車載抬頭顯示HUD投影技術(shù)及光學(xué)元件分析
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車載抬頭顯示(HUD)的光學(xué)元件是構(gòu)成HUD系統(tǒng)的重要組成部分,它們負(fù)責(zé)將圖像生成單元(PGU)產(chǎn)生的圖像通過光學(xué)手段投射到駕駛員前方的透明介質(zhì)(如擋風(fēng)玻璃)上。
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HUD本質(zhì)上是一個光學(xué)器件,其工作原理與投影儀基本相同,就是將需要顯示的信息投影到駕駛員前方的透明介質(zhì)上。HUD主要由圖像生成單元(PGU)和光學(xué)顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成,圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像,光學(xué)顯示系統(tǒng)用于顯示圖像。
一、圖像生成單元(PGU)
圖像生成單元PGU(Picture Generation Unit)是HUD最核心的部件,占HUD總成本的50%左右。圖像生成單元的作用是生成HUD輸出圖像,由光源、光學(xué)膜片和其它光學(xué)組件構(gòu)成。
PGU作為HUD的核心技術(shù)壁壘,其技術(shù)路線的選擇直接決定未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線,具體可分為TFT-LCD、DLP和MEMS激光投影三種技術(shù)。不同的技術(shù)路線,其光源和光學(xué)組件都完全不同。
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1.薄膜晶體管液晶顯示屏技術(shù)TFT-LCD
TFT-LCD是液晶顯示器(LCD)技術(shù)的一種,它結(jié)合了薄膜晶體管(TFT)與液晶顯示技術(shù),以提供高質(zhì)量的圖像顯示。TFT-LCD技術(shù)通過在兩片玻璃基板之間夾一層液晶材料,并利用薄膜晶體管(TFT)作為開關(guān)元件來控制每個像素點(diǎn)的透光性,從而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。TFT-LCD具有高分辨率、高對比度、快速響應(yīng)時間和豐富的色彩表現(xiàn)能力,是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的顯示技術(shù)之一。
構(gòu)成及原理
TFT-LCD屏主要由兩片玻璃基板、液晶層、彩色濾光片、偏光片、TFT陣列等部分組成。上層的玻璃基板附有彩色濾光片,用于生成紅、綠、藍(lán)三原色;下層的玻璃基板則鑲嵌有TFT陣列,用于控制每個像素點(diǎn)的透光性。
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工作原理:當(dāng)電流通過TFT的柵極時,會在溝道區(qū)域形成導(dǎo)電通道,從而允許源極和漏極之間的電流流動。這個電流的大小可以控制液晶分子的排列方向,進(jìn)而改變通過液晶層的光線的偏振狀態(tài)。偏光片則用于將偏振光轉(zhuǎn)化為可視光線,形成圖像。
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TFT-LCD可以做到高分辨率、高對比度、快速響應(yīng)、色彩豐富、低功耗與長壽命、安全無輻射、無閃爍且易于回收,市場技術(shù)成熟、成本低,是目前HUD的主流技術(shù)路線。
2. 數(shù)字光處理技術(shù)DLP
DLP投影是一種以數(shù)字微鏡元件(DMD,Digital Micromirror Device)的數(shù)字光處理技術(shù),該技術(shù)由美國德州儀器(TI)公司開發(fā),通過將影像信號進(jìn)行數(shù)字處理后,再利用DMD芯片將光投影出來,實(shí)現(xiàn)可視數(shù)字信息顯示。
(DLP投影儀,圖源網(wǎng)絡(luò),侵刪)
工作原理
DLP的采用UHP燈泡作為光源,發(fā)射出冷光源,通過冷凝透鏡和光管(Rod)將光線均勻化,然后經(jīng)過一個色輪(Color Wheel)將光分成RGB三色(或更多色)實(shí)現(xiàn)光處理,經(jīng)過處理后的光線投射到DMD芯片上實(shí)現(xiàn)反射,DMD芯片由集成數(shù)十萬個超微型鏡片組成,每個鏡片代表一個像素,能夠獨(dú)立控制光線的開關(guān)。在數(shù)字驅(qū)動信號的控制下,微鏡片能夠迅速改變角度,從而反射或吸收光線。反射出的光線通過投影透鏡投射到屏幕上,形成圖像。在單片DLP投影儀中,色輪順序旋轉(zhuǎn),使得紅、綠、藍(lán)光依次投射到DMD芯片上,再通過人眼的視覺暫留效應(yīng)形成全彩色圖像。而在三片DLP投影儀中,則使用棱鏡將白光分成紅、綠、藍(lán)三色光,分別投射到三個DMD芯片上,再經(jīng)過合成形成全彩色圖像。
DLP技術(shù)的優(yōu)勢包括熱效應(yīng)不嚴(yán)重,及圖像明亮度、顏色飽和度等表現(xiàn)較佳。
DLP技術(shù)的劣勢有圖像對位、清晰度、銳度、重影、失真等問題,以及成本相對較高。
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3.激光掃描技術(shù)MEMS
激光掃描技術(shù)MEMS投影是一種結(jié)合了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與激光掃描技術(shù)的投影顯示方案,MEMS技術(shù)使用具有較高功率的紅、綠、藍(lán)(三基色)單色激光器為光源,激光經(jīng)相應(yīng)的光學(xué)元件和處理芯片的整合與掃描后投射在顯示屏上。
組成結(jié)構(gòu)及工作原理
激光掃描技術(shù)MEMS投影系統(tǒng)由激光模組、MEMS微鏡、驅(qū)動電路、圖像處理控制電路幾個部分組成,激光模組包括紅、綠、藍(lán)(RGB)三基色激光管,通過內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生顏色光強(qiáng)可變且具有高度空間相關(guān)性的單像素點(diǎn)激光束;MEMS微鏡則是利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作的小尺寸反射鏡,通過電流或電壓控制實(shí)現(xiàn)快速掃描;驅(qū)動電路為MEMS微鏡提供驅(qū)動信號,控制其掃描軌跡和速度;圖像處理控制電路負(fù)責(zé)接收并處理圖像信號,將其轉(zhuǎn)換為控制MEMS微鏡運(yùn)動的指令。
激光掃描技術(shù)MEMS投影的基本工作原理是利用MEMS微鏡掃描結(jié)合RGB激光束的光強(qiáng)調(diào)制來成像。具體來說,激光器產(chǎn)生的激光束被引入MEMS系統(tǒng),通過控制微鏡片的位置和角度,實(shí)現(xiàn)對激光束的反射和折射,從而控制激光束的方向和大小,最終將圖像投射到投影屏幕上。激光掃描技術(shù)MEMS投影具有色彩豐富、無需聚焦、體積小、功耗低、高分辨率等優(yōu)勢,在汽車抬頭顯示HUD上能夠?qū)⑿旭偹俣?、?dǎo)航信息等直接投射在駕駛員視線前方的擋風(fēng)玻璃上,提高駕駛安全性和便利性。
MEMS方案存在問題:n激光二極管不耐高溫,暫無法滿足車載高溫工作環(huán)境要求;n激光二極管目前價格昂貴,相對使用其它投影技術(shù)無成本優(yōu)勢;
二、HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)
HUD光學(xué)顯示系統(tǒng)一般包括反射鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元與前擋風(fēng)玻璃。
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反射鏡:反射鏡是HUD光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,它負(fù)責(zé)將PGU產(chǎn)生的圖像光線進(jìn)行反射,進(jìn)而投射到擋風(fēng)玻璃上。反射鏡的設(shè)計(jì)需要考慮到光線的折射和反射角度,以確保圖像能夠準(zhǔn)確、清晰地呈現(xiàn)在駕駛員的視線范圍內(nèi)。
調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元:這些組件用于調(diào)整反射鏡的角度和位置,以適應(yīng)不同駕駛環(huán)境和駕駛員的視線需求??刂茊卧ㄟ^接收車輛數(shù)據(jù)總線傳來的信息,如車速、導(dǎo)航等,來控制調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動,從而實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)投射。
前擋風(fēng)玻璃:在汽車HUD系統(tǒng)中,前擋風(fēng)玻璃不僅是車輛的結(jié)構(gòu)部件,還充當(dāng)了顯示屏幕的角色。HUD圖像通過反射鏡投射到擋風(fēng)玻璃上,形成虛像供駕駛員觀看。為了消除重影和提高成像質(zhì)量,擋風(fēng)玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如PVB夾層的楔形設(shè)計(jì))和表面處理(如附加反射膜層)都至關(guān)重要。
HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)工作原理基于光學(xué)反射和折射原理。具體來說,圖像生成單元(PGU)首先產(chǎn)生包含所需信息的圖像光線,這些光線經(jīng)過反射鏡的反射和調(diào)節(jié)后,被投射到前擋風(fēng)玻璃上。擋風(fēng)玻璃作為顯示屏幕,將光線進(jìn)一步折射和反射后進(jìn)入駕駛員的眼睛,從而在駕駛員的視線前方形成虛像。這個虛像位于駕駛員視線的前方一定距離處(通常為2-2.5米),感覺就像信息懸浮在前方道路上一樣。
HUD光學(xué)元件的發(fā)展趨勢
隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,HUD技術(shù)也在不斷進(jìn)步和完善。未來HUD光學(xué)元件的發(fā)展趨勢可能包括以下幾個方面:
更高精度和更低成本的反射鏡制造技術(shù):通過新材料和新工藝的應(yīng)用,提高反射鏡的制造精度并降低成本。
更先進(jìn)的擋風(fēng)玻璃處理技術(shù):開發(fā)更加高效和環(huán)保的擋風(fēng)玻璃處理技術(shù),提高HUD的顯示效果并降低對駕駛員視線的影響。
更緊湊和高效的光學(xué)透鏡組設(shè)計(jì):通過優(yōu)化透鏡組的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)更緊湊的HUD系統(tǒng)并提高成像質(zhì)量。
光波導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用:隨著光波導(dǎo)技術(shù)的不斷成熟和完善,未來將有更多車型采用基于光波導(dǎo)技術(shù)的HUD系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更廣的視場角和更豐富的信息顯示功能。
未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善這些光學(xué)元件的性能和成本將得到進(jìn)一步優(yōu)化以滿足消費(fèi)者對智能化和網(wǎng)聯(lián)化汽車的需求。