瞭解並運用太陽負載於擴增實境抬頭顯示器

擴增實境抬頭顯示器（augmented reality head-up displays, AR HUDs）是汽車產業的下一件大事，相關技術已進展至汽車製造商和一級供應商皆積極開發AR擋風玻璃HUD的階段。

真正的AR顯示器需要至少10度的水平視角（field of view, FOV）以及大於7.5公尺的虛像距離（virtual image distance, VID）。FOV代表以度（degree）為單位的顯示大小，而VID代表影像投影的距離。在車用HUD中，VID代表影像呈現在道路上的距離。

AR技術的原理是在真實世界中附加上數位資訊，以提升駕駛的狀況警覺能力（situational awareness）與駕馭體驗。若FOV越大、虛像距離越長，代表顯示的效果也就越好。

圖 1：AR影像顯示示意圖

一直以來，亮度和太陽負載就是設計AR顯示器最大的兩個難題。AR顯示器需要盡可能的寬ㄧ些及明亮一點，這樣便會需要成像系統提供大量的光，同時盡量將遠處的影像投影至道路上。現今的HUD具備7到8度或更低的FOV，並且可於前方2.0到2.5公尺的道路上「投影」影像，讓這些影像看似浮現於汽車的引擎蓋上。在AR HUD中，我們希望影像能投影到更遠的地方，讓虛擬影像完整地與實景融合，進而增加駕駛的視野以進行互動。

為了延伸虛擬影像的距離，設計放大倍數從25到30倍的系統已層出不窮，然而卻可能因此產生負面影響，如將太陽負載（即太陽能）集中於HUD成像系統面板上極小的區域時，恐引發嚴重的散熱問題。利用這種提高放大倍數的方法，會將成像系統面板移向距離HUD光學元件焦點更近的地方，進而提高單位面積太陽能集中度，如圖2所示。

特別注意，環境溫度並非問題所在，而是因為太陽能的聚焦加上更多光線進入系統，導致更大的AR HUD眩光陷阱（glare trap），進一步產生了過熱的問題。

圖 2：HUD光學元件將太陽負載放大到擴散片（diffuser screen）或薄膜電晶體（thin-film translator, TFT）面板上

運用 DLP® 技術獨特的中間擴散片結構，可設計出能夠承受經由太陽光放大所產生熱負載 (thermal load) 的HUD。如圖3所示，以DLP技術為基礎的HUD可將影像投影到擴散片上，HUD光學元件再將其放大並投影至擋風玻璃上以反射呈現於駕駛眼前。在TFT HUD中，TFT面板連接到HUD光學元件，取代了擴散片和輔助電子元件。

圖 3：以DLP技術為基礎的HUD架構範例

為了更瞭解擴散片的優勢，我們不妨來看看擴散片與傳統TFT面板的物理特性（圖4）。擴散片具有兩大主要優勢，包括更高的工作溫度，以及擴散片並不會吸收大量的入射可見光。（光譜的紅外 [IR] 和紫外 [UV] 部分很容易被過濾。）

圖 4：TFT與擴散片

入射的太陽負載透過HUD光學元件聚焦到擴散片上，就如同用於TFT面板時一般。實際上，在擴散片上，透射光是散開的，消除了HUD光學元件的放大效應，因此能更簡單地處理熱負載問題。透過TFT面板，太陽能被吸收，很容易將面板的工作溫度提高到最大額定值以上。DLP系統處理太陽負載的優勢以及其出色的亮度、對比和色域等，正是協助汽車製造商和一級供應商設計和推出新一代AR HUD的推手。