擴增實境抬頭顯示器(augmented reality head-up displays,AR HUDs)是汽車產業的下一件大事,相關技術已進展至汽車製造商和一級供應商皆積極開發AR擋風玻璃HUD的階段。

真正的AR顯示器需要至少10度的水平視角(field of view,FOV)以及大於7.5公尺的虛像距離(virtual image distance,VID)。FOV代表以度(degree)為單位的顯示大小,而VID代表影像投影的距離。在車用HUD中,VID代表影像呈現在道路上的距離。

AR技術的原理是在真實世界中附加上數位資訊,以提升駕駛的狀況警覺能力(situational awareness)與駕馭體驗。若FOV越大、虛像距離越長,代表顯示的效果也就越好。

一直以來,亮度和太陽負載就是設計AR顯示器最大的兩個難題。AR顯示器需要盡可能的寬一些及明亮一點,這樣便會需要成像系統提供大量的光,同時盡量將遠處的影像投影至道路上。現今的HUD具備7到8度或更低的FOV,並且可於前方2.0到2.5公尺的道路上「投影」影像,讓這些影像看似浮現於汽車的引擎蓋上。在AR HUD中,我們希望影像能投影到更遠的地方,讓虛擬影像完整地與實景融合,進而增加駕駛的視野以進行互動。

為了延伸虛擬影像的距離,設計放大倍數從25到30倍的系統已層出不窮,然而卻可能因此產生負面影響,如將太陽負載(即太陽能)集中於HUD成像系統面板上極小的區域時,恐引發嚴重的散熱問題。利用這種提高放大倍數的方法,會將成像系統面板移向距離HUD光學元件焦點更近的地方,進而提高單位面積太陽能集中度,如下圖所示。

2018AUG07_TIDLP_NP21P1

HUD光學元件將太陽負載放大到擴散片(diffuser screen)或薄膜電晶體(TFT)面板上
(來源:TI)

特別注意,環境溫度並非問題所在,而是因為太陽能的聚焦加上更多光線進入系統,導致更大的AR HUD眩光陷阱(glare trap),進一步產生了過熱的問題。

運用 DLP技術的中間擴散片結構,可設計出能夠承受經由太陽光放大所產生熱負載(thermal load) 的HUD。以DLP技術為基礎的HUD可將影像投影到擴散片上,HUD光學元件再將其放大並投影至擋風玻璃上以反射呈現於駕駛眼前。在TFT HUD中,TFT面板連接到HUD光學元件,取代了擴散片和輔助電子元件。

為了更瞭解擴散片的優勢,我們不妨來看看擴散片與傳統TFT面板的物理特性(如下圖)。擴散片具有兩大主要優勢,包括更高的工作溫度,以及擴散片並不會吸收大量的入射可見光(光譜的紅外 [IR] 和紫外 [UV] 部分很容易被過濾)。

2018AUG07_TIDLP_NP21P2

TFT與擴散片
(來源:TI)

入射的太陽負載透過HUD光學元件聚焦到擴散片上,就如同用於TFT面板時一般。實際上,在擴散片上,透射光是散開的,消除了HUD光學元件的放大效應,因此能更簡單地處理熱負載問題。透過TFT面板,太陽能被吸收,很容易將面板的工作溫度提高到最大額定值以上。DLP系統處理太陽負載的優勢以及其出色的亮度、對比和色域等,正是協助汽車製造商和一級供應商設計和推出新一代AR HUD的推手。