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厉害了!FF91搭载业内最大HUD,小小晶片里藏着数百万镜片“大阵”

2020-11-03 11:35 前瞻网   

 

厉害了!FF91搭载业内最大HUD,小小晶片里藏着数百万镜片“大阵”

有着贾跃亭这么一个自带流量的老板,法拉第未来(FF)尽管远在美国,但其造车进展却一直深受大众关注。

FF的首款车型,同时也是被贾跃亭寄予“翻身”厚望的新车FF91几度难产,中途更一度消失在人们视线中,直到近日终于放出多辆预量产车已经下线的消息,官方还披露了FF91的许多配置细节。

其中,FF91最大的亮点是搭载了业内最大的抬头显示器(HUD),它可以将信息投射到驾驶员面前2.7米的位置。

HUD是什么?即使是很多天天开车的车主,对HUD可能也不是很了解。其实,在科幻电影中常常有它的身影:当主角驾驶未来的汽车、飞机等载具时,仪表信息会被投射在前挡风玻璃上,使驾驶员无需低头和转移视线,这就是HUD的功劳。

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(一辆BMW E60中的HUD。图源wiki)

HUD(全称为Head Up Display),即平视显示器,它的历史可以追溯到二战期间,最早被应用于军用飞机上,是一种反射式瞄准技术。

二战结束时,部分特定型号的轰炸机配备了机载微波雷达系统和电视显示屏,这被认为是真正HUD的雏形,它能将雷达信息(包括一个人工地平线),反射到飞行员控制系统前面的一块玻璃上。

上世纪80 年代,美国阿拉斯加航空公司将HUD 技术用于民用航空运输飞行领域。最初采用HUD是出于对安全的考量,它可以把飞机飞行信息(如飞行参数、姿态信息、导航信息等)投射到飞行员视野正前方的透视镜上,使得飞行员可以在同一视野中兼顾仪表参数和外界目视参照物,避免飞行员因查看仪表而分散对舱外环境的注意力,同时降低眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适。

自那以后,HUD经历了各种变化与升级,目前HUD已经被许多航空公司选装和使用,一些高端豪车品牌也纷纷将HUD作为新车的标准配置。

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(1988年,通用汽车在其旗下的 Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上采用了HUD抬头显示器,这是世界上首款采用HUD技术的汽车。图源:通用汽车)

如今的HUD也不仅能够显示车辆的基本行车信息,它还可以提供高精度的导航指引和路面信息提示,甚至语音收发微信、打电话、点歌等。

不过,尽管看着十分“科幻”,但HUD的基本原理其实很简单:利用光的反射与折射,将图像投射到经过处理的玻璃表面,而人眼看到的是位于眼前的虚像,给人的感觉是信息“悬浮”在空中一样。

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HUD在车载平视显示器的应用中变种有很多,市面上大部分采用LCD(液晶显示屏)作为PGU(图像生成单元),经过一系列曲面镜以及滤光器将图像投射到挡风玻璃或一块独立的小屏幕上。

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但这种车载HUD在实际应用中仍存在一个不能被忽视的问题:当驾驶员戴上太阳镜时,可能在某些情况下会看不到HUD的显示图像,给安全驾驶造成障碍。

要解释这种情况为什么会发生,这就涉及到一个概念:光的偏振。

人们已经知道,光也是一种波,而波分为横波与纵波。横波与纵波的不同之处在于,纵波的振动对于波的传播方向是轴对称的,横波的振动对于波的传播方向不是轴对称的。

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可见光是一种横波,其振动方向垂直于传播方向。而偏振指的是振动方向对于传播方向的不对称性,是横波所独有的特性。

在日常生活里,自然光来自四面八方,由于自然光是一种偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合,它被视为完全非偏振光。

当自然光被光滑表面反射后,就会产生某个方向的偏振,而这种反射光就会产生让人眼睛不舒服的眩目效果,即是眩光。

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偏光太阳镜就是为了过滤掉这些“多余”光线而制造的:其中的偏光膜层包含有能吸收偏振光的二色性颜料和分子链,形成一个如同百叶窗的结构,只允许自然光中某一特定偏振方向的光通过。更少的光通量,也使得人们戴上太阳镜后往往会感觉视野明显变暗。

偏光片不仅应用于太阳镜中,还是液晶显示屏中不可或缺的部件。

为了解释偏光片在其中的用处,我们可以把液晶显示屏的结构简化为三个主要部件:背光灯、液晶、上下两片偏振方向不同的偏光片。

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在打开电源后,背光灯发出的光是四面八方的,首先要通过下方的偏光片被筛选,成为同一方向的光。这些光线随后通过液晶材料,由于液晶具有旋光性,在通电时能够把光线的偏振方向改变90度,因此再使用一个方向不同的偏光片来筛选,就能够只留下通电液晶透过的光。

如果没有偏光片,液晶依然有效,但会透出不同偏振的光,而人眼无法分辨光的偏振方向,整个屏幕肉眼看起来会是白色一片。

在实际生活中,透过偏光太阳镜片观察液晶屏幕,同时旋转镜片,会看到液晶屏幕在镜片中显示为黑屏,这就是镜片中的“百叶窗”过滤了液晶屏发出的光的缘故。放到HUD上也是一样:偏光太阳镜在某些情况下过滤了HUD液晶屏发出的光线,导致HUD形同虚设。

而FF91此次披露的更新就是为了解决“太阳镜与HUD不能共存”的问题。FF91直接摒弃了液晶显示屏,转而采用了DLP(数字光处理)技术。

DLP的核心是TI(美国德州仪器)公司率先发明的数字微镜晶片(DMD)。DMD通过微镜矩阵将光线反射并形成投影,这些微小镜片根据视频或图形信号打开或关闭,开关速度每秒超过上千次。

一个DMD可包含多达800万个通过轭架和铰链安装的微镜,一个微镜的直径仅有16平方微米,每个微镜对应最终画面中的一个像素。电极通过静电吸引来控制镜面的位置,微镜打开的时间越长,产生的像素就越亮。

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(数字微镜的示意图,显示了安装在悬挂轭架上的镜面)

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(DMD的每个镜片镜面偏转角度保持固定值,根据版本不同,可能为正负12度或正负10度)

可以看出,这种结构不需要任何偏光片,也就顺利解决了偏光太阳镜与HUD的液晶屏不能共存的问题。

不过,与其他HUD技术相比,DLP技术更加复杂和精密,需要针对不同的挡风玻璃定制高精度的反射非球面镜,其核心部件在汽车复杂的使用环境中也较易出现坏点,再加上德州仪器对DLP技术的多年垄断,这诸多因素都导致了较为高昂的使用成本。

而且,FF并非第一家在HUD上采用DLP技术的汽车厂商。早在2015年,德州仪器就推出了首款专为车载HUD应用而设计的DLP芯片组;2017年,全球首款采用DLP技术的HUD抬头显示系统的车型(林肯的大陆Continental车型)就在北美发布,内置40万个工作频率可达5000次/秒微镜的DLP芯片。

话又说回来,比起大部分HUD所使用的液晶屏,FF91选择了更昂贵、体验更好的DLP技术,这样的配置确实符合FF91的豪车定位——据FF消息人士透露,这款车号称要对标宾利、劳斯莱斯,在中国的售价预计为200万元人民币。

从目前所披露的FF91外形、性能与配置来看,如果FF91真的能够量产,并在品控等各方面交上一份合格的答卷,那么愿意买单的消费者还是不少的。不然的话,贾跃亭“PPT造车”的帽子怕是摘不掉了。

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责任编辑: 3976DBC

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