反射光為什麼是偏振光

有著賈躍亭這麼一個自帶流量的老闆，法拉第未來（FF）儘管遠在美國，但其造車進展卻一直深受大眾關注。

FF的首款車型，同時也是被賈躍亭寄予“翻身”厚望的新車FF91幾度難產，中途更一度消失在人們視線中，直到近日終於放出多輛預量產車已經下線的訊息，官方還披露了FF91的許多配置細節。

其中，FF91最大的亮點是搭載了業內最大的抬頭顯示器（HUD），它可以將資訊投射到駕駛員面前2。7米的位置。

HUD是什麼？即使是很多天天開車的車主，對HUD可能也不是很瞭解。其實，在科幻電影中常常有它的身影：當主角駕駛未來的汽車、飛機等載具時，儀表資訊會被投射在前擋風玻璃上，使駕駛員無需低頭和轉移視線，這就是HUD的功勞。

（一輛BMW E60中的HUD。圖源wiki）

HUD（全稱為Head Up Display），即平視顯示器，它的歷史可以追溯到二戰期間，最早被應用於軍用飛機上，是一種反射式瞄準技術。

二戰結束時，部分特定型號的轟炸機配備了機載微波雷達系統和電視顯示屏，這被認為是真正HUD的雛形，它能將雷達資訊（包括一個人工地平線），反射到飛行員控制系統前面的一塊玻璃上。

上世紀80 年代，美國阿拉斯加航空公司將HUD 技術用於民用航空運輸飛行領域。最初採用HUD是出於對安全的考量，它可以把飛機飛行資訊（如飛行引數、姿態資訊、導航資訊等）投射到飛行員視野正前方的透視鏡上，使得飛行員可以在同一視野中兼顧儀表引數和外界目視參照物，避免飛行員因檢視儀表而分散對艙外環境的注意力，同時降低眼睛焦距需要不斷調整產生的延遲與不適。

自那以後，HUD經歷了各種變化與升級，目前HUD已經被許多航空公司選裝和使用，一些高階豪車品牌也紛紛將HUD作為新車的標準配置。

（1988年，通用汽車在其旗下的 Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上採用了HUD抬頭顯示器，這是世界上首款採用HUD技術的汽車。圖源：通用汽車）

如今的HUD也不僅能夠顯示車輛的基本行車資訊，它還可以提供高精度的導航指引和路面資訊提示，甚至語音收發微信、打電話、點歌等。

不過，儘管看著十分“科幻”，但HUD的基本原理其實很簡單：利用光的反射與折射，將影象投射到經過處理的玻璃表面，而人眼看到的是位於眼前的虛像，給人的感覺是資訊“懸浮”在空中一樣。

HUD在車載平視顯示器的應用中變種有很多，市面上大部分採用LCD（液晶顯示屏）作為PGU（影象生成單元），經過一系列曲面鏡以及濾光器將影象投射到擋風玻璃或一塊獨立的小螢幕上。

但這種車載HUD在實際應用中仍存在一個不能被忽視的問題：當駕駛員戴上太陽鏡時，可能在某些情況下會看不到HUD的顯示影象，給安全駕駛造成障礙。

要解釋這種情況為什麼會發生，這就涉及到一個概念：光的偏振。

人們已經知道，光也是一種波，而波分為橫波與縱波。橫波與縱波的不同之處在於，縱波的振動對於波的傳播方向是軸對稱的，橫波的振動對於波的傳播方向不是軸對稱的。

可見光是一種橫波，其振動方向垂直於傳播方向。而偏振指的是振動方向對於傳播方向的不對稱性，是橫波所獨有的特性。

在日常生活裡，自然光來自四面八方，由於自然光是一種偏振面具有各種不同取向且相位隨機分佈的平面偏振光之集合，它被視為完全非偏振光。

當自然光被光滑表面反射後，就會產生某個方向的偏振，而這種反射光就會產生讓人眼睛不舒服的眩目效果，即是眩光。

偏光太陽鏡就是為了過濾掉這些“多餘”光線而製造的：其中的偏光膜層包含有能吸收偏振光的二色性顏料和分子鏈，形成一個如同百葉窗的結構，只允許自然光中某一特定偏振方向的光透過。更少的光通量，也使得人們戴上太陽鏡後往往會感覺視野明顯變暗。

偏光片不僅應用於太陽鏡中，還是液晶顯示屏中不可或缺的部件。

為了解釋偏光片在其中的用處，我們可以把液晶顯示屏的結構簡化為三個主要部件：背光燈、液晶、上下兩片偏振方向不同的偏光片。

在開啟電源後，背光燈發出的光是四面八方的，首先要透過下方的偏光片被篩選，成為同一方向的光。這些光線隨後透過液晶材料，由於液晶具有旋光性，在通電時能夠把光線的偏振方向改變90度，因此再使用一個方向不同的偏光片來篩選，就能夠只留下通電液晶透過的光。

如果沒有偏光片，液晶依然有效，但會透出不同偏振的光，而人眼無法分辨光的偏振方向，整個螢幕肉眼看起來會是白色一片。

在實際生活中，透過偏光太陽鏡片觀察液晶螢幕，同時旋轉鏡片，會看到液晶螢幕在鏡片中顯示為黑屏，這就是鏡片中的“百葉窗”過濾了液晶屏發出的光的緣故。放到HUD上也是一樣：偏光太陽鏡在某些情況下過濾了HUD液晶屏發出的光線，導致HUD形同虛設。

而FF91此次披露的更新就是為了解決“太陽鏡與HUD不能共存”的問題。FF91直接摒棄了液晶顯示屏，轉而採用了DLP（數字光處理）技術。

DLP的核心是TI（美國德州儀器）公司率先發明的數字微鏡晶片（DMD）。DMD透過微鏡矩陣將光線反射並形成投影，這些微小鏡片根據影片或圖形訊號開啟或關閉，開關速度每秒超過上千次。

一個DMD可包含多達800萬個透過軛架和鉸鏈安裝的微鏡，一個微鏡的直徑僅有16平方微米，每個微鏡對應最終畫面中的一個畫素。電極透過靜電吸引來控制鏡面的位置，微鏡開啟的時間越長，產生的畫素就越亮。

（數字微鏡的示意圖，顯示了安裝在懸掛軛架上的鏡面）

（DMD的每個鏡片鏡面偏轉角度保持固定值，根據版本不同，可能為正負12度或正負10度）

可以看出，這種結構不需要任何偏光片，也就順利解決了偏光太陽鏡與HUD的液晶屏不能共存的問題。

不過，與其他HUD技術相比，DLP技術更加複雜和精密，需要針對不同的擋風玻璃定製高精度的反射非球面鏡，其核心部件在汽車複雜的使用環境中也較易出現壞點，再加上德州儀器對DLP技術的多年壟斷，這諸多因素都導致了較為高昂的使用成本。

而且，FF並非第一家在HUD上採用DLP技術的汽車廠商。早在2015年，德州儀器就推出了首款專為車載HUD應用而設計的DLP晶片組；2017年，全球首款採用DLP技術的HUD抬頭顯示系統的車型（林肯的大陸Continental車型）就在北美髮布，內建40萬個工作頻率可達5000次/秒微鏡的DLP晶片。

話又說回來，比起大部分HUD所使用的液晶屏，FF91選擇了更昂貴、體驗更好的DLP技術，這樣的配置確實符合FF91的豪車定位——據FF訊息人士透露，這款車號稱要對標賓利、勞斯萊斯，在中國的售價預計為200萬元人民幣。

從目前所披露的FF91外形、效能與配置來看，如果FF91真的能夠量產，並在品控等各方面交上一份合格的答卷，那麼願意買單的消費者還是不少的。不然的話，賈躍亭“PPT造車”的帽子怕是摘不掉了。