再一点就是成本，从光学的角度来看，挡风玻璃是自由曲面，而为了形成不失真的图像，就要求 HUD 中的凹透镜发出非常精确的图像。因此，在制造大镜片的过程中对容差的要求非常严格，大陆集团HUD非球面反射镜采用塑料注塑成形方法生产，整个表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下，需要使用十万级或万级无尘室车间。为了更广的FOV，需要更大的非球面反射镜，越大则容差越难控制，成本越高。复杂而精密光学元件的加入也让装配成本比较高。
全息光波导是源自AR眼镜领域的技术，用在HUD特别是AR-HUD领域是革命性的颠覆性的技术。
反射镜型AR-HUD有22升的巨大体积，而全息光波导只有2.4升，传统非AR型HUD的体积也有4-6升体积。因为取消了复杂精密的两级反射，成本也有所降低。
波导技术并不是什么新发明，我们熟悉的光通信系统中，用来传输信号的光纤组成了无数条连接大洋彼岸的海底光缆，就是波导的一种，只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。在AR-HUD中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件：(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率; (2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc。光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。
光波导总体上可以分为几何光波导（Geometric Waveguide）和衍射光波导（Diffractive Waveguide）两种，几何光波导就是所谓的阵列光波导，其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，代表光学公司是以色列的Lumus，目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构。因此图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。但是，工艺流程比较繁冗，其中一步是“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中会越来越少，那么阵列中这五六个镜面的每一个都需要不同的反射透射比(R/T)，以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的。并且由于几何波导传播的光通常是偏振的，导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层。另外，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。因此，即使每一步工艺都可以达到高良率，这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。LUMUS在2000年就已经推出相关产品，但至今还未能量产。
衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导VHG(Volumetric Holographic Grating)或HOE（Holographic optical element）， HoloLens 2，Magic Leap One均属于前者，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向的还有Digilens(HOE)。这个技术还在发展中，色彩表现比较好，但目前对FOV的限制也比较大。但是车载AR-HUD不需要太大的FOV，能做到10度的FOV就已经能满足要求。当然Digilens已经可以轻松做到50度，并且在挑战100度。
表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)是目前AR眼镜的主流，想象一下将棱镜压缩到非常细小的尺度同时横向拉长。现在将这些纹路雕刻到镜片的表面。这些微型纹路也就是所谓的“表面浮雕波导”了。这里的关键就是“切割”出一系列垂直条纹，通过适当的排列将光线引导至眼前的镜片区域。这种“表面浮雕”光波导技术最早是诺基亚的专利，后来也由诺基亚商业化。微软的HoloLens中使用的光波导就使用了这种设计，不过微软对其作了修改，他们将外壳设计成直立状态，而微型显示器则设计在眼睛上方。诺基亚的专利很值得注意，因为它已经被证明是可以规模化生产的。不仅如此，除了HoloLens之外，诺基亚还将此设计授权给了Vuzix，后者在一家由英特尔投资资助的工厂生产相应的光波导，并以和联想合作的品牌销售到中国企业市场。
表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating) 设计门槛比传统光学要高一些，主要在于衍射光栅由于结构进入微纳米量级，需要用到物理光学的仿真工具，然后光进入波导后的光线追踪(ray tracing)部分又需要和传统的几何光学仿真工具结合起来。它的制造过程先是通过传统半导体的微纳米加工工艺(Micro/Nano-fabrication)，在硅基底上通过电子束曝光(Electron Beam Lithography)和离子刻蚀(Ion Beam Etching)制成光栅的压印模具(Master Stamp)，这个模具可以通过纳米压印技术(Nanoimprint Lithography)压印出成千上万个光栅。但是这种技术和芯片的制造技术高度类似，需要使用千级无尘室和极其昂贵的晶圆生产设备，如果要做到眼镜大小，其成本和同样大小的芯片价格差不多，因此价格极其昂贵，且不会有下降的空间，这种技术已经非常成熟了，且在芯片上已经有十亿量级的出货了。
使用VHG或者说HOE的人很少，包括十年前就为美国军工做AR头盔的Digilens，曾经出过单色AR眼镜的Sony，还有由于被苹果收购而变得很神秘的Akonia，还有一些专攻体光栅设计和制造的厂家。他们所用的材料一般都是自家的配方，基本是感光树脂(Photopolymer)和液晶(Liquid Crystal)或者两者混合。制作过程也是先将一层有机薄膜涂在玻璃基底上，然后通过两个激光光束产生干涉条纹对薄膜进行曝光，明暗干涉条纹会引起材料不同的曝光特性，导致薄膜内出现了折射率差(Δn, index contrast)，即生成了衍射光栅必备的周期性。全息光波导这个名字带有一定的误导性。虽然这个名字里带有全息二字，但其实全息波导并不会直接在用户周围产生全息影像，它指的是透镜内部的光学元件本身就能产生纳米级全息图。
Digilens是其中最优秀的，领先其他公司至少10年以上，已经通过了美国联邦航空管理局的认证，在巴西航空工业的Legacy 450和500上商用，这也是第一个光波导HUD的商业化应用。在美军战斗机上也有应用，但碍于保密问题，Digilens未主动宣传。
在宝马的顶级摩托车上也有使用
前面提到的光波导都是被动的无源设计，只有Digilens的是主动有源设计，这就意味着它有很大的技术挖掘空间。DigiLens设计出“主动式”全息光波导。通过使用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波导内的全息镜状光学器件能够在用电流激活时改变状态。称之为Switchable Bragg Gratings技术。
这种类型的光栅结构与SRG是截然不同的，它拥有可以电切换的volume bragg grating。这与SBG最大的区别在于SBG衍射所有的图像并且只有一个路径。利用这种优势人们可以将布拉克光栅做得非常薄，从而使每个光波导层的FOV达到50°。与此同时，因为更高的光效率AR的显示效果也会更亮并且电池寿命更长。
全球第二大HUD厂家德国大陆汽车对Digilens情有独钟，参与了Digilens前三轮的投资，持股比例达18%。Digilens至今已经有5轮融资，总额达1.35亿美元。投资者包括索尼、松下、三星、三菱化学、美国罗克韦尔柯林斯公司（Rockwell Collins，做战斗机头盔）、富士康、Universal Display、Niantic、杜比。
布谷鸟，领先的汽车计算平台解决方案提供商。
经过多年持续发展，在汽车计算系统、汽车操作系统及汽车整机软硬件系统解决方案等方面，具有深厚的技术沉淀与工程经验，所开发的“i-Cabin汽车计算平台”已前装量产20多款车型。CarNetOS汽车人机交互操作系统、ADM系列汽车计算组件、ACU系列智能座舱域控制器、AWU系列智能驾驶域控制器，先后获得多项行业奖项。
布谷鸟，面向汽车主机厂、汽车电子制造商，提供分布计算（中控导航、液晶仪表等）与域集中计算（智能座舱、智能驾驶等）的“软硬件系统总体解决方案”及“交钥匙工程服务”，并配套销售“操作系统软件”、“计算系统组件”及“域计算控制器”等产品。
点击阅读原文，加入汽车HUD专业通讯录。
原文始发于微信公众号（智能汽车俱乐部）：HUD领域的革命性技术——全息光波导
长按识别二维码，加入群聊
欢迎加入艾邦HUD通讯录，目前有2500人，包含各大HUD厂商以及主机厂负责人均已经加入，可以通过点击下方关键词查看
主机厂 自动驾驶 车联网 HUD厂商 HUD初创 TFT影像源 DLP光机 MEMSLSP 芯片 电子元器件 光源 LCD 汽车配件 线路板 玻璃透镜 光学镜面 光学镀膜 光学镀膜设备 光学设计 光波导 匀光片 光扩散膜 高性能塑料 薄膜 功能涂料 吸光材料 散热方案 贴合胶带 胶水 胶粘剂 挡风玻璃 楔形膜 传动机构 AR生成器 AR导航 测试软件 切割机 激光设备 检测设备 设备 其他
资料下载：
Chinese 
English