智能汽车产业系列车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告

18163.2.1日本精机株式会社（Nippon Seiki）3.2.2日本电装株式会社（Nippon Denso）143.2 全球HUD龙头企业技术分析3.3 国内HUD龙头企业技术分析23四．HUD技术未来展望234.1 HUD技术迭代处于拐点时期，即将进入AR-HUD时代234.2 自主品牌本土优势巨大，有望打破外资垄断11三．HUD技术企业竞争格局113.1 全球企业竞争总体格局CONTENT05一．HUD基本情况051.1技术原理1.2 技术发展史0502综述04引言07二．HUD技术整体发展趋势072.1技术迭代历程2.2 核心技术突破08092.3国家竞争格局2.4 技术市场布局1018213.3.1华阳多媒体电子3.3.2未来黑科技1401智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 随着汽车迈向智能化的进程加速，汽车驾驶安全问题日益受到各方重视。车载抬头显示系统可以将车辆相关信息显示在前挡风玻璃的驾驶员平视范围内，避免驾驶员频繁低头观察仪表，能够有效缩短眼球对前方的视觉盲区时间，对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值，近年来越来越受到车企的关注。智慧芽创新研究中心结合国内外公开资料/文献、专利文献、企业官方资料等针对抬头显示系统技术，进行综合梳理和分析，形成《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（以下简称“报告”）报告主要包括四部分，具体如下：HUD基本情况：简述HUD技术原理、HUD技术全球发展史。HUD技术整体发展趋势：纵览该领域全球技术迭代历程，主要产品迭代阶段；以及HUD核心技术的突破方向、该技术领域国家间的竞争格局和技术市场布局情况。HUD技术企业竞争格局：浅析HUD4家代表性企业技术发展趋势、全球技术布局、核心团队成员及最新专利申请，4家代表性企业分别是：两家全球龙头企业（日本精机、日本电装）、两家中国龙头企业（华阳多媒体电子、未来黑科技）。HUD技术未来展望：基于基础调研、专利分析以及代表性企业的技术对比，对 HUD主要技术趋势进行展望。综述02智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 报告主要包括以下结论：1. 从整体技术研发特性上看，全球HUD技术领域的相关专利量共约1.95万件。在 2011年-2017年期间，HUD技术专利量呈现逐年增加的态势，2017年专利申请量达到历年顶峰，2017年后全球HUD专利申请量稍有回落。2. 从核心技术未来发展路线上看，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。我们判断，HUD投影技术正处于拐点时期。虽然，从历年专利增量维度看，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。3. 从国家竞争格局上看，全球超过三分之二的专利申请都聚集在日本、中国、美国。其中，日本在HUD技术领域研发起步较早，是目前全球专利申请量最多的国家。然而，近几年HUD技术却在中国市场呈现蓬勃发展态势，2020年首次超越日本成为该技术领域研发热度最高的国家。4. 从技术市场格局上看，中日美是HUD技术应用最重要的三个目标市场。随着2015年前后开始的汽车工业“新四化“浪潮催生中国HUD产业变革，中国市场已经成为世界企业争相布局的焦点，并且近年来逐步拉大与其他国家之间的差距。5. 从企业竞争格局上看：HUD技术研发领域呈现“两极争霸”的竞争格局，日本精机和日本电装在技术研发和专利储备上均遥遥领先。而中国供应商华阳多媒体电子、未来黑科技成为全球HUD技术20强中仅有的2家中国公司。17智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 引言当今世界正经历百年未有之大变局，新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，随着人工智能以及移动通信技术的高速发展，电动化、智能化、网联化、共享化已经成为汽车行业未来的发展趋势。汽车也正在由交通工具向智能移动终端演变，这些趋势将带来人的生活与出行方式的极大变革，也导致汽车座舱形态、座舱功能和交互方式发生翻天覆地的变化。而面对智能座舱域中日益增多的车内外信息和车载功能时，驾驶员如何有效进行操控就变得极为重要。为保证驾驶安全和舒适性，高效的人机交互方式成为一个重要的课题。其中，抬头显示系统作为智能座舱具有代表性的功能之一，因能够提升驾驶安全性与便捷性，现已经成为越来越多主机厂竞争的技术重点。基于此，本报告将从专利视角出发，全方位分析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。04智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 一．HUD基本情况1.1 技术原理抬 头 显 示（Heads-up display, 以 下 简 称：HUD）系统，又称平视显示系统。其作用是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的挡风玻璃上，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。（见图表1）作为智能座舱的核心卖点，预计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%。可见，消费者对抬头显示系统的认知度正以前所未有的速度增长。图表1：HUD技术原理（资料来源：网络、智慧芽整理）1.2 技术发展史HUD技术发展史可分为三个阶段：技术萌芽阶段、技术转化阶段、技术成长阶段。技术萌芽阶段：HUD原先是战争的产物，最早开始是被应用于战斗机上，飞行员在高速飞行中需要极快的反应速度和高度集中的注意力。而战机的仪表复杂，所以为了避免飞行员频繁的通过仪表查看飞行数据，分散注意力，HUD系统应运而生。05智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 技术转化阶段：1972年，英国专利人员提出了对平视系统应用在汽车上的改进，根据对汽车挡风玻璃的弧度、驾驶员视线角度等参数的调整，提供了将平视系统应用在汽车上的具体技术方案。然而由于成像质量不理想且成本高昂，这一方案没能投入到市场进行应用。技术成长阶段：1988年，通用汽车在其旗下的Oldsmobile Cutlass Supreme Indianapolis 500 Pace Car上首次采用了HUD抬头显示器，成为世界上首款采用该技术的汽车。（见图表2）此后，宝马、奔驰、本田、丰田等整车厂也相继在旗下车型上配备HUD，HUD 开始被越来越多的厂商应用到汽车上。如今随着汽车功能的不断增多，HUD可以通过与汽车行车电脑、GPS导航仪以及倒车雷达等设备的配合，为驾驶员实时显示车速、发动机转速、挡位状况、转向灯、导航提示、故障提示、定速巡航状态及巡航速度、收听广播的频率等信息。一些具备自动车距巡航控制功能的汽车，HUD还可以显示与前车的距离等信息。图表2： 世界首款采用HUD技术的汽车（资料来源：网络、智慧芽整理）18智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月） 二．HUD技术整体发展趋势通过关键词在智慧芽全球专利数据库中检索发现，HUD技术领域相关专利量共约1.95万件。结合HUD技术发展史发现，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公司提出的采用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，专利申请量也在2017年达到顶峰。2017年后，全球HUD技术专利申请量稍有回落。（见图表3）而HUD产品根据技术原理的不同主要分为三代，第一代是C-HUD（Combiner HUD，组合式抬头显示），第二代是W-HUD（Windshield HUD，风挡型抬头显示），第三代为AR-HUD（增强现实型抬头显示）。目前市场以W-HUD为主流，C-HUD正在逐渐被淘汰，而AR-HUD将是未来的升级趋势。2.1 技术迭代历程图表3： 过去10年全球HUD相关专利申请与授权量演变（数据来源：智慧芽）专利授权量专利申请量07智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月）件第一代：C-HUD第二代：W-HUD第三代：AR-HUD 2.2 核心技术突破HUD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。而作为HUD最核心的部件——投影单元，主要用于投影成像，约占其整体系统总价值量的50%。投影单元（PGU）具体可分为LCD、DLP、和MEMS激光投影三种技术。以下将通过智慧芽全球专利数据库检索三种投影技术。传统LCD投影技术：主要是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。从2011年至今，传统LCD投影技术共申请专利约3000件，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，并且因为液晶之间有一定的距离，其分辨率清晰度存在缺陷与不足。所以HUD相关的技术厂商近几年开始逐渐转向显示效果更好的DLP和MEMS激光投影等技术方向。MEMS激光投影技术：通过使用具有较高功率的红、绿、蓝（三基色）单色激光器为光源，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。其技术优势在于其色域空间大、色饱和度高、分辨率清晰。从专利申请趋势来看，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渐缩小。MEMS激光投影技术逐渐成为HUD技术领域重要的研发方向。但由于目前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。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投影技术共申请专利约1000件，且每年的专利增长数量均低于LCD和激光投影技术。主要源于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。（见图表4）图表4： 过去10年全球三种主流HUD投影技术历年申请趋势对比（数据来源：智慧芽）08智慧芽《车载抬头显示系统（HUD）技术洞察报告》（2022年3月）件MEMS激光投影技术DLP投影LCD投影 投影单元（PGU）作为HUD的核心壁垒，其技术类型决定着未来HUD产业发展方向。综合比较以上所述三种投影技术类型，我们判断，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。2.3 国家竞争格局在国家竞争格局层面分析发现，全球超过三分之二的专利申请都聚集在日本、中国、美国三个国家。从全球