【观点分享】【滴水研究】HUD技术方案及市场分析
导读
HUD作为智能座舱中重要的增量部件之一，单一HUD价格2000-4000元，当前应用车型价位已逐步下探到15万元车型，按照2025年20%的前装渗透率计算国内市场规模将超过100亿元。
本篇对W-HUD→AR-HUD方案升级、HUD的主要部件结构、HUD市场情况进行分析。
一、HUD行业概况
HUD抬头显示主要通过将影像源（PGU）的图像经光学镜片反射后投影至挡风玻璃最终反射进人眼中，使驾驶员不用低头就可以看到相关信息，以实现安全驾驶。
图 HUD主要部件与成本结构
HUD的核心部件包括图像生成单元（Picture Generation Unit，PGU）、光学零件以及上盖三部分，除此之外还有挡风玻璃等部件。技术壁垒主要存在于投影单元（PGU）、自由曲面反射镜上。
W-HUD 是当前主流方案，AR-HUD 是未来主流方案。W-HUD 由于技术成熟、成本适中，是当前主流方案；AR-HUD能让挡风玻璃上的图像准确叠加在现实世界场景上，随前车、行人、路口变化的实景不断改变成像的位置与大小，提供比 W-HUD 更直观、更丰富、更高效的交互信息和更智能的交互体验，有望成为未来的主流路线。
图 各类HUD方案差异
W-HUD尺寸7-12寸，显示范围变大，投影距离2-6米，显示内容增加中控娱乐信息、来电显示、周围路况、天气、行车告警等信息。但仍然存在成像距离较近，驾驶员实现远近调焦影响状态等问题。W-HUD目前上车的以TFT方案居多，DLP方案成本较高。
AR-HUD在信息量、可读性、交互性等方面比W-HUD有显著提升，进而提高出行安全性，改善驾驶体验。
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信息量：AR-HUD相较W-HUD增加感知、识别和融合三个环节，通过与多传感器、高精度地图与ADAS配合使用，探测汽车周边环境并及时预告路况和行人信息，为驾驶员提供更为全面、丰富的信息。
图 AR-HUD 分层显示
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可读性：导航软件直接将信息显示到AR-HUD上，并融合实际的路况场景进行展示，让汽车行驶路线建议变得清晰。此外，AR-HUD的成像大小约为9-55寸，远大于W-HUD的7-12寸；AR-HUD投影距离远，视场角宽阔，与路面环境吻合，大大提高驾驶员获取信息的便捷性。
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交互性：通过与车内传感器互联，AR-HUD可根据感测到的驾驶员眼睛位置对成像进行实时调整，保障投影信息的清晰度和稳定性。
虽然现在AR-HUD已量产，但还有很多方面有优化的空间。如体积过大、阳光倒灌的问题较为严重，由于算法方面不够成熟导致AR 实际效果并不够理想，且成本过高。
技术层面，AR-HUD的进入门槛比HUD高。
图 AR HUD技术难度高于W-HUD
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光学/结构设计：由于AR HUD需要通过光路和反射层的设计来实现高质量的VID和FOV属性，AR HUD的主机尺寸也比之前的W-HUD大得多。这意味着，供应商需要对光路设计进行改进，以更好的适配不同车型的空间设计。
如华阳的双焦面方案，将AR-HUD的显示画面分为两个焦面来显示不同距离的场景内容。且这套方案采用了单PGU设计方案，通过对单光路进行拓展，完美地实现了双焦面的显示效果，并且最大程度地控制了HUD的体积以及BOM成本。传统的双焦面技术大多采用双PGU或者双光路设计来实现两个不同的投影距离，该方案不仅成本较高，体积也会更大。目前，华阳基于DLP技术的AR-HUD已经在广汽传祺车型实现量产出货。
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软件算法能力：AR-HUD对算法的要求更高：AR-HUD相比于W-HUD方案，感知、识别、融合三个环节的工作大幅增加。相比于W-HUD，AR-HUD要实现人眼、成像、环境实体的动态融合，并基于融合提供指引性信息。
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感知端，需要精确实时感知道路实景环境，精确识别车道位置、路口位置，感知驾驶员视线位置，感知车辆的速度、加速度、转向角，来实时调节投射位置；
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识别端，道路实时数据识别的准确度与速度，是AR-HUD使用体验的基础，对高精导航、图像识别有较高的要求；
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融合端，AR-HUD系统还需要实时捕捉人眼位置，结合AR算法实现人眼与环境的动态融合。且当前ADAS与AR-HUD融合仍处于初期阶段，随着AR技术的逐渐成熟和ADAS厂商的陆续加入，AR-HUD与高精度导航、多传感器、ADAS系统的融合将更加充分多元。
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结构系统设计能力：成像质量、耐高温性和设备体积均与投影技术相关，彼此之间存在“三元悖论”的关系。为保障驾驶安全性，成像质量须具备高色彩饱和度、强稳定性、高灵敏度等特征，通常的解决方案为通过增加目箱大小（Eye-box）提高光通量。然而，光通量的提升会加剧“阳光倒灌”的问题，进而加剧热效应，这就要求AR-HUD具备出众的耐高温性。同时，增加光通量须配置更大尺寸面板，使得AR-HUD体积庞大，与座舱环境的兼容性降低，并且庞大的体积也会带来更显著的热效应，对耐高温性提出更高要求。
二、HUD主要部件分析
（一）PGU光机方案
PGU是HUD的最核心环节。目前业界有四种方案TFT、DLP、LCoS、LBS。主流的方案是TFT与DLP。
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TFT在阳光倒灌、成像亮度等多方面有着比较大的劣势；
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DLP虽然效果更好，但是其是TI独家产品，成本、供应链稳定性存在劣势；
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LBS量产成熟度较低，车规激光器、光斑问题等；
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LCoS在车规级上仍需要突破。
图 HUD PGU 四种方案对比
1. TFT
TFT-LCD是当前主流的、最为成熟的解决方案。成本低廉，容易实现量产，因其成熟度高而广泛应用于W-HUD前装市场。
工作原理：TFT-LCD投影技术以TFT作为HUD的投影单元，投影原理是LED背光源发光，用电场控制液晶分支的旋转方向，从而改变光的行进方向和呈现颜色，进而形成对应图像。其由于需要透过不同的RGB彩色滤光片（即透过背光照明），从而对光的吸收较大，导致亮度不够，因此为了清晰成像，需要加大功率，从而带来散热问题。
图 TFT成像内部结构
2. DLP
DLP（Digital Micromirror Device，DMD）是基于数字微镜单元DMD的投影技术，核心在于DMD芯片。集成数十万个超微型镜片的DMD芯片，每个镜片对应一个像素（镜片多少决定分辨率高低），通过镜片偏转对光作选择性反射，形成质量更高的彩色图像。
工作原理：光源如LED在发出光线后，经DMD芯片反射形成图像，随后图像再被投影至漫射屏（表面有扩散膜的成像面）并放大后投射至折叠镜。
图 DLP投影成像技术
DLP方案的优势在于亮度高、分辨率高、成像效果好；且在在散热、投影距离等方面具备优势，DLP方案在温度控制领域存在显著优势，可有效解决阳光倒灌问题、提升投影清晰度，因为其PGU成像面表面是具有扩散膜的漫射屏（相当于一个扩散器），所以当阳光倒灌后，能量大都被漫射掉，整体温升速度较慢。
DLP方案的劣势在于成本相对较高，存在供应链稳定性风险。一是DMD芯片专利归德州仪器，成本较高；二是由于DLP投影的是整个平面，为了提升成像效果，需要针对不同的挡风玻璃订制高精度的反射非球面镜。当前市场DLP AR-HUD售价3000-4000元/套。
3. LCOS
LCoS（Liquid Crystal on Silicon），称为硅基液晶，一种基于反射模式，尺寸比较小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。LCoS结构中液晶分子填充于上层玻璃基板和下层金属反光层之间，金属反光层和顶层ITO公共电极之间的电压共同决定液晶分子的光通性能并展现出不同的像素灰阶。
工作原理：当液晶层像素的外加电压为零时，入射光经过液晶层后将不发生偏振并经过PBS棱镜沿原光路反射回来（S光）。此时光线不进入投影光路，即此时不进行成像。相反，当液晶像素存在外加电压时，入射光经过液晶层后将发生偏振，并经过PBS棱镜发射至投影光路（P光）并在屏幕上显示成像。即光源“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。
图 LCOS通过液晶层来进行反射
LCOS方案优势：
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分辨率高，DLP能做到1920×1080的真实分辨率，而LCoS则能够做到4k甚至8k的真实分辨率。
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体积小，0.69英寸的LCoS已经可以对标3.1英寸的TFT。
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成本合适，可用CMOS制程。TFT＜LCoS＜DLP。
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芯片供应商相较于DLP更多，交期与降本可能性更高。
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更低的功耗。
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避免阳光倒灌。
LCOS方案劣势在于因采用液晶材料，LCoS只会反射偏振光，如果用LED光源的话，光效会直接减半，所以未来肯定还是需要使用激光作为光源。但目前来看车规级激光光源供给层面尚未实现国产化，只有日亚、艾迈斯、欧司朗少数国外厂商；且激光在LCoS应用中还存在散斑的问题。
LCOS跟LCD 都属于液晶方案，两种方案的区别在于：LCD属于穿透式，光源发出的光是直接穿过LCD面板，光利用效率只有3%左右，且分辨率不易提高。而LCoS属于反射式投射，光利用效率可达40%以上，当前LCoS的反射率在65%，下一代将提升到80%。
与DLP方案相比，LCOS作为反射式投影技术，优势一是透光率更高，透光率能达到DLP的两倍以上；优势二是对环境的耐热性好，更适合在外和严苛的环境中使用。
LCOS供应链层面，目前国内上游LCOS芯片尚未实现成熟量产，供应商包括豪威（车规LCOS23年Q1量产）、奇景光电、南京芯视元；美国晶典科技Syndiant等。
目前国内宣传已经开发出LCoS方案PGU的厂商如华为、一数科技、瀚思通等，而华阳、泽景、未来黑科技、疆程、怡利等大部分企业也有在布局。当然，目前对LCoS方案PGU有着细节描述的企业仅有一数与华为。
图 一数科技与华为发布采用LCoS技术的AR HUD参数
4. LBS激光扫描投影
激光扫描投影（Laser Beam Scanning，LBS）技术，即“MEMS微激光投影”方案，是将RGB三基色激光模组与微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）结合的投影显示技术方案。
图 MEMS投影原理
LBS方案结构为三色激光模组+MEMS振镜+滤光片。
LBS方案的优势：
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通过对光束的反射扫描成像，光学系统简单，体积小，光机效率高。将图像直接生成在挡风玻璃上，而不是PGU里，能有效减少光损耗。
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水平视FOV可以达到180度。
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视觉性能出色。采用激光光源，色彩更丰富（色域更大）。根据图像亮度信息，调节激光光源的亮度，更节能，更高对比度。
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采用激光束扫描成像，无须聚焦，可以投射到任何表面。
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利用半导体批量制造工艺生产MEMS芯片和合束芯片，批量制造成本低。
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无阳光倒灌隐忧。
LBS方案的劣势/挑战：
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成本较高。激光二极管对温度较敏感，实现车规级还有困难需克服。目前激光光源仅有日亚较为成熟。业界有光电认为若MEMS激光模组方案能从200美金降低至50美金，成本将与TFT一致，MEMS激光将很有竞争力。
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激光二极管发热量大，可能需要水冷。
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激光投影散斑问题。
上游MEMS振镜芯片：英飞凌等。国内有不少做MEMS振镜企业，投影应用的微振镜也属于这类企业的部署方面，但目前已推出推出HUD应用产品的较少，投入布局节点与产业生态激光器成熟度有关。
LBS PGU厂家：龙马璞芯、浙江视镜传感科技、上海丰宝电子、台湾大众电脑FIC。此类车载产品都不太成熟。
（二）光学部件
光学部件，自有曲面反射镜与光波导属于替代关系。在光波导AR-HUD中，光学部件将采用光波导，全息类HUD基本需要在2023-2024年全球才会有首款产品推出。
1. 自由曲面反射镜
自由曲面反射镜主要用于提高W-HUD与AR-HUD投影质量。W-HUD和AR-HUD成像依靠前挡风玻璃，为缓解前挡风玻璃板曲面导致的成像画面畸变、提高投影画面质量，可以采用与前挡风玻璃适配的自由曲面反射镜。自由曲面反射镜的制造对面型加工精度、表面粗糙度均有较高要求，同时要求反射镜达到车规级可靠性要求。
自由曲面反射镜难点在于制造及加工。涉及注塑（模具制造及批量生产）、镀膜等工艺，需要采用精密仪器制造（前期的固定资产投入），做成纳米级，非球镜面需一次成型。
代表企业：富兰光学、舜宇、亮宇光电等。
2. 光波导
发展背景：物理光学（TFT、DLP、LCOS）方案体积过大。AR-HUD对视场要求很高，为了实现更广的FOV、增加投射距离（AR-HUD VID需达到10m 以上），要求第二级非球面反射镜尺寸足够大，这直接导致HUD体积增大，从而一定程度上成为AR-HUD量产上车道路上的阻碍。全息技术（光波导、HOE、CGH等）不仅可缩减整机体积，还能增加FOV，因此成为供应商和车企争先布局的焦点。
光波导方案之一：全息光波导方案。利用贴附在光波导表面的体全息光栅，打破了全反射的界面规则，并由此改变光信息传播的方向和能量，进而引导光信息从波导内部传输到人眼，光从光波导片传播出来无需经过三次反射便可直接输出放大的投影图像，可以节省两级反射镜的空间。以面积换体积：光波导片部件需求的主要是面积，不是体积，而仪表板内较薄的面积空间远比体积空间容易满足。
图 全息光波导技术通过体全息光栅改变信息传播的方向和能量
图 基于光波导的HUD，以面积换体积
全息方案优势：
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FOV更大，增强现实的视野范围更大。
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体积更小，可以是激光+全息或DLP+全息的方案，省去两层反射镜结构，体积小可以几乎适用于所有车型。
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成像效果更优，激光投影，其色彩饱和度更高，显示画面更生动更清晰。
全息方案劣势/挑战：
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挡风玻璃存在变化：相较于普通挡风玻璃所用的夹层玻璃，其结构更为复杂，如WayRay在玻璃的最中间集成了能实现全息功能的记录在定制光聚合物上的全息光学元件 (HOE)。这种定制光聚合物采用全息薄膜。而整块挡风玻璃则由WayRay与AGP eGlass（玻璃厂商）合作使用创新的层压与全息记录技术制造，预计到2023年可以实现量产。
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工艺难、产业不成熟：物理光学的HUD，衍射光学对工艺要求比较高，业界没有量产，过程比较漫长，成本比较高。
业界全息方案预计最快2023年量产：目前已有不少头部厂商都展开了该技术的预研工作。
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华阳：正积极推进光波导、全息膜的预研工作。
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大陆：和光波导初创企业DigiLens（大陆集团持股18%）联合打造的光波导AR-HUD预计最快在2023年左右实现量产。2020年9月，大陆集团和DigiLens 推出首款基于专有的光聚合材料的AR HUD模块—Crystal Clear，FOV高达15×5°，亮度达12,000 nits，封装尺寸只有5L，可集成到大多数车辆中，显示距离无限远。
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松下&英国Envisics：2021年1月，松下联合Envisics推出激光全息技术AR-HUD，采用眼球追踪、振动控制等技术，VID可达10m，FOV为10×4°，图像分辨率达4K 。Envisics于2018年成立，总部位于英国，正与现代摩比斯、通用汽车、上汽等10多家企业开发全息AR-HUD。其新技术将于2023年最先在凯迪拉克车型量产。
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现代/保时捷（投资WayRay）、电装/英特尔（投资CY Vision）、北汽（与三极光电合作）等也在布局全息技术。
三、HUD市场情况
1. 市场规模
2021年国内HUD前装市场规模约17亿元。根据高工智能汽车研究院数据，2021 年中国市场 HUD 前装标配搭载率为 5.72%，搭载量为 116.72 万辆。
2025年按照40%/20%渗透率市场规模200/100亿元。
2. 上车情况
表：2015-2021年国内乘用车前装HUD配套量（万套）
数据来源：高工智能汽车研究院、盖世汽车整理
2021年中国市场乘用车（不含进出口）新车前装标配搭载 HUD 上险量为 116.72万辆，同比增长超 50%，前装标配搭载率为 5.72%。其中，标配 W-HUD 或 AR-HUD搭载量为 109.45 万辆（其中AR-HUD突破5万辆），同比增长 57.96%。
HUD前装渗透率提升的主要原因：
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HUD作为ADAS人机交互的窗口，可以呈现驾驶辅助信息，提升驾驶的安全性和舒适性，使驾驶者拥有更佳的应用体验；
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HUD技术上取得突破，显示效果大幅改善；
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HUD成为卖点之一；
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HUD配套价格逐渐下降，性价比逐步提升。
HUD搭载车企格局：2021 年国内市场丰田、哈弗和别克搭载上险量排名前三位；在 HUD 搭载率上，红旗以 45.72%的搭载率排名榜首。
图 2021年国内市场W/AR-HUD搭载品牌（来源：高工）
AR-HUD上车情况：2021 年 AR-HUD 前装搭载量突破 5 万辆。搭载 AR-HUD的车型陆续上市，如红旗 E-HS9、奔驰 S 级、大众 ID 系。截至2022年7月，国内车企新增三款AR HUD相关车型：上汽飞凡R7，哪吒S，长安深蓝SL03。
图 AR-HUD上车情况（来源：智能汽车俱乐部）
AR-HUD配套车型价格2021年在25万元及以上，2022年预计下探到15万元车型。国内主机厂正在积极导入AR HUD。
AR-HUD目前采用的基本都是TFT/DLP方案，只有华为率先推出了LCOS方案，上汽飞凡R7是首款应用车型。投影面积基本在70英寸左右，VID国内的基本在10左右，最大的达到13（需将VID、体积尺寸综合看）。
3. 竞争格局
国外厂商主要是日系、德系、美系企业，包括日本精机、日本电装、大陆集团、伟世通等。主流国外厂商在HUD领域起步较早，在全球及中国市场上均占据较高份额。日本精机、电装、大陆主要为宝马、奥迪、奔驰、马自达、丰田、本田、别克等中高端品牌配套。
国内供应商中，华阳集团、泽景电子、怡利电子、水晶光电等已实现产品量产，总体处于领先位置，其他的一些Tier 1如经纬恒润、欧菲光也在2022年布局HUD产品；华为、未来黑科技、疆程等也已经有上车或拿到车型定点。本土HUD厂商主要服务国内车企，包括吉利、红旗、长城、蔚来、理想、东风等。
图 2021年国内乘用车前装HUD前十出货量排名（来源：高工）
表：国内HUD相关企业一览
四、总结
HUD渗透率加速提升，2021年接近5%，预计2025年提升至20%。渗透率提升原因，一是HUD应用车型价位下沉至15万元左右，而国内乘用车价位结构中，15万元以上价位占比38%；二是HUD的性能和体验逐步提升；三是车企打造卖点。
座舱智能化增量部件之一。单一价值量如W-HUD 1600元，按照20%渗透率计算近100亿元的增量市场。
对PGU技术路线的判断：TFT主要是低成本，满足国产车企的需要，是当前上车的主要路线。DLP方案比TFT贵很多50%-70%。从性能而言，激光+LCOS、激光+全息是发展趋势，但取决于产业的成熟度。车企更关注的是可靠性和成本。
对HUD厂商能力的判断：HUD属于模组环节，对应的要求是工程化能力、规模制造能力，意味着量产交付能力以及成本，对HUD厂商而言一直是存在的。而在AR-HUD阶段，对PGU光学设计、软件算法的要求能力更高。
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自有PGU开发能力：可降低成本；可面对新的需求有开发能力和更新能力；在HUD产品尺寸、性能方面更具有自主性。尤其到LCOS、LBS，PGU更加核心，外部供应商更少。
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软件算法能力角色重要性逐步提高：AR-HUD相比于W-HUD方案，多出了感知、识别、融合三个环节。其中涉及数据、图像的融合。且当前ADAS与AR-HUD融合仍处于初期阶段，未来AR-HUD与高精度导航、多传感器、ADAS系统的融合将更加充分多元。
参考资料：
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中金-智能座舱车载显示新风向，HUD迎拐点
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汽车电子设计-HUD拆解
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智能汽车俱乐部-AR HUD 成像方案之LCoS技术与相关供应商简介
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智能汽车俱乐部-激光全息AR HUD介绍
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佐思汽车研究-前装HUD加速上车，自主表现可圈可点
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高工智能汽车-HUD进入智能座舱「3.0时代」主赛道，AR HUD增长超7倍
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