大眾ID.3/ID.4與最近的奧迪Q4都采用了AR-HUD,AR-HUD成為汽車電子的熱門(mén)話題,幾乎所有的新車都規(guī)劃使用AR-HUD。
VID為2.2米,HFOV為6度,VFOV為2度,分辨率為864*480 。成本結(jié)構(gòu)方面,對(duì)TFT型HUD來(lái)說(shuō)PGU、光機(jī)與結(jié)構(gòu)、PCBA與LED各占1/3。 按照?qǐng)D像生成單元(即PGU)常見(jiàn)的HUD分為T(mén)FT、DLP和激光三大類,也有冷門(mén)的很少人提及的LCOS。按光源可以分為L(zhǎng)ED和激光兩大類,按投影成像技術(shù)可以分為多片、全息和光場(chǎng)三大類。所謂AR-HUD實(shí)際就是增加了AR圖像層(也有把層說(shuō)成焦段),在常規(guī)車輛信息如速度和能耗外增加了導(dǎo)航和ADAS信息。
日本精機(jī)多層圖像HUD
上圖是全球第一大HUD廠家日本精機(jī)的多層圖像HUD設(shè)計(jì)。近層圖像主要顯示儀表和設(shè)置調(diào)整信息,遠(yuǎn)場(chǎng)圖像顯示路徑導(dǎo)航和各種警告信息。還有一個(gè)側(cè)方立體信息,如盲點(diǎn)和車道偏離警告。通常只是增加一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)AR圖像層,其虛擬成像距離VID一般是5到10米,常規(guī)圖像層的VID是2米。
目前主流是多層。多層又可分為單PGU與多PGU兩種。
奧迪A4的AR HUD
上圖為奧迪A4的AR HUD,應(yīng)該是兩個(gè)PGU,一個(gè)是靜態(tài)圖像層,即常規(guī)車輛信息。另一個(gè)是AR圖像層。光機(jī)部分也基本是兩套,可以說(shuō)這是兩套普通HUD放在一個(gè)盒子里,成本高且復(fù)雜。
靜態(tài)圖像層3米的VID,AR圖像層10米的VID。
也有臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)設(shè)計(jì)的單PGU型AR HUD,它將PGU的圖像分為兩個(gè)邏輯區(qū)域R1和R2,實(shí)現(xiàn)一個(gè)PGU,兩層圖像。
一個(gè)PGU兩層圖像的AR-HUD簡(jiǎn)單參數(shù)。
光場(chǎng)型AR-HUD的缺點(diǎn)是需要一個(gè)眼球追蹤攝像頭追蹤眼球的位置,通常是立體雙目攝像頭,典型如奔馳S級(jí)的,也有TOF攝像頭,理論上完全可行,但還未見(jiàn)到量產(chǎn)產(chǎn)品。
三星電子的光場(chǎng)型AR-HUD的核心是Lenticular透鏡。
三星電子光場(chǎng)型AR-HUD透鏡模型。
上表是三星電子光場(chǎng)型AR-HUD的參數(shù),未來(lái)三星哈曼將量產(chǎn)這種AR-HUD。 全息技術(shù)方面,有多種技術(shù)組合,異常復(fù)雜,簡(jiǎn)單地說(shuō)有兩種,一種是光波導(dǎo),一種是LCOS-SLM,LCOS-SLM通常都結(jié)合激光HUD使用,下文在介紹激光HUD時(shí)會(huì)介紹。 波導(dǎo)技術(shù)并不是什么新發(fā)明,我們熟悉的光通信系統(tǒng)中,用來(lái)傳輸信號(hào)的光纖組成了無(wú)數(shù)條連接大洋彼岸的海底光纜,就是波導(dǎo)的一種,只不過(guò)傳輸?shù)氖俏覀兛床灰?jiàn)的紅外波段的光。在AR-HUD中,要想光在傳輸?shù)倪^(guò)程中無(wú)損失無(wú)泄漏,“全反射”是關(guān)鍵,即光在波導(dǎo)中像只游蛇一樣通過(guò)來(lái)回反射前進(jìn)而并不會(huì)透射出來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)達(dá)到全反射需要滿足兩個(gè)條件:(1)傳輸介質(zhì)即波導(dǎo)材料需要具備比周圍介質(zhì)高的折射率;(2)光進(jìn)入波導(dǎo)的入射角需要大于臨界角θc。光機(jī)完成成像過(guò)程后,波導(dǎo)將光耦合進(jìn)自己的玻璃基底中,通過(guò)“全反射”原理將光傳輸?shù)窖劬η胺皆籴尫懦鰜?lái)。
這個(gè)過(guò)程中波導(dǎo)只負(fù)責(zé)傳輸圖像,一般情況下不對(duì)圖像本身做任何“功”(比如放大縮小等),可以理解為“平行光進(jìn),平行光出”,所以它是獨(dú)立于成像系統(tǒng)而存在的一個(gè)單獨(dú)元件。光波導(dǎo)總體上可以分為幾何光波導(dǎo)(Geometric Waveguide)和衍射光波導(dǎo)(DiffractiveWaveguide)兩種,幾何光波導(dǎo)就是所謂的陣列光波導(dǎo),其通過(guò)陣列反射鏡堆疊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和動(dòng)眼框的擴(kuò)大,代表光學(xué)公司是以色列的Lumus,目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)眼鏡產(chǎn)品。衍射光波導(dǎo)主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技術(shù)制造的全息體光柵波導(dǎo)VHG (Volumetric Holographic Grating)或HOE (Holographicoptical Element), HoloLens 2,MagicLeap One均屬于前者,全息體光柵光波導(dǎo)則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵,蘋(píng)果公司收購(gòu)的Akonia公司采用的便是全息體光柵,另外致力于這個(gè)方向的還有DigiLens(HOE)。
德國(guó)大陸汽車向 DigiLens投資了2500萬(wàn)美元,目前持有該公司股份接近18%,并保有董事會(huì)席位。DigiLens的其他一些投資者還包括Universal Display Corporation、Samsung Venture Investment、Niantic、Sony Innovation Fund、Diamond Edge Ventures和Mitsubishi Chemical Holdings Corporation等。 PGU方面,目前主要是TFT-LCD,雖然德州儀器一再宣稱DLP才是AR-HUD的首選,但高昂的價(jià)格讓人望而卻步,未來(lái)恐怕TFT-LCD還是主流。
還有冷門(mén)的LCOS,在谷歌AR眼鏡上有使用,由臺(tái)灣群創(chuàng)關(guān)聯(lián)公司奇景提供,不過(guò)AR眼鏡無(wú)一例外都失敗了,未來(lái)消費(fèi)級(jí)的AR眼鏡恐永遠(yuǎn)不可能出現(xiàn),一天到晚看短視頻的中國(guó)人絕對(duì)不喜歡這玩意。 TFT-LCD的PGU的主要供應(yīng)商是日本JDI和京瓷,松下能夠自產(chǎn)PGU,這也是松下HUD快速崛起的主要原因。臺(tái)灣的友達(dá)和群創(chuàng)也有,國(guó)內(nèi)的天馬和京東方也有TFT-LCD的PGU。日本JDI和京瓷的PGU市場(chǎng)占有率估計(jì)超過(guò)80%甚至更高,因?yàn)槿毡酒髽I(yè)電裝、松下、日本精機(jī)三家在HUD的市場(chǎng)占有率有60%左右。
京瓷PGU
京瓷PGU一覽見(jiàn)上表,目前3.1英寸已經(jīng)量產(chǎn),4.1英寸也完成了研發(fā)。目前主流PGU為3.1英寸,AR-HUD至少也要3.1英寸,非AR-HUD考慮成本有用1.8甚至1.1英寸的。 DLP方面,奔馳新S級(jí)對(duì)成本不敏感,自然采用了DLP做AR HUD,不過(guò)使用DLP技術(shù)做HUD,奔馳并非第一家,林肯大陸和領(lǐng)航員也都使用了DLP做HUD,但仍然是傳統(tǒng)HUD,都由德國(guó)大陸汽車提供。林肯大陸和領(lǐng)航員使用的是德州儀器早期DMD芯片DLP3030,只有40萬(wàn)像素。奔馳AR HUD使用德州儀器最新的DMD芯片DLP5531(2018年下半年才量產(chǎn),所以林肯沒(méi)用上),有130萬(wàn)像素,F(xiàn)OV為10X5°,VID距離為33英尺即10米,奔馳稱這相當(dāng)于77英寸顯示器。不僅在HUD上使用了DLP投影,在車大燈上,奔馳還極盡奢華使用了DLP投影,也是DLP5531。
德州儀器的DLP PGU也就是DMD,目前主推的是DLP3030-Q1,分辨率和TFT型PGU一樣,也是864*480,性能并不算突出,因此市場(chǎng)一直受限,高端產(chǎn)品則有DLP5531-Q1,分辨率1280*720,還有一款2020年9月推出的DLP5530-Q1,外接GPU和鉆石預(yù)處理分辨率可達(dá)2304*1152,德州儀器雄心勃勃,試圖用DLP5530-Q1打造IP HOE擋風(fēng)玻璃全息儀表,完全取代傳統(tǒng)儀表,我下一篇文章會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。
理光激光HUD
激光HUD是性能最強(qiáng)勁的,或許是自動(dòng)駕駛時(shí)代的標(biāo)配,需要注意這里的激光不是指光源,而是成像單元。簡(jiǎn)單地說(shuō),這很像一個(gè)MEMS激光雷達(dá),RGB三色激光二極管編譯圖像成激光,用一個(gè)二軸掃描MEMS鏡掃描成像。
Envisics全息激光HUD
跟激光雷達(dá)一樣,有MEMS的就有OPA的,不過(guò)在全息圖像領(lǐng)域叫LC-SLM,即液晶空間光調(diào)制,涉足到LC-SLM研發(fā)的國(guó)外企業(yè)包括美國(guó)Meadowlark、日本Hamamatsu、德國(guó)Holoeye等;國(guó)內(nèi)的廠家以上海UPOLabs為代表,初創(chuàng)企業(yè)Envisics也異?;钴S,上圖就是Envisics的全息激光HUD示意圖。2020年10月,車載全息AR-HUD供應(yīng)商Envisics獲得了由通用資本、上汽資本、現(xiàn)代摩比斯和Van Tuyl Companies牽頭的B輪融資,金額為5000萬(wàn)美元。摩比斯計(jì)劃與Envisics一起開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛專用的AR-HUD,并計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 何為空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator)?
廣義的空間光調(diào)制器是指一種新型的光波特性變換/調(diào)制器件;進(jìn)一步而言,是一種可編程、可使光波在時(shí)間及空間上動(dòng)態(tài)改變特性的器件;空間光調(diào)制器是一種將輸入光波信號(hào)根據(jù)控制信號(hào)按某種函數(shù)關(guān)系調(diào)制輸出光信號(hào)的器件。因此,用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表達(dá)的話,可如下:
Output(O)=C(x,y,t)*Input(O)
C(x,y,t)為控制信號(hào);Input(O)為輸入光信號(hào),Output(O)為輸出光信號(hào),輸入與輸出光信號(hào)的變化可以是光波振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)、相干性等屬性參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)值,這些參數(shù)的變化能引起光波特征的各種變換。Input和Output之間不同變換意味著SLM實(shí)現(xiàn)了不同的功能。輸入光和輸出光的讀出方式不同,意味著不同的光路形式,主要有透射式和反射式。運(yùn)算量巨大,不過(guò)可不是深度學(xué)習(xí)那種單純的MAC乘和累加,而是類似毫米波雷達(dá)那種空間時(shí)域變換的FFT計(jì)算。運(yùn)算量大是其主要缺點(diǎn)。 傳統(tǒng)HUD技術(shù)通常在微型顯示屏上生成圖像,然后投影到固定的焦點(diǎn)平面上,這種技術(shù)光損率太高,在光線傳播過(guò)程中通常會(huì)浪費(fèi)90%光源,不僅功耗更高而且發(fā)熱量還會(huì)大一些。激光HUD是將圖像直接生成在擋風(fēng)玻璃上,而不是PGU里。因此激光HUD具備無(wú)與倫比的性能和效率優(yōu)勢(shì)。
比如FOV,頂級(jí)AR-HUD的FOV僅10X5°,而激光HUD可以達(dá)到180度。對(duì)比度和亮度方面,激光更是具備壓倒性的優(yōu)勢(shì),分辨率方面,可以做到4K級(jí)的分辨率,DLP或TFT要做到的話,成本會(huì)高出激光不少。光機(jī)引擎方面,采用MEMS掃描的光機(jī)引擎體積非常小,遠(yuǎn)低于DLP或TFT-LCD。捷豹路虎(就是Envisics供應(yīng)的)和日本先鋒在2014年曾經(jīng)推出過(guò)激光HUD,限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,AR全息技術(shù)當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)未達(dá)實(shí)用地步,傳統(tǒng)HUD完全無(wú)法發(fā)揮激光HUD的優(yōu)勢(shì)。如今AR全息已經(jīng)成熟。激光HUD差不多是公認(rèn)的未來(lái)方向。日本企業(yè)尤其積極,矢崎、ALPS阿爾派、松下、瑞薩、理光、先鋒、電裝都有不少激光HUD專利和相關(guān)產(chǎn)品。其最大缺點(diǎn)是成本太高,當(dāng)然了,成本是可以降低的。還有一個(gè)缺點(diǎn)是激光二極管發(fā)熱量大,可能需要水冷。 激光AR-HUD可以顯示異常豐富的內(nèi)容,分辨率足夠高,視覺(jué)效果非常好,自動(dòng)駕駛時(shí)代尤其適合,能夠?yàn)槿藗兲峁┳銐虻淖詣?dòng)駕駛使用信心。
原文標(biāo)題:AR-HUD現(xiàn)狀與趨勢(shì)
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