一文了解車載HUD的發展現況、主要類型、新技術及對應供應商

2020-12-17 全國能源信息平臺

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儘管通用最早於1988年就開始採用了HUD,但在過去的幾十年中,該技術的發展一直非常緩慢。然而,在過去的幾年中,這種趨勢開始逆轉。這在很大程度上是由於解決了的三個主要障礙,即成本、規模和終端用戶價值。成本將這種顯示技術主要限制在了高端和小眾品牌,其實在當前的市場上仍然可以觀察到。但隨著量產平臺開始採用HUD,系統及技術組件的成本正在下降。組件的物理尺寸也在縮小,尺寸的減小消除了曾經存在的障礙,特別是對於緊湊車型。最後,HUD的優勢現在越來越明顯。藉助大型全彩FOV,HUD在安全性、導航、ADAS,甚至在信息娛樂內容方面都發揮著功能。

一個相當寬鬆的全球監管環境將成為推動HUD技術普及的另一驅動力。儘管類似像NHTSA這樣的組織經常向OEM們發布有關駕駛員分心的自願性指導原則,但目前尚無HUD相關法規來規範其內容、顏色或位置。

隨著行業逐步向AR HUD過渡,AR HUD增加了與安全相關的一整套信息,例如限速、LDW和ACC的信息,因此HUD在解決駕駛員分心的問題方面具有重大意義。

HUD主要類型

車載HUD的實際組件可能有所不同,但是所有HUD都包含三個基本元素:圖像源;反射、折射、聚焦和放大HUD圖像的透鏡和鏡子系統;透明的反射面。根據HUD圖像的位置,HUD的類型主要分為如下幾類:

C-HUD(Combiner HUD)是一種將信息鏡像到透明面板(稱為Combiner)上而不是擋風玻璃上的HUD。大眾帕薩特、馬自達3和寶馬2系等採用了這種技術。目前,由於C-HUD的成本比W-HUD更低,OEM們開始在中等價位車型中部署C-HUD。例如,起亞的B級車型Seltos(2019年在印度推出),正是瞄準了尚待開發的印度中等價位車型的HUD市場。

W-HUD(Windscreen HUD)這是最常見的HUD技術類型,信息直接顯示在擋風玻璃上。駕駛員看到的是虛擬圖像,而不是擋風玻璃上的靜態圖像,而是漂浮在引擎蓋上的圖像,通常距離駕駛員的眼睛約2m。奧迪A3、寶馬5系和奔馳C級都採用了這種技術。

W-HUD通常採用高亮度發光二極體(HBLED)作為背光源,並使用1.5-3.1英寸的薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)作為圖像源。由於環境亮度的動態範圍較高,因此需要極高的亮度和出色的亮度控制才能生成易於讀取的圖像。通過擋風玻璃的任何光學畸變都會在顯示屏上進行電子校正。由於其技術門檻較高,供應商需要掌握W-HUD的電子和光學要求。目前只有少數供應商具有生產W-HUD的能力,儘管還有許多其他供應商正在為此而努力。W-HUD具有高對比度和亮度、豐富的內容,以及良好的實用性。因此,它們具有廣闊的市場前景。

AR-HUD其實也是W-HUD系統的一類,目前僅在豪華車型中採用。支持AR的HUD的光學規格為:FOV約為10°x4°V或更大,而VID則為7.5m或更長。真正的AR-HUD需要符合最低要求,還要集成駕駛員監控和前向物體識別系統,具有數據融合和圖像處理功能,可提供實時圖像校正。例如,一個虛擬符號會精確地繪製到道路上,以向駕駛員顯示其導航嚮導。2018年,一款寬視場的AR-HUD已開始生產,預計從2021年開始AR-HUD將部署在更多像奔馳S級等高端車型中。

HUD技術的新發展

2020年8月,捷豹路虎與劍橋大學先進光子學與電子中心(CAPE)合作,開發了一款能夠向駕駛員提供實時安全信息的HUD。此外,乘客可以直接從座位上觀看3D電影。

2020年7月,奔馳S級搭載了升級的MBUX系統,二代MBUX系統包括基於德州儀器DMD技術的AR-HUD選裝。AR-HUD顯示屏的FoV為10°H、5°V,VID為10m,對角顯示區域為77英寸。

2020年2月,現代摩比斯在Genesis GV80上搭載了12英寸的W-HUD。據稱,這款12英寸HUD可在比摩比斯現有產品更大的屏幕上提供GPS數據,如行車路線、交通標誌和駕駛輔助信息。摩比斯還宣布,已完成了針對自動駕駛優化的AR-HUD開發階段,並有望很快進入量產。

2019年6月,大陸開發了一款搭搭載於超級緊湊的跑車的HUD。大陸優化了虛擬圖像的尺寸,改變了投影距離,從而顯著降低了HUD的尺寸。這種小尺寸的HUD使其在較小型的車輛(如跑車)中可以合理的部署。這款HUD重量不到1kg,佔用空間不到2L,提供了4×12FoV,投影距離約為2m,亮度為10.00cd/m2。

2018年3月,京瓷國際推出了1.1寸、1.8寸、3.1寸三種規格的高解析度LCD HUD面板。新型HUD的LCD透光率高達8.5%,典型對比度高達1700:1。LCD的像素密度約為300ppi,約為傳統LCD的兩倍。此外,京瓷HUD LCD的工作溫度範圍-40C到+105C。該公司正在與各種HUD供應商合作,以幫助將這種新技術引入車輛。

HUD領域的許多研發主要集中在AR-HUD的開發和集成上,並通過重新設計W-HUD來縮小HUD組件本身的封裝尺寸。這些AR-HUD的集成有望通過有效地向駕駛員展示車輛和周圍環境信息來提高道路安全。與此同時,縮小組件尺寸,將對AR-HUD真正得到普至關重要。

隨著OEM競相升級車載顯示系統,目前行業大多數都認為HUD技術是必不可少的。這一趨勢促使供應商在每一代新設備上逐步解決技術障礙。供應商也在持續專注於研發活動,為其HUD系統進行新的創新,力圖獲得持續的競爭優勢。

HUD主要供應商

全球HUD市場由主要供應商控制,包括日本的日本精機、電裝,以及德國的大陸和博世。電裝的主要客戶是豐田(包括雷克薩斯),而日本精機則主要為寶馬和通用提供產品。大陸的主要客戶包括奔馳、寶馬和奧迪。其他主要供應商還包括Envisics、松下、Yazaki、偉世通、哈曼和WayRay等,他們也在通過兼併收購和引入創新產品,繼續擴大其全球影響力。2020年10月,車載全息AR-HUD供應商Envisics獲得了由通用資本、上汽資本、現代摩比斯和Van Tuyl Companies牽頭的B輪融資,金額為5000萬美元。正如Envisics所宣稱,這項投資不僅會使Envisics能夠在全球範圍內擴展其業務運營,以適應AR-HUD解決方案的快速需求,還將推動未來全息技術的發展。

就收入市場份額而言,全球HUD市場主要由大陸和日本精機主導,2019年兩家供應商控制著近60%的市場份額。目前大陸處於領先地位,並有望在未來可見的時間段持續保持下去,因為它不僅擁有著穩固的客戶,還持續在HUD領域進行著創新投入。

德國大陸在2019年汽車HUD的市場佔有率近35%,主要向大眾(預計到2020年會佔到大陸HUD銷量的35%)、戴姆勒(30%)和寶馬(16%)供應。大陸是首批交付中端車型HUD(例如寶馬3系)的供應商之一,擁有著廣泛的HUD產品組合,包括W-HUD、C-HUD和AR-HUD。

大陸繼續打磨著AR-HUD,已經可顯示車速、導航、ACC、LDW和限速警告。值得注意的是,大陸還是第一個使用德州儀器DLP晶片為2017款林肯大陸車型推出寬視場W-HUD的供應商。2019年6月,大陸開發了一種緊湊型HUD,用於安裝在空間有限的車型,例如跑車細分市場。大陸優化了虛擬圖像的尺寸並改變了投影距離。這種改進使HUD尺寸顯著減小。通過開發小型HUD,預計大陸的HUD收入將在未來幾年迅速增長。同樣,在2017年中期,大陸開始向馬自達供應C-HUD,特別是新款Mazda 2掀背款(在日本稱為Demio)以及CX-3交叉款。

2018年5月,大陸向矽谷的AR顯示器初創公司DigiLens投資了2500萬美元,目前持有該公司股份接近18%,並保有董事會席位。DigiLens的其他一些投資者還包括Universal Display Corporation、Samsung Venture Investment、Niantic、Sony Innovation Fund、Diamond Edge Ventures和Mitsubishi Chemical Holdings Corporation等。

DigiLens是全息波導技術專業公司,該技術可將HUD用於不同的應用,包括汽車、航空和摩託車頭盔。據該公司稱,其波導技術使用了集成的衍射光學器件,從而無需使用超大型透鏡和反射鏡。該技術通過將FoV加倍來改變HUD性能,從而在AR應用中獲得更大的顯示效果,同時將組件體積減小到傳統尺寸的六分之一。

DigiLens成立於2003年,最初名為SBG Labs,2015更名為DigiLens。2020年9月,DigiLens發布了一款基於專有的光聚合材料的AR HUD,CrystalClear。正如DigiLens所聲稱的那樣,CrystalClear提供的FOV高達15*5英寸,封裝體積為5升,與其他HUD相比,減小了三倍以上,從而可以集成到大多數車輛中。

日本精機目前在全球HUD市場上排名第二。自1997年推出其首款HUD以來,日本精機見證了HUD已從顯示基本信息演變為具有夜視、語音識別、手勢控制和增強現實功能。該公司最大的兩個客戶是寶馬(預計將佔其2020年HUD銷量的近36%)和通用(33%)。

電裝在2019年的全球市場份額約為17.4%。電裝在2003年12月推出了其首款商用HUD。凹面鏡將指示器的光線反射到擋風玻璃上,使用內部開發的漸進焦點技術來提供高質量的圖像。夜視系統在車輛前方發射近紅外輻射並檢測反射輻射。這將創建由HUD顯示的圖像,幫助駕駛員在夜間看到前方的視野。2017年,電裝宣布開發出約24英寸的TFT(thin-film transistor)液晶HUD,並在2018款雷克薩斯LS中採用了這款HUD。豐田是電裝最大的HUD客戶(預計約佔2020年銷量的43%),其次是現代(21%)和馬自達(16%)。Denso的專業知識主要在基於LCD的W-HUD,佔電裝2019年HUD總量的3/4以上。

偉世通在2019年全球HUD市場份額約為8%,不過他們未來的市場份額將有望迅速上升。福特是偉世通最大的HUD客戶(預計到2020年佔比約38%),其次是斯巴魯(35%)和PSA(14%)。目前,偉世通的產品組合主要是碰撞預警式HUD。另一方面,偉世通有一個基於擋風玻璃和AR-HUD技術的開發平臺。作為一家專注於座艙電子產品的公司,偉世通在CES2018上展示了多種HUD應用,包括一系列Winshield解決方案,FoV範圍從4x1.2度到8.0x3.0度,以及創新的光學系統、傾斜和PGU技術。偉世通還展示了AR解決方案,該解決方案提供了數字信息層以幫助提高安全性,並可以集成到不同的電子控制單元中。

Alps Electric的主要客戶是捷豹路虎,該公司主要提供W-HUD。採用的是LCoS顯示技術。該技術是與英國初創公司Two Trees Photonics共同開發的,該公司於2016年3月被DAQRI收購,並於2017年剝離出來,變成了現在的Envisics。由於捷豹路虎產品的高滲透率,Alps目前在全球HUD市場中約佔1%的份額。

博世是另一個HUD技術的重要支持者。它主要提供基於LCD的C-HUD和W-HUD模塊。寶馬是博世最大的HUD客戶(預計將佔其2020年HUD銷量約27%),其次是通用(23%)和大眾(10%)。博世目前正在生產的C-HUD包括一個成像單元和顯示單元。成像單元是480x240像素解析度的全彩色液晶顯示器,並由具有300流明以上高光強度的單個LED點亮。HUD直接連接到儀錶板,該儀錶板為顯示器提供高解析度的圖像數據和電源。

現代摩比斯一直在積極致力於集成技術先進的HUD。2020年,摩比斯對英國全息HUD解決方案供應商Envisics進行了投資。通過這筆投資,摩比斯計劃與Envisics一起開發自動駕駛專用的AR-HUD,並計劃到2025年實現量產。同樣,2020年3月,摩比斯宣布將在現代捷恩斯 GV80上部署12英寸的W-HUD。該公司稱,此HUD可以投影周圍的數據,例如交通標誌信息、駕駛輔助信息和駕駛路線,並可以減少駕駛員的分心。目前,摩比斯的主要客戶是現代(預計佔2020年HUD銷量的95%以上),其次是吉利(近5%)。

Yazaki是W-HUD領域的重要參與者,主要向豐田(包括雷克薩斯)和福特供貨,兩家OEM預計將在2020年佔其HUD收入的近95%。但2020年福特的大部分HUD是僅提供碰撞警告的HUD。

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