全面解析AR HUD的技術(shù)路線

AR HUD目前常見的有三種技術(shù)，分別是TFT、DLP和LCoS，新興的也有三種，分別是基于LBS的MEMS、硅上OLED即OLEDoS和Micro LED。 ?

圖表來源：公開信息整理

普通的HUD的采購價(jià)大約1000-1500元人民幣，AR HUD采用TFT的大概2000-2500元，DLP的要3000-4000元。 ?

HUD核心元件包括PGU圖像生成單元和自由曲面反射鏡，大型的HUD廠家都源自汽車儀表領(lǐng)域，上游布局完整，能夠自己生產(chǎn)PGU和自由曲面反射鏡，自由曲面反射鏡生產(chǎn)門檻很高，需要十萬級(jí)無塵室和精密光學(xué)鍍膜經(jīng)驗(yàn)。這只有日本精機(jī)、大陸汽車這一級(jí)別的廠家才能完成。AR HUD的出現(xiàn)導(dǎo)致HUD的軟件復(fù)雜度飛增，同時(shí)也要考慮定位、傳感器融合和ADAS，因此產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了細(xì)分，一部分專精軟件的HUD企業(yè)出現(xiàn)，另一部分原光學(xué)領(lǐng)域的企業(yè)進(jìn)入，專門生產(chǎn)PGU和自由曲面反射鏡，產(chǎn)業(yè)鏈拉長(zhǎng)了。軟件企業(yè)還在進(jìn)一步細(xì)分，一部分專精HMI人機(jī)交互的設(shè)計(jì)，另一部分專精和儀表乃至ADAS系統(tǒng)的聯(lián)合工作。國內(nèi)舜宇最早從事自由曲面反射鏡研究，應(yīng)該是國內(nèi)做得最好的。

HUD的技術(shù)路線，實(shí)際應(yīng)該是PGU的技術(shù)路線，但PGU并非HUD的全部，其他部分也能影響HUD的性能和成本。

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TFT最大缺點(diǎn)是分辨率低，不可能顯示復(fù)雜圖案，對(duì)比度和亮度也最低，陽光下看不清，其他缺點(diǎn)還有光線為偏振光，不能帶太陽鏡，再有就是投影面積越大，陽光倒灌就越強(qiáng)，溫度上升快，如果不做處理，幾分鐘PGU就燒了，減少進(jìn)光量是最基本解決辦法，但這意味著出光量也少了，對(duì)比度和亮度表現(xiàn)更差。再有就是用采用 3M、BrightView的光學(xué)膜片減少反射。TFT優(yōu)點(diǎn)是成本低，技術(shù)成熟。TFT-LCD供應(yīng)商主要是日本京瓷和JDI，國內(nèi)則有信利和天馬。 ?

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

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DLP的缺點(diǎn)是需要平行光源，體積太大，奔馳S級(jí)用的AR HUD為了達(dá)到最佳效果，整個(gè)系統(tǒng)高達(dá)27L，國內(nèi)廣汽傳祺的二代GS8是14.5L，只有很大的車型才能允許這么大的體積。這個(gè)用光波導(dǎo)可以大幅度縮小體積，不過相對(duì)其他路線，體積還是略高。再有就是成本高。優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，不用擔(dān)心陽光倒灌。不使用偏振光，不用擔(dān)心太陽鏡問題，支持光波導(dǎo)和全息技術(shù)，對(duì)比度和亮度都不錯(cuò)。VID虛擬景象距離可以超過7.5米，比較適合做兩片或多片圖像。FOV也比較寬。 ?

奔馳S級(jí)上的DLP ARHUD。圖片來源：奔馳

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LCoS近期比較活躍，LCoS不是什么新技術(shù)，早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn)，2012年前后成為AR眼鏡的最佳技術(shù)，谷歌為此一度收購了中國臺(tái)灣省的奇景光電的部分股份，不過AR眼鏡始終無法打開市場(chǎng)，關(guān)鍵原因是眼鏡不能太重，因此，散熱、續(xù)航成了AR眼鏡的死穴，時(shí)至今日也無法解決。自2014年后LCoS沉寂了很長(zhǎng)一段時(shí)間，2020年前后，LCoS再出江湖。 ?

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LCoS結(jié)構(gòu)，液晶器件制作于單晶硅基底上，通過反射光形成圖像。硅基底中集成 CMOS 驅(qū)動(dòng)電路，表面通過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等工藝形成像素電極，在電極上制作定向?qū)?，蓋上覆有 ITO 電極的玻璃，灌入液晶形成 LCoS。液晶體使光的偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而電場(chǎng)中的波動(dòng)則用于控制液晶體的旋轉(zhuǎn)量，這決定了穿過液晶層的光量。換言之就是光源“穿過偏振濾光片到達(dá)設(shè)備上，液晶體充當(dāng)閘門或閥門，控制到達(dá)反光表面的光量。特定像素的晶體接收的電壓越高，晶體允許通過的光量則越多。 ? LCoS不僅可以用于顯示領(lǐng)域，在光通信領(lǐng)域也有一席之地，這也是華為為何切入的原因之一，可重構(gòu)全光交換 (OXC) 系統(tǒng)是現(xiàn)代光纖通信網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，支撐了近10年網(wǎng)絡(luò)容量的高速增長(zhǎng)。波長(zhǎng)選擇開關(guān)（WSS）是OXC系統(tǒng)的核心組成部分。WSS通常具有一個(gè)輸入端口和n個(gè)輸出端口，可以將輸入端口接收到的任意波長(zhǎng)信道切換至任意輸出端口。一個(gè) OXC 系統(tǒng)通常由多個(gè) WSS 配對(duì)級(jí)聯(lián)組成，使光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處可以靈活地調(diào)度各個(gè)波長(zhǎng)信道，讓光纖通信網(wǎng)絡(luò)在波長(zhǎng)級(jí)具有可重構(gòu)性，大幅降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸和運(yùn)營成本。早期 WSS 可以基于純相位型 LCoS 技術(shù)、液晶技術(shù)或者 MEMS 技術(shù)。近年來基于 LCoS 技術(shù)的 WSS 成為業(yè)界的主流選擇。WSS 系統(tǒng)對(duì) LCoS 器件的反射率、衍射效率、瞬時(shí)相位抖動(dòng)和可靠性有極高的要求，目前僅有少數(shù)LCoS 廠商可以支持該應(yīng)用。華為是光通訊霸主，自然也很熟悉LCoS。 ? LCoS 在強(qiáng)光照射下容易產(chǎn)生形變，造成畫面不均勻，同時(shí)強(qiáng)光在 LCoS 芯片內(nèi)來回 2 次，相當(dāng)于將LCoS 的液晶層厚度減半，強(qiáng)光作用也會(huì)降低液晶的壽命。近年來這些問題有所改善，特別是目前汽車的更新?lián)Q代周期大大縮短了，不像以前一輛車開十幾年甚至幾十年，現(xiàn)在年輕人5年就想換車了。 ? 業(yè)界的LCoS供應(yīng)商，主要包含了七家公司：Compound Photonics、Raontech、Syndiant (晶典)、Himax（奇景光電）、Ominivision、4DD（Kopin旗下全資子公司）和Jasper。不過日本一眾大廠索尼、松下、佳能、富士、愛普生都有能力生產(chǎn)LCoS，只不過市場(chǎng)太小，它們看不上。 ? 第一個(gè)推出車載AR HUD用LCoS的是奇景，奇景在此領(lǐng)域研發(fā)超過20年，技術(shù)積累深厚，AR眼鏡領(lǐng)域近乎壟斷，2021年推出相位調(diào)制LCoS，主打雙層（Plane）顯示AR HUD，同時(shí)也可以用于WSS，產(chǎn)能高達(dá)每月30萬片，并計(jì)劃增加到200萬片/月。 ? 國內(nèi)豪威科技在2020年也推出了OP02220。 ?

圖片來源：豪威科技

OP02220目標(biāo)市場(chǎng)主要還是AR眼鏡，LC工作溫度范圍在10℃-70℃之間，集成度很高，集成了幀緩存和驅(qū)動(dòng)，是業(yè)內(nèi)第一款單芯片LCoS顯示。 ? 國內(nèi)市場(chǎng)比較活躍的還有韓國的RANOTECH、上?；坌鲁綄?shí)業(yè)和南京芯視元電子。 ? LCoS最顯著優(yōu)點(diǎn)是高分辨率，高對(duì)比度。受限于工藝復(fù)雜程度，DLP 器件的原生分辨率始終停滯于2K。而 LCoS 器件原生分辨率達(dá)到4K和8K，因此目前主流高端激光投影數(shù)字影院系統(tǒng)均采用 LCoS 技術(shù)。再有就是體積小，LCoS首選目標(biāo)市場(chǎng)都是AR眼鏡，體積自然很小。如果配合光波導(dǎo)，體積可以更小。然后就是成本低，畢竟它是CMOS工藝的，大部分制造工藝類似芯片，量大了成本可以做得很低。 ? LCoS缺點(diǎn)包括亮度低，反射型的器件亮度自然低于穿透型，LED做光源時(shí)這個(gè)缺點(diǎn)比較明顯，最好用激光做光源，但車規(guī)級(jí)激光基本被日亞化學(xué)一家壟斷，特別是綠光，價(jià)格很高。光源是偏振光，不能配合太陽鏡使用。此外還有散斑問題。 ? 最后來看LBS。

圖片來源：Intersil

激光掃描示意圖，LBS由來已久，2010年先鋒就曾將其做成車載HUD，售價(jià)超過5千美元。LBS優(yōu)點(diǎn)是對(duì)比度和亮度超高，陽光下也完全沒問題，是視覺效果最佳的HUD，沒有之一。體積也很小，與LCoS相比差不多，微軟曾經(jīng)有意將LBS用在AR眼鏡上。 ? 缺點(diǎn)就是貴，分辨率難以提高，不過用在HUD上足夠，松下聲稱可以做到4K，但一般是1280*720，分辨率提升會(huì)導(dǎo)致成本暴增。激光光源的散熱也是個(gè)問題，不過還容易解決。對(duì)LBS比較看好的廠家有日本松下、先鋒，中國臺(tái)灣的FIC（大眾電腦）、上海豐寶電子、浙江視鏡傳感科技、美國MicroVision和微軟。 ? 除了上面說的4種，還有兩種鮮為人熟知，即OLEDoS（硅基OLED）和Micro-LED。 ?

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OLEDoS也有叫Micro OLED。結(jié)合CMOS工藝和OLED技術(shù)，以單晶硅作為有源驅(qū)動(dòng)背板而制作的主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極管顯示器件。硅基OLED器件結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)背板和OLED器件兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)背板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制作，形成硅基OLED微顯需要的像素電路、行列驅(qū)動(dòng)電路以及其他的功能電路。在CMOS電路的頂層金屬中通常制作高反射的金屬，作為OLED器件的陽極。OLED器件部分通常包括空穴注入層、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層、半透明的頂電極。在頂電極上制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，接著旋涂透明貼合膠層，貼合玻璃進(jìn)行器件強(qiáng)度保護(hù)。 ? 硅基OLED采用成熟的集成電路CMOS工藝，并結(jié)合了OLED快速響應(yīng)、大視角、低功耗等突出優(yōu)點(diǎn)，不但實(shí)現(xiàn)顯示屏像素的有源尋址矩陣，還實(shí)現(xiàn)了如SRAM存儲(chǔ)器TCON等多種功能的驅(qū)動(dòng)控制電路，減少了器件的外部連線，増加了可靠性，實(shí)現(xiàn)了輕量化，具有自發(fā)光、厚度薄、質(zhì)量輕、視角大、發(fā)光效率高等特性，更容易實(shí)現(xiàn)高PPI (像素密度)、易于攜帶、功耗低等特性，特別適用于AR/VR等近眼顯示設(shè)備。 ? 目前索尼、松下、三星、LGD、TCL、京東方都在此領(lǐng)域發(fā)力，索尼技術(shù)最為優(yōu)秀，處于領(lǐng)先位置，已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品，三星和LGD則緊追不舍。 ? OLEDoS優(yōu)缺點(diǎn)和LCoS接近，不過目前還有對(duì)OLEDoS壽命的質(zhì)疑。

Micro LED是理論上最優(yōu)秀的顯示技術(shù)。Micro LED即LED微縮技術(shù)，是指將傳統(tǒng)LED陣列化、微縮化后定址巨量轉(zhuǎn)移到電路基板上，形成超小間距LED，將毫米級(jí)別的LED長(zhǎng)度進(jìn)一步微縮到微米級(jí)，以達(dá)到超高像素、超高解析率。Micro-LED 在亮度指標(biāo)上，性能明顯高于 OLEDoS，具有較大優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)適用于室內(nèi)與室外場(chǎng)景。Micro-LED像素間距一般小于 10um，微米等級(jí)的間距，每一點(diǎn)像素都能定址控制及單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)光。與其他LED相比，Micro-LED 具有最高的發(fā)光效率和發(fā)光能量密度，且還有提升空間。LCoS 的響應(yīng)速度為毫秒級(jí)別，OLEDoS和Micro-LED 都屬于電流驅(qū)動(dòng)， OLED的響應(yīng)速度為微秒級(jí)別。Micro-LED 的響應(yīng)速度為納秒級(jí)別，更容易滿足VR/AR的要求。Micro-LED 分辨率也很容易達(dá)到4K。

? Micro-LED壽命也更長(zhǎng)，目前主要缺點(diǎn)是技術(shù)成熟度很低特別是全彩化非常困難，不過在車載HUD領(lǐng)域，對(duì)色彩需求很低。技術(shù)成熟度方面，芯片底板、巨量轉(zhuǎn)移、接合、驅(qū)動(dòng)等各個(gè)環(huán)節(jié)都還不成熟，良率很低，最主要廠家意愿不強(qiáng)，因?yàn)槿?、索尼、LG顯示這些巨頭在OLED領(lǐng)域均投入了巨額研發(fā)資金，這些巨頭想將OLED技術(shù)壽命盡量延長(zhǎng)，獲取更多利潤，對(duì)Micro-LED只是關(guān)注，不想真心去做，只要Micro-LED沒有威脅OLED的市場(chǎng)，這些巨頭就不會(huì)真心做Micro-LED，而小公司在量產(chǎn)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)，以至于從2015年喊到現(xiàn)在，Micro-LED沒有太多實(shí)質(zhì)進(jìn)展。 ? HUD大多是選配，標(biāo)配不多，廠家最在乎的還是成本，未來5-10年內(nèi)，恐怕TFT還是主流。LCoS恐怕是過渡技術(shù)，大廠開始在OLEDoS持續(xù)發(fā)力，未來5年很可能取代LCoS，Micro-LED是終極方向，不過可能要等到10年后。DLP成本下降空間小，即使量大也難以降低成本，未來局限在高端。未來LBS將挑戰(zhàn)DLP的高端地位，豪華品牌可能更傾向于LBS。 ? ?

編輯：黃飛

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