3月2日，科技創新情報SaaS服務商智慧芽旗下智慧芽創新研究中心正式發布《智能汽車產業系列——車載抬頭顯示系統（HUD）技術洞察報告》（以下簡稱“報告”）。
報告顯示，全球HUD技術領域的相關專利量目前共有約1.95萬件。超過三分之二的專利申請都聚集在日中美三國。其中，日本是該領域專利申請量最多的國家，而中國則在2020年首次超越日本成為該技術領域研發熱度最高的國家。
從技術路線上看，投影單元（PGU）作為HUD的核心技術壁壘決定著產業未來發展方向，目前該領域技術正處于拐點時期。
具體而言，LCD投影技術專利規模最大，專利增速最快。但因存在散熱不足等缺點，限制了該技術的大規模應用。而MEMS激光投影技術因具備結構簡單等優勢，未來如果能在成本端和溫度端實現技術突破，則具有廣泛應用前景。
全球HUD技術專利申請量共約1.95萬件，年均增速超20%
抬頭顯示（Heads-up display，以下簡稱“HUD”）系統，又稱平視顯示系統，其原理可以簡單概括為把時速、導航等重要的行車信息，投影到駕駛員前面的風擋玻璃上，讓駕駛員盡量做到不低頭、不轉頭就能看到時速、導航等重要的駕駛信息（如圖1）。
在汽車安全問題日益受到重視的今天，HUD憑借其能夠有效縮短眼球對前方的視覺盲區時間的特點，近年來越來越受到車企的關注。有數據預測，2025年全球和中國的抬頭顯示系統市場規模將分別達到385/125億元，2020-2025年的CAGR將分別為42%/42%，應用前景十分廣闊。
圖1：HUD技術原理（來源：網絡）
報告顯示，全球HUD技術領域的相關專利量目前共有約1.95萬件。從過去十年該領域專利申請與授權量演變圖可以看出（如圖2），隨著汽車邁向智能化的進程加速，HUD技術專利量在2011年-2017年間，呈現逐年增加的態勢。
其中，2016年，Intersil公司提出了采用MEMS激光掃描技術來作為HUD的投影單元（該單元具有更高的電導率，并且降低了整體光學系統復雜性和尺寸），大力推動了HUD技術的進步。作為行業的里程碑事件，也帶動了HUD技術領域的研發熱度，專利申請量在2017年達到頂峰。
圖2：過去10年全球HUD相關專利申請與授權量演變（來源：智慧芽）
HUD技術最早被應用于戰斗機，目的是避免飛行員頻繁通過儀表查看飛行數據而分散注意力。1972年，英國專利人員對其進行改進后希望可以應用于汽車，然而由于成像質量不理想且成本高昂，這一方案最終沒能投入市場。1988年，通用汽車推出了首款量產HUD的車型（如圖3），而后越來越多的廠商將其應用于汽車領域。
圖3：世界上首款采用HUD技術的汽車（來源：網絡）
車載抬頭顯示器需求旺盛，全球企業爭相布局中國市場
報告顯示，全球有超過三分之二的HUD技術專利申請于日本、中國、美國三國。過去10年間，HUD技術領域專利申請量排名第一的日本共有6402件，約占全球總量的32.86%；中國排名第二，專利申請量為4571件，約占23.57%；美國排名第三，專利申請量為3216件，約占16.51%，其專利申請與授權量與排名前二的日本、中國均存在不小差距。
由此可以看出，在當前的HUD技術領域中，國家間的實力不平衡態勢顯著，并且第一梯隊（日中美）間專利儲備量也相差較大。
進一步對比日中美三國的專利申請年度變化趨勢發現，中國在該領域的申請量增長速度最快，并且在2020年首次超越日本，而日本和美國專利量下降態勢顯著（如圖4）。
圖4：過去10年HUD技術中日美三國歷年專利申請趨勢對比（來源：智慧芽）
與此同時，從技術應用市場分布看，中日美三國同樣也是HUD技術應用最重要的三個目標市場。
報告顯示，2014年至2015年是重要的分水嶺。在2014年之前，中日美三國HUD技術的專利申請量呈現膠著增長態勢。2014年后，中國開始迅速成長為全球最受關注的HUD技術應用目標市場。此后，中國連續7年成為全球HUD技術領域專利布局的第一市場。截至2021年，全球共有約30%的專利被布局在中國市場（如圖5）。
圖5：過去10年HUD技術主要市場布局（來源：智慧芽）
全球抬頭顯示技術迎拐點，國產HUD欲破巨頭壟斷
HUD的整體結構主要包括主控PCB板，LED光源，投影單元（PGU）以及反射鏡。其中，投影單元是HUD最核心的部件，主要用于投影成像，約占其整體系統總價值量的50%。根據技術路線的不同，PGU可分為LCD、DLP、和MEMS激光投影三類。
其中，LCD投影技術主要是在液晶屏顯示后通過反射改變光源角度最終在擋風玻璃上成像。該技術從2011年至今共有約3000件專利申請，且每年專利增長數量均大幅超過其他兩類投影技術，是近十年內行業內最主流的研發方向。但其缺點在于光線經過液晶后亮度會有一定程度的衰減，并且因為液晶之間會有一定的距離，其分辨率清晰度存在天然缺陷。相關的技術廠商近幾年開始逐漸轉向更為前沿的DLP和MEMS激光投影等技術方向。
而MEMS激光投影技術，能夠通過使用具有較高功率的紅、綠、藍（三基色）單色激光器作為光源，使激光在機器內經過相應的光學元件和處理芯片的整合與掃描后投射在顯示屏上，具有色域空間大、色飽和度高、分辨率清晰等技術優勢。從該技術的專利申請趨勢來看，MEMS激光投影技術從2011年開始，每年的專利增長數量與LCD投影技術間的差距逐步縮小，逐漸成為HUD技術領域重要的研發方向。但由于成本高且不能達到車規要求的85攝氏度的工作要求，其技術熱度從2017年開始呈現下滑趨勢。
最后，DLP投影技術是一種以數字微鏡裝置作為成像器件，通過調節反射光實現投射圖像的投影技術。技術優勢在于投影效果亮度高、分辨率高、成像逼真，而且在AR-HUD體系設計中，具有溫升控制功能的DLP投影技術相比LCD投影技術更具優勢。
從專利申請趨勢來看，從2011年至今，DLP投影技術共專利申請約1000件，且每年的專利增長數量均低于LCD和激光投影技術。這主要是因為DLP數字光處理核心技術屬于美國德州儀器（TI）公司，其他廠商在使用該技術時均需要取得德州儀器的專利授權，而且目前DLP投影技術的設計難度與生產成本均高于LCD投影技術，因此限制了DLP投影技術的發展。
其次，從宏觀層面看，中美貿易摩擦不斷，若主機廠大規模采用DLP投影技術則存在斷供風險，或者若TI與主機廠業務關系發生不利變化、其供貨價格有重要調整、亦或因國家間貿易爭端或新冠疫情進一步蔓延導致無法及時供貨，也會對主機廠的生產經營進一步產生不利影響（如圖6）。
圖6：過去10年全球三種主流HUD投影技術歷年申請趨勢對比（來源：智慧芽）
合上述分析，HUD投影技術正處于技術迭代的拐點時期。1）雖然當前LCD仍為最成熟的主流投影方案，但由于其天然存在散熱不足的問題，在HUD與AR技術相結合的大趨勢下，LCD投影技術將逐漸被新技術取代。2）雖然基于DLP技術的AR-HUD顯示效果更為出色，但是DLP投影技術的核心專利均被美國德州儀器（TI）公司壟斷，存在成本高及斷供風險，亟需有企業打破技術壟斷。3）MEMS激光投影技術相比于DLP技術，結構簡單，光學引擎大幅簡化。如果能在成本端和溫度端實現技術突破，MEMS激光投影技術則非常具有應用前景。
此外，國際頭部汽車零部件廠商雖已在該領域構筑起較高的行業壁壘，但我國自主品牌受益于國內低廉的原材料價格，可以有效降低設計生產成本，獲得價格優勢。故在質量過關的前提下，國內車企可能會更傾向于選擇國內供應商。將來，預計國內一批新興的HUD黑馬企業將不斷增強產品競爭力，率先實現在本土HUD市場的扭轉。
