抬头显示（HUD）系统应运而生，通过将各类驾驶信息虚拟叠加在路况实景上，驾驶员不用转头、低头就能看到关键数据，从而使驾驶员始终保持抬头的姿态，避免了目光切换引起的安全隐患。视场角（FOV）、虚像距离（VID）、体积、3D 景深等都是评价HUD光学特性的关键指标，如图1所示。
图1：HUD系统光学特性的部分关键参数
FOV 指的是驾驶员观察到虚拟图像的视野范围。在高速公路上行驶时，道路宽度约为3.5m，为使显示信息叠加在两个车道的交通环境上（车辆行驶车道和左右相邻各半个车道），抬头显示的辅助驾驶系统界面水平视场角应该至少为20°，如图2所示。然而，现有HUD技术所能实现的光学特性与实际需求存在巨大鸿沟。视野狭窄（10°×3°）是主要问题，不能满足相邻车道信息提示需求，与高级驾驶辅助系统（ADAS）提供的驾驶辅助信息严重不匹配。
图2：HUD不同光学特性对应的路况范围
VID是指透射的虚拟图像到人眼的距离。为使导航信息与道路实景有机融合，避免驾驶员目光远近切换，VID应至少大于10m，理想情况大于20m。虚像距离越远，投影尺寸越大，就能给驾驶员呈现更多的信息以增强互动性。传统的抬头显示系统的虚像距离短（2.5m），和远处真实环境无法融合，所能呈现的信息量极少，信息显示较为集中，容易对驾驶员视线造成影响。
扩大FOV和VID，来增大成像幅面，容纳更多信息，是实现车载级虚实融合交互显示的基础。目前典型的汽车抬头显示光学特性如图3所示。
图3：不同 HUD技术的光学性能对比
HUD经历了三轮技术发展：直接反射式HUD（C-HUD）、挡风玻璃式HUD（W-HUD）、增强现实型HUD（AR-HUD）。C-HUD是放置于仪表台上方的一块独立光学面板，因此HUD光学系统可进行独立设计与优化，设计成本及难度较低，安装便捷。受限于独立面板幅面，显示区域小，显示内容有限，FOV和VID较小。更重要的，显示屏位于车内，驾驶员需要通过频繁的目光切换来获取显示屏信息和外界景物信息。基于以上弊端，汽车厂商开始转向挡风玻璃式HUD和增强现实型HUD。
W-HUD利用光学反射的原理，在内外两层玻璃中间附上聚乙烯醇缩丁醛（PVB）薄膜夹层，通过将挡风玻璃作为投影介质对投影信息进行显示。使用挡风玻璃作为投影介质，FOV和VID较C-HUD 都有了很大的提升。但其作为整车的一个部件，开发成本与系统复杂性也大幅度增加了，因此，W-HUD现在还局限于中高端车型。AR-HUD也是将挡风玻璃作为投影介质进行图像显示的，但AR-HUD较W-HUD而言具有更大的FOV和VID。
AR-HUD可以对导航信息、警示信息、娱乐信息等与真实道路进行融合，实现人机交互，极大地提升了驾驶安全性，已经成为未来车载抬头显示系统的主要发展方向。光学元件与系统构架决定了抬头显示系统的成像效果。AR-HUD系统一般将图像生成单元的光线通过两块自由反射镜投射在挡风玻璃上，为了实现更大的 FOV和VID，根据光学可逆原理，需要不断增加反射镜的尺寸。因此，当前车载抬头显示系统的关键问题之一是解决FOV、VID和体积的天然矛盾。
多个虚像深度平面或3D景深是另一个HUD的重要光学指标。直观上，至少需要2个虚拟深度平面：2~5m近处的深度平面，用于呈现车速、油量等行车状态信息；10m或更远处的虚拟平面，用于呈现导航信息。有机分离的虚拟信息提高了信息呈现的有效性和流畅性。此外，车外自然景物是三维的，具有不同深度。理想的HUD系统应能提供与自然景物深度距离匹配的虚拟信息。然而现在的抬头显示系统的虚像平面缺乏深度感，导致驾驶员需要转换焦距来感知实景和虚像，无法集中注意力。所以在不增加系统体积的情况下，扩大视场角和虚像距离范围，实现真正的3D景深效果，已成为新型抬头显示系统的主要研究方向。
图4：AR - HUD的典型光学特性
得益于自由曲面光学元件，AR-HUD光学特性较W-HUD有了较大提升，如图4所示，视场角为10°×5°，虚像距离为10m，然而，其体积高达25L以上，成为车辆安装的重要拦路虎。此外，如需要进一步扩大FOV或提高VID，系统体积需进一步增大。受离轴反射镜组光学原理限制，FOV、VID与系统体积形成一组矛盾体，顾此失彼，无法兼得，制约了该技术的发展。
利用空间光调制器（SLM），可以实现更高显示效率、低功耗的AR-HUD。为解决系统分辨率、视场角和体积的制约问题，引入相位型空间光调制器矫正大视场的像差。在相干光照明下，矫正像差后的数字全息图可提升HUD系统的图像质量。该方法与中心凹成像思想结合，在人眼凝视方向提供相对高分辨率的图像。搭建的HUD系统体积小于2L，视场角为11°×4°，虚像距离为2m。
光波导器件省去多级反射镜结构，可让光在较薄的光波导中实现传播和放大，大幅减小HUD体积，实现大视场角和远距离成像。光波导器件主要包括阵列波导器件、浮雕结构器件和全息光波导器件。基于阵列光波导的抬头显示系统使用微米级反射式棱镜结构作为耦合光学元件，通过调节微棱镜阵列区域中微棱镜排列周期，控制反射出波导的光束能量，进而实现光束沿传播方向一维出瞳扩展。这种抬头显示系统具有视场角大、成像均匀等优点，但阵列波导结构工艺制作成本高。
体全息光学元件（HOE）利用两束相干光照明光敏薄膜，基于双光束干涉记录光场相位，在光敏薄膜上形成折射率周期性调制分布。HOE是增强现实显示、透明显示等领域非常重要的光子器件。HOE是一种体全息图，可有效调控光场，实现透镜、匀光器、透镜阵列等器件功能。波长选择性和角度选择性还赋予了HOE 较高的效率和高透明度，使 HOE 非常适合用于抬头显示应用。
在弯曲的挡风玻璃中间集成HOE薄膜，该方法利用角度选择性和波长选择性的特点，实现窄带波长光线反射、其余宽光谱范围内透射的虚实融合功能。与作为半反射镜的挡风玻璃相比，HOE的偏转角度和光功率可以根据记录方法进行控制，因此它具有更大的设计自由度，并且可以减小投影部件的尺寸，扩大FOV。
基于表面浮雕光栅和 HOE的光波导的原理类似。利用表面浮雕光栅或 HOE 的衍射效应改变光线的传播方向，光线进行一系列传播之后，耦出波导进入人眼。基于光波导的 HUD 打破了 FOV、VID 和体积的固有矛盾，为体积极度受限的车载应用提供超大 FOV 的技术途径。此外，也可设计与制备带有屈光度的耦入或耦出全息器件进一步提升FOV。利用曲面全息光波导结构，也可扩大FOV，补偿系统像差，减小体积。
图5：光波导型HUD所需耦出光栅面积与FOV的对应关系
然而，光波导HUD对结构设计与制备提出了新的挑战。以全息光波导为例，在出瞳距离（1m）、眼盒范围（130mm×50mm）一致的情况下，提升FOV需要更大的衍射波导面积。图5给出了光波导型HUD所需最小耦出光栅面积与FOV的对应关系。大幅面全息光波导和浮雕光波导对材料或制备的一致性和保真度提出了极高要求。此外，光波导式HUD的光效率常常低于自由反射镜式 HUD。考虑到HUD对显示亮度有比较苛刻的要求（大于10000 cd/m2），不可避免地提升图像引擎亮度和系统功耗。

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