ADAS-透视前方：汽车HUD技术原理解析

mengmianren

“ 当人们谈论未来的汽车技术时，汽车HUD（Head-Up Display）是一个经常被提及的技术。HUD是一种驾驶辅助技术，它可以将关键的驾驶信息直接显示在驾驶员的视线范围内，让驾驶员无需转移视线就能获得所需信息。这个技术在过去几年里得到了越来越多的应用，现在已经成为了许多汽车制造商的标准配置。今天，我们将向您介绍汽车HUD的工作原理、应用场景、以及如何利用它来提高驾驶安全性和舒适性。”



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什么是HUD？

汽车HUD是一种抬头显示器，它通过投影显示驾驶员需要的信息，将其放在驾驶员的视野范围内。抬头显示系统HUD是一项从反射器瞄准器中演变而来的技术，最早在二战前用在枪械瞄具和战斗机瞄具上。二战之后，HUD技术开始逐步应用到战斗机上，可将速度、高度、雷达信息、瞄准器等显示在战斗机的座舱罩或透明板上，飞行员不必低头即可获取飞行时的重要的信息，而无需分散注意力。现在，它已经被广泛应用于汽车行业，用于提供诸如速度、导航、车道警告和盲区警告等信息。

一般而言，汽车HUD在高端车型才会装配，它安装于液晶仪表台的前方，从车头向挡风玻璃处看，可以明显看到一个凹陷的地方，这个位置便是HUD的安装位置，如下所示：



汽车HUD提高了驾驶安全和舒适度，它避免了驾驶员需要将视线从道路上移开来查看仪表盘，从而减少了驾驶员的视线转移次数，提高了驾驶员的视线稳定性，减少了驾驶员的疲劳感和注意力分散，有利于保持车辆在道路上稳定行驶。在夜间或恶劣天气等情况下，HUD系统可以更加清晰地显示行车信息，使驾驶员更加容易获取和理解信息，提高了驾驶员的反应速度和判断准确性。

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HUD组成与显示原理

2.1 HUD组成

典型的汽车HUD投影显示组成以及图像投射光路如下所示：



汽车HUD系统主要由两部分构成：

投影单元：

投影单元即上图中的PGU(Picture Generation Unit)，是汽车HUD系统的核心组件，它负责将行车信息通过光学技术投射到驾驶员的视野范围内。投影单元一般由激光、LCOS或DLP等光学技术构成。

光学原件：

光学元件是将投影单元的光线引导到驾驶员的视野范围内的关键部件，包括透镜、反光镜、分光棱镜等组件。光学元件的质量决定了HUD系统的投影清晰度、亮度和色彩还原度。

在工作时，PGU单元输出投射图像，图像经过棱镜、反光镜等折射后反射到挡风玻璃上，在驾驶员视角观看风挡玻璃便可以看到投影在远处的影像。

2.2 PGU显示原理

汽车HUD投影芯片目前的主流技术有LCOS(Liquid Crystal on Silicon)液晶附硅技术以及DLP(Digital Light Processing)技术，下面我们将分别介绍。

LCOS技术：

LCOS是一种基于液晶和硅片技术的显示器件。在汽车HUD系统中，LCOS通常作为HUD的显示器件，用于将车辆的行车信息通过光学技术投射到驾驶员的视野范围内。

LCOS显示器的基本原理是将液晶显示器和硅片技术结合起来。液晶显示器通过控制液晶分子的方向和光的偏振状态来控制光的透过和阻挡，从而实现显示功能。硅片则是一种半导体材料，具有高精度加工和制造的特点，可以制作出高密度的电子元件和电路。在LCOS显示器中，液晶层被放置在硅片的表面上，而背光源则被放置在液晶层的后面。通过调节液晶分子的方向，液晶层可以控制光的透过和阻挡，从而显示出所需的图像和文字。典型的LCOS投影光路如下图所示：



一般而言，LCOS投影单元由分色镜、光源、LCOS芯片以及投影镜头构成。注意这里的LCOS有三组，分别显示R、G、B三个通道，分色镜将不同光源映射到不同的LCOS内，然后控制器根据应用层下发的图像来控制LCOS某个投影点的显示或关闭。

由于液晶显示器和硅片技术的优点结合在一起，LCOS显示器具有高分辨率、高亮度、低功耗、高对比度等优点，适用于汽车HUD系统的显示需求。值得注意的是，虽然LCOS是目前广泛应用于汽车HUD系统的一种显示技术，但也有其他显示技术被用于汽车HUD系统中，如DLP（数字光学处理器）和LED（发光二极管）等。选择何种显示技术取决于具体的应用场景和需求。

DLP技术：

DLP是一种数字光学显示技术，由德州仪器（Texas Instruments）公司于1996年发明。在汽车HUD系统中，DLP技术可以被用作HUD的显示器件，用于将车辆的行车信息通过光学技术投射到驾驶员的视野范围内。

DLP显示器的基本原理是通过微型镜片和数字信号处理器（DSP）的组合，将光信号转换为图像。DLP显示器使用一种被称为DMD（Digital Micromirror Device）的数字微型镜片阵列，每个镜片可以以高速旋转的方式控制光的反射方向，从而通过调节光的反射角度来控制像素的亮度和颜色。DLP技术的HUD投影典型光路图如下所示：



一般DLP技术投影模块由DMD芯片、反射镜、色轮、光源以及投影透镜组成。当投影模块工作时，色轮以一定速度进行旋转，光源透过色轮产生RGB单色光源到反射镜，反射镜将光源发射到DMD芯片上，然后DSP根据应用层下发的图像来输出当前点对应的RGB颜色。

DLP技术具有响应速度快、色彩鲜艳、对比度高等优点，适用于汽车HUD系统的显示需求。值得注意的是，DLP技术相对于LCD和LCOS等其他显示技术，DLP在能耗和成本上都较高，而且需要配合特殊的光学设计，才能达到理想的投影效果。因此，DLP技术在汽车HUD系统中的应用相对较少，主要应用在高端豪华车型中。

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结束语

随着汽车技术的不断发展和创新，汽车HUD作为一项先进的驾驶辅助技术，也在不断发展和完善。从最初的简单信息提示，到后来的多功能显示，再到现在的AR增强现实技术，HUD技术的应用越来越广泛，未来也将持续迎来新的发展趋势。

随着人工智能和物联网技术的发展，汽车HUD将不仅仅是驾驶信息的显示，而是更加智能和交互化的驾驶辅助系统。例如，未来的汽车HUD系统可能会与车辆的智能感应系统相结合，通过传感器获取更加丰富的数据，进一步提高驾驶安全性和舒适性。同时，HUD技术还可以与车载娱乐系统相结合，为驾驶者提供更加丰富的娱乐体验。

另外，AR增强现实技术将成为HUD技术未来的一个重要发展方向。未来的HUD系统将通过AR技术，将驾驶信息与现实场景相结合，使驾驶者可以更加直观地感受道路和交通状况，从而提高驾驶的安全性和舒适性。

总的来说，HUD技术在未来的发展中，将会更加智能化、交互化、多功能化、增强现实化。它将成为汽车智能化和安全化发展的重要方向之一，为驾驶者提供更加便捷、舒适、安全的驾驶体验。