增强现实（AR）抬头显示（HUD）是汽车行业中出现的新一项重大发明。现如今，该技术得到了汽车制造商和一级供应商的关注，进入到积极开发AR挡风玻璃HUD的阶段。
真正的AR显示需要有至少10度的宽视场（FOV）以及7.5米或更大的虚拟图像距离（VID）。FOV表示以度为单位的显示大小，而VID表示图像投影的距离。在汽车HUD中，VID表示图像出现在道路上的距离。
AR技术背后的理念是在现实世界之上叠加数字信息，增强驾驶员对当下情景的了解并改善其驾驶体验。FOV越大，虚拟图像距离越长，显示的效果也就越好。
图 1：AR显示示例
一直以来，设计AR显示面临的两项最大挑战是亮度和太阳能负载的问题。AR显示需要尽可能宽和亮，这就需要成像仪发出大量光。驾驶员还需要尽可能远地将图像投射到道路上。当今的HUD可达到的FOV为7到8度或更小，并且可以在前方2.0到2.5米的道路上“投射”图像。这些图像看起来像漂浮在汽车的引擎盖上。人们希望通过AR HUD使图像投射到更远的地方，使图像真正做到增强并与驾驶员的视野互动。
为了延长虚拟图像的距离，设计放大倍数为25到30倍的系统已屡见不鲜，但这样的设计弊端是太阳能负载（即太阳能）集中于HUD成像仪面板上极小块区域时会产生过大负荷热量。这种高倍数放大会将成像仪面板移向距离HUD光学器件焦点更近的地方，从而提高单位面积太阳能的集中度，如图2所示。
请注意，这不是环境温度问题，而是由于太阳能得到聚焦以及进入系统的光线更多（由于AR HUD的眩光陷波器较大），从而产生了过热的技术问题。
图 2：HUD光学器件将太阳能负载放大到散射屏或薄膜晶体管（TFT）面板上
利用DLP®技术独特的中间散射屏结构，可以设计出能够承受由太阳光放大所产生热负荷的HUD。如图3所示，基于DLP技术的HUD可以将图像投射到散射屏上，然后HUD光学器件将其放大并投射到挡风玻璃上，从而呈现在驾驶员的视线中。在TFT HUD中，TFT面板连接到HUD光学器件，取代了散射屏和辅助电子器件。
图 3：基于DLP技术的HUD架构示例
为了更好地理解为什么散射屏具有优势，我们不妨来看看散射屏与传统TFT面板的物理特性（图4）。散射屏具有的两大主要优势在于可在更高的温度中工作，此外散射屏不会吸收大量的太阳入射可见光谱，这一点更加重要。（光谱的红外[IR]和紫外[UV]部分很容易被过滤。）
图 4：TFT与散射器
入射的太阳能负载通过HUD光学器件聚焦到散射器上，就像用于TFT面板时一样。但在散射器中，透射光实际上被散开，消除了HUD光学器件的放大效应，因此能够更加简单地应对热负载问题。通过TFT面板，太阳能被吸收，且可以轻松地将面板的工作温度提高到最大额定值以上。正是这种太阳能负载带来的优势以及其卓越的亮度、对比度和色域，助力汽车制造商和一级供应商设计和推出新一代AR HUD。
太阳辐照度对AR HUD设计提出了重大挑战。与传统的HUD不同，AR HUD具有宽视场和长虚像距离，并且需要将车辆的传感器数据与HUD显示进行实时集成。长虚像距离（>7m）及较小程度上的较宽视场（至少水平10度角x垂直4度角）导致太阳能集中度显著提高，并在成像仪面板上发生相应的热升。为了防止太阳辐照度造成的热损伤，您必须仔细设计AR HUD并运行详细的阳光负载模拟以验证操作是否可靠。
在模拟阳光负载对AR HUD设计的影响时，需要考虑以下几点。
阳光负载模型的准确性
虽然看起来很明显，但我不能夸大模型元素中准确性的重要性。AR HUD阳光负载模拟需要精确的阳光光源模型（具有适当的角度、光谱和辐照度特性），以及针对汽车中光学元件的精确光谱透射曲线，包括（但不限于）挡风玻璃、眩光陷阱和热/冷镜。
离轴太阳辐照度的影响
在日常驾驶条件下，当车辆转弯及上下坡时，各种角度的日照均会射入车内。因此，重要的是在适当的角度范围内扫描入射的太阳光，如图5所示。TI发现，在采用TI DLP®技术的AR HUD原型中，离轴峰值太阳辐照度比主光线水平差2.7倍，导致热负荷显著增加。模拟的峰值太阳辐照度如图6所示。如果您的系统设计无法处理最坏情况下的离轴太阳辐照度，那么您将面临因受损成像仪面板造成的不可接受的现场故障风险。
图 5：在一系列输入角中模拟太阳光
图 6：散射屏上的峰值辐照度作为输入阳光角度的函数。
太阳辐照度的热效应
模拟峰值太阳辐照度只是预测和避免热失效的第一步。太阳能根据其所射入材料的光谱吸收转换为热量。例如，在我们的测试中，如图7所示，由于阳光负载导致的薄膜晶体管（TFT）面板的温升比基于DLP技术的系统中所用的透射式微透镜阵列散射屏快6倍，从而使TFT面板更易受到太阳辐照度的损害。
在85°C的环境温度下，由于其低光谱吸收和高工作温度的特性，HUD系统中采用DLP技术的Kuraray散射屏可以承受高达82kW/m2的太阳辐照度。这种热性能使DLP技术能够支持AR HUD中的长虚像距离。
图 7：温升与太阳辐照度
AR HUD的设计挑战与当今HUD设计中的挑战有很大不同。AR HUD中的阳光负载明显较高，您必须运行详细的热模拟并考虑设计中的离轴太阳辐照度。
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