德州仪器开发AR挡风玻璃HUD
近年来，HUD在汽车行业中获得了越来越多的关注度以及青睐。从豪华的雷克萨斯（Lexus）到街车MiniCooper，这种技术随处可见。一般来说，在汽车挡风玻璃的下边缘会显示有用的信息，比如车速。半透明的图像不会干扰司机对前方道路的观察，而且它可以让司机在大部分时间里都没有必要低头看仪表盘。
什么是HUD
HUD，即抬头数字显示仪（Heads Up Display），又叫平视显示系统，它可以把重要的信息，映射在风窗玻璃上的全息半镜上，使驾驶员不必低头，就能看清重要的信息。
这种显示系统，原是军用战斗机上的显示系统，飞行员不必低头，就能在风窗上看到所需的重要信息。目前，一些高级汽车把它移植到汽车上来。随着AR技术的出现，HUD成为汽车行业中的新一项重大发明，如今，该技术得到了汽车制造商和一级供应商的关注，进入到积极开发AR挡风玻璃HUD的阶段
按照显示屏的不同，HUD可分为CHUD （Combiner HUD 组合型）和WHUD（Windshield HUD 挡风玻璃HUD）。CHUD显示屏为放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃，一般会根据成像条件对这块玻璃进行特殊处理，通常做成楔形来避免玻璃两面的反射重影,可以有效控制成本，提高显示效果。
但CHUD置于仪表上方，在车辆碰撞时会对驾驶员产生二次伤害，不利于车内安全。而WHUD显示屏直接使用汽车的挡风玻璃，显示效果更为一体化，也有助于造型布置。但由于挡风玻璃一般为曲面玻璃，因此WHUD一定要根据挡风玻璃的尺寸和曲率去适配高精度非球面反射镜，这也直接导致了WHUD成本的升高。
德州仪器开发的芯片
目前运用在HUD上的投影技术，主要有LCD投影、DLP投影、激光扫描投影、LCOS投影等技术。这其中的DLP投影即DLP（Digital Light Processing）数字光处理技术，是美国TI（Texas Insturuments德州仪器）公司的专利技术，通过集成了数十万个超微型镜片的DMD（数字微镜芯片）可以将强光源经过数字反射后投影出来。
LP投影技术亮度高、分辨率高、成像逼真，目前较多的前装HUD均采用此种技术，德州仪器公司也一直在汽车行业推广DLP。不过，由于DLP投影的是整个平面，为了提升显示效果需要针对不同的挡风玻璃，定制高精度的反射非球面镜，这也直接导致了DLP HUD成本的提高。
真正的增强现实AR-HUD
真正的增强现实显示需要有至少10度的宽视场（FOV）以及7.5米或更大的虚拟图像距离（VID）。FOV表示以度为单位的显示大小，而VID表示图像投影的距离。在汽车HUD中，VID表示图像出现在道路上的距离。AR技术背后的理念是在现实世界之上叠加数字信息，增强驾驶员对当下情景的了解并改善其驾驶体验。FOV越大，虚拟图像距离越长，显示的效果也就越好。
长时间以来，设计AR显示面临的两项最大挑战是亮度和太阳能负载的问题。AR显示需要尽可能宽和亮，这就需要成像仪发出大量光。驾驶员还需要尽可能远地将图像投射到道路上。当今的HUD可达到的FOV为7到8度或更小，并且可以在前方2.0到2.5米的道路上“投射”图像。这些图像看起来像漂浮在汽车的引擎盖上。人们希望通过AR HUD使图像投射到更远的地方，使图像真正做到增强并与驾驶员的视野互动。
为了延长虚拟图像的距离，设计放大倍数为25到30倍的系统已屡见不鲜，但这样的设计弊端是太阳能负载（即太阳能）集中于HUD成像仪面板上极小块区域时会产生过大负荷热量。这种高倍数放大会将成像仪面板移向距离HUD光学器件焦点更近的地方，从而提高单位面积太阳能的集中度。
得益于德州仪器的DLP技术，这种技术要先把影像讯号经过数字处理，然后再把光投影出来。DLP技术最核心的器件叫DMD芯片，即数字微镜元件，它是在CMOS的标准半导体制程上，加上一个可以调变反射面的旋转机构形成的器件。DMD也被称作光学的调制器，它能调制光线的方向。IC的数字电流是用0和1信号控制开和关，DMD镜片控制光线的开和关对应着不同的反射角度。
最初，这项技术应用在数字投影中，德州仪器与好莱坞探讨推出了数字影院的放映机，这对数字电影的发展起到了巨大推动的作用，电影行业因此从胶片过渡到了数字时代。如今，德州仪器在全球影院市场的占有率高达85％，而中国市场超过90％的影院都是采用DLP数字源放映机。
回归到汽车的话题上，德州仪器针对车载抬头显示（HUD）系统推出了DLP3030-Q1芯片组以及配套的评估模块（EVM），可帮助汽车制造商和一级供应商将高亮度的动态增强现实（AR）内容显示到挡风玻璃上，从而将关键信息呈现于驾驶员的视线范围内。设计人员可以利用车规认证的DLP3030－Q1芯片组来开发可投射7．5米或更远的虚拟图像距离（VID）的AR HUD系统。
DLP技术的独特架构使HUD系统能够承受投射远VID时伴随的强烈的太阳光负荷（最高温度达105摄氏度），从而实现这一目标。增强的VID和在宽视场（FOV）中显示图像的能力相结合，使设计人员能够灵活地创建具有增强景深的AR HUD系统，以实现交互式而非分散的信息娱乐和仪表组系统。
DMD的工作原理及其优势
从原理上看，DLP技术是以一种微机电元件为基础，称为数字微型反射镜元件（Digital Micromirror Device，简称DMD）。DLP芯片由高达800万独立微镜组成，通过光学方式成像。据德州仪器介绍，DLP产品的第一个专利是由该公司的Larry Hornbeck博士在1987年提交和发明的。
其次，DMD微芯片上面包含数量庞大的超小型数字光开关，它们是面积非常小（14微米）、外观为四方型、并由铝金属制程的绞接式反射镜，可以接受电子讯号代表的资料字节，然后产生光学字节输出。
经历近十年的发展推进，到了1996年，第一个商用的DLP系统正式出货，当时推出的产品数字化投影机。
之后产品就被广泛应用到会议室、家庭和教室等环境。三年后，采用DLP技术放映机放了全球第一部数字化的电影《星球大战前传》。为了进一步推进DLP技术在多方面的应用，2012年，德州仪器成立了一个新的事业部，推动DLP技术在工业和传感方向的应用，紧接着发布车规级别的DLP芯片。
从2013年推出了车规级DLP芯片以后，德州仪器就密锣紧鼓地将这个产品推进到主机厂。得益于其优势，就有车厂将这个技术应用到HUD里面。还有一些开发者把DLP技术应用到智能大灯开发项目中。具体做法就是把DLP技术集成在大灯系统里，然后把车载的信息、导航信息、图像等投射在路面上，更直观地获得相关信息。车灯甚至能检测到斑马线，主动的降低车速，礼让行人。更厉害的甚至可以允许车辆与行人进行“沟通”。可以说DLP技术从各个方面给整个驾驶安全带来很大的帮助。
HUD带来的全新视觉
驾驶员总会遇到令人分神的事情，将注意力时刻集中在路面情况上，而非速度表、收音机或是燃油表上，是很有帮助的。随着科学技术的进步，汽车抬头显示（HUD）系统已逐渐成为提高驾驶员注意力的重要工具。
全新HUD2.0借助于高达12度的更大FOV以及更长的虚拟图像距离(VID)，让驾驶员能够看到单条车道以外的交通情况。同时，从一个小型的辅助显示器升级为一个大型的主显示屏也意味着提高图形质量的重要性，以及变化光照条件下恒定可读性的重要性。此外，FOV和VID的增加与提高也对于亮度和功效提出了更高的要求。这正是德州仪器DLP?技术的切入点——它提供一流的图像质量、出色的亮度和灵活的开发选项。
更广阔的FOV和高亮度可以为驾驶员提供易于观察的图像。为了确保变化光照条件下的可读性，这个HUD应该能够产生出一个介于15,000和30,000 cd/m2 之间的虚拟图像，以便为一系列不同的路面情况和光照亮度条件提供合适的对比度。
为了在尽可能降低能耗的同时实现较大的FOV和高亮度，我们需要一个高效的成像器。DLP 0.3英寸 WVGA Type A100数字微镜器件(DMD)的效率高于66%，并且使用直射式RGB LED，实现有着丰富色彩饱和度的成像。
HUD正在成为车辆人机界面策略的重要部分，在技术被越来越深度的整合进驾驶体验中时就更是如此。随着HUD从小型辅助显示转变为大型主显示屏，用户对于图像质量、可读性和可靠性的要求也在不断提升。HUD设计人员所面临的挑战就是如何满足这些全新要求，同时面对传统车辆环境条件所带来的问题。DLP技术已经在可靠性和灵活性方面建立口碑，接下来，DLP技术将致力于成为下一代HUD系统开发的强大组件。
编辑：ls 最后修改时间：2023-03-27
