平視顯示器未來趨勢：影像大尺寸化和高亮度化
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
電裝信息通信設(shè)備開發(fā)部第二開發(fā)室主任金森直人說，“希望HUD成為一個(gè)增長的業(yè)務(wù)領(lǐng)域”。
在汽車前擋風(fēng)玻璃等位置顯示車速及前進(jìn)方向等的平視顯示器（HUD）的市場今后估計(jì)會快速擴(kuò)大（圖1）。據(jù)電裝介紹，2012年HUD的市場規(guī)模為100萬臺左右，預(yù)計(jì)2013年以后將逐年增加，2020年將達(dá)到700萬～1000萬臺的規(guī)模。
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| 圖1 2020年HUD的市場規(guī)模將達(dá)到1000萬臺 HUD從1980年代后半期開始配備于汽車，功能逐年提高。2012年配備HUD的市售車載導(dǎo)航儀問世。因人們對汽車安全功能的需求高漲，估計(jì)今后HUD市場還會擴(kuò)大，到2020年，將由2012年的約100萬臺增至700萬～1000萬臺。 |
汽車的安全性需求是助推劑
HUD在汽車領(lǐng)域的采用不斷增多的原因是，要求汽車更加“放心安全”的呼聲日益高漲。使用HUD時(shí)，與配置在中控臺部分的車載導(dǎo)航儀及位于駕駛座前方的儀表相比，駕駛員幾乎無需移動視線即可獲得信息（圖2）。將目光焦點(diǎn)由注視前方的狀態(tài)調(diào)整到瀏覽HUD信息的狀態(tài)所需要的時(shí)間也比調(diào)整到導(dǎo)航儀或儀表短。因此，可以實(shí)現(xiàn)更為安全的駕駛。
而且，HUD還非常適合實(shí)時(shí)顯示信息。除了顯示速度、限速信息及導(dǎo)航儀信息以外，還能及時(shí)提醒駕駛員注意各種緊急信息，包括偏離車道、與前方車輛碰撞、后方有車輛接近以及檢測到行人等的各種警報(bào)。
由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，在車道速度規(guī)定細(xì)致、高速公路數(shù)量較多、開車上下班的人較多的歐洲和美國，HUD的需求非常大。因此，歐美汽車廠商都在以高檔車為主，增加采用HUD的車型。
而且，在駕駛輔助系統(tǒng)的功能越來越多、向駕駛員提示的信息量日益增多的形勢下，從安全性考慮，市場對視認(rèn)性出色的HUD的需求日益高漲。盡管目前HUD的成本較高，配備HUD的主要是高檔車，但抓住這些需求之后，HUD的構(gòu)成部件的價(jià)格就會降低，估計(jì)最近4～5年內(nèi)HUD會在普及價(jià)位的車型中得到更廣泛的采用。
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| 圖2 HUD的視認(rèn)性出色 HUD的影像顯示在駕駛時(shí)的注視點(diǎn)附近，從而可縮短駕駛員移動視線的時(shí)間（a）。調(diào)整焦點(diǎn)所需時(shí)間也比看儀表時(shí)要短（b）。（該圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)電裝的資料繪制） |
而且，HUD還非常適合實(shí)時(shí)顯示信息。除了顯示速度、限速信息及導(dǎo)航儀信息以外，還能及時(shí)提醒駕駛員注意各種緊急信息，包括偏離車道、與前方車輛碰撞、后方有車輛接近以及檢測到行人等的各種警報(bào)。
由于具備這些優(yōu)點(diǎn)，在車道速度規(guī)定細(xì)致、高速公路數(shù)量較多、開車上下班的人較多的歐洲和美國，HUD的需求非常大。因此，歐美汽車廠商都在以高檔車為主，增加采用HUD的車型。
而且，在駕駛輔助系統(tǒng)的功能越來越多、向駕駛員提示的信息量日益增多的形勢下，從安全性考慮，市場對視認(rèn)性出色的HUD的需求日益高漲。盡管目前HUD的成本較高，配備HUD的主要是高檔車，但抓住這些需求之后，HUD的構(gòu)成部件的價(jià)格就會降低，估計(jì)最近4～5年內(nèi)HUD會在普及價(jià)位的車型中得到更廣泛的采用。
影像更亮、更大
通常的HUD主要由投影儀部分、平面鏡、放大鏡及顯示部分構(gòu)成。顯示影像時(shí)，首先從投影儀部分向平面鏡投射影像，然后通過放大鏡放大其反射影像，同時(shí)把影像向前投射到前擋風(fēng)玻璃或半透明反光板上。
HUD廠商目前除了降低成本之外，還在為提高視認(rèn)性而開展提高亮度、擴(kuò)大顯示畫面方面的研發(fā)。電裝的目標(biāo)是，投射相當(dāng)于前方2米10英寸的影像時(shí)實(shí)現(xiàn)1萬cd/m2的亮度，15英寸影像實(shí)現(xiàn)1.3萬cd/m2的亮度，33英寸影像實(shí)現(xiàn)1.5萬cd/m2的亮度。
提高亮度的重點(diǎn)是光源部分的散熱和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。盡管未透露這方面的詳情，但電裝表示通過自主開發(fā)的安裝在白色LED光源上的透鏡，提高了效率（圖3）。該公司已使相當(dāng)于在前方2米處投射7.5英寸影像的HUD實(shí)用化，并開始向起亞“K9”供貨。而且試制出了10英寸產(chǎn)品，今后還打算增加顯示畫面的尺寸。
自主開發(fā)液晶顯示元件和MEMS反光鏡
JVC建伍也是致力于開發(fā)HUD的廠商之一。該公司強(qiáng)調(diào)，其優(yōu)勢是自主開發(fā)作為HUD投影儀部分顯示元件的LCOS（硅基液晶）以及MEMS反光鏡。
LCOS通過使白色LED光源發(fā)出的光發(fā)生反射來生成影像。因此，與透射型液晶面板相比容易提高亮度和像素。JVC建伍的LCOS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了超過1萬cd/m2的高亮度。2012年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化的、安裝在車內(nèi)后視鏡上的HUD實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.5萬cd/m2的亮度，像素高達(dá)1280×720（圖4）注1）。
注1）截至2013年3月12日，JVC建伍仍通過ZMP公司銷售該產(chǎn)品。該公司打算今后自己也開展銷售。
通常的HUD主要由投影儀部分、平面鏡、放大鏡及顯示部分構(gòu)成。顯示影像時(shí)，首先從投影儀部分向平面鏡投射影像，然后通過放大鏡放大其反射影像，同時(shí)把影像向前投射到前擋風(fēng)玻璃或半透明反光板上。
HUD廠商目前除了降低成本之外，還在為提高視認(rèn)性而開展提高亮度、擴(kuò)大顯示畫面方面的研發(fā)。電裝的目標(biāo)是，投射相當(dāng)于前方2米10英寸的影像時(shí)實(shí)現(xiàn)1萬cd/m2的亮度，15英寸影像實(shí)現(xiàn)1.3萬cd/m2的亮度，33英寸影像實(shí)現(xiàn)1.5萬cd/m2的亮度。
提高亮度的重點(diǎn)是光源部分的散熱和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。盡管未透露這方面的詳情，但電裝表示通過自主開發(fā)的安裝在白色LED光源上的透鏡，提高了效率（圖3）。該公司已使相當(dāng)于在前方2米處投射7.5英寸影像的HUD實(shí)用化，并開始向起亞“K9”供貨。而且試制出了10英寸產(chǎn)品，今后還打算增加顯示畫面的尺寸。
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| 圖3 HUD的工作原理 HUD將影像投射到平面鏡上，然后利用放大鏡放大其反射影像，并將其顯示在前擋風(fēng)玻璃上（a、b）。各公司通過改進(jìn)光源、顯示元件及光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了差異化。比如，電裝就自主開發(fā)出了安裝在白色LED光源上的透鏡，從而提高了效率（c）。（圖（a）由《日經(jīng)電子》根據(jù)電裝的資料繪制） |
自主開發(fā)液晶顯示元件和MEMS反光鏡
JVC建伍也是致力于開發(fā)HUD的廠商之一。該公司強(qiáng)調(diào)，其優(yōu)勢是自主開發(fā)作為HUD投影儀部分顯示元件的LCOS（硅基液晶）以及MEMS反光鏡。
LCOS通過使白色LED光源發(fā)出的光發(fā)生反射來生成影像。因此，與透射型液晶面板相比容易提高亮度和像素。JVC建伍的LCOS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了超過1萬cd/m2的高亮度。2012年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化的、安裝在車內(nèi)后視鏡上的HUD實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.5萬cd/m2的亮度，像素高達(dá)1280×720（圖4）注1）。
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| 圖4 通過自主開發(fā)的顯示元件挑戰(zhàn)HUD業(yè)務(wù) JVC建伍開發(fā)出了可用作HUD顯示元件的LCOS和MEMS反光鏡。采用LCOS的產(chǎn)品方面，該公司開發(fā)出了可安裝于車內(nèi)后視鏡的HUD以及可設(shè)置在儀表上部的HUD（a、b）。前者通過ZMP對外銷售。還試制出了光源采用激光器元件、顯示元件采用MEMS反光鏡的HUD（c）。 |
注1）截至2013年3月12日，JVC建伍仍通過ZMP公司銷售該產(chǎn)品。該公司打算今后自己也開展銷售。
此外，JVC建伍還開發(fā)出了將影像投射到半透明反光板上的LCOS產(chǎn)品。向前擋風(fēng)玻璃投射影像時(shí)，需要按車型制作投影部分，所以LCOS都是專用產(chǎn)品。而采用半透明反光板的話，可將HUD裝置設(shè)置在駕駛席前方儀表部分的上方，既容易向多種車型推廣，又可輕松降低成本。該公司打算向普及價(jià)位的車型推廣采用半透明反光板的LCOS產(chǎn)品。
而MEMS反光鏡的特點(diǎn)是容易提高影像的對比度。原因是可利用MEMS反光鏡使激光發(fā)生反射并掃描，從而生成影像。因?yàn)橹挥杏跋癫糠职l(fā)光，所以容易提高對比度。采用MEMS反光鏡的HUD試制品實(shí)現(xiàn)了10000:1的對比度。
但JVC建伍介紹說，與LCOS產(chǎn)品相比，MEMS反光鏡還存在很多課題。主要課題在于激光器元件，不僅價(jià)格高，而且工作溫度范圍很難擴(kuò)大。
成本方面，綠色半導(dǎo)體激光器的出貨量較少，成本高于紅色和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器。今后，JVC建伍打算通過更多地應(yīng)用于HUD，來降低激光器的成本。
工作溫度范圍方面，要求激光器在+60℃以上的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。激光器是對溫度十分敏感的元件，振蕩波長會隨著溫度發(fā)生變化。使用帕爾帖元件等冷卻元件的話，雖然可以抑制溫度變化，但同時(shí)成本、安裝體積及耗電量也會增加。
因此，激光器元件廠商正在努力擴(kuò)大工作溫度范圍。比如，夏普就開發(fā)出了封裝溫度為+60℃、可以實(shí)現(xiàn)100mW光輸出功率的紅色半導(dǎo)體激光器。從2013年1月開始提供樣品，2013年3月開始量產(chǎn)。
即便如此，車載用途大多仍要求激光器的工作溫度達(dá)到80～90℃，因此夏普表示將進(jìn)一步擴(kuò)大該產(chǎn)品的工作溫度范圍。
而MEMS反光鏡的特點(diǎn)是容易提高影像的對比度。原因是可利用MEMS反光鏡使激光發(fā)生反射并掃描，從而生成影像。因?yàn)橹挥杏跋癫糠职l(fā)光，所以容易提高對比度。采用MEMS反光鏡的HUD試制品實(shí)現(xiàn)了10000:1的對比度。
但JVC建伍介紹說，與LCOS產(chǎn)品相比，MEMS反光鏡還存在很多課題。主要課題在于激光器元件，不僅價(jià)格高，而且工作溫度范圍很難擴(kuò)大。
成本方面，綠色半導(dǎo)體激光器的出貨量較少，成本高于紅色和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器。今后，JVC建伍打算通過更多地應(yīng)用于HUD，來降低激光器的成本。
工作溫度范圍方面，要求激光器在+60℃以上的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。激光器是對溫度十分敏感的元件，振蕩波長會隨著溫度發(fā)生變化。使用帕爾帖元件等冷卻元件的話，雖然可以抑制溫度變化，但同時(shí)成本、安裝體積及耗電量也會增加。
因此，激光器元件廠商正在努力擴(kuò)大工作溫度范圍。比如，夏普就開發(fā)出了封裝溫度為+60℃、可以實(shí)現(xiàn)100mW光輸出功率的紅色半導(dǎo)體激光器。從2013年1月開始提供樣品，2013年3月開始量產(chǎn)。
即便如此，車載用途大多仍要求激光器的工作溫度達(dá)到80～90℃，因此夏普表示將進(jìn)一步擴(kuò)大該產(chǎn)品的工作溫度范圍。
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