Head-up Displays: Systemarchitektur und Technologien

Head-up Displays (HUDs) haben sich im Automobil von einfachen Informationsanzeigen zu hochintegrierten Anzeige- und Interaktionssystemen entwickelt. Während frühe Systeme primär Geschwindigkeit oder Warnsymbole darstellten, zielen aktuelle Entwicklungen auf großflächige, tiefenvariable Projektionen, die mit Fahrerassistenzsystemen und Umfelderfassung verschmelzen. Technologisch sind HUDs heute komplexe opto-elektronische Systeme, deren Leistungsfähigkeit wesentlich von der Bildgenerierung, der optischen Architektur und der Anpassung an die Fahrzeugverglasung bestimmt wird.

Autostereoskopie: So lassen sich 3D-Displays im Auto einsetzen

Gängige 3D-Displays sind nicht mehr auf die bei vielen ungeliebte 3D-Brille angewiesen. Grund dafür ist ein Autostereoskopie genanntes Verfahren, das dreidimensionale Bilder erzeugt.

Systemaufbau und optisches Grundprinzip

Ein Automotive-HUD besteht aus einer Picture Generation Unit (PGU), einer Projektionsoptik und einem Combiner. Die PGU erzeugt ein sehr helles Ausgangsbild, das über Spiegel und Linsen so kollimiert wird, so dass es dem Fahrer als virtuelles Bild in definierter Entfernung erscheint. Typische virtuelle Bilddistanzen liegen bei klassischen HUDs bei wenigen Metern, bei AR-HUDs deutlich weiter oder variabel.

Als Combiner dient entweder ein separates teilreflektierendes Glas oder – zunehmend – die Windschutzscheibe selbst. Diese übernimmt dabei eine aktive optische Funktion. Spezielle PVB-Zwischenschichten und Beschichtungen sind notwendig, um Doppelbilder zu vermeiden, Reflexionsgrade zu optimieren und die Abbildungsqualität über das gesamte Eyebox-Volumen sicherzustellen. Die optische Auslegung ist stark fahrzeugspezifisch und beeinflusst Bauraum, Sichtfeld und Bildhomogenität.

Zentrale technische Kenngrößen eines HUDs sind Leuchtdichte, Field of View (FOV), Eyebox-Größe, Bildauflösung sowie die Fähigkeit, unterschiedliche virtuelle Bildtiefen darzustellen. Insbesondere bei direkter Sonneneinstrahlung sind extrem hohe Leuchtdichten erforderlich, da die Projektion gegen starkes Umgebungslicht bestehen muss.

Etablierte PGU-Technologien

TFT-LCD ist aktuell die dominierende Bildquelle in Automotive-HUDs. Aufgrund ihrer Reife, der etablierten Lieferkette und der vergleichsweise geringen Kosten weiterhin als gilt diese Technologie Mainstream-Lösung. Typische Leuchtdichten liegen im Bereich von etwa 1500 bis 2500 nit. Nachteile ergeben sich aus der begrenzten Effizienz des polarisierten Lichtpfads, dem vergleichsweise hohen Energiebedarf sowie aus Einschränkungen bei Kontrast und Farbdynamik. Zudem sind TFT-LCD-basierte Systeme empfindlich gegenüber polarisierten Sonnenbrillen.

HMI im Auto: Magnethaptik-Drehsteller auf Touch-Display

Touch-Displays vermitteln ein aufgeräumtes Erscheinungsbild im Fahrzeuginnenraum. Ein Sicherheitsrisiko ist, dass der Fahrer seinen Blick bei der Bedienung lange von der Straße abwendet. Für Abhilfe sorgt die Drehsteller-auf-Touchscreen-Lösung.

DLP (Digital Light Processing) auf Basis von DMD-Chips bietet höhere Leuchtdichten, bessere Kontrastverhältnisse und ist unempfindlich gegenüber Polarisation. Diese Eigenschaften machen DLP besonders attraktiv für großflächige Windschutzscheiben-HUDs und erste AR-HUDs. Zudem lassen sich größere Sichtfelder und variable Bildtiefen realisieren. DLP ist klar dem Premiumsegment zuzuordnen: Die Technologie ist kostenintensiv, die Zahl der Lieferanten begrenzt und der optische Aufbau benötigt erheblichen Bauraum im Armaturenbrett.

LCOS (Liquid Crystal on Silicon) kombiniert sehr hohe Auflösungen mit kleinen Displaydiagonalen und erlaubt kompaktere Projektionssysteme. Insbesondere in asiatischen Märkten stehen LCOS im Aufwind. Einschränkungen ergeben sich durch den polarisierten Lichtpfad, den hohen Rechenaufwand und eine geringere Gesamteffizienz im Vergleich zu DLP. Für AR-HUDs wird LCOS dennoch als technisch interessante Alternative bewertet.

Aufkommende Bildgenerierungstechniken

Laser-scanned MEMS-Displays erzeugen das Bild durch einen schwingenden Mikrospiegel, der modulierte Laserstrahlen zeilenweise über das Sichtfeld führt. Die Technik zeichnet sich durch sehr kompakte Bauform, hohe Kontraste und großen Farbraum aus. Erwähnenswert sind insbesondere der geringer Energiebedarf und die Flexibilität bei der Projektionsdistanz. Technische Herausforderungen bestehen in der Reduktion von Speckle-Effekten, der aktuell begrenzten Auflösung sowie in der automobilen Qualifikation der Laserdioden. Serienanwendungen existieren bislang nicht, das Potenzial für zukünftige AR-HUDs wird jedoch als hoch eingeschätzt.

MicroLED-Mikrodisplays gelten als langfristig besonders vielversprechend. Sie bieten sehr hohe Leuchtdichten, hohen Wirkungsgrad, große Farbräume und lange Lebensdauer. Für HUDs sind insbesondere selbstemittierende MicroLED-Mikrodisplays interessant, da sie kompakte PGUs mit hoher Effizienz ermöglichen. Aktuell verhindern jedoch geringe Fertigungsausbeuten, komplexe Mass-Transfer-Prozesse und hohe Kosten den breiten Serieneinsatz. MicroLED-HUDs sind erst mit zunehmender Industrialisierung der Technologie zu erwarten.

Computer Generated Holography (CGH) stellt einen grundlegend anderen Ansatz dar. Statt eines klassischen Bildes wird ein Hologramm berechnet, das mithilfe kohärenter Laserquellen echte dreidimensionale virtuelle Objekte erzeugt. CGH erlaubt mehrere Fokusebenen ohne Auflösungsverlust und adressiert das Vergenz-Akkommodations-Problem klassischer HUDs. CGH sind ein zentraler Enabler für zukünftige AR-HUDs, allerdings ist hier auf den hohen Rechenaufwand, die Anforderungen an präzise Phasenmodulatoren und die Kosten der Laserlichtquellen zu verweisen. Erste Anwendungen werden im Premiumsegment erwartet.

Touch-Sensorik und Display-Treiber in einem IC kombiniert

TDDI (Touch and Display Driver IC) ermöglicht die Integration von Touch-Sensoren in Automotive-Displays. So lassen sich dünnere, hellere und kostengünstigere Displays realisieren.

HUD-Typen und Entwicklungspfad

Man unterscheidet zwischen Combiner-HUDs, Windschutzscheiben-HUDs und AR-HUDs. Combiner-HUDs sind kostengünstig, bieten jedoch nur begrenzte Bildgröße und feste Bilddistanz. Windschutzscheiben-HUDs dominieren aktuell den Markt, stoßen aber bei Sichtfeld und Tiefenvariation an physikalische und optische Grenzen. AR-HUDs gelten als langfristiger Entwicklungspfad: Sie kombinieren große FOVs, variable Bildtiefen und die Fusion mit ADAS- und Autonomiesystemen, sind jedoch derzeit noch teuer, voluminös und technologisch anspruchsvoll.

Fazit

Technisch betrachtet sind Head-up Displays hochkomplexe Systeme an der Schnittstelle von Displaytechnik, Optik und Fahrzeugarchitektur. TFT-LCD bleibt kurz- bis mittelfristig die dominierende Lösung, während DLP und LCOS höhere Leistungsreserven für anspruchsvollere Anwendungen bieten. Laser-MEMS, MicroLED und insbesondere CGH adressieren zentrale Herausforderungen wie Bauraum, Effizienz und Tiefenwahrnehmung, befinden sich jedoch noch auf dem Weg zur Serienreife. Die kommenden Jahre werden daher von einer Koexistenz mehrerer Technologien geprägt sein, abhängig von Fahrzeugsegment, Funktionsumfang und Kostenrahmen. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von IDTechEX.