激光掃描MEMS投影系統(tǒng)推動汽車抬頭顯示系統(tǒng)技術(shù)進步

作者/ Jack Yee Intersil公司

摘要：本文介紹了汽車HUD系統(tǒng)中的液晶顯示器(LCD)、數(shù)字光處理(DLP)HUD以及激光掃描MEMS投影系統(tǒng)，通過比較，激光掃描MEMS投影系統(tǒng)比基于幀的DLP 或LCD顯示系統(tǒng)更適用于汽車增強現(xiàn)實HUD。

　　汽車抬頭顯示系統(tǒng)(HUD)現(xiàn)已成為許多豪華型汽車的標配或可選設(shè)備。HUD是越來越完善的成套高級駕駛輔助系統(tǒng)(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。研究表明，駕駛員視線離開路面超過兩秒鐘，發(fā)生碰撞事故的危險就會增加一倍。

　　汽車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中的擋風(fēng)玻璃上。一種最新的HUD使用激光二極管驅(qū)動器對高強度紅、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(見圖1)。這些增強現(xiàn)實HUD將透明箭頭直接“畫”在汽車前方街道上，彩色轉(zhuǎn)向信號和導(dǎo)航方向可以提供更直觀的引導(dǎo)作用。它們還會高亮顯示其他物體——如可能帶來危險的行人或車輛，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HUD系統(tǒng)中最常用的技術(shù)，它采用透射式顯示技術(shù)和LED背光源，在光穿過時，照亮整個圖像。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(jié)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(見圖2)。汽車制造商視此為一個嚴重安全缺陷，因為發(fā)光的矩形會讓駕駛員分散注意力。

　　DLP與LCD類似，但分辨率更佳。DLP有數(shù)千個以二維(2D)陣列排列的微鏡，2D陣列中的每個微鏡充當(dāng)一個像素，調(diào)制每個微鏡以反射入射光，進而產(chǎn)生所需的像素亮度。亮度為100%的像素具有零調(diào)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(jié)果，聚集入射光源并將其聚焦到2D微鏡陣列上，使每個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，這個過程類似于LCD HUD實現(xiàn)。

　　DLP是一個矩形面板，需要平坦的水平表面來投射信息。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(shè)計工程師必須使用非球面光學(xué)元件來適應(yīng)擋風(fēng)玻璃的曲面，這會增加HUD系統(tǒng)的尺寸。

　　與DLP系統(tǒng)相比，激光掃描MEMS投影系統(tǒng)利用掃描鏡的變形圖像，允許使用成本更低的光學(xué)元件來降低系統(tǒng)的光電機械成本。激光掃描MEMS系統(tǒng)的主要元件是激光二極管驅(qū)動器、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顯示區(qū)域時同步施以脈沖。然后，圖像被逐像素投射于擋風(fēng)玻璃上的顯示區(qū)域。

　　在激光掃描MEMS投影儀中，非常迅速地對每個像素施以脈沖，以產(chǎn)生全高清分辨率。同時，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(tǒng)復(fù)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(tǒng)提供比基于幀的LCD或DLP投影系統(tǒng)更出色的電效率。與呈現(xiàn)內(nèi)容充滿整個顯示屏的前投式投影儀不同，汽車HUD的導(dǎo)航和儀表信息并不充滿整個HUD顯示區(qū)域。HUD只將時效性強的信息顯示在擋風(fēng)玻璃上，且僅持續(xù)很短時間。增強現(xiàn)實信息由一個可以使超過70%的顯示像素處于“off”狀態(tài)的圖像構(gòu)成。圖3A 和3B中的方框顯示了典型的HUD 顯示區(qū)域，投影系統(tǒng)須在此區(qū)域呈現(xiàn)導(dǎo)航信息。請注意，每個例子中處于“on”狀態(tài)的像素數(shù)量和處于“off”狀態(tài)的像素數(shù)量是相對的。根據(jù)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，無論有多少像素處于“on”狀態(tài)，光源都必須充滿整個像素陣列。在圖3A中，在方框顯示區(qū)域中產(chǎn)生了“暗”光或“未開啟像素”的光，然后通過反射到視野區(qū)域之外或進行阻擋來消除它。這一能量消耗妨礙了HUD 系統(tǒng)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)像素時才會消耗電能。對于圖3A和3B中顯示的典型導(dǎo)航和儀表信息，大多數(shù)電能是在需要向顯示器輸出像素時消耗的。這大幅降低了電力需求，實現(xiàn)更低的熱曲線和更少的散熱。而且，由于激光掃描MEMS HUD集成了驅(qū)動器電子元件，其投射占位面積小于基于幀的HUD系統(tǒng)。

激光二極管驅(qū)動器助力實現(xiàn)下一代HUD

　　下一代HUD系統(tǒng)可以使用ISL78365四通道激光二極管驅(qū)動器，向汽車擋風(fēng)玻璃投射增強現(xiàn)實視頻信息。如圖4所示，該激光驅(qū)動器包括一個與MEMS ASIC集成的接口，以創(chuàng)建緊湊的激光掃描投影系統(tǒng)。

　　ISL78365具有四個高速750mA可編程電流吸收器，用于調(diào)節(jié)最多四個激光二極管的電流和光輸出。它提供1.5納秒上升和下降時間，可產(chǎn)生高幀率的高清彩色視頻，如圖5所示。該激光驅(qū)動器為每個電流吸收器提供獨立的顏色、閾值和縮放設(shè)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(shù)據(jù)復(fù)用功能，以簡化光機-電子布局要求。

　　針對每個激光二極管電源的動態(tài)電源管理和三種省電模式，進一步降低了消隱時間內(nèi)的總系統(tǒng)功耗。激光驅(qū)動器的可編程歸零脈沖功能，可消除所顯示圖像的斑點，可編程過溫保護功能則支持自定義熱性能。

結(jié)論

　　激光掃描MEMS投影系統(tǒng)比基于幀的DLP 或LCD顯示系統(tǒng)更適用于汽車增強現(xiàn)實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(qū)動其100%的圖像像素才能產(chǎn)生相同的亮度。DLP和LCD系統(tǒng)會浪費顯示黑色像素所需的光和電能，這會導(dǎo)致應(yīng)當(dāng)是黑色像素的區(qū)域出現(xiàn)微弱的亮點。在白天的陽光下，這個包絡(luò)可能不是問題，但在夜晚，它會變得很明顯。從駕駛員安全角度來看，這又是一個分散駕駛員注意力的因素，從而使天平朝著有利于在下一代抬頭顯示系統(tǒng)中采用激光掃描MEMS投影系統(tǒng)的汽車制造商傾斜。

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