水晶技术之车载光电系列 | HUD中的光学器件（上篇）

引言

在上一篇文章中，我们从HUD的起源、技术原理等方面为大家简单介绍了HUD，想必大家已经对HUD有了一个初步的认识。大家一定有个疑问：如此受欢迎的HUD技术，都是通过哪些元器件来实现图像的投影的呢？本期文章我们将为大家介绍HUD中都有哪些关键的光学元器件，以及它们在HUD光学系统中所起到的作用。

技术简介

之前已经为大家介绍过HUD的两大关键部分：图像生成单元PGU(Picture Generation Unit)和光学投影单元。下面将从这两大部分入手，聊一聊每个部分都由哪些光学元器件所组成。

图像生成单元，包含光源、透镜、膜片等光学元件，可以生成高亮度的图像信息。目前应用于 PGU的技术包括 TFT-LCD、DLP、LCOS等多种技术。而根据不同的PGU技术，所应用到的光学元器件也有所不同。

基于TFT-LCD的图像生成单元

基于TFT-LCD的图像生成单元，主要由LED、光棒、菲涅尔透镜、扩散膜、TFT屏幕等光学元器件组成。

图1  TFT-LCD背光基本结构

LED又称发光二极管，具有寿命长、光效高、无辐射、低功耗、可以在低温下工作、可抗击冲击和振动、定向发光体积小等特点。LED一般需要考虑光通量、光照度、发光强度、光效、显色指数、色温等指标，尤其对于色温而言，光源色温不同，光色也不同：色温在 3000K 以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000K-5000K 为中间色温，有爽快的感觉；色温在 5000K 以上有冷的感觉，而HUD一般要求色温在6500K以上。由于LED在工作过程中，仅有10%~40%的电能转换成光能，其余电能几乎都转换成热能，使得LED温度升高，因此，需要采取有效的热管理措施来确保LED的稳定性和可靠性。因此，LED的选型对最终HUD的成像效果和显示的稳定性至关重要。

光棒是背光模组中重要的匀光器件之一。光棒是由4块梯形侧板依次连接形成为一端开口大于另一端开口的空心棱台型结构件，开口小的一端为入光端，与LED连接，开口大的一端为出光端，与TFT屏幕等组件连接。其作用为对LED灯发出的光线进行汇聚和导向，在将光线收缩至光路设计需要角度内的同时使光扩散面积增大。光棒内表面会镀一层高反射率的膜层，光线能够在结构内发生多次反射，使光源出射的光线更加均匀和柔和。

图3  光棒示意图

菲涅尔透镜的作用是将LED发出的光和光棒反射的光进一步压缩及匀光，从而提高背光的光学效率。菲涅尔透镜多是由PC材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面为由小到大的同心圆。相比于普通的球面透镜，菲涅尔透镜具有体积更小、重量更轻，口径更大，且成本比普通的凸透镜低很多的优势。

图4  菲涅尔透镜示意图

扩散膜(Diffuser)，其作用是将光线打散，形成二次光源，消除LED影像，形成均匀照明。根据光学设计原理和制造工艺，可将扩散膜分为两种类型，即涂布粒子型与微透镜阵列型。目前在LCD背光光源中应用较为广泛的是涂布粒子型扩散膜。它具有透光率高、雾度调节范围大、外观质量好、生产规模大、成品率高等优点，也是目前扩散膜的主要生产工艺。涂布粒子型扩散膜的扩散涂层是粒子分散在胶层中，胶层黏附在聚酯薄膜表面，大小混配的粒子是扩散的主要介质。扩散粒子多数为球状，其功能类似于凸透镜，光线在经过这些粒子时被聚焦到一定的出射角度内，从而达到增强出射光亮度的功能。此外，扩散层中粒径大小不同的粒子也保证了光线不会从扩散膜中直射出去，从而起到了雾化效果。

图5  扩散膜结构示意图

TFT-LCD即薄膜场效应晶体管，其原理就是LCD屏幕在背光照射下，通过每个像素点后的薄膜晶体管控制液晶分子的旋转，以调整光线的明暗。然后，通过RGB滤色片，这些光线被转化为丰富多彩的图像。目前用于HUD中的车规级TFT屏幕尺寸主要包括1.8英寸、3.1英寸、4.1英寸及5.1英寸这几种，屏幕尺寸越大，HUD所支持的视场角越大，分辨率也越高，图像越清晰。

图6   TFT显示原理

基于DLP技术的图像生成单元

以上介绍的是TFT-LCD背光技术中所用到的光学元器件，也是目前HUD中应用最广泛的一种技术。除此之外，还有基于DLP技术的图像生成单元，其关键的元件为数字微镜芯片（DMD）。DMD芯片上集成了数百万个微型镜片，能精确控制光源发出的光线，并通过投影镜头在扩散片上形成图像。DLP技术因其高分辨率、高亮度和出色的成像效果，深受豪华品牌车型的青睐。然而，其复杂的光学结构和较高的设计成本也限制了其广泛应用。

 图7    DMD芯片示意图        

图8  DLP技术示意图

基于LCOS技术的图像生成单元

另一种图像生成技术为LCOS技术，全称为Liquid Crystal On Silicon，即硅基液晶投影技术，其关键的光学元器件为LCOS芯片。它用了一种特殊的CMOS集成电路芯片，芯片上涂有液晶硅。通过利用液晶的光学特性和硅芯片的电学特性，LCOS能够精确控制光的传播方向和强度，从而生成清晰、生动的图像。LCOS技术的优势在于高分辨率、更广的色域和出色的对比度。

图9    豪威科技推出的1080P LCOS 微显示芯片    

  

图10   LCOS原理图