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AR- HUD光波导产业技术解析,衍射光波导成主流

2022-09-09 09:52:00来源:智车行家 新闻标签:AR- HUD 光波导

今年以来,北汽魔方、长安深蓝、上汽飞凡、哪吒等众多自主品牌发布ARHUD搭载车型,市场迎来快速爆发。ARHUD是智能座舱和辅助驾驶系统最有效的人机交互形态之一,是AR最具使用价值的落地场景。我们认为ARHUD渗透率将迅速提升,市场空间有望在2025年达到160亿元,由于高价值量ARHUD占比的提升和软件升级,市场有望呈现出量价齐升局面。目前自主品牌偏爱配套国内HUD,行业正处于蓝海爆发阶段,多家厂商有望享受从0到1的市场催化。


AR HUD是目前汽车行业的热门产品,但安装体积过大、成本过高是行业的痛点所在。部分HUD厂商正在尝试一些新的技术路线,比如说德国大陆便与Degilens尝试过光波导方案。光波导HUD凭借其平板光波导超薄的结构和二维扩瞳能力极大减小对光机体积的需求,是未来HUD发展的重要方向,具有巨大的市场价值和前景。而国内也有很多光波导厂商正在进入大家的视野,比如说三极光电、苏大维格、至格科技、珑璟光电、灵犀微光等。

 

01   ARHUD成为智能座舱信息平台载体,近年来开始上升到智能座舱的战略层面


传统车载HUD因虚像距离短、显示画面尺寸小,容纳信息较少,实用性受限。随着技术的进步及生态发展,增强现实ARHUD开始出现并为各大车厂所重视:更大的FOV(10°*3°以上)、更大的虚拟屏幕尺寸(70寸以上),因此显示信息更丰富,结合更远的虚像距离(10米以上),从而具备更好的交互效果。ARHUD可以成为车载智能座舱的信息平台载体,近年来开始上升到智能座舱的战略层面。

 

HUD抬头显示器主要由上盖、光学模组、图像生成器组成。上盖板防止太阳光直射和反射,防止驾驶员产生眩光效应;光学模组主要包括光学零件,包括平面镜、非球面镜和轴承组合等,定义了抬头显示器光学质量、投影距离等重要参数;图像生成器(PGU)定义抬头显示器产生的亮度、对比度和分辨率。

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HUD上游主要由PGU光机、光学模组、上盖组成,其中PGU价值占比最大,可达到整机BOM的30%-50%。PGU根据硬件组成和原理不同,分为TFT、DLP、LCOS以及LBS方案。目前TFT方案应用成熟,但光效低;DLP性能更好,但成本较高且供应商单一;LCOS分辨率较高,逐渐走入市场。目前TFT和DLP方案是主流。

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自主品牌偏好适配国内ARHUD,竞争格局目前仍是蓝海遨游。全球来看,HUD第一梯队仍为国际主流Tier1汽车电子公司如德国大陆、日本精机、日本电装,他们是宝马、奔驰、大众等最早推出HUD品牌的供应商,其光学设计、软件已经过多年迭代,目前仍然是外资以及合资品牌主要供应商。


国内第二梯队近年来发展迅速,如华阳、疆城、未来黑科技、泽景、炽云、水晶光电等厂商,目前开发HUD也有近十年经验,是目前自主品牌选装的主要合作品牌。其中华阳WHUD基本覆盖了国内主流的OEM车厂,如广汽、长安、吉利、长城等,未来在ARHUD将持续发力。此外,具有自动驾驶和智能座舱双重技术积累的新晋汽车电子Tier1有望成为黑马,如华为将在今年量产的飞凡R7首发ARHUD产品。


AR- HUD(增强现实HUD)是下一代抬头显示的必由之路,有效提升驾驶体验和驾驶安全,但目前存在体积较大,成本高的缺点。 AR- HUD显示面积大幅提升,通过将虚拟信息和现实路况实时信息叠加,帮助驾驶员保持视线,获得关键视觉信息,包括投射车速、转向指示、车道偏离警示等车况信息,进一步提升驾驶安全性和驾驶体验。

 

ARHUD技术壁垒升级,需要兼具自动驾驶域和智能座舱域能力。AR-HUD相比于W-HUD需要解决四方面问题:
一是画面位置的实时调节,由于驾驶员身高各不相同、行车抖动颠簸等将导致同一HUD画面投射发虚错位,不同厂商如华为借助于IMU(惯性传感器)和DMS(驾驶员监控系统)眼动追踪来调整画面显示;

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二是虚实融合,需要实现画面虚像的连续变焦,除了大众ID系列的双焦面方案,未来全息光波导技术和激光投影技术具有潜力。此外ARHUD的数字计算部分较WHUD复杂的多,AR-Creator需要结合摄像头、眼动追踪、车况感知等多维度信息与高精地图融合,HUD与车道线、车头方向、障碍物、转弯路口的标定都是技术难点;


三是成本问题,高档车型如宝马5系选装AR-HUD价格高达11600元,目前高档AR-HUD售价仍较高,主要与制造工艺难度大、定制化程度高有关;


四是体积问题,奔驰S级AR-HUD体积达到27L,不适用于所有车型,未来主流方法是优化光路设计、引入波导技术等。

 

02.未来AR HUD发展方向,光波导方案具有巨大的市场价值和前景

 

目前AR-HUD实现的主流方案中使用图像生成单元PGU投影图像至扩散膜后经两级自由曲面反射镜反射至挡风玻璃后反射,图像光进入人眼。该HUD系统的体积大,一般在10L以上,大的光学系统体积影响了AR-HUD的广泛应用进程。

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现有AR-HUD结构图(华为)

 

光波导HUD凭借其平板光波导超薄的结构和二维扩瞳能力极大减小对光机体积的需求,是未来HUD发展的重要方向,具有巨大的市场价值和前景。

 

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光波导HUD结构图

 

03.衍射光波导中表面浮雕光栅波导成为主流


AR 光波导技术分为几何光波导和衍射光波导,几何光波导基于传统几何光学原理进行设计和制造,几何光波导也称为阵列光波导。 其中衍射光波导技术分为表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。

 

表面浮雕光栅,是通过光刻与刻蚀等工艺在材料表面“雕刻“出高峰和低谷,以此实现能够满足所需光学性能的周期性结构。表面浮雕光栅波导如果要将微投影系统(光机)发出的光导入人眼,必须经过耦入和耦出的过程。即光机发出的光通过耦入光栅,进入平板波导,并在其中进行全反射传播,最后再由耦出光栅将光传递到人眼。这里的耦入和耦出光栅,采用的就是表面浮雕光栅。由于纳米级光栅的特征尺寸与光波长相当,这里已经不能将光看成普通光线,而是要把光当做一种电磁波。光在入射到光栅后会发生多级次的衍射。

 

采用表面浮雕光栅技术的团队有 Microsoft HoloLens、 Vuzix、 Magic Leap、WaveOptics、苏大维格、鲲游光电和至格科技。表面浮雕光栅由芬兰 Nokia 研究中心提出, 这部分 IP 被 Microsoft 和 Vuzix 分别购买, 所以 Microsoft HoloLens 和 Vuzix都采用类似的光栅结构。WaveOptics 多 次获得歌尔股份投资, 两家签订生产合作协议。对比各家的产品参数, 苏大维格在 FOV 和厚度方面都具有优势。

 

04.几何光波导量产成本有优势,可搭配MicroOLED、LCoS率先实现落地与覆盖


几何光波导从色彩饱和度、画面清晰度、产品功耗和量产成本等方面都占据优势,升级到二维扩瞳光波导,若想实现较佳的显示效果以及高光效,二维波导涉及到的波导贴合面高达20-30层,若在高数量贴合面的情况下使用胶粘,良率将直线下降并且整体光学效果也将因胶水而产生一系列连锁问题。因此,无胶键合式的波导贴合工艺,已经成为了各家几何波导厂商不得不面对以及需要攻克的技术难关。目前业内拥有该技术能力并用键合方式量产的主要有以色列的Lumus和国内的理湃光晶。

 

05.全息光波导HUD具有实现大幅面显示优势,能大幅度降低显示系统体积,制作工艺复杂

 

全息光波导简单来说,就是光波导+体全息光栅。在AR领域,各种玻璃板都可以作为光波导本体,体全息光栅是指用全息曝光干涉方式制造的衍射光栅。

 

目前,体全息光栅波导在显示效果、产品化、产业配套等方面,与表面浮雕光栅波导存在明显差距。由于技术高的原因,全息衍射光波导的量产一直是业界令人感到头疼的事情,不过,光栅结构制造极其灵活,衍射效率高,光栅组合自由度高。并且双轴光瞳扩展可实现大视角、定制出瞳大小和适眼距,波长复用和角度复用,潜力巨大,其量产成本低,具备走向消费电子级的条件。对系统功耗、视场角和成像质量有明显的影响。


其核心壁垒有以下几点:一 、环境耐候性高全息材料、成本低 成像质量高;二、独有软件、Wade软件实现高速建模优化;三、数十年沉淀的成熟全息衍射工艺,Double-axis双轴扩展光瞳。

 

据灵犀微光看来,阵列光波导显示方案为3年内AR设备及前期生态的发展铺平道路;而未来3-5年内,体全息波导光栅技术将会逐渐取代前者成为准入级元宇宙终端的必备技术之一。

 

06.光源层面分析:Micro-LED屏幕技术成熟促进衍射波导技术突破

 

衍射波导在这个时间点有了突破,同时还得益于Micro-LED屏幕技术逐渐开始成熟,并进入小批量量产,相比现有的DLP、LCOS、Micro-OLED,其不仅能够获得更高的亮度,据了解JBD的单绿色屏幕最高亮度可达400万尼特,蓝色与红色在材料端仍存在问题,目前分别为60万、20万尼特左右,而现在的OLED屏幕最高5000尼特;同时在功耗上也比其他要低数十倍。


MicroLED或为AR下游终端客户完美光引擎解决方案由于可预见最终走向C端市场的AR眼镜需要具备轻薄、高透过率及高亮等特点,催生出对最终成像和光学指标极致的要求,对光引擎同样提出了明确和严苛的需求。MicroLED由于像素单元低至微米量级,MicroLED显示产品具有多项性能指标优势。如MicroLED功率消耗量仅为OLED的50%,其亮度可达OLED的10倍,分辨率可达OLED的5倍,同时峰值亮度能做到百万尼特以上,被业界公认为终极显示方案,长期来看将成为AR光引擎的必然选择。