车载抬头显示HUD投影技术及光学元件分析
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车载抬头显示（HUD）的光学元件是构成HUD系统的重要组成部分，它们负责将图像生成单元（PGU）产生的图像通过光学手段投射到驾驶员前方的透明介质（如挡风玻璃）上。
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HUD本质上是一个光学器件，其工作原理与投影仪基本相同，就是将需要显示的信息投影到驾驶员前方的透明介质上。HUD主要由图像生成单元（PGU）和光学显示系统两大部分构成，图像生成单元用以生成HUD输出图像，光学显示系统用于显示图像。
一、图像生成单元（PGU）
图像生成单元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD总成本的50%左右。图像生成单元的作用是生成HUD输出图像，由光源、光学膜片和其它光学组件构成。
PGU作为HUD的核心技术壁垒，其技术路线的选择直接决定未来的产业发展路线，具体可分为TFT-LCD、DLP和MEMS激光投影三种技术。不同的技术路线，其光源和光学组件都完全不同。
（TFT-LCD，图源网络，侵删）
1.薄膜晶体管液晶显示屏技术TFT-LCD
TFT-LCD是液晶显示器（LCD）技术的一种，它结合了薄膜晶体管（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。TFT-LCD具有高分辨率、高对比度、快速响应时间和丰富的色彩表现能力，是现代电子产品中广泛应用的显示技术之一。
构成及原理
TFT-LCD屏主要由两片玻璃基板、液晶层、彩色滤光片、偏光片、TFT阵列等部分组成。上层的玻璃基板附有彩色滤光片，用于生成红、绿、蓝三原色；下层的玻璃基板则镶嵌有TFT阵列，用于控制每个像素点的透光性。
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工作原理：当电流通过TFT的栅极时，会在沟道区域形成导电通道，从而允许源极和漏极之间的电流流动。这个电流的大小可以控制液晶分子的排列方向，进而改变通过液晶层的光线的偏振状态。偏光片则用于将偏振光转化为可视光线，形成图像。
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TFT-LCD可以做到高分辨率、高对比度、快速响应、色彩丰富、低功耗与长寿命、安全无辐射、无闪烁且易于回收，市场技术成熟、成本低，是目前HUD的主流技术路线。
2. 数字光处理技术DLP
DLP投影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。
（DLP投影仪，图源网络，侵删）
工作原理
DLP的采用UHP灯泡作为光源，发射出冷光源，通过冷凝透镜和光管（Rod）将光线均匀化，然后经过一个色轮（Color Wheel）将光分成RGB三色（或更多色）实现光处理，经过处理后的光线投射到DMD芯片上实现反射，DMD芯片由集成数十万个超微型镜片组成，每个镜片代表一个像素，能够独立控制光线的开关。在数字驱动信号的控制下，微镜片能够迅速改变角度，从而反射或吸收光线。反射出的光线通过投影透镜投射到屏幕上，形成图像。在单片DLP投影仪中，色轮顺序旋转，使得红、绿、蓝光依次投射到DMD芯片上，再通过人眼的视觉暂留效应形成全彩色图像。而在三片DLP投影仪中，则使用棱镜将白光分成红、绿、蓝三色光，分别投射到三个DMD芯片上，再经过合成形成全彩色图像。
DLP技术的优势包括热效应不严重，及图像明亮度、颜色饱和度等表现较佳。
DLP技术的劣势有图像对位、清晰度、锐度、重影、失真等问题，以及成本相对较高。
（MEMS投影，图源网络，侵删）
3.激光扫描技术MEMS
激光扫描技术MEMS投影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。
组成结构及工作原理
激光扫描技术MEMS投影系统由激光模组、MEMS微镜、驱动电路、图像处理控制电路几个部分组成，激光模组包括红、绿、蓝（RGB）三基色激光管，通过内部光学系统产生颜色光强可变且具有高度空间相关性的单像素点激光束；MEMS微镜则是利用微机电系统技术制作的小尺寸反射镜，通过电流或电压控制实现快速扫描；驱动电路为MEMS微镜提供驱动信号，控制其扫描轨迹和速度；图像处理控制电路负责接收并处理图像信号，将其转换为控制MEMS微镜运动的指令。
激光扫描技术MEMS投影的基本工作原理是利用MEMS微镜扫描结合RGB激光束的光强调制来成像。具体来说，激光器产生的激光束被引入MEMS系统，通过控制微镜片的位置和角度，实现对激光束的反射和折射，从而控制激光束的方向和大小，最终将图像投射到投影屏幕上。激光扫描技术MEMS投影具有色彩丰富、无需聚焦、体积小、功耗低、高分辨率等优势，在汽车抬头显示HUD上能够将行驶速度、导航信息等直接投射在驾驶员视线前方的挡风玻璃上，提高驾驶安全性和便利性。
MEMS方案存在问题：n激光二极管不耐高温，暂无法满足车载高温工作环境要求；n激光二极管目前价格昂贵，相对使用其它投影技术无成本优势；
二、HUD的光学显示系统
HUD光学显示系统一般包括反射镜、调节电机及控制单元与前挡风玻璃。
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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。
调节电机及控制单元：这些组件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。
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。为了消除重影和提高成像质量，挡风玻璃的结构设计（如PVB夹层的楔形设计）和表面处理（如附加反射膜层）都至关重要。
HUD的光学显示系统工作原理基于光学反射和折射原理。具体来说，图像生成单元（PGU）首先产生包含所需信息的图像光线，这些光线经过反射镜的反射和调节后，被投射到前挡风玻璃上。挡风玻璃作为显示屏幕，将光线进一步折射和反射后进入驾驶员的眼睛，从而在驾驶员的视线前方形成虚像。这个虚像位于驾驶员视线的前方一定距离处（通常为2-2.5米），感觉就像信息悬浮在前方道路上一样。
HUD光学元件的发展趋势
随着汽车智能化和网联化的发展，HUD技术也在不断进步和完善。未来HUD光学元件的发展趋势可能包括以下几个方面：
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。
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。
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。
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。
未来随着技术的不断进步和完善这些光学元件的性能和成本将得到进一步优化以满足消费者对智能化和网联化汽车的需求。