硬報(bào)告 - 車載抬頭顯示系統(tǒng)HUD

研究員：溫禮輝

3月2日，科技創(chuàng)新情報(bào)SaaS服務(wù)商智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心正式發(fā)布《智能汽車產(chǎn)業(yè)系列——車載抬頭顯示系統(tǒng)（HUD）技術(shù)洞察報(bào)告》（以下簡稱“報(bào)告”）。報(bào)告從專利視角出發(fā)，全方位分析了目前全球抬頭顯示系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展情況，包括抬頭顯示系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)、前沿技術(shù)突破、國家競(jìng)爭(zhēng)格局、技術(shù)市場(chǎng)分布和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局。

報(bào)告顯示，全球HUD技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利量目前共有約1.95萬件。超過三分之二的專利申請(qǐng)都聚集在日中美三國。其中，日本是該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量最多的國家，而中國則在2020年首次超越日本成為該技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)熱度最高的國家。從技術(shù)路線上看，投影單元（PGU）作為HUD的核心技術(shù)壁壘決定著產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向，目前該領(lǐng)域技術(shù)正處于拐點(diǎn)時(shí)期。具體而言，LCD投影技術(shù)專利規(guī)模最大，專利增速最快。但因存在散熱不足等缺點(diǎn)，限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。而MEMS激光投影技術(shù)因具備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢(shì)，未來如果能在成本端和溫度端實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，則具有廣泛應(yīng)用前景。

全球HUD技術(shù)專利申請(qǐng)量共約1.95萬件，

年均增速超20%

抬頭顯示（Heads-up display，以下簡稱“HUD”）系統(tǒng)，又稱平視顯示系統(tǒng)，其原理可以簡單概括為把時(shí)速、導(dǎo)航等重要的行車信息，投影到駕駛員前面的風(fēng)擋玻璃上，讓駕駛員盡量做到不低頭、不轉(zhuǎn)頭就能看到時(shí)速、導(dǎo)航等重要的駕駛信息（如圖1）。在汽車安全問題日益受到重視的今天，HUD憑借其能夠有效縮短眼球?qū)η胺降囊曈X盲區(qū)時(shí)間的特點(diǎn)，近年來越來越受到車企的關(guān)注。有數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)， 2025年全球和中國的抬頭顯示系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到385/125億元，2020-2025年的CAGR將分別為42%/42%，應(yīng)用前景十分廣闊。

圖1：HUD技術(shù)原理（來源：網(wǎng)絡(luò)）

報(bào)告顯示，全球HUD技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利量目前共有約1.95萬件。從過去十年該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)與授權(quán)量演變圖可以看出（如圖2），隨著汽車邁向智能化的進(jìn)程加速，HUD技術(shù)專利量在2011年-2017年間，呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢(shì)。其中，2016年，Intersil公司提出了采用MEMS激光掃描技術(shù)來作為HUD的投影單元（該單元具有更高的電導(dǎo)率，并且降低了整體光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜性和尺寸），大力推動(dòng)了HUD技術(shù)的進(jìn)步。作為行業(yè)的里程碑事件，也帶動(dòng)了HUD技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)熱度，專利申請(qǐng)量在2017年達(dá)到頂峰。

圖2：過去10年全球HUD相關(guān)專利申請(qǐng)與授權(quán)量演變（來源：智慧芽）

HUD技術(shù)最早被應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)，目的是避免飛行員頻繁通過儀表查看飛行數(shù)據(jù)而分散注意力。1972年，英國專利人員對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)后希望可以應(yīng)用于汽車，然而由于成像質(zhì)量不理想且成本高昂，這一方案最終沒能投入市場(chǎng)。1988年，通用汽車推出了首款量產(chǎn)HUD的車型（如圖3），而后越來越多的廠商將其應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

圖3：世界上首款采用HUD技術(shù)的汽車（來源：網(wǎng)絡(luò)）

車載抬頭顯示器需求旺盛，

全球企業(yè)爭(zhēng)相布局中國市場(chǎng)

報(bào)告顯示，全球有超過三分之二的HUD技術(shù)專利申請(qǐng)于日本、中國、美國三國。過去10年間，HUD技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名第一的日本共有6402件，約占全球總量的32.86%；中國排名第二，專利申請(qǐng)量為4571件，約占23.57%；美國排名第三，專利申請(qǐng)量為3216件，約占16.51%，其專利申請(qǐng)與授權(quán)量與排名前二的日本、中國均存在不小差距。由此可以看出，在當(dāng)前的HUD技術(shù)領(lǐng)域中，國家間的實(shí)力不平衡態(tài)勢(shì)顯著，并且第一梯隊(duì)（日中美）間專利儲(chǔ)備量也相差較大。

進(jìn)一步對(duì)比日中美三國的專利申請(qǐng)年度變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，中國在該領(lǐng)域的申請(qǐng)量增長速度最快，并且在2020年首次超越日本，而日本和美國專利量下降態(tài)勢(shì)顯著（如圖4）。

圖4：過去10年HUD技術(shù)中日美三國歷年專利申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比（來源：智慧芽）

與此同時(shí)，從技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)分布看，中日美三國同樣也是HUD技術(shù)應(yīng)用最重要的三個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)。

報(bào)告顯示，2014年至2015年是重要的分水嶺。在2014年之前，中日美三國HUD技術(shù)的專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)膠著增長態(tài)勢(shì)。2014年后，中國開始迅速成長為全球最受關(guān)注的HUD技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)市場(chǎng)。此后，中國連續(xù)7年成為全球HUD技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠季值牡谝皇袌?chǎng)。截至2021年，全球共有約30%的專利被布局在中國市場(chǎng)（如圖5）。

圖5：過去10年HUD技術(shù)主要市場(chǎng)布局（來源：智慧芽）

全球抬頭顯示技術(shù)迎拐點(diǎn)，

國產(chǎn)HUD欲破巨頭壟斷

HUD的整體結(jié)構(gòu)主要包括主控PCB板，LED光源，投影單元（PGU）以及反射鏡。其中，投影單元是HUD最核心的部件，主要用于投影成像，約占其整體系統(tǒng)總價(jià)值量的50%。根據(jù)技術(shù)路線的不同，PGU可分為LCD、DLP、和MEMS激光投影三類。

其中，LCD投影技術(shù)主要是在液晶屏顯示后通過反射改變光源角度最終在擋風(fēng)玻璃上成像。該技術(shù)從2011年至今共有約3000件專利申請(qǐng)，且每年專利增長數(shù)量均大幅超過其他兩類投影技術(shù)，是近十年內(nèi)行業(yè)內(nèi)最主流的研發(fā)方向。但其缺點(diǎn)在于光線經(jīng)過液晶后亮度會(huì)有一定程度的衰減，并且因?yàn)橐壕еg會(huì)有一定的距離，其分辨率清晰度存在天然缺陷。相關(guān)的技術(shù)廠商近幾年開始逐漸轉(zhuǎn)向更為前沿的DLP和MEMS激光投影等技術(shù)方向。

而MEMS激光投影技術(shù)，能夠通過使用具有較高功率的紅、綠、藍(lán)（三基色）單色激光器作為光源，使激光在機(jī)器內(nèi)經(jīng)過相應(yīng)的光學(xué)元件和處理芯片的整合與掃描后投射在顯示屏上，具有色域空間大、色飽和度高、分辨率清晰等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從該技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)來看，MEMS激光投影技術(shù)從2011年開始，每年的專利增長數(shù)量與LCD投影技術(shù)間的差距逐步縮小，逐漸成為HUD技術(shù)領(lǐng)域重要的研發(fā)方向。但由于成本高且不能達(dá)到車規(guī)要求的85攝氏度的工作要求，其技術(shù)熱度從2017年開始呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)。

最后，DLP投影技術(shù)是一種以數(shù)字微鏡裝置作為成像器件，通過調(diào)節(jié)反射光實(shí)現(xiàn)投射圖像的投影技術(shù)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于投影效果亮度高、分辨率高、成像逼真，而且在AR-HUD體系設(shè)計(jì)中，具有溫升控制功能的DLP投影技術(shù)相比LCD投影技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。從專利申請(qǐng)趨勢(shì)來看，從2011年至今，DLP投影技術(shù)共專利申請(qǐng)約1000件，且每年的專利增長數(shù)量均低于LCD和激光投影技術(shù)。這主要是因?yàn)镈LP數(shù)字光處理核心技術(shù)屬于美國德州儀器（TI）公司，其他廠商在使用該技術(shù)時(shí)均需要取得德州儀器的專利授權(quán)，而且目前DLP投影技術(shù)的設(shè)計(jì)難度與生產(chǎn)成本均高于LCD投影技術(shù)，因此限制了DLP投影技術(shù)的發(fā)展。其次，從宏觀層面看，中美貿(mào)易摩擦不斷，若主機(jī)廠大規(guī)模采用DLP投影技術(shù)則存在斷供風(fēng)險(xiǎn)，或者若TI與主機(jī)廠業(yè)務(wù)關(guān)系發(fā)生不利變化、其供貨價(jià)格有重要調(diào)整、亦或因國家間貿(mào)易爭(zhēng)端或新冠疫情進(jìn)一步蔓延導(dǎo)致無法及時(shí)供貨，也會(huì)對(duì)主機(jī)廠的生產(chǎn)經(jīng)營進(jìn)一步產(chǎn)生不利影響（如圖6）。

圖6：過去10年全球三種主流HUD投影技術(shù)歷年申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比（來源：智慧芽）

合上述分析，HUD投影技術(shù)正處于技術(shù)迭代的拐點(diǎn)時(shí)期。1）雖然當(dāng)前LCD仍為最成熟的主流投影方案，但由于其天然存在散熱不足的問題，在HUD與AR技術(shù)相結(jié)合的大趨勢(shì)下，LCD投影技術(shù)將逐漸被新技術(shù)取代。2）雖然基于DLP技術(shù)的AR-HUD顯示效果更為出色，但是DLP投影技術(shù)的核心專利均被美國德州儀器（TI）公司壟斷，存在成本高及斷供風(fēng)險(xiǎn)，亟需有企業(yè)打破技術(shù)壟斷。3）MEMS激光投影技術(shù)相比于DLP技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)引擎大幅簡化。如果能在成本端和溫度端實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，MEMS激光投影技術(shù)則非常具有應(yīng)用前景。

此外，國際頭部汽車零部件廠商雖已在該領(lǐng)域構(gòu)筑起較高的行業(yè)壁壘，但我國自主品牌受益于國內(nèi)低廉的原材料價(jià)格，可以有效降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，獲得價(jià)格優(yōu)勢(shì)。故在質(zhì)量過關(guān)的前提下，國內(nèi)車企可能會(huì)更傾向于選擇國內(nèi)供應(yīng)商。將來，預(yù)計(jì)國內(nèi)一批新興的HUD黑馬企業(yè)將不斷增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，率先實(shí)現(xiàn)在本土HUD市場(chǎng)的扭轉(zhuǎn)。

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