基于MEMS的車(chē)載激光投影儀設計

汽車(chē)內的顯示和信息系統非常豐富，層出不窮地包圍著(zhù)我們，有些信息非常重要，有些則是為了舒適性或娛樂(lè )，有的則僅僅是提供資訊，這很有價(jià)值，但又非必需。作為一名駕駛者，我們最需要的是關(guān)于汽車(chē)工作狀況的關(guān)鍵數據——并且是實(shí)時(shí)的。

汽車(chē)制造商采用各種技術(shù)為駕駛員提供這類(lèi)關(guān)鍵信息，包括分立式LED、儀表盤(pán)和液晶顯示技術(shù)。盡管每輛車(chē)的型號不同，但提供信息的方式非常一致，幾乎每個(gè)乘員都能很快適應不熟悉的車(chē)型并從中獲取信息。另外，還可利用平視顯示(HUD)系統將這些數據和信息虛擬投影到車(chē)輛前方駕駛員的視線(xiàn)內。隨著(zhù)顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD在豪華汽車(chē)內已非常普及。而隨著(zhù)成本的降低和尺寸的減小以及性能的提升，這些HUD系統也開(kāi)始不斷地被中端汽車(chē)所采用，并且很快會(huì )普及到經(jīng)濟型汽車(chē)內。

最新的HUD技術(shù)采用移動(dòng)MEMS反射鏡和彩色激光，即所謂的微型激光投影儀。這些激光投影儀具有無(wú)限對焦、陽(yáng)光下清晰可讀、超凡的色彩飽和度以及小尺寸等優(yōu)勢，使其成為汽車(chē)信息娛樂(lè )系統的理想媒介。

本文通過(guò)剖析汽車(chē)領(lǐng)域的現代HUD技術(shù)，提出了采用微型激光投影儀的新方案。集成式“橋接芯片”解決方案采用高性能三通道激光驅動(dòng)器，相對于老式TFT、CRT和DLP技術(shù)，其減小了尺寸、降低了成本和設計復雜度，所有這些優(yōu)點(diǎn)都得益于激光。

HUD技術(shù)基礎

最新HUD技術(shù)的核心是一個(gè)微型激光投影儀(圖1)，它是一種小型MEMS成像系統，能夠將像素陣列投射至幾乎任意表面。微型激光投影儀沒(méi)有采用輻射技術(shù)(TFT和CRT)，而是發(fā)射一束彩色光繪制圖像、儀表和指示燈。光束掃描一個(gè)類(lèi)似于CRT電視的光柵圖。通過(guò)三原色的色度和亮度組合，產(chǎn)生每個(gè)像素(見(jiàn)圖1)。

圖1. 微型投影儀的核心是R、G和B激光器，以及移動(dòng)MEMS反射鏡。

利用MAX3601激光驅動(dòng)器集成的8位DAC，每個(gè)像素可產(chǎn)生24位色彩飽滿(mǎn)的RGB顏色，從而產(chǎn)生1600萬(wàn)種獨特的顏色。由于激光器以截然不同的頻率發(fā)射每種顏色，所以顏色鮮艷并且可以“過(guò)飽和”，以吸引駕駛者的注意。在樹(shù)林或叢林環(huán)境下，特意使綠色呈現出不同尋常的色彩，以突出顯示。

組合光束被送至掃描MEMS反射鏡芯片，后者通過(guò)水平掃描產(chǎn)生一條掃描線(xiàn)，然后縱向斜線(xiàn)變化，將掃描線(xiàn)組合為一個(gè)顯示面。產(chǎn)生的高清圖像以60Hz的頻率刷新并且始終準確對焦——這是激光技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)，尤其對于弧形的汽車(chē)擋風(fēng)玻璃。

驅動(dòng)微型投影儀面臨的挑戰

在陰極射線(xiàn)管(CRT)中，每條掃描線(xiàn)從左側開(kāi)始，采用回掃方法快速返回至每行的起點(diǎn)(圖2)。微型激光投影儀憑借現代化數字技術(shù)，以正向方式掃描奇數行，以反向方式掃描偶數行(圖3)。

圖2. 在CRT的消隱期間，電子束關(guān)閉，并回掃返回至下一行。

圖3. 對于微型投影儀，從左至右繪制每行時(shí)，激光打開(kāi);然后在垂直下降的無(wú)效視頻區域關(guān)閉;當從右至左繪制有效視頻時(shí)，激光再次打開(kāi)。

CRT與微型激光投影儀技術(shù)的另一不同之處是時(shí)序變化，這依賴(lài)于像素在水平掃描線(xiàn)上的位置。因為采用MEMS技術(shù)，反射鏡必須在每行的開(kāi)始和末尾加速和減速。由于MEMS反射鏡慣性的原因，在到達每個(gè)末端之前變慢，因此強制以恒定像素時(shí)鐘發(fā)送的像素在末尾“扎堆”。如果不加修正，這種像素扎堆現象會(huì )表現出從左至右的較高的邊沿亮度及坐標失真(圖4)。

圖4. 上部的一行彩色點(diǎn)表示MEMS像素空間。由于移動(dòng)反射鏡是機械式的，加速和減速都需要時(shí)間。采用巧妙的方法對這種角速度失真進(jìn)行補償。

修正扎堆現象的方法之一是產(chǎn)生虛擬像素，并在掃描線(xiàn)的各個(gè)段內插入子像素。在掃描線(xiàn)的中段，MEMS反射鏡的掃描速率最快，這里會(huì )以每個(gè)虛擬視頻時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)子像素的速率發(fā)射子像素。而在邊沿，則每隔3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)子像素圖5)。

圖5. 在左側邊沿，內插像素——每4個(gè)子像素時(shí)鐘1個(gè)像素;在中段，每一個(gè)子像素時(shí)鐘1個(gè)像素。

傳統激光投影儀設計的復雜度

控制每個(gè)高速激光像素要求器件能夠將像素快速打開(kāi)和關(guān)閉，外加許多高級接口、資源以及功能電路(圖6)。MAX3601 RGB激光驅動(dòng)器(圖7)能夠在1ns內調制像素邊沿，所以非常適合用于該應用。由于激光具有高容性、感性負載，所以關(guān)斷激光像素極具挑戰性。利用Maxim獨有的像素關(guān)斷輔助(Pixel-Off Assist)功能，使得1ns關(guān)斷邊緣速率成為可能。三通道DAC工作在250MHz及以上，確保高清分辨率下的視頻速度。

圖6. 微型激光投影儀SoC的傳統架構，要求許多高級接口、資源和功能電路。

LCD、DLP及其它背光技術(shù)在夜間及隧道條件下面臨很大挑戰，背光泄露會(huì )產(chǎn)生陰影或虛影。而激光投影儀不存在該問(wèn)題，因為激光采用前照光的方法點(diǎn)亮每個(gè)像素。由于激光投影儀逐像素增加照射，除激光偏置電流外，功率始終小于100%全開(kāi)。消隱期間以及像素為黑電平時(shí)，可關(guān)斷電源。按照這種方式，對于全黑場(chǎng)景，功耗降低至80mW。MAX3601具有倍增DAC，可調制從黑暗環(huán)境下1流明一直到太陽(yáng)光下30k流明的光輸出功率。