全面解析AR HUD的技术路线

AR HUD目前常见的有三种技术，分别是TFT、DLP和LCoS，新兴的也有三种，分别是基于LBS的MEMS、硅上OLED即OLEDoS和Micro LED。  

图表来源：公开信息整理

普通的HUD的采购价大约1000-1500元人民币，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图像生成单元和自由曲面反射镜，大型的HUD厂家都源自汽车仪表领域，上游布局完整，能够自己生产PGU和自由曲面反射镜，自由曲面反射镜生产门槛很高，需要十万级无尘室和精密光学镀膜经验。这只有日本精机、大陆汽车这一级别的厂家才能完成。AR HUD的出现导致HUD的软件复杂度飞增，同时也要考虑定位、传感器融合和ADAS，因此产业出现了细分，一部分专精软件的HUD企业出现，另一部分原光学领域的企业进入，专门生产PGU和自由曲面反射镜，产业链拉长了。软件企业还在进一步细分，一部分专精HMI人机交互的设计，另一部分专精和仪表乃至ADAS系统的联合工作。国内舜宇最早从事自由曲面反射镜研究，应该是国内做得最好的。

HUD的技术路线，实际应该是PGU的技术路线，但PGU并非HUD的全部，其他部分也能影响HUD的性能和成本。

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TFT最大缺点是分辨率低，不可能显示复杂图案，对比度和亮度也最低，阳光下看不清，其他缺点还有光线为偏振光，不能带太阳镜，再有就是投影面积越大，阳光倒灌就越强，温度上升快，如果不做处理，几分钟PGU就烧了，减少进光量是最基本解决办法，但这意味着出光量也少了，对比度和亮度表现更差。再有就是用采用 3M、BrightView的光学膜片减少反射。TFT优点是成本低，技术成熟。TFT-LCD供应商主要是日本京瓷和JDI，国内则有信利和天马。  

图片来源：互联网

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DLP的缺点是需要平行光源，体积太大，奔驰S级用的AR HUD为了达到最佳效果，整个系统高达27L，国内广汽传祺的二代GS8是14.5L，只有很大的车型才能允许这么大的体积。这个用光波导可以大幅度缩小体积，不过相对其他路线，体积还是略高。再有就是成本高。优点是可靠性高，不用担心阳光倒灌。不使用偏振光，不用担心太阳镜问题，支持光波导和全息技术，对比度和亮度都不错。VID虚拟景象距离可以超过7.5米，比较适合做两片或多片图像。FOV也比较宽。  

奔驰S级上的DLP ARHUD。图片来源：奔驰

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LCoS近期比较活跃，LCoS不是什么新技术，早在上世纪90年代就已经出现，2012年前后成为AR眼镜的最佳技术，谷歌为此一度收购了中国台湾省的奇景光电的部分股份，不过AR眼镜始终无法打开市场，关键原因是眼镜不能太重，因此，散热、续航成了AR眼镜的死穴，时至今日也无法解决。自2014年后LCoS沉寂了很长一段时间，2020年前后，LCoS再出江湖。  

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LCoS结构，液晶器件制作于单晶硅基底上，通过反射光形成图像。硅基底中集成 CMOS 驱动电路，表面通过化学机械抛光（CMP）等工艺形成像素电极，在电极上制作定向层，盖上覆有 ITO 电极的玻璃，灌入液晶形成 LCoS。液晶体使光的偏振发生旋转，而电场中的波动则用于控制液晶体的旋转量，这决定了穿过液晶层的光量。换言之就是光源“穿过偏振滤光片到达设备上，液晶体充当闸门或阀门，控制到达反光表面的光量。特定像素的晶体接收的电压越高，晶体允许通过的光量则越多。   LCoS不仅可以用于显示领域，在光通信领域也有一席之地，这也是华为为何切入的原因之一，可重构全光交换 (OXC) 系统是现代光纤通信网络的核心组成部分，支撑了近10年网络容量的高速增长。波长选择开关（WSS）是OXC系统的核心组成部分。WSS通常具有一个输入端口和n个输出端口，可以将输入端口接收到的任意波长信道切换至任意输出端口。一个 OXC 系统通常由多个 WSS 配对级联组成，使光纤网络运营商在网络节点处可以灵活地调度各个波长信道，让光纤通信网络在波长级具有可重构性，大幅降低了网络的传输和运营成本。早期 WSS 可以基于纯相位型 LCoS 技术、液晶技术或者 MEMS 技术。近年来基于 LCoS 技术的 WSS 成为业界的主流选择。WSS 系统对 LCoS 器件的反射率、衍射效率、瞬时相位抖动和可靠性有极高的要求，目前仅有少数LCoS 厂商可以支持该应用。华为是光通讯霸主，自然也很熟悉LCoS。   LCoS 在强光照射下容易产生形变，造成画面不均匀，同时强光在 LCoS 芯片内来回 2 次，相当于将LCoS 的液晶层厚度减半，强光作用也会降低液晶的寿命。近年来这些问题有所改善，特别是目前汽车的更新换代周期大大缩短了，不像以前一辆车开十几年甚至几十年，现在年轻人5年就想换车了。   业界的LCoS供应商，主要包含了七家公司：Compound Photonics、Raontech、Syndiant (晶典)、Himax（奇景光電）、Ominivision、4DD（Kopin旗下全资子公司）和Jasper。不过日本一众大厂索尼、松下、佳能、富士、爱普生都有能力生产LCoS，只不过市场太小，它们看不上。   第一个推出车载AR HUD用LCoS的是奇景，奇景在此领域研发超过20年，技术积累深厚，AR眼镜领域近乎垄断，2021年推出相位调制LCoS，主打双层（Plane）显示AR HUD，同时也可以用于WSS，产能高达每月30万片，并计划增加到200万片/月。   国内豪威科技在2020年也推出了OP02220。  

图片来源：豪威科技

OP02220目标市场主要还是AR眼镜，LC工作温度范围在10℃-70℃之间，集成度很高，集成了帧缓存和驱动，是业内第一款单芯片LCoS显示。   国内市场比较活跃的还有韩国的RANOTECH、上海慧新辰实业和南京芯视元电子。   LCoS最显著优点是高分辨率，高对比度。受限于工艺复杂程度，DLP 器件的原生分辨率始终停滞于2K。而 LCoS 器件原生分辨率达到4K和8K，因此目前主流高端激光投影数字影院系统均采用 LCoS 技术。再有就是体积小，LCoS首选目标市场都是AR眼镜，体积自然很小。如果配合光波导，体积可以更小。然后就是成本低，毕竟它是CMOS工艺的，大部分制造工艺类似芯片，量大了成本可以做得很低。   LCoS缺点包括亮度低，反射型的器件亮度自然低于穿透型，LED做光源时这个缺点比较明显，最好用激光做光源，但车规级激光基本被日亚化学一家垄断，特别是绿光，价格很高。光源是偏振光，不能配合太阳镜使用。此外还有散斑问题。   最后来看LBS。

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激光扫描示意图，LBS由来已久，2010年先锋就曾将其做成车载HUD，售价超过5千美元。LBS优点是对比度和亮度超高，阳光下也完全没问题，是视觉效果最佳的HUD，没有之一。体积也很小，与LCoS相比差不多，微软曾经有意将LBS用在AR眼镜上。   缺点就是贵，分辨率难以提高，不过用在HUD上足够，松下声称可以做到4K，但一般是1280*720，分辨率提升会导致成本暴增。激光光源的散热也是个问题，不过还容易解决。对LBS比较看好的厂家有日本松下、先锋，中国台湾的FIC（大众电脑）、上海丰宝电子、浙江视镜传感科技、美国MicroVision和微软。   除了上面说的4种，还有两种鲜为人熟知，即OLEDoS（硅基OLED）和Micro-LED。  

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OLEDoS也有叫Micro OLED。结合CMOS工艺和OLED技术，以单晶硅作为有源驱动背板而制作的主动式有机发光二极管显示器件。硅基OLED器件结构包括驱动背板和OLED器件两个部分。驱动背板应用标准的CMOS工艺制作，形成硅基OLED微显需要的像素电路、行列驱动电路以及其他的功能电路。在CMOS电路的顶层金属中通常制作高反射的金属，作为OLED器件的阳极。OLED器件部分通常包括空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层、半透明的顶电极。在顶电极上制作薄膜封装层，用于阻隔水氧，接着旋涂透明贴合胶层，贴合玻璃进行器件强度保护。   硅基OLED采用成熟的集成电路CMOS工艺，并结合了OLED快速响应、大视角、低功耗等突出优点，不但实现显示屏像素的有源寻址矩阵，还实现了如SRAM存储器TCON等多种功能的驱动控制电路，减少了器件的外部连线，増加了可靠性，实现了轻量化，具有自发光、厚度薄、质量轻、视角大、发光效率高等特性，更容易实现高PPI (像素密度)、易于携带、功耗低等特性，特别适用于AR/VR等近眼显示设备。   目前索尼、松下、三星、LGD、TCL、京东方都在此领域发力，索尼技术最为优秀，处于领先位置，已经有商业化产品，三星和LGD则紧追不舍。   OLEDoS优缺点和LCoS接近，不过目前还有对OLEDoS寿命的质疑。

Micro LED是理论上最优秀的显示技术。Micro LED即LED微缩技术，是指将传统LED阵列化、微缩化后定址巨量转移到电路基板上，形成超小间距LED，将毫米级别的LED长度进一步微缩到微米级，以达到超高像素、超高解析率。Micro-LED 在亮度指标上，性能明显高于 OLEDoS，具有较大优势，可同时适用于室内与室外场景。Micro-LED像素间距一般小于 10um，微米等级的间距，每一点像素都能定址控制及单点驱动发光。与其他LED相比，Micro-LED 具有最高的发光效率和发光能量密度，且还有提升空间。LCoS 的响应速度为毫秒级别，OLEDoS和Micro-LED 都属于电流驱动， OLED的响应速度为微秒级别。Micro-LED 的响应速度为纳秒级别，更容易满足VR/AR的要求。Micro-LED 分辨率也很容易达到4K。

  Micro-LED寿命也更长，目前主要缺点是技术成熟度很低特别是全彩化非常困难，不过在车载HUD领域，对色彩需求很低。技术成熟度方面，芯片底板、巨量转移、接合、驱动等各个环节都还不成熟，良率很低，最主要厂家意愿不强，因为三星、索尼、LG显示这些巨头在OLED领域均投入了巨额研发资金，这些巨头想将OLED技术寿命尽量延长，获取更多利润，对Micro-LED只是关注，不想真心去做，只要Micro-LED没有威胁OLED的市场，这些巨头就不会真心做Micro-LED，而小公司在量产方面缺乏经验，以至于从2015年喊到现在，Micro-LED没有太多实质进展。   HUD大多是选配，标配不多，厂家最在乎的还是成本，未来5-10年内，恐怕TFT还是主流。LCoS恐怕是过渡技术，大厂开始在OLEDoS持续发力，未来5年很可能取代LCoS，Micro-LED是终极方向，不过可能要等到10年后。DLP成本下降空间小，即使量大也难以降低成本，未来局限在高端。未来LBS将挑战DLP的高端地位，豪华品牌可能更倾向于LBS。    

编辑：黄飞