3D 车载抬头显示器 (HUD) 推动汽车行业的进步
有许多基于光子学的技术将会彻底改变未来的驾驶体验，3D 车载抬头显示器 (HUD) 就是其中之一。
2024 年 9 月 25 日，作者：Coherent 高意
随着汽车行业不断发展，集成先进技术成为了提升安全性、便利性和总体驾驶体验的关键。备受关注的其中一项此类创新是 3D 车载抬头显示器 (HUD)。3D HUD 结合了光子学、光学和激光技术，代表了车载显示系统的先进水平。在这篇文章中，我们将了解 HUD 的工作原理、HUD 是如何制造的，以及可能影响其发展的未来趋势。
车载抬头显示器基础知识
3D HUD 是一种增强现实 (AR) 显示器，可将关键信息投影到驾驶员的视野范围内，使他们能够在读取信息的同时眼睛仍然关注路面状况。汽车 HUD 类似于头戴 AR 显示器，但有一个非常明显的区别。HUD 不需要观看者配戴眼镜，而是将汽车挡风玻璃作为“眼镜”，将显示器输出与现实世界视图相结合。
因此，HUD 输出显示为似乎浮在驾驶员视线范围内的“虚拟屏幕”，通常位于挡风玻璃前面几英尺（一两米）处。将 HUD 输出集成到现实世界视图可减少驾驶员分心，因为他们不再需要为了读取仪表板显示器上的信息而将目光移离路面。
显示引擎会创建图像，再利用各种透镜和/或反射镜将图像投影到挡风玻璃中的集成组合器上。这样，驾驶员就能通过挡风玻璃看到反射的投影显示叠加在自己的正常视图上。
光子学：HUD 的核心
光子学是关于光发生、光操控和光接受的科学，是 HUD 功能的核心。HUD 中的关键光子元件包括：
激光二极管和 LED 是主要光源。尤其是激光二极管，它们由于亮度高、效率高和体积小巧而受到青睐，可帮助打造高分辨率显示器。通过结合使用红光、绿光和蓝光激光二极管，就能打造出宽色域、高亮度的全彩显示器。 |
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这些光学结构用于将光从光源引导到显示器表面。先进的材料和制造技术可最大限度降低光损耗并确保良好的图像质量。 |
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这些器件包括透镜和反射镜，其作用是操控光以创建所需的图像。衍射光学元件 (DOE) 常用于实现精确的光塑形和光转向。 |
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光束转向 |
微机电系统 (MEMS) 反射镜等固态光束转向机构可实现精确的激光束控制，从而创建动态的高分辨率图像。 |
光学器件：塑造视觉体验
对于将 HUD 图像投影到挡风玻璃上（再投影到驾驶员的眼里），同时保持图像的清晰度和聚焦度，多种其他光学元件也发挥着关键作用。这些光学元件包括：
投影镜头 |
这些透镜可放大光源产生的图像，以驾驶员可轻松读取的大小将图像投影到挡风玻璃上。 |
组合器是部分反射面，可将投影的图像叠加在现实世界视图上。先进的组合器使用全息光学元件 (HOE)，确保高透明度并最大限度减少变形。 |
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这些非传统形状的透镜让光学系统可以更容易适应挡风玻璃的弯曲形状。这带来了更紧凑、更高效的 HUD 设计，这种设计具有更宽的视场和更高的图像质量。 |
3D HUD
传统的 HUD 显示 2D 信息，也就是说，它们看起来像手机屏幕、平板电脑或任何其他平板显示器。下一次激动人心的 HUD 变革是 3D（立体）显示器，可提供更加身临其境的交互式体验。通过产生深度感知，3D HUD 可增强情景意识，缩短反应时间，并提供更丰富的内容。
为了产生 3D HUD 输出，系统必须创建并投影两个略微不同的图像（分别供两只眼睛查看），从而模拟人眼在现实世界中感知深度的方式。挑战在于如何将每个图像引导到相应的眼睛（左侧图像进入左眼，右侧图像进入右眼），并使图像保持对齐，以便它们一直作为一个单一 3D 图像呈现在驾驶员眼前——即使驾驶员的视线位置发生变化。
可做到这一点的一种方法是，使用如今已存在于许多汽车中的一项技术。这项技术就是驾驶员监控系统 (DMS)，其作用之一是追踪驾驶员的头部运动和眼球运动。
显示器内置了光学元件，后者的作用是限制每只眼睛只能看到某些像素。所用的光学元件可以是视差屏障、微透镜阵列、柱状透镜、全息光学元件 (HOE) 或其他空间选择性光学元件。然后，显示器根据指示将左侧图像的所有信息放入到只能由左眼看到的像素中，将右侧图像的所有信息放入到只能由右眼看到的像素中。
但是，由于驾驶员的头部并非固定不动，因此每只眼睛专门可见的像素集不断变化。为此，来自 DMS 的眼动追踪数据用于不断更新显示器并变换包含左眼视图和右眼视图的像素。这样可保持应有的 3D 效果，即使驾驶员改变了姿势。
另一种更复杂的方法称为“光场显示器”，这种方法最近才开始投入使用。这种显示器同时生成的图像远远不止两个（左眼视图和右眼视图）。这种显示器也使用某种光学元件在狭小的角度范围内引导每个视图。
结果是，每只眼睛在任何观看位置都能看到独特的单一视图。这样的视图生成方式可确保左眼视图和右眼视图始终形成“立体像对”，即，图像包含适当的视差（深度）信息，使观看者会将其解读为 3D 信息。随着观看者的头部移动，观看者会看到不同的成对视图，但正如刚才所说，这些视图始终是观看者会感知为 3D 信息的成对视图。
光场 3D HUD 通常可提供更自然的连续 3D 观看体验，并支持从多个视角观看。这样可增强逼真效果并减少眼睛疲劳。但是，与基于位移技术的 3D HUD 相比，这种显示器更复杂、更昂贵，且功耗可能更高。
借助 3D HUD 开阔视野：一睹这个领域的未来前景
由于增加了深度感知能力，HUD 可以向驾驶员呈现更多数据，而且不会导致驾驶员在视觉上应接不暇。事实上，由于人天生能够看得深入，因此 3D HUD 中显示的信息实际上更易于理解，且不容易引起混淆。
未来的 3D HUD 可以用来做什么？ 一个显而易见的可能是用于呈现导航数据。大多数 2D HUD 已经有这项功能。但正如前面所说，3D 显示器可消除当今信息投影方面的任何视觉模糊问题。
激光雷达数据也可以增强 3D HUD 的功能。例如，这些数据可以识别障碍物并突出显示动态元素，例如，可能会穿过汽车行驶道路的其他汽车、人或动物。这些实时信息可投影到 HUD 上，为驾驶员提供关键的情景感知能力，让他们能够针对潜在危险及时做出明智的反应。
还可以动态显示来自网络的数据。例如，HUD 可以根据指示突出显示进入视野范围内的餐馆，指出停车场及其中的可用停车位，显示加油站的收费价格，提供关于电动汽车充电站的动态信息，等等。
3D HUD：沉浸式，信息丰富，更安全
3D 车载抬头显示器可提供信息丰富且更安全的沉浸式驾驶体验，将会彻底颠覆新汽车行业。通过集成先进的光子学、光学和激光技术，3D HUD 有望成为新型汽车的一款标配。随着技术不断进步以及新趋势的出现，这些创新的显示系统无疑在未来带来新的驾驶体验，让人人都能享受更安全、更愉快的行车旅途。
