车载抬头显示技术三国争霸中国企业有望弯道超车

发布日期:2022-06-22 21:24   来源:未知   阅读:

  3月2日,科技创新情报SaaS服务商智慧芽旗下智慧芽创新研究中心正式发布《智能汽车产业系列——车载抬头显示系统(HUD)技术洞察报告》(以下简称“报告”)。

  报告从专利视角出发,全方位分析了目前全球抬头显示系统产业技术发展情况,包括抬头显示系统的技术创新发展趋势、前沿技术突破、国家竞争格局、技术市场分布和企业竞争格局。

  报告显示,全球HUD技术领域的相关专利量目前共有约1.95万件。超过三分之二的专利申请都聚集在日中美三国。其中,日本是该领域专利申请量最多的国家,而中国则在2020年首次超越日本成为该技术领域研发热度最高的国家。从技术路线上看,投影单元(PGU)作为HUD的核心技术壁垒决定着产业未来发展方向,目前该领域技术正处于拐点时期。具体而言,LCD投影技术专利规模最大,专利增速最快。但因存在散热不足等缺点,限制了该技术的大规模应用。而MEMS激光投影技术因具备结构简单等优势,未来如果能在成本端和温度端实现技术突破,则具有广泛应用前景。

  抬头显示(Heads-up display,以下简称“HUD”)系统,又称平视显示系统,其原理可以简单概括为把时速、导航等重要的行车信息,投影到驾驶员前面的风挡玻璃上,让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息(如图1)。在汽车安全问题日益受到重视的今天,HUD凭借其能够有效缩短眼球对前方的视觉盲区时间的特点,近年来越来越受到车企的关注。有数据预测, 2025年全球和中国的抬头显示系统市场规模将分别达到385/125亿元,2020-2025年的CAGR将分别为42%/42%,应用前景十分广阔。

  报告显示,全球HUD技术领域的相关专利量目前共有约1.95万件。从过去十年该领域专利申请与授权量演变图可以看出(如图2),随着汽车迈向智能化的进程加速,HUD技术专利量在2011年-2017年间,呈现逐年增加的态势。其中,2016年,Intersil公司提出了采用MEMS激光扫描技术来作为HUD的投影单元(该单元具有更高的电导率,并且降低了整体光学系统复杂性和尺寸),大力推动了HUD技术的进步。作为行业的里程碑事件,也带动了HUD技术领域的研发热度,专利申请量在2017年达到顶峰。

  HUD技术最早被应用于战斗机,目的是避免飞行员频繁通过仪表查看飞行数据而分散注意力。1972年,英国专利人员对其进行改进后希望可以应用于汽车,然而由于成像质量不理想且成本高昂,这一方案最终没能投入市场。1988年,通用汽车推出了首款量产HUD的车型(如图3),而后越来越多的厂商将其应用于汽车领域。

  报告显示,全球有超过三分之二的HUD技术专利申请于日本、中国、美国三国。过去10年间,HUD技术领域专利申请量排名第一的日本共有6402件,约占全球总量的32.86%;中国排名第二,专利申请量为4571件,约占23.57%;美国排名第三,专利申请量为3216件,约占16.51%,其专利申请与授权量与排名前二的日本、中国均存在不小差距。由此可以看出,在当前的HUD技术领域中,国家间的实力不平衡态势显著,并且第一梯队(日中美)间专利储备量也相差较大。

  进一步对比日中美三国的专利申请年度变化趋势发现,中国在该领域的申请量增长速度最快,并且在2020年首次超越日本,而日本和美国专利量下降态势显著(如图4)。

  图4:过去10年HUD技术中日美三国历年专利申请趋势对比(来源:智慧芽)

  与此同时,从技术应用市场分布看,中日美三国同样也是HUD技术应用最重要的三个目标市场。

  报告显示,2014年至2015年是重要的分水岭。在2014年之前,中日美三国HUD技术的专利申请量呈现胶着增长态势。2014年后,中国开始迅速成长为全球最受关注的HUD技术应用目标市场。此后,中国连续7年成为全球HUD技术领域专利布局的第一市场。截至2021年,全球共有约30%的专利被布局在中国市场(如图5)。

  HUD的整体结构主要包括主控PCB板,LED光源,投影单元(PGU)以及反射镜。其中,投影单元是HUD最核心的部件,主要用于投影成像,约占其整体系统总价值量的50%。根据技术路线的不同,PGU可分为LCD、DLP、和MEMS激光投影三类。

  其中,LCD投影技术主要是在液晶屏显示后通过反射改变光源角度最终在挡风玻璃上成像。该技术从2011年至今共有约3000件专利申请,且每年专利增长数量均大幅超过其他两类投影技术,是近十年内行业内最主流的研发方向。但其缺点在于光线经过液晶后亮度会有一定程度的衰减,并且因为液晶之间会有一定的距离,其分辨率清晰度存在天然缺陷。相关的技术厂商近几年开始逐渐转向更为前沿的DLP和MEMS激光投影等技术方向。

  而MEMS激光投影技术,能够通过使用具有较高功率的红、绿、蓝(三基色)单色激光器作为光源,使激光在机器内经过相应的光学元件和处理芯片的整合与扫描后投射在显示屏上,具有色域空间大、色饱和度高、分辨率清晰等技术优势。从该技术的专利申请趋势来看,MEMS激光投影技术从2011年开始,每年的专利增长数量与LCD投影技术间的差距逐步缩小,逐渐成为HUD技术领域重要的研发方向。但由于成本高且不能达到车规要求的85摄氏度的工作要求,其技术热度从2017年开始呈现下滑趋势。

  最后,DLP投影技术是一种以数字微镜装置作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的投影技术。技术优势在于投影效果亮度高、分辨率高、成像逼真,而且在AR-HUD体系设计中,具有温升控制功能的DLP投影技术相比LCD投影技术更具优势。从专利申请趋势来看,从2011年至今,DLP投影技术共专利申请约1000件,且每年的专利增长数量均低于LCD和激光投影技术。这主要是因为DLP数字光处理核心技术属于美国德州仪器(TI)公司,其他厂商在使用该技术时均需要取得德州仪器的专利授权,而且目前DLP投影技术的设计难度与生产成本均高于LCD投影技术,因此限制了DLP投影技术的发展。其次,从宏观层面看,中美贸易摩擦不断,若主机厂大规模采用DLP投影技术则存在断供风险,或者若TI与主机厂业务关系发生不利变化、其供货价格有重要调整、亦或因国家间贸易争端或新冠疫情进一步蔓延导致无法及时供货,也会对主机厂的生产经营进一步产生不利影响(如图6)。

  图6:过去10年全球三种主流HUD投影技术历年申请趋势对比(来源:智慧芽)

  合上述分析,HUD投影技术正处于技术迭代的拐点时期。1)虽然当前LCD仍为最成熟的主流投影方案,但由于其天然存在散热不足的问题,在HUD与AR技术相结合的大趋势下,LCD投影技术将逐渐被新技术取代。2)虽然基于DLP技术的AR-HUD显示效果更为出色,但是DLP投影技术的核心专利均被美国德州仪器(TI)公司垄断,存在成本高及断供风险,亟需有企业打破技术垄断。3)MEMS激光投影技术相比于DLP技术,结构简单,光学引擎大幅简化。如果能在成本端和温度端实现技术突破,MEMS激光投影技术则非常具有应用前景。

  此外,国际头部汽车零部件厂商虽已在该领域构筑起较高的行业壁垒,但我国自主品牌受益于国内低廉的原材料价格,可以有效降低设计生产成本,获得价格优势。故在质量过关的前提下,国内车企可能会更倾向于选择国内供应商。将来,预计国内一批新兴的HUD黑马企业将不断增强产品竞争力,率先实现在本土HUD市场的扭转。

  全球HUD技术领域的相关专利量目前共有约1.95万件。超过三分之二的专利申请都聚集在日中美三国。