硬報告 - 車載抬頭顯示系統(tǒng)HUD

研究員：溫禮輝

報告獲取方式詳見文末

在駕駛過程中，駕駛員低頭查看導航、車速等信息，是一直以來存在的安全隱患。在駕駛安全愈發(fā)受到重視的今天，車載抬頭顯示系統(tǒng)也被應(yīng)用于越來越多的汽車上。

有數(shù)據(jù)預(yù)測， 2025年全球和中國的抬頭顯示系統(tǒng)市場規(guī)模將分別達到385/125億元，2020-2025年的CAGR將分別為42%/42%，應(yīng)用前景十分廣闊。

那么抬頭顯示系統(tǒng)是否是避免駕駛員低頭查看行車信息的最佳解決方案？其技術(shù)與市場現(xiàn)狀如何？未來還將往哪些方向繼續(xù)突破？本文引述的報告將一一解答。

全球HUD技術(shù)專利申請量共約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速、導航等重要的行車信息，投影到駕駛員前面的風擋玻璃上，讓駕駛員盡量做到不低頭、不轉(zhuǎn)頭就能看到時速、導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)時間的特點，近年來越來越受到車企的關(guān)注。

圖1：HUD技術(shù)原理（來源：網(wǎng)絡(luò)）

報告顯示，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)＠暾埮c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。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率，并且降低了整體光學系統(tǒng)復雜性和尺寸），大力推動了HUD技術(shù)的進步。作為行業(yè)的里程碑事件，也帶動了HUD技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)熱度，專利申請量在2017年達到頂峰。

圖2：過去10年全球HUD相關(guān)專利申請與授權(quán)量演變

（來源：智慧芽）

HUD技術(shù)最早被應(yīng)用于戰(zhàn)斗機，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，英國專利人員對其進行改進后希望可以應(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。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)爭相布局中國市場

報告顯示，全球有超過三分之二的HUD技術(shù)專利申請于日本、中國、美國三國。過去10年間，HUD技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶谝坏娜毡竟灿?402件，約占全球總量的32.86%；中國排名第二，專利申請量為4571件，約占23.57%；美國排名第三，專利申請量為3216件，約占16.51%，其專利申請與授權(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，在當前的HUD技術(shù)領(lǐng)域中，國家間的實力不平衡態(tài)勢顯著，并且第一梯隊（日中美）間專利儲備量也相差較大。

進一步對比日中美三國的專利申請年度變化趨勢發(fā)現(xiàn)，中國在該領(lǐng)域的申請量增長速度最快，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趨勢對比（來源：智慧芽）

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

報告顯示，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)的專利申請量呈現(xiàn)膠著增長態(tài)勢。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)用目標市場。此后，中國連續(xù)7年成為全球HUD技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠季值牡谝皇袌觥＝刂?021年，全球共有約30%的專利被布局在中國市場（如圖5）。

圖5：過去10年HUD技術(shù)主要市場布局（來源：智慧芽）

全球抬頭顯示技術(shù)迎拐點

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玻璃上成像。該技術(shù)從2011年至今共有約3000件專利申請，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。但其缺點在于光線經(jīng)過液晶后亮度會有一定程度的衰減，并且因為液晶之間會有一定的距離，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（三基色）單色激光器作為光源，使激光在機器內(nèi)經(jīng)過相應(yīng)的光學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。從該技術(shù)的專利申請趨勢來看，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。

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)反射光實現(xiàn)投射圖像的投影技術(shù)。技術(shù)優(yōu)勢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。從專利申請趨勢來看，從2011年至今，DLP投影技術(shù)共專利申請約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)。這主要是因為DLP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，若主機廠大規(guī)模采用DLP投影技術(shù)則存在斷供風險，或者若TI與主機廠業(yè)務(wù)關(guān)系發(fā)生不利變化、其供貨價格有重要調(diào)整、亦或因國家間貿(mào)易爭端或新冠疫情進一步蔓延導致無法及時供貨，也會對主機廠的生產(chǎn)經(jīng)營進一步產(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)歷年申請趨勢對比（來源：智慧芽）

綜合上述分析，HUD投影技術(shù)正處于技術(shù)迭代的拐點時期。

1）雖然當前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險，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，光學引擎大幅簡化。如果能在成本端和溫度端實現(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)低廉的原材料價格，可以有效降低設(shè)計生產(chǎn)成本，獲得價格優(yōu)勢。故在質(zhì)量過關(guān)的前提下，國內(nèi)車企可能會更傾向于選擇國內(nèi)供應(yīng)商。將來，預(yù)計國內(nèi)一批新興的HUD黑馬企業(yè)將不斷增強產(chǎn)品競爭力，率先實現(xiàn)在本土HUD市場的扭轉(zhuǎn)。

硬科技

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