易于回收，市場技術成熟、成本低，是目前HUD的主流技術路線。
2. 數(shù)字光處理技術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，該技術由美國德州儀器（TI）公司開發(fā)，通過將影像信號進行數(shù)字處理后，再利用DMD芯片將光投影出來，實現(xiàn)可視數(shù)字信息顯示。
（DLP投影儀，圖源網(wǎng)絡，侵刪）
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）實現(xiàn)光處理，經(jīng)過處理后的光線投射到DMD芯片上實現(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，能夠獨立控制光線的開關。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、藍光依次投射到DMD芯片上，再通過人眼的視覺暫留效應形成全彩色圖像。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技術的優(yōu)勢包括熱效應不嚴重，及圖像明亮度、顏色飽和度等表現(xiàn)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。
（MEMS投影，圖源網(wǎng)絡，侵刪）
3.激光掃描技術MEMS
激光掃描技術MEMS投影是一種結(jié)合了微機電系統(tǒng)（MEMS）與激光掃描技術的投影顯示方案，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。
組成結(jié)構(gòu)及工作原理
激光掃描技術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（RGB）三基色激光管，通過內(nèi)部光學系統(tǒng)產(chǎn)生顏色光強可變且具有高度空間相關性的單像素點激光束；MEMS微鏡則是利用微機電系統(tǒng)技術制作的小尺寸反射鏡，通過電流或電壓控制實現(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責接收并處理圖像信號，將其轉(zhuǎn)換為控制MEMS微鏡運動的指令。
激光掃描技術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旭偹俣取Ш叫畔⒌戎苯油渡湓隈{駛員視線前方的擋風玻璃上，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無成本優(yōu)勢；
二、HUD的光學顯示系統(tǒng)
HUD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。
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反射鏡：反射鏡是HUD光學系統(tǒng)中的關鍵元件，它負責將PGU產(chǎn)生的圖像光線進行反射，進而投射到擋風玻璃上。反射鏡的設計需要考慮到光線的折射和反射角度，以確保圖像能夠準確、清晰地呈現(xiàn)在駕駛員的視線范圍內(nèi)。
調(diào)節(jié)電機及控制單元：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、導航等，來控制調(diào)節(jié)電機的運動，從而實現(xiàn)圖像的精準投射。
前擋風玻璃：在汽車HUD系統(tǒng)中，前擋風玻璃不僅是車輛的結(jié)構(gòu)部件，還充當了顯示屏幕的角色。HUD圖像通過反射鏡投射到擋風玻璃上，形成虛像供駕駛員觀看。為了消除重影和提高成像質(zhì)量，擋風玻璃的結(jié)構(gòu)設計（如PVB夾層的楔形設計）和表面處理（如附加反射膜層）都至關重要。
HUD的光學顯示系統(tǒng)工作原理基于光學反射和折射原理。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，被投射到前擋風玻璃上。擋風玻璃作為顯示屏幕，將光線進一步折射和反射后進入駕駛員的眼睛，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技術也在不斷進步和完善。未來HUD光學元件的發(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：通過新材料和新工藝的應用，提高反射鏡的制造精度并降低成本。
更先進的擋風玻璃處理技術：開發(fā)更加高效和環(huán)保的擋風玻璃處理技術，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透鏡組設計：通過優(yōu)化透鏡組的設計和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更緊湊的HUD系統(tǒng)并提高成像質(zhì)量。
光波導技術的廣泛應用：隨著光波導技術的不斷成熟和完善，未來將有更多車型采用基于光波導技術的HUD系統(tǒng)以實現(xiàn)更廣的視場角和更豐富的信息顯示功能。
未來隨著技術的不斷進步和完善這些光學元件的性能和成本將得到進一步優(yōu)化以滿足消費者對智能化和網(wǎng)聯(lián)化汽車的需求。