此篇文章，我们将聚焦于AR-HUD的技术实现路径，深入剖析其背后的光学原理、图像生成技术以及多图像距离和3D显示的创新解决方案。这些技术的突破，不仅为AR-HUD的广泛应用奠定了坚实基础，更将推动汽车驾驶体验迈向一个全新的高度。接下来，让我们一同揭开AR-HUD技术实现的神秘面纱，探索其如何将虚拟信息与现实世界无缝融合，为现代驾驶带来前所未有的变革。
人眼之间的瞳距大约为65毫米。为了确保双眼都能处于眼盒范围内，通常会将眼盒（Eyebox，眼盒是驾驶员头部在车内可移动的三维空间范围。在此范围内，驾驶员双眼能够完整、清晰地看到HUD投射的虚拟图像。）尺寸设置为大于90×60平方毫米。为了避免在车辆晃动时丢失驾驶信息，较大的眼盒尺寸是有好处的。
（图片展示了AR-HUD用一个集成的眼球追踪摄像头。眼球追踪器可以识别驾驶员的身高和头部运动，从而调整平视显示器视窗中的图像，提高其视野内图像的保真度，然后更精确地将增强现实图像与现实世界相匹配并聚焦）
在光学硬件方面，AR-HUD由图像生成单元（PGU）和HUD光学器件组成。前者利用投影仪，如薄膜晶体管-液晶显示器（TFT-LCD）、数字光处理（DLP）、硅基液晶（LCOS）或微型发光二极管（micro-LEDs）来生成图像。后者是一个用于将虚拟图像投射到挡风玻璃外的光学系统。其功能包括折叠光路、放大图像、形成眼盒以及补偿挡风玻璃产生的像差。
图像生成单元（Picture Generation Unit）
商用HUD主要采用四种投影技术：
薄膜晶体管液晶显示器（LCD-TFT）、数字光处理（DLP）、硅基液（LCOS）和微型发光二极管（Micro-LED）。
其中，硅基液晶可分为两种类型：振幅型（Amplitude Type）和相位型 （Phase Type）。
（图1 展示了投影仪图像生成单元（PGU）成像原理）
图1（a）LCD-TFT的原理基于电压感应液晶（Liquid Crystal）能够调制入射线偏振光（Linearly Polarized Light）偏振方向这一特性。光线经下偏振镜（Lower Polarizer）变为线偏振光，未加电压时，液晶使线偏振光扭曲，到达上偏振镜（Upper Polarizer）时振动方向旋转90度，得以穿过，形成暗场效果；施加电压后，电场感应取向（Electric Field Induced Orientation）消除扭曲，线偏振光无法穿过上偏振镜，形成亮场效果，液晶与彩色滤光片（Color Filter）结合，使LCD-TFT实现全彩显示。
图1（b）DLP技术利用数字微镜器件（DMD）来操控入射光。数字微镜器件是一种复杂的光学开关装置，由130万个铰接式微镜组成，矩形阵列中的每个像素对应一个微镜。铰接式微镜可以将入射光反射到两个相反的方向，分别对应开启和关闭状态。DLP通过场序彩色操作来生成全彩图像。根据这一原理，入射光无需偏振，因此与LCD-TFT和LCOS相比，它能实现更高的光学效率。
图1（c）LCOS利用液晶的光电效应让入射光通过偏振镜变成线偏振光，通过底下的CMOS基板上的反射涂层实现光的反射和二次调制（反射回来的光线再次通过液晶层Liquid Crystal，此时液晶分子会再次对光线进行调制），提高显示的对比度和清晰度。通过两次调制，光线的偏振状态和强度可以被更精确地控制，从而提高显示图像的质量。在增强现实（AR）和全息显示领域，LCOS技术可用于创建逼真的3D效果，在AR-HUD中提供更精准逼真的图像，推动沉浸式体验的发展。
图1（d）Micro-LED在显示技术领域受到了更多关注，每个像素都可以被单独驱动发光。基板（substrate）是整个系统的根基，为其他组件提供物理支撑和电气连接基础；RGB micro-LED作为核心发光部件，以红、绿、蓝三种微型发光二极管构成像素点；通过基板上的电路与电极（electrode）相连。电极负责将外部电源的电能传输给RGB micro-LED，通过电信号控制每个像素点的发光状态。
（图2 展示了图像⽣成单元（PGU）参数对⽐）
HUD的光学系统
虚拟图像距离VID在10米以内
（图3）
图3（a）展示了基于⾃由空间的离轴双镜系统，这是AR-HUD系统常⻅的设计。该系统利⽤第⼀个固定的⾃由曲⾯（free-form surface）作为光路折叠装置来减⼩系统体积，第⼆个⾃由曲⾯将放⼤后的图像反射到挡⻛玻璃上，让驾驶员能够看到远处放⼤的图像。此系统中使⽤⾃由曲⾯镜可消除⾊差（chromatic aberration）和离轴像差（off-axis aberrations），使系统体积相对⼩巧（10升）。
图3（b）展示了离轴四镜系统，该系统由四个反射⾯（标记为1、2、3 和4）和⼀个合束器组成。从图像⽣成单元（PGU）发出的光经过这四个反射⾯多次反射后，最终到达组合器（combiner），组合器将光反射向系统出⼝，使得⽤户能够同时感知虚拟图像和现实景象。并且反射⾯1可以⽤⾃由曲⾯代替，反射⾯2和4可以⽤⾮球⾯代替，以此来平衡⾮对称像差。该系统眼盒尺⼨为106×66平⽅毫⽶，视场为6°×3°，虚拟图像距离为5⽶，是为了在保持紧凑的同时满⾜出瞳⾼度可调节的要求⽽提出的。
（图4）
图4（a）展示了当光以斜角入射到挡风玻璃的内层（First Surface）和外层（Second Surface）时的情况。此时两条反射光线不会完全重合，而是以交错的形式到达人眼，这种现象会导致挡风玻璃产生重影。
图4（b）展示了为了消除重影，现将挡风玻璃两层玻璃之间的PVB膜制成楔形，使得入射光在内层和外层形成的两个虚拟图像重合，从而减少了重影现象；然后利用部分透明的菲涅尔反射器（Fresnel reflector pattern）作为Combiner，菲涅尔反射器可防止重影进入驾驶员的眼睛。通过菲涅尔图案来达到消除重影的目的，可以解决因较近图像距离（小于7米）导致的挡风玻璃重影问题 。
虚拟图像距离VID在10米以上
真正面向未来的AR-HUD必须具备大的视野范围FOV（>10°×5°）、远的虚拟图像距离VID（>10 米）以及紧凑的设备外形。因此，波导（waveguide）方案备受青睐，因为它对不同视场下的厚度影响极小，并且能够在无限远（>15米）的距离上创建图像，从而有望实现更好的AR-HUD。在波导方案中，从投影仪发出的光被耦合到波导介质（waveguide medium）中，并通过全内反射（TIR）传播到解耦区域。随后，在解耦区域会发生多次解耦事件，从而增大有效眼盒尺寸。这种方法能够在保持较小系统体积（2升）的同时，更充分地利用波导区域。根据耦合方式，波导可分为几何波导和衍射波导。
（图5）
图5（a）展示了一种几何波导，采用反射镜进行光耦合输入，部分反射镜进行光耦合输出。
图5（b）展示了一种几何波导，采用棱镜进行光耦合输入，部分反射镜进行光耦合输出。由于光线在部分反射镜上的多次反射，可能会出现杂散光、重影和光束能量均匀性低等问题。
图5（c）展示了一种衍射波导，使用表面浮雕光栅（surface-relief gratings）（主要包括直二元光栅、闪耀光栅和多层光栅）进行光耦合输入和输出。当表面浮雕光栅调制光束时，其传输严格遵循光的衍射方程，衍射方向由入射光的波长和入射角、光栅周期以及材料的折射率决定。
图5（d）展示了一种衍射波导，使用体全息光栅（volume holographic gratings）进行光耦合输入和输出。体全息光栅（VHGs）由全息光学元件（HOEs）组成，这些元件是通过用两束相干光照射感光膜而产生的。它们将干涉光的强度信息转换为透射率调制。体全息光栅具有高分辨率、低成本、低散射和制造简单等优点。
（图6）
图6（a）展示了衍射波导中的衍射色散问题，由于波长选择性，衍射波导在实现全彩色显示时存在色散问。
图6（b）展示了多层表面浮雕光栅（SRG）波导结构，对于表面浮雕光栅，最常用的解决方案是通过使用多层波导分别处理不同波段的光束。
图6（c）展示了多层堆叠体全息光栅（VHG）结构，对于体全息光栅，一种避免多层波导引起问题的方法是将多层体全息光栅堆叠在一起。
几何波导和衍射波导可以帮助AR HUD实现大的视ᰀ范围（>10°×5°）和远的虚拟图像距离（>10m）。波导方案能扩大有效眼盒尺寸，让驾驶员在更大范围内看到清晰的AR-HUD图像。衍射波导可通过纳米压印或双光束干涉进行加工，解决传统光学解决方案在提升系统参数时体积过大的问题。
多图像距离
多个虚拟图像深度平面或三维景深是HUD的另一个种要光学指标。直观地说，至少需要两个虚拟深度平面：一个在2到5米的近深度平面，用于显示驾驶状态信息，如车速、油量等；另一个在10米或更远的虚拟平面，用于显示导航信息。
（图7）
图7（a）展示了一种具有双层显示功能的HUD，采用近场和远场双光路耦合架构。近场图像平面设置为2米，远场图像使用三个折叠镜折叠光路并与近场光路连接，远场图像平面设置在8到24米的距离，视野范围分别为6°×2°和10°×3°。
图7（b）展示了使用单激光扫描图像生成单元（PGU）的多深度HUD系统，可将图像投影到 2 米和 5 米的距离，虚拟图像的投影距离和放大倍数由非球面镜的表面轮廓和投射距离决定。
图7（c）展示了全息透镜（hololens）和全息调平装置（hololeveling devices）的组合提供了具有实像（平面数据）和虚像（空间路标）双模式的多平面HUD 。
可变图像距离
除了多深度HUD系统外，通过将图像投影到可变深度也可以改善虚拟与现实的融合。
（图8）
图8（a）展示了一种基于液体透镜的HUD光学架构，该系统由液体透镜（liquid lens）、消色差透镜（achromatic lens）和菲涅尔透镜（Fresnel lens）组成，用于实现预期的图像深度和尺寸变化，其中液体透镜焦距设置为182毫米。
图8（b）展示了从集成的平视显示器系统中捕获的图像，此时相机聚焦在限速标志上，图像的虚拟图像距离在1.95米到1.52米之间变化，对应液体透镜的光焦度为远视5.5屈光度。
图8（c）展示了同样是从集成的平视显示器系统中捕获的图像，相机聚焦在限速标志上，此时虚拟图像距离为1.52米，对应液体透镜的光焦度为近视-4.5屈光度。
另外有研究表明，利用动态可调的空间光调制器，无需任何机械运动即可修改投影图像的位置，以在3米到30米的范围内连续调整全息图像的深度。但是显示图像的尺寸、分辨率和视场受到最先进的空间光调制器（SLM）的限制。
3D-HUD
通过坐标转换，来实现三维视觉深度，但它们在连续深度重建方面仍然存在限制。因此，将HUD与3D显示相结合的3D-HUD代表了HUD发展的必然趋势。
（图9）
图9（a）展示了在最佳观看距离（optimum viewing distance）下，实现了2.08%的最小串扰（minimum crosstalk）和1至20米的三维深度范围，还可通过伸缩结构将视野范围FoV从12.5°×7°扩大到 20°×7°。
图9（b）展示了基于微透镜阵列的三维显示模块（3D display module）与全息组合器（holographic combiner）集成在一起，通过在全息组合器不同位置选择性记录不同光焦度，实现图像放大（image amplification）和离轴衍射（off-axis diffraction）。
图9（c）（ d ）展示了对应绿色和红色的250毫米至850毫米的视觉深度范围。
（图10 展示了HUD光学系统不同⽅法性能对⽐）
AI-HUD使用体验
测试分析
与传统HUD的导航图标相⽐，AR-HUD的「地标框」（叠加在真实地标如街道标志上的虚拟框）可使驾驶员响应时间提升43.1%，成功率提升26.2%，且驾驶员感知的⼯作负荷显著降低。地标框在路⼝⾼亮特定地标的效果甚⾄优于「AR箭头」。AR-HUD让⽤户能更早定位转弯位置，且视线保持向前的时间更⻓；利⽤环境地标优化设计（⽐如突出显示前⽅路⼝标志）可进⼀步增强导航效率。（如图11）
（图11 展示了在测试过程中显示叠加在道路场景上的HUD图像：传统 HUD（左上）、AR 箭头（左下）、地标箭头（右上）、地标框（右下）） AR-HUD的贴合道路箭头（conformal arrows）在分⼼程度、导航信任感等主观评分上低于传统HUD的固定箭头。尽管⽤户注视AR-HUD的频率更⾼，但实际驾驶负荷可能增加，表明单纯叠加 AR 元素未必提升体验，需平衡信息密度与易读性。（如图12） （图12 展示了AR-HUD 箭头的解决⽅案。上⽅两张是AR-HUD的贴合道路箭头指引；下⽅两张是传统HUD固定箭头指引） 测试分析总结：在复杂路⼝或低能⻅度环境中，通过动态叠加地标与环境融合互动，提升驾驶员的感知效率；但是需避免过度追求AR效果导致信息过载，可结合传统HUD的简洁性与AR的环境融合优势（⽐如地标框），优化视觉层次。 表达⽅式分析 传统HUD上的⾏⼈警告标识出现平均需要驾驶员转移 6 次视线，⽽AR-HUD仅需2次。AR-HUD通过实时叠加虚拟图形-投影路径和边界框，显著提升障碍物识别速度与准确性。「投影路径」（虚拟阴影框）的效果通常显著优于「边界框」，尽管边界框检测⾏⼈的频率更⾼，这是以牺牲对环境中其他元素的正确识别为代价的，所以准确性较低。（如图13） (图13 展示了投影路径（虚拟阴影）与地⾯融合（上）、⾏⼈边界框精准锁定多个⾏⼈（下）) 中等尺⼨HUD因充分利⽤挡⻛玻璃空间，性能优于传统⼩尺⼨HUD。尺⼨过⼩会限制AR-HUD功能。如果尺⼨不⾜，转弯地标框或箭头⽆法显示在场景远处，⻋道保持辅助功能仅能在直道投射标线，弯道场景需⻋辆转向后才能显示完整信息。窄视野范围FOV下，对交通、⾏⼈的增强效果会显著降低。同时，⽂字需特定尺⼨和⻆度才能清晰显示，警告符号也需⾜够⼤⼩以确保有效性。（如图14） (图14 展示了AR-HUD显示⻋道与前⽅转弯。红框为⼩尺⼨HUD所显示内容区域，绿框为中等尺⼨HUD所显示内容区域)
