激光掃描MEMS投影系統推動(dòng)汽車(chē)抬頭顯示系統技術(shù)進(jìn)步

作者/ Jack Yee Intersil公司

摘要：本文介紹了汽車(chē)HUD系統中的液晶顯示器(LCD)、數字光處理(DLP)HUD以及激光掃描MEMS投影系統，通過(guò)比較，激光掃描MEMS投影系統比基于幀的DLP 或LCD顯示系統更適用于汽車(chē)增強現實(shí)HUD。

　　汽車(chē)抬頭顯示系統(HUD)現已成為許多豪華型汽車(chē)的標配或可選設備。HUD是越來(lái)越完善的成套高級駕駛輔助系統(ADAS)的重要組成部分，它們幫助駕駛員將注意力集中于前方道路，而不用低頭看儀表盤(pán)。研究表明，駕駛員視線(xiàn)離開(kāi)路面超過(guò)兩秒鐘，發(fā)生碰撞事故的危險就會(huì )增加一倍。

　　汽車(chē)HUD將行駛速度、警告信號和指示箭頭直接顯示在位于駕駛員視線(xiàn)中的擋風(fēng)玻璃上。一種最新的HUD使用激光二極管驅動(dòng)器對高強度紅、綠和藍(RGB)激光器施以脈沖，將高清(HD)視頻投射在擋風(fēng)玻璃上(見(jiàn)圖1)。這些增強現實(shí)HUD將透明箭頭直接“畫(huà)”在汽車(chē)前方街道上，彩色轉向信號和導航方向可以提供更直觀(guān)的引導作用。它們還會(huì )高亮顯示其他物體——如可能帶來(lái)危險的行人或車(chē)輛，引起駕駛員的注意。

激光掃描MEMS投影與LCD、DLP的比較

　　LCD面板是目前汽車(chē)HUD系統中最常用的技術(shù)，它采用透射式顯示技術(shù)和LED背光源，在光穿過(guò)時(shí)，照亮整個(gè)圖像。被照亮的圖像放大后被折疊鏡反射，并顯示在駕駛員視野前的擋風(fēng)玻璃上。

　　LCD HUD的暗像素是通過(guò)阻斷背光而產(chǎn)生的，這使LCD對這些像素具有更低的透射性。但是，光不能完全被阻擋，特別是在低環(huán)境光背景中。其結果就是投射圖像疊加在擋風(fēng)玻璃上，看上去像一張明信片大小的透明矩形(見(jiàn)圖2)。汽車(chē)制造商視此為一個(gè)嚴重安全缺陷，因為發(fā)光的矩形會(huì )讓駕駛員分散注意力。

　　DLP與LCD類(lèi)似，但分辨率更佳。DLP有數千個(gè)以二維(2D)陣列排列的微鏡，2D陣列中的每個(gè)微鏡充當一個(gè)像素，調制每個(gè)微鏡以反射入射光，進(jìn)而產(chǎn)生所需的像素亮度。亮度為100%的像素具有零調制，而暗像素具有鏡像集，以便將光反射到成像路徑之外。為提供一致的成像結果，聚集入射光源并將其聚焦到2D微鏡陣列上，使每個(gè)像素具有相同的亮度。然后放大被反射的圖像，將其重新聚焦并投射到折疊鏡，然后投射到擋風(fēng)玻璃上，這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于LCD HUD實(shí)現。

　　DLP是一個(gè)矩形面板，需要平坦的水平表面來(lái)投射信息。擋風(fēng)玻璃在垂直方向上相對較為平坦，但在水平方向上不平坦。因此，為使DLP將信息投射到擋風(fēng)玻璃上，設計工程師必須使用非球面光學(xué)元件來(lái)適應擋風(fēng)玻璃的曲面，這會(huì )增加HUD系統的尺寸。

　　與DLP系統相比，激光掃描MEMS投影系統利用掃描鏡的變形圖像，允許使用成本更低的光學(xué)元件來(lái)降低系統的光電機械成本。激光掃描MEMS系統的主要元件是激光二極管驅動(dòng)器、激光二極管、一些小尺寸的光束成形/對準光學(xué)元件，以及MEMS掃描振鏡及其控制電子元件。RGB彩色激光二極管在掃描鏡掃過(guò)顯示區域時(shí)同步施以脈沖。然后，圖像被逐像素投射于擋風(fēng)玻璃上的顯示區域。

　　在激光掃描MEMS投影儀中，非常迅速地對每個(gè)像素施以脈沖，以產(chǎn)生全高清分辨率。同時(shí)，因為激光束始終是聚焦的，所以不需要重新對焦的光學(xué)元件就能將圖像投射到擋風(fēng)玻璃上。這大大降低了整體光學(xué)系統復雜性和尺寸，并且不用再使用高成本的光學(xué)元件和組件。

　　激光掃描MEMS投影系統提供比基于幀的LCD或DLP投影系統更出色的電效率。與呈現內容充滿(mǎn)整個(gè)顯示屏的前投式投影儀不同，汽車(chē)HUD的導航和儀表信息并不充滿(mǎn)整個(gè)HUD顯示區域。HUD只將時(shí)效性強的信息顯示在擋風(fēng)玻璃上，且僅持續很短時(shí)間。增強現實(shí)信息由一個(gè)可以使超過(guò)70%的顯示像素處于“off”狀態(tài)的圖像構成。圖3A 和3B中的方框顯示了典型的HUD 顯示區域，投影系統須在此區域呈現導航信息。請注意，每個(gè)例子中處于“on”狀態(tài)的像素數量和處于“off”狀態(tài)的像素數量是相對的。根據顯示信息的不同，該比率(ON:OFF像素)的范圍在1:3至1:6之間。

　　例如，在基于幀的DLP顯示技術(shù)中，無(wú)論有多少像素處于“on”狀態(tài)，光源都必須充滿(mǎn)整個(gè)像素陣列。在圖3A中，在方框顯示區域中產(chǎn)生了“暗”光或“未開(kāi)啟像素”的光，然后通過(guò)反射到視野區域之外或進(jìn)行阻擋來(lái)消除它。這一能量消耗妨礙了HUD 系統效率的提升。更糟糕的是，該能量損耗增加了由于吸收改變方向的光而產(chǎn)生的熱量，并提高了最初用于產(chǎn)生光的電能成本。這兩個(gè)因素最終增加了基于幀的熱冷卻需求和電能需求。

　　激光掃描MEMS HUD僅在需要投射相關(guān)像素時(shí)才會(huì )消耗電能。對于圖3A和3B中顯示的典型導航和儀表信息，大多數電能是在需要向顯示器輸出像素時(shí)消耗的。這大幅降低了電力需求，實(shí)現更低的熱曲線(xiàn)和更少的散熱。而且，由于激光掃描MEMS HUD集成了驅動(dòng)器電子元件，其投射占位面積小于基于幀的HUD系統。

激光二極管驅動(dòng)器助力實(shí)現下一代HUD

　　下一代HUD系統可以使用ISL78365四通道激光二極管驅動(dòng)器，向汽車(chē)擋風(fēng)玻璃投射增強現實(shí)視頻信息。如圖4所示，該激光驅動(dòng)器包括一個(gè)與MEMS ASIC集成的接口，以創(chuàng )建緊湊的激光掃描投影系統。

　　ISL78365具有四個(gè)高速750mA可編程電流吸收器，用于調節最多四個(gè)激光二極管的電流和光輸出。它提供1.5納秒上升和下降時(shí)間，可產(chǎn)生高幀率的高清彩色視頻，如圖5所示。該激光驅動(dòng)器為每個(gè)電流吸收器提供獨立的顏色、閾值和縮放設置，其靈活的高速并行視頻接口支持全高清投影和高達150MHz或每行1900像素的像素率。另外，它還包括像素數據復用功能，以簡(jiǎn)化光機-電子布局要求。

　　針對每個(gè)激光二極管電源的動(dòng)態(tài)電源管理和三種省電模式，進(jìn)一步降低了消隱時(shí)間內的總系統功耗。激光驅動(dòng)器的可編程歸零脈沖功能，可消除所顯示圖像的斑點(diǎn)，可編程過(guò)溫保護功能則支持自定義熱性能。

結論

　　激光掃描MEMS投影系統比基于幀的DLP 或LCD顯示系統更適用于汽車(chē)增強現實(shí)HUD。激光HUD掃描圖像只需要其25%～30%像素處于“on”狀態(tài)，而DLP和LCD HUD需要驅動(dòng)其100%的圖像像素才能產(chǎn)生相同的亮度。DLP和LCD系統會(huì )浪費顯示黑色像素所需的光和電能，這會(huì )導致應當是黑色像素的區域出現微弱的亮點(diǎn)。在白天的陽(yáng)光下，這個(gè)包絡(luò )可能不是問(wèn)題，但在夜晚，它會(huì )變得很明顯。從駕駛員安全角度來(lái)看，這又是一個(gè)分散駕駛員注意力的因素，從而使天平朝著(zhù)有利于在下一代抬頭顯示系統中采用激光掃描MEMS投影系統的汽車(chē)制造商傾斜。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第24頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。