基于MEMS的車載激光投影儀的設(shè)計(jì)

　　汽車制造商采用各種技術(shù)為駕駛員提供這類關(guān)鍵信息，包括分立式LED、儀表盤和液晶顯示技術(shù)。盡管每輛車的型號(hào)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(yīng)不熟悉的車型并從中獲取信息。另外，還可利用平視顯示（HUD）系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)和信息虛擬投影到車輛前方駕駛員的視線內(nèi)。隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD在豪華汽車內(nèi)已非常普及。而隨著成本的降低和尺寸的減小以及性能的提升，這些HUD系統(tǒng)也開始不斷地被中端汽車所采用，并且很快會(huì)普及到經(jīng)濟(jì)型汽車內(nèi)。

　　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(duì)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(shì)，使其成為汽車信息娛樂系統(tǒng)的理想媒介。

　　本文通過(guò)剖析汽車領(lǐng)域的現(xiàn)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(qū)動(dòng)器，相對(duì)于老式TFT、CRT和DLP技術(shù)，其減小了尺寸、降低了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，所有這些優(yōu)點(diǎn)都得益于激光。

　　HUD技術(shù)基礎(chǔ)

　　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(tǒng)，能夠?qū)⑾袼仃嚵型渡渲翈缀跞我獗砻?。微型激光投影儀沒有采用輻射技術(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(qū)動(dòng)器集成的8位DAC，每個(gè)像素可產(chǎn)生24位色彩飽滿的RGB顏色，從而產(chǎn)生1600萬(wàn)種獨(dú)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。在樹林或叢林環(huán)境下，特意使綠色呈現(xiàn)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，然后縱向斜線變化，將掃描線組合為一個(gè)顯示面。產(chǎn)生的高清圖像以60Hz的頻率刷新并且始終準(zhǔn)確對(duì)焦——這是激光技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于弧形的汽車擋風(fēng)玻璃。

　　驅(qū)動(dòng)微型投影儀面臨的挑戰(zhàn)

　　在陰極射線管（CRT）中，每條掃描線從左側(cè)開始，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(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)，以正向方式掃描奇數(shù)行，以反向方式掃描偶數(shù)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(duì)于微型投影儀，從左至右繪制每行時(shí)，激光打開；然后在垂直下降的無(wú)效視頻區(qū)域關(guān)閉；當(dāng)從右至左繪制有效視頻時(shí)，激光再次打開。

　　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，這依賴于像素在水平掃描線上的位置。因?yàn)椴捎肕EMS技術(shù)，反射鏡必須在每行的開始和末尾加速和減速。由于MEMS反射鏡慣性的原因，在到達(dá)每個(gè)末端之前變慢，因此強(qiáng)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(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)出從左至右的較高的邊沿亮度及坐標(biāo)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(jī)械式的，加速和減速都需要時(shí)間。采用巧妙的方法對(duì)這種角速度失真進(jìn)行補(bǔ)償。

　　修正扎堆現(xiàn)象的方法之一是產(chǎn)生虛擬像素，并在掃描線的各個(gè)段內(nèi)插入子像素。在掃描線的中段，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(cè)邊沿，內(nèi)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(tǒng)激光投影儀設(shè)計(jì)的復(fù)雜度

　　控制每個(gè)高速激光像素要求器件能夠?qū)⑾袼乜焖俅蜷_和關(guān)閉，外加許多高級(jí)接口、資源以及功能電路（圖6）。MAX3601 RGB激光驅(qū)動(dòng)器（圖7）能夠在1ns內(nèi)調(diào)制像素邊沿，所以非常適合用于該應(yīng)用。由于激光具有高容性、感性負(fù)載，所以關(guān)斷激光像素極具挑戰(zhàn)性。利用Maxim獨(dú)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(tǒng)架構(gòu)，要求許多高級(jí)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(zhàn)，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題，因?yàn)榧す獠捎们罢展獾姆椒c(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。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(duì)于全黑場(chǎng)景，功耗降低至80mW。MAX3601具有倍增DAC，可調(diào)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。

　　圖7. 集成式MAX3601三通道激光二極管驅(qū)動(dòng)器與橋接芯片設(shè)計(jì)整齊連接，形成高度集成的方案。請(qǐng)參見下文關(guān)于橋接芯片設(shè)計(jì)的討論。

　　持續(xù)監(jiān)測(cè)激光顏色，以確保在較寬溫度范圍內(nèi)的顏色一致性，以及保證激光條件的安全。也利用顏色傳感器補(bǔ)償日光、陰影或夜間條件下的亮度。由于激光始終對(duì)焦，復(fù)雜而昂貴的光學(xué)器件不會(huì)占用光學(xué)引擎的寶貴空間。所以，激光投影儀非常適合小型汽車對(duì)空間的苛刻要求。由于現(xiàn)在的HUD架構(gòu)采用7片或更多器件用于呈現(xiàn)顏色，所以該方案所節(jié)省的空間就變得尤其寶貴。

　　橋接技術(shù)：一顆橋接芯片支持實(shí)時(shí)及關(guān)鍵處理

　　傳統(tǒng)激光投影儀中，視頻激光控制器SoC的功率幾乎與主機(jī)SoC控制器相同，也具有類似尺寸的視頻幀緩存器，以及GPU功能。微型投影儀實(shí)時(shí)執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)時(shí)僅占一部分處理器帶寬。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)從視頻幀緩存器發(fā)送至微型投影儀處理器的幀緩存器，然后逐行解析至MEMS反射鏡，這樣就很繁瑣、沒有效率。

　　為了消除這種冗余性并再次平衡成本、功耗以及每個(gè)關(guān)鍵元件的負(fù)荷，橋接芯片提供了合理的折衷方式。

　　微型激光投影儀通過(guò)使用橋接芯片（圖8），將數(shù)據(jù)流流水線化，進(jìn)行高效率處理。兩個(gè)視頻幀緩存器減少為一個(gè)。實(shí)時(shí)任務(wù)由橋接芯片負(fù)責(zé)，不再占用大量系統(tǒng)負(fù)荷的中斷，從而減輕SoC負(fù)荷，使成本和功耗降低。SoC的GPU處理FIFO-LIFO掃描線反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)器尋址以及補(bǔ)償MEMS慣性運(yùn)動(dòng)。工作負(fù)荷得到了平衡。

　　理論上是這樣，那么從哪里開始呢？我們首先看一下投影儀的SoC功能，然后決定如何封裝這些功能。主機(jī)SoC處理器和視頻處理器均具有6MB幀緩存器，所以我們可省去存儲(chǔ)器并代之以少數(shù)的行緩存器。這要求在高速視頻輸入和MEMS反射鏡的較慢的行速率之間做嚴(yán)格定時(shí)；這對(duì)于支持HUD應(yīng)用所需的不同分辨率尤其重要。橋接芯片確保行緩存器始終滿載，同時(shí)也檢查主機(jī)SoC關(guān)斷或使極少的關(guān)鍵功能處于工作狀態(tài)，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

　　中斷SoC來(lái)處理一般的實(shí)時(shí)任務(wù)以及服務(wù)可預(yù)測(cè)的中斷，造成SoC在空閑期間的功耗較高。這非常浪費(fèi)，因?yàn)闃蚪有酒m合處理實(shí)時(shí)任務(wù)，因此，可以說(shuō)橋接芯片將系統(tǒng)效率最大化了。

　　主機(jī)SoC非常適合處理GPU任務(wù)，例如縮放、顏色修正、白平衡、反扭曲（以補(bǔ)償風(fēng)擋玻璃的曲面或飛點(diǎn)架構(gòu)引起的針墊效應(yīng)），以及發(fā)送數(shù)據(jù)以填充橋接芯片的行緩存器。對(duì)于具有少數(shù)幾行代碼的SoC來(lái)說(shuō)，反轉(zhuǎn)從左至右和從右至左的存儲(chǔ)器尋址，是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。該SoC將會(huì)預(yù)處理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至橋接芯片而無(wú)需知道MEMS時(shí)序要求。

　　橋接芯片內(nèi)置的微型微處理器或狀態(tài)機(jī)可以處理簡(jiǎn)單的輔助任務(wù)，使設(shè)計(jì)者能夠靈活增加自定義功能。

　　圍繞橋接芯片而構(gòu)建的四芯片方案形成高度集成、可編程的微型激光投影儀，連接至標(biāo)準(zhǔn)視頻接口，如HDMI和VGA。該方案處理所有投影儀相關(guān)的任務(wù)。但我們能夠進(jìn)一步壓縮設(shè)計(jì)嗎？

　　圖8. 四芯片微型激光投影儀方案可采用橋接芯片實(shí)現(xiàn)，但集成度更高的方案則更好。

　　對(duì)于要求更高集成度的應(yīng)用，例如移動(dòng)電話和其它小型消費(fèi)類設(shè)備，橋接芯片可與其它功能組合。例如，我們可以設(shè)計(jì)一種可編程橋接芯片，支持距離檢測(cè)、桶形失真補(bǔ)償、反射鏡加速和減速補(bǔ)償，以及亮度、顏色和振動(dòng)穩(wěn)定。還希望其具有支持防抖、鋸齒光柵掃描、字節(jié)視頻數(shù)據(jù)對(duì)齊、可變分辨率以及亮度控制和功率管理的硬件電路。讓處理器驅(qū)動(dòng)的核心在軟件中運(yùn)行硬件算法，速度足以刷新幾乎無(wú)抖動(dòng)的圖像?，F(xiàn)在，可將之前的四芯片方案縮減為一個(gè)芯片（圖9）。

　　圖9. 新一代高度集成橋接芯片縮減為單片式微型激光投影儀方案。

　　結(jié)論

　　微型激光投影儀正逐漸嵌入至智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴式計(jì)算機(jī)以及汽車HUD顯示。2013年度有50萬(wàn)輛以上的汽車配備了HUD，并且，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年的增速將達(dá)2到20%至30%，因此，OEM要求節(jié)省HUD空間和成本是完全可以理解的。高度集成橋接芯片，如圖8和圖9所示的方案，將大大減輕主機(jī)處理器的負(fù)荷，節(jié)省空間、功耗、芯片數(shù)量，以及所需的處理資源。

　　以CPU為核心的HUD微型激光投影儀橋接芯片方案支持高質(zhì)量外設(shè)集成和快速處理器，這樣就能在軟件中執(zhí)行算法。使用橋接芯片的方式減少了硬件，降低了功耗和復(fù)雜度，為實(shí)現(xiàn)HUD的新思路、新方法提供了靈活性。

　　未來(lái)，微型激光投影儀將采用飛點(diǎn)架構(gòu)，這能把功能擴(kuò)展至3D照相和手勢(shì)控制應(yīng)用。在2014年后期，PC和平板電腦中將配備這些功能，隨后是HUD設(shè)備將廣泛應(yīng)用于汽車中。

　　不久的將來(lái)，駕駛員只需在中控臺(tái)前揮一下手，即可調(diào)節(jié)收音機(jī)音量或切換至不同頻道；雙眼將通過(guò)激光HUD觀察前方路面，確保安全。高度集成的微型激光投影儀橋接芯片及參考設(shè)計(jì)將為更多公司提供快速采用該項(xiàng)技術(shù)的途徑，發(fā)揮創(chuàng)造性并獲取更大利潤(rùn)。