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科普 | HUD行业的PGU路线之争

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HUD 抬头显示技术最早搭载在军用飞机上,随着技术的发展与延伸逐渐渗透至汽车产业。除了用以替代仪表,显示各类仪表盘上的信息(如速度、胎压、油耗、限速、警示等),HUD还可以显示导航、辅助驾驶、自动驾驶等原先显示在中控多媒体屏上的信息,使得驾驶者在开车时几乎完全不用低头,极大地提升驾驶安全性。

HUD工作原理解析,PGU成像部分是核心

HUD的核心部件主要包括PGU(图像生成单元)、Concave Mirror(自由曲面镜)和Windshield(挡风玻璃),其中PGU用以产生图形、控制亮度;自由曲面镜用以放大画面,消除挡风玻璃造成的畸变;挡风玻璃负责再次放大画面,消除重影(如通过楔形玻璃)后再将图形反射至人眼。由于HUD画面虚像由挡风玻璃反射而来,所以给人的视觉感觉就像画面悬浮在玻璃外,呈现出一种全息影像的效果。

 

作为HUD中非常重要的核心部件,目前行业公认的PGU技术路径可以分为四条,主要包括TFT-LCD投影(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)、DLP投影(Digital Light Processing)、LBS激光扫描投影(Laser Beam Scanning)、LCOS投影(Liquid Crystal on Silicon)等。

TFT-LCD投影技术比较成熟,其原理是利用液晶显示面板成像,主要供应厂商包括日本的京瓷、JDI以及国内的京东方、天马、信利等;

DLP是美国德州仪器的专利技术,通过集成数十万个超微型镜片的DMD(Digital Micromirror Device)将强光源经过反射后投影出来,在Diffuser(扩散片)上成像;

LCOS技术通过具有较高功率的红、绿、蓝三色激光器或LED为光源,再通过合光系统照射在LCOS上,最终在Diffuser上形成影像,包括华为、一数科技等均基于该技术提供解决方案;

LBS激光扫描投影以激光作为光源,通过MEMS(Microelectromechanical systems)微振镜在扫过显示区域时RGB彩色激光二极管将同步施以脉冲,将图像投射于Difusser上成像,主要参与者包括Microvision、丰宝电子、锐思华创等。

TFT-LCD与DLP之争,基于TFT做不了AR HUD吗?

经过对搭载HUD功能的上市车型所采用的PGU进行调研可以发现,目前TFT-LCD和DLP投影技术仍是市场主流。而随着HUD行业不断向AR HUD进阶,关于TFT-LCD和DLP的技术路线之争也愈演愈烈。

有观点认为,“TFT-LCD虽然技术成熟、性价比高,但更适用于小视场的WHUD,在清晰度、对比度上都无法满足AR HUD大视场角、远投影距离的要求,甚至由于‘阳光倒灌’引起的热负载压力过大,从而导致LCD模组失效。另外,TFT-LCD的光效和亮度等相对DLP来说,也欠缺优势。而DLP是目前AR HUD领域最为成熟的技术,依靠优异的显示性能,在画面亮度、尺寸和阳光倒灌问题的应对上都具有优势,是最适合AR HUD的PGU路线”。

对此,FUTURUS首席科学家吴慧军博士表示,在行业认知里,通常认为HUD的成像质量(清晰度、对比度、色域等)与PGU的类型高度相关。但事实上,PGU的类型并不能直接决定上述参数的好坏。究其根本,PGU只是一种像源。不管是TFT-LCD、DLP、LCOS还是LBS,并不决定HUD的代次,也不直接决定HUD的光学性能。

如果DLP、LCOS和LBS的背光模组以及Diffuser设计的不够好,其性能甚至可能远不如TFT-LCD像源。原因之一在于 Diffuser是这三种技术路线里都必须要使用且是极为重要的一个光学部件,其性能直接决定了画面的清晰度、对比度和光效。在吴博士看来,虽然三种技术方案均非常有前景,也有很多明显的优势,但就目前来说,需要提高的地方还很多,需要业内同行一起努力,以尽快实现更优秀的光学表现。

近些年来随着技术的发展,DLP、LCOS和LBS这三种路线的光学性能已经逐步接近或达到TFT-LCD的光学性能,在某几个参数上的差异已经微乎其微。从主机厂的角度考虑,无论采用哪种技术路径,都必须优先考虑可靠性和成本问题。而综合功能、性能、可靠性、成本、供应链成熟度,TFT-LCD都是主机厂在短期内的最佳方案。

选择TFT-LCD就一定会烧屏吗?

吴博士还提到,目前行业普遍存在的一个错误认知需要被纠正:选择TFT-LCD技术方案并不意味着一定会“烧屏”,而“烧屏”也不直接等同于“阳光倒灌”。

PGU的热管理面临着来自内部和外部的三重热源压力:

1、是背光温升,即PGU工作时LED发出的光线被液晶屏吸收产生的温升,以及LED自身发热对液晶屏产生的温升;

2、是阳光温升,HUD中用作放大光路的自由曲面镜通常采用凹面镜设计,而凹面镜也有光学聚焦的特性,当太阳光照射进PGU,可能会出现因光线汇聚而导致温度过高而失效,甚至导致PGU被烧毁的风险;

3、是环境温升,即设备的工作环境温度。

针对行业普遍担忧的TFT-LCD“烧屏”风险,FUTURUS也提出了相对应的技术解决方案,通过自研PGU和专利背光设计,可以精确控制LED发出光线的传播方向,提高能量利用效率,降低背光热效应,在维持低功耗的同时产生非常高的画面亮度,有效缓解因功耗太高导致PGU烧屏的问题。同时还优化了光学结构设计,可以有效降低或分散射入自由曲面镜的太阳光,降低阳光倒灌压力。

吴博士号召,进入AR HUD阶段以后,HUD供应商更需要抛弃对PGU的执念,在实景识别、图形渲染以及如何达成完美的虚实融合等软件、算法及HMI设计上下功夫。FUTURUS也期待与更多行业PGU合作伙伴携手,攻克PGU光路设计及空间干涉难题,加速AR HUD上车,让更多用户体验AR HUD带来的安全与便利。

 

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