最大幅度扩大成像尺寸是目前抬头显示追求的核心目标。FOV（Field of View，视场 角）和 VID（Virtual Image Distance，虚像距离）扩大是提升当前 HUD 用户体验的关键指标，更大的 FOV 和更远的 VID 可以定义 HUD 的功能。在 W-HUD 时代，FOV 通常在 5-9°左右，VID 最远在 5m 左右，这样的显示范围下，通常只能覆盖车速等 简单信息，导航甚至难以实现多车道覆盖，难以显示更多 ADAS 的功能。据华阳集 团多媒体产品总监描述，当 FOV 达到 11°*4°，VID 达 10m 左右时，人眼可以舒 适的实现近似三车道的覆盖。而要实现更好的 AR 实景贴合，需要进一步扩大 HUD 的成像面积，提升 FOV 和 VID，让视角内可以容纳更多的信息，并给车载显示系统 提供更多的发挥空间。

AR-HUD 显示效果升级对景深呈现提出要求。据南京睿维视的研究，人眼的 3D 视 觉主要来自于生理和心里两个层面的因素决定，生理层面，人眼观察不同距离的物 体时晶状体会产生不同的屈光度来实现聚焦；同时双眼视线的夹角（辐辏）也有所 不同；此外由于双眼观察物体的角度不同，左右眼之间也会存在视觉差异。心理层 面，线性透视效应、不同的遮挡关系（间位）、阴影、以及其他经验值都会帮助人眼 和大脑形成 3D 视觉。因此人眼观察 3D 物体是系统工程，一旦有因素相互矛盾，就 会产生眩晕感。如在原本成像在远距离处的 AR-HUD 指示信息被近距离的前车遮挡， 会让大脑感到不适，久而久之产生眩晕感。因此要想实现更好的 3D 贴合效果要求 HUD 拥有 3D 显示功能，即虚拟图像可以根据现实情况实现灵活变焦，对应到 HUD 上，现有的 W-HUD 拥有较小的 FOV 和 VID，AR-HUD 具有较大尺寸的 FOV 和 VID 同时软件可配合实景显示，而未来真正的 AR-HUD 则能够做到在视野范围的光场内 实现 3D 显示，自由变焦，让远近实景和虚像完美贴合，给人以身临其境的体验。

景深显示——不仅是舒适的需求，更是安全的守护者。研究表明2，HUD 深度感缺 失和焦距不足是一个影响安全的重要问题，一方面会导致驾驶员视觉不适和注意力 无法集中，仍需转换焦距来感知虚像和实景，另一方面，HUD 显示错误距离会影响 驾驶员对障碍物真实距离的感知，这会来带潜在的危险。尤其在雨雾天气的时候， 外部参照物减少，HUD 投影对视觉的判断会产生更多的影响。因此无论从安全还是 体验的层面考虑，3D 景深显示都是 HUD 进阶的必然方向。

图像生成单元、光学部分、软件环节三大环节决定 AR-HUD 核心显示效果，每个环 节均具有广阔的升级空间。AR-HUD 的功能是将需要呈现给驾驶员的信息与 ADAS 回传的外部道路状况融合，由图像生成单元（PGU，Picture Generation Unit）产生图 像，通过光学部分的放大和转换投影到挡风玻璃上，经过挡风玻璃的反射进入到人 眼形成虚像。在 AR-HUD 中，三大环节尤为关键：（1）图像生成单元：相当于显示 器屏幕，是影响成像对比度、分辨率、亮度等显示效果的核心部分，目前以 TFT-LCD、 DLP 技术为主，此外 LCOS、MEMS 激光甚至 MicroLED 等技术仍然不断涌现；（2）光学部分：该部分将 PGU 产生的图像经过转换、放大后投射到挡风玻璃上，直接决 定人眼看到虚像的成像尺寸、成像距离、3D 景深效果等，同时也是影响整个模组体 积的主要环节，目前以离轴三反结构形式为主；（3）配套软件：是 AR-HUD 特有环 节，将外部信息进行坐标转换、畸变校正等并与实景贴合并呈现给乘客，随着 AR-HUD 包含的信息越来越丰富，软件的重要性日益凸显，界面美观度等直接决定 了产品客户体验。自 HUD 诞生以来，开发者们对三大环节进行了不懈探索，随着近 期行业进入快速发展期，新兴技术不断应用于其中，每个环节沿着自己的路径升级 迭代，投资机会不断涌现。

HUD 显示效果提升的需求推动显示技术升级。前文提到，目前对于 HUD 的显 示性能主要来源于三个方面：FOV 和 VID 扩大；拥有高亮度、高对比度、高分辨率等更好的显示效果；实现 3D 景深显示。据德州仪器的数据，更大的人眼窗口和 FOV 要求 PGU 具有更高的亮度；分辨率方面，人眼正常情况下的分辨率约为 60PPD（Pixel Per Degree）因此当 FOV 扩大时要保持分辨率水平就需要成像单元的分辨率同步提 升；而在散热方面，由于光路可逆，更远的虚像成像距离和更大的显示尺寸反过来 加剧了阳光倒灌时带来的散热问题；此外，显示技术还应当适配裸眼 3D 显示的需要， 而保证其技术的延展性。 现有方案通常以 TFT-LCD、DLP 显示技术为主，LCOS 技术有望迅速落地，此 外 LBS、MicroLED 等技术亦摩拳擦掌： TFT-LCD：采用背光透射的方式，通过 TFT 基板控制液晶开闭实现成像，技术 成熟、色彩分布可靠、成本低廉；但由于其采用透射方式成像，且液晶本身对温度 敏感，无法适应阳光倒灌；叠加其开口率较低，带来了其亮度低、分辨率低、对比 度低、光效低能耗高等问题。

DLP：通过数百万个铝制 DMD 芯片反射形成像素成像，具有高亮度、高光效、 高对比度、温度耐受性好等优势；但由于 DLP 技术的核心 DMD 芯片由德州仪器掌 控，厂商只能通过德州仪器采购芯片或模组，存在专利问题且成本较高。 LCOS：通过 CMOS 技术在硅芯片上加工而成，采用反射式成像，通过控制液 晶来调整光的偏转进而改变其在 PBS 棱镜中的透过率而实现灰阶的显示。LCOS 由 于电路在液晶背面，因此无需像 LCD 一样划定区域制作薄膜晶体管，具有较高的开 口率。性能优势明显：亮度高、分辨率高、画面细腻、无专利问题；但封装难度较 高，同时车规级产品成熟度不及 DLP 和 TFT-LCD 两类路线。 LBS：激光二极管发出激光，通过 MEMS 振镜扫描叠加激光器调制实现成像。 由于直接使用激光扫描，该技术方案具有亮度高、色彩好、光效高、视场角广、结 构简单等优势。但由于激光二极管对温度比较敏感，因此在车规稳定性上存在短板， 同时激光由于单色性较好，会呈现出一定的颗粒感（散斑），需要采取特殊的方式来 提升显示效果。 Micro-LED：微型化 LED 阵列（1-100 微米级别），结构为微型发光二极管，通 过对其施加电压而发出单色光，每一个 MicroLED 可视为一个像素。由于采用 GaN 等无机材料，并直接由 LED 发光，因此具有寿命长、工作温度范围宽、响应时间快、 亮度高、能耗低（理论上比 LCD 低 90%）等优势。MicroLED 被认为是下一代显示 技术，但目前成熟度有待提高，制备过程中的巨量转移等工艺稳定性、良率均有待 提高。

当前产品以 TFT、DLP 为主要技术路线。目前高性价比产品多以 TFT-LCD 技 术为主，随着对显示技术需求的提升，LCD 也向着更高分辨率和更好显示效果进化。 以 PGU 龙头京瓷的产品为例，其 TFT-LCD 的 PGU 产品包含了 1.12/1.8/2.6/3.1/4.1 等画面尺寸，对应分辨率覆盖从 300*160 到 1280*640，带来的了 HUD 产品的不断 升级。而为了拥有更高的亮度、对比度和更好的耐温性能，玩家引入了 DLP 技术， 该方案因采用漫反射屏成像，阳光倒灌时大部分的能量会被传达至漫反射屏反射掉， 可应对 AR-HUD 大成像面积下更严酷的阳光倒灌问题，同时成像效果更好，是 AR-HUD 中普遍使用的方案。但因 DLP 技术本身价格昂贵，且专利被德州仪器把控， 存在一定的供应链风险，方案也并非完美。 LCOS 蓄势待发有望成为新时期主力技术路线，Micro-LED 摩拳擦掌蓄势待发。 LCOS 技术得益于其超高分辨率等优异性能被广泛应用于近眼显示设备和空间光调 制器（SLM）中，同时该技术不存在专利风险，有望成为未来 HUD 主要的显示方案 之一。目前，其车规稳定性低以及封装工艺难度大带来的量产问题逐步得到解决， 行业巨头如华为、豪威科技等逐步将该技术方案推向量产落地。豪威科技推出的 LCOS 芯片 OP02220，可用于车载 HUD，像素尺寸仅有 4.5 微米，可在 0.39 英寸的 器件上实现1920*1080的分辨率。此外，目前用作3D全息显示的空间光调制器（SLM） 也普遍采用 LCOS 技术，而采用空间光调制器的全息成像也有望成为 HUD 的终极显 示方案，也为 LCOS 增添想象空间。目前，华为已经将 LCOS 方案 HUD 应用至飞凡 R7 车型上，产品实现 13°*5°FOV，具有 70 英寸画幅，可实现 AR 导航、观影等 功能。同时华为还与 HUD 本土龙头华阳集团合作，有望共同推进 LCOS 技术方案的 落地。LCOS 之外，Micro-LED 技术采用无机材料，显示品质高（高亮度、大动态范 围、高对比度、高分辨率），寿命长，体积小，也有望在 HUD 领域得到应用，目前 Micro-LED 主要在芯片制备良率、封装环节的巨量转移以及背板技术、驱动技术等 方面存在难点，技术突破后有望实现量产上车。

为了实现更灵活的呈现显示效果，全球 HUD 玩家在光学领域进行了广泛的探索和深 入的研究。通过改进现有方案，出现了多层显示（多焦面）、斜投影等方案。

多层显示（多焦面）方案：多焦面即在挡风玻璃上不同区域呈现不同距离的信 息，以双焦面方案为例，通常在近层图像显示仪表和设置信息，远层图像显示 AR 导航、车距提醒等信息，当前方有车遮挡时可以将远景关闭，只显示仪表信 息，避免不适感。大众 ID.4 和 ID.6 系列的 AR-HUD、以及奥迪 Q4 E-Tron 采用 的双层视觉显示，上部区域显示导航等信息，具有 10 米左右的 VID，下部显示 车速和车辆状态等信息，投影距离约 3m 左右。国内华阳集团通过对单光路的拓 展实现双焦面显示效果，最大程度控制 HUD 体积和 BOM 成本，并已经获取客 户订单。泽景电子和怡利电子也分别开发出了双画面 AR-HUD 量产解决方案。

斜投影方案：斜投影则是在挡风玻璃上呈现倾斜的图像，和路面贴合，进而模 拟路面的距离感，在小体积、成本相对低、同等参数条件下，实现更好的虚实 贴合效果。在日本精机呈现的一套 HUD 案例中，采用了双层投影+斜投影的成 像方案，在 2.5 米处近景显示行车状态信息；在 3-5m 内以斜投影模拟距离信息， 给客户良好的使用体验。国内华阳集团亦在进行相关产品的开发。

模组体积是限制当前 FOV 和 VID 扩大的主要瓶颈。HUD 模组内部通常包含两块折 叠镜，光线从 PGU 发出后经过两次反射后投射到挡风玻璃上。由于光路可逆，为了 实现更远的虚像距离和更广的 FOV，要求第二级非球面反射镜的尺寸足够大，这带 来 HUD 光学部分的尺寸持续增加。以奔驰 S 级为例，在实现 10°*5°FOV、8 米 VID 的情况下，模组的体积达到 25 升以上，这是普通车型难以接受的，从华阳的产 品路线图也可以看出，成像效果的提升伴随而来的就是模组体积的增加。目前厂商 致力于通过各类精巧的光学设计来减小 AR-HUD 模组占用的空间，而要有根本性的 改变，需要在光学技术上采用如光波导等全新的技术体系。

全息光学元件改变光的界面传播规则，光波导和 HOE 根本性解决 HUD 模组体积过 大问题。全息光学元件（HOE）是一种衍射光学元件，通过对表面或内部进行特殊 的处理，利用光的衍射原理，可打破光的全反射的界面规则，改变光的传播方向和 能量，若将其置于光波导部件中，则可以将光线耦入波导中传播，再在人眼附近耦 出成像，若将其贴覆于挡风玻璃上（HOE 膜），则可以直接实现成像。目前在 HUD 领域，玩家采用光波导、HOE 膜等方式打破 HUD 成像范围和模组体积同步提升的 桎梏。

（1）光波导：将光机“压扁”，充分减小模组体积。光波导器件可以让光在微小的 光波导器件中实现传播、放大，进而省去多层反射的结构，大幅减小 HUD 体积并实 现远超现有光学结构的大视场角和远距离成像。目前国内、海外的客户均积极布局， 光波导明星初创企业 Digilens 就曾与大陆集团合作开发光波导 AR HUD，产品拥有 15°*5°的最大市场角，12000nit 亮度，但仅有 5L 的封装体积。2022 年 9 月，华阳集团与本土领先光波导创业公司珑璟光电签署合作协议，共同推进光波导技术在 HUD 领域的应用。

光波导技术仍有待成熟，产业齐发力上车进度有望加快。目前全球光波导技术按照 所采用的光栅种类不同可分为几何光波导、表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导等 技术路线。整体而言，成像效果上几何阵列光波导优于浮雕光栅波导和体全息波导， 而在制备难度和稳定性上，几何光波导制需要制备阵列化的半透半反镜，工艺复杂， 表面镀膜、镜面平行度等要求高，成本高；表面浮雕光栅波导通常采用纳米压印或 光刻工艺生产，精密的光栅结构导致大规模高质量生产难度大；而体全息光栅波导 通常使用激光干涉曝光形成光栅结构，相对容易规模化制备，但对材料、系统设计 要求高。各类光波导技术各有优劣势，目前如国内珑璟光电、光粒科技、灵犀微光、 三极光电，海外 Lumus、Waveoptics、Digilens 等诸多玩家展开布局，由于光波导技 术在 AR 眼镜等市场均有广泛应用，需求拉动下，技术成熟产品有望加速到来。

（2）全息光学膜：实现整个风挡玻璃显示成像。前文提到全息光栅可通过全息衍射 成像改变光的镜面反射规律，可以让光实现任意维度的变化，因此也有厂商探索将 HOE 全息膜贴附于挡风玻璃，减小模组体积，扩展 FOV 和 VID，甚至可以实现全风 挡玻璃显示，此外该技术路线还可以通过调整全息膜的属性来设置不同距离的投影 图像，模拟 3D 景深显示的效果。HUD 厂商 Wayray 就采用了该种方案，并和挡风玻璃厂商AGP eGlass合作，将全息膜贴附于挡风玻璃的夹层中，并通过激光成像的PGU， 占用极小的组件体积，即可实现大面阵 HUD，并呈现 0 到无限远的虚像距离。此外 苏格兰初创公司 Ceres Holographics、国内的三极光电等厂商亦在布局该领域技术。 本土的 Tier1 玩家如华阳集团、水晶光电等在这些领域也进行了相关的探索。当然由 于 HOE 本身制备工艺仍不成熟，如何保证大规模生产的稳定性和良率，以及在各类 条件下保持本身光学特性仍是有待解决的难题，技术落地仍需供应商不懈探索。

光场显示可以还原 3D 场景，计算全息走上台前。光可以通过绝对位置（x，y，z，）、 角度（θ，φ）、波长（λ）、传播时间（t）几个参数精确定义，现实世界中看到的 光全部由这些参数构成，因而被称之为光场，采集并显示光场就能在视觉上重现真 实世界。而计算全息技术（CGH，Computer-Generated Holograms）则是通过计算机 采用一定的算法生成数字化的全息图进而实现光场复现。由于光波可以通过相位和 振幅等参数来进行描述，通过计算机对光的相位或者振幅进行解算，生成数字化的 全息图，再输入一种称之为空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator）的光学调 制器件中，对光的相位或者振幅进行调制（相当于将可变焦的镜头和屏幕同时“写 入”SLM），最后使用相干光对 SLM 进行照射，即可生成可刷新的光场，进而形成 可自由变化的动态全息 3D 图。计算全息技术的核心在于空间光调制器（SLM），目 前空间光调制器已经在激光加工焊接、生物医学、光通讯等领域实现广泛应用，滨 松等公司已经有诸多成熟货架产品提供。

计算全息技术有望成为 AR-HUD 的终局。就 HUD 而言，多层显示、斜投影等技术， 所产生的是静态的图像，成像距离相对固定，而计算全息技术（CGH）可以实现在 可变的任意焦平面上成像，彻底解决 3D 成像中辐辏调节冲突、眩晕等问题。当然目 前该技术处于起步阶段，面临诸多挑战，一方面计算机生成全息图计算量巨大，对 算力要求较高；另一方面空间光调制器的分辨率低尺寸小，整体成像质量仍有待提 升。目前业界已经对该技术进行了不懈探索，剑桥大学的研究团队在 2015 年即搭建 了用于头戴式显示器的样品来验证其算法，而 AR 玩家中如微软、英伟达等诸多行 业巨头亦在该领域进行了前瞻布局。HUD 玩家中 Envisics、CY Vision 亦布局该技术 路线，Envisics 自行开发特有算法来缩减计算量，并与松下展开合作；CY Vision 采 用空间光调制器（SLM）搭配眼球追踪技术（感知瞳孔和凝视位置）实现 3D 全息显 示效果，并与宝马达成合作。国内南京睿维视等公司亦对该领域进行了布局。2022 年 5 月，3D 全息显示开发商 VividQ 展示了其采用 CGH 技术开发的 Alpha 光学引擎 演示器，可显示高分辨率的 3D 视觉效果，具有出色的对比度和逼真的焦深。产业链 成熟拭目以待。

AR-HUD 让软件走上台前，AR Creator（AR Generator）应运而生。传统的 W-HUD 只需要设置相应的图像并投影在挡风玻璃上即可，而 AR-HUD 则需要将 ADAS 雷达 /摄像头信息、地图/导航信息、内饰摄像头信息、高精度定位信息、车身状态信息（车 速、续航、报警等）引入，结合 3D 坐标转换算法、眼球追踪、障碍物追踪等算法， 将数据进行融合，并转换成 AR 图像对外输出，进而与外部实景实现完美贴合。一 方面，AR-Creator 中的障碍物追踪、3D 坐标转换等算法需要达到较高的水准才能实 现良好的虚实结合效果；另一方面，ADAS 信号从感知到传输再到通过 AR-HUD 呈 现给乘客中间产生的延迟也很大程度上影响着客户体验，因此必须加上预测算法以 减少延迟给人带来的不适感；此外图像畸变矫正、车辆的防抖算法、与高精度定位/ 地图的融合等方面均考验着供应商的软件开发能力。

目前 AR-HUD 厂商纷纷致力于提供 AR-Creator 软件来形成类似开发工具的软件平 台，帮助整车厂根据自身的需求开发个性化的 AR-HUD 产品，实现良好的显示效果 和客户体验。海外，大陆集团在 2019 年即宣布旗下子公司 Elekrobit 将开发 AR Creator 来实现 AR 3D 成像；三星的车载系统开发商哈曼在 2022 年收购了 AR/MR 导航开发 团队 Aposter；松下则与 AR 导航解决方案厂商 Phiar 合作，共同开发 AR HUD 解决 方案。国内，水晶光电高度重视软件开发，自行研发了相应的软件产品来配套 HUD 产品实现虚实融合；泽景开发了可以适用多种操作系统的 AR 生成器软件 AR Cyber； 锐思华创则在印度班加罗尔和湖南长沙部署了纯软件团队；华阳集团亦在软件和算 法上投入大量资源，并形成多种解决方案供主机厂选择，既可提供软硬一体化的集 成 AR 生成器的 ARHUD 产品，也可单独提供软件算法集成于座舱域控制器并与 AR-HUD 进行融合的解决方案。