DLP技術(shù)：實(shí)現(xiàn)新一代汽車抬頭顯示系統(tǒng)

引言

德州儀器DLP投影技術(shù)是一項(xiàng)被廣泛使用的成熟技術(shù)，用于多種顯示應(yīng)用，包括：手持投影機(jī)、會(huì)議室和數(shù)字影院。DLP技術(shù)可滿足先進(jìn)的HUD系統(tǒng)的需求。DLP電子系統(tǒng)可支持視頻處理和格式化，滿足需要圖形和視頻圖像的未來(lái)HUD系統(tǒng)的需求。高動(dòng)態(tài)范圍LED控制系統(tǒng)的概念已被證明可提供在白晝和黑夜觀看的條件。此外，借助基于DLP技術(shù)的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施，相關(guān)人員可更加靈活地解決未來(lái)汽車HUD系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)難題、外形規(guī)格限制以及熱負(fù)荷管理等問(wèn)題。

DLP電子系統(tǒng)概述

DLP汽車抬頭顯示系統(tǒng)的概念包含兩個(gè)子系統(tǒng)，即利用DLP控制器芯片的視頻處理和格式化子系統(tǒng)，以及利用Piccolo微控制器（MCU）的LED控制系統(tǒng)。圖1展示了一個(gè)典型的DLP抬頭顯示系統(tǒng)應(yīng)用。

圖1.典型的DLP抬頭顯示系統(tǒng)應(yīng)用

DLP HUD控制器負(fù)責(zé)接收和處理從外部顯示圖形處理器接收到的視頻和命令，它能夠接收24位并行視頻數(shù)據(jù)，其幀速率高達(dá)60Hz.所接收的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)可編程圖像縮放、灰度、子圖像支持以及邊框調(diào)整因素等處理后，最終數(shù)字輸出給DMD，以呈現(xiàn)最終圖形顯示。此外，DLP HUD控制器還提供啟動(dòng)紅色、綠色和藍(lán)色LED的頻閃信號(hào)，與DMD器件上正在顯示的數(shù)據(jù)保持同步，從而呈現(xiàn)高亮度、高度飽和色彩和具有極快顯示速率的高對(duì)比度圖形。

基于Piccolo MCU的LED控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)精確控制整個(gè)工作溫度范圍以及紅色、綠色和藍(lán)色LED的老化范圍內(nèi)的色彩和亮度。此外，它還支持高動(dòng)態(tài)亮度的自然調(diào)光，適用于HUD應(yīng)用的白天和夜間駕駛情況。

LED控制系統(tǒng)采用基于PWM滯后控制方法的光通量反饋方案。在連續(xù)模式（CM）中，整個(gè)輸出LED使能脈沖時(shí)段都以近直流電（DC）方式開啟LED光源，持續(xù)保持固定的光照水平。在斷續(xù)模式（DM）中，每個(gè)脈沖幅度由相同的滯后控制環(huán)路控制，但只能啟用已觸發(fā)的脈沖光源。DLP控制器可計(jì)量每個(gè)LED具體的脈沖數(shù)量。斷續(xù)模式在保證控制精度的同時(shí)，允許采用極低的輸出通量水平。

LED溫度升高和LED老化將導(dǎo)致要用更高的電流電平才能產(chǎn)生所需的光通量水平。當(dāng)光通量控制環(huán)路達(dá)到所需的光通量水平之前就已達(dá)到最大的LED電流時(shí)，Piccolo MCU會(huì)感知到這種情況，并相應(yīng)地按比例降低所有3個(gè)LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反饋控制之下。通過(guò)這種方式，該系統(tǒng)可在LED的整個(gè)使用壽命提供最佳圖片，并實(shí)現(xiàn)終極亮度水平。

LED控制系統(tǒng)通過(guò)SPI總線輸入接收來(lái)自上行控制光源的亮度/調(diào)光控制命令。Piccolo解析LED控制系統(tǒng)的命令，如RGB LED振幅電平、連續(xù)或斷續(xù)模式，并通過(guò)專用I2C總線配置DLP控制器。

DLP電子系統(tǒng)基于汽車級(jí)元件，該元件可實(shí)現(xiàn)HUD系統(tǒng)操作所需的全部功能。該電子系統(tǒng)包括視頻處理和LED控制系統(tǒng)，支持適用于白天和夜間駕駛情況的高動(dòng)態(tài)調(diào)光范圍。

高動(dòng)態(tài)范圍LED控制系統(tǒng)概念

HUD應(yīng)用對(duì)動(dòng)態(tài)范圍要求非常高，在白天運(yùn)行時(shí)支持的亮度要超過(guò)15000 cd/m^2，而在光線非常暗的夜間環(huán)境中，顯示圖形的亮度不能低于3 cd/m^2.HUD系統(tǒng)必須能夠在目標(biāo)白點(diǎn)處保持全色深的圖形，并且動(dòng)態(tài)范圍需超過(guò)5000：1.LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)專為汽車HUD應(yīng)用而開發(fā)，已經(jīng)展示了全系列的功能。

采用Piccolo MCU的LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)，可管理紅色、綠色和藍(lán)色LED調(diào)幅，保持正常的白點(diǎn)，并同步LED照明和DLP控制器。DLP控制器為DMD和相關(guān)的RGB LED使能信號(hào)提供高速數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動(dòng)器控制電路選用的每個(gè)器件都能采用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的德州儀器Q1（專為汽車而設(shè)計(jì)）元件。

DLP投影系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）的紅、綠和藍(lán)光打造全色深圖形，在所用的標(biāo)準(zhǔn)PWM技術(shù)內(nèi)集成并同步調(diào)光功能。

該系統(tǒng)采用基于LED光線輸出的光學(xué)滯后反饋，為了獲得更高的亮度，在位段內(nèi)的時(shí)段采用連續(xù)反饋模式保持穩(wěn)定狀態(tài)的振幅。該示例如圖2所示。連續(xù)模式反饋已經(jīng)證明可在100：1調(diào)光范圍工作。

圖2.連續(xù)調(diào)光模式

該系統(tǒng)還采用了斷續(xù)模式反饋來(lái)生成少量脈沖光。該技術(shù)可將動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至超過(guò)5000：1的比例。圖3顯示了斷續(xù)模式光脈沖示例。

圖3.斷續(xù)調(diào)光模式

LED控制系統(tǒng)可采用連續(xù)和斷續(xù)操作模式，展示從15000 cd/m^2至低于3 cd/m^2的范圍內(nèi)的自然調(diào)光。德州儀器概念系統(tǒng)中的已測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4.德州儀器概念系統(tǒng)的已測(cè)白光

除了實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍外，還須保持白點(diǎn)。為了在德州儀器概念系統(tǒng)中實(shí)施，我們選擇D65為目標(biāo)白點(diǎn)，D65是大部分高清電視（HDTV）所采用的標(biāo)準(zhǔn)。此白點(diǎn)的目標(biāo)色度值為x=0.313、y=0.329.如圖5和6所示，動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的已測(cè)數(shù)據(jù)保持接近目標(biāo)白點(diǎn)，離目標(biāo)色度點(diǎn)的總偏差不小于+/- 0.01.

圖5.德州儀器概念系統(tǒng)的已測(cè)白點(diǎn)

圖6.動(dòng)態(tài)范圍外的已測(cè)白點(diǎn)

綜上所述，所實(shí)施的LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)基于汽車級(jí)元件，這些元件證明符合高動(dòng)態(tài)范圍，可滿足白天和夜間觀看條件，同時(shí)能夠保持精確的白點(diǎn)控制。DLP HUD光學(xué)系統(tǒng)

DLP汽車投影系統(tǒng)具有一些特性，能支持帶有適用于新一代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器的VWFOV（非常寬視角）的HUD系統(tǒng)。DLP在光學(xué)、機(jī)械容量管理和日光熱管理的設(shè)計(jì)靈活性方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

HUD光學(xué)系統(tǒng)的目的是在道路前方數(shù)米觀看距離中為駕駛員呈現(xiàn)虛擬顯示。該虛擬顯示可能包含儀表盤數(shù)據(jù)，如速度、導(dǎo)航數(shù)據(jù)或其它協(xié)助駕駛員的實(shí)時(shí)信息。用于創(chuàng)建此虛擬顯示的光學(xué)裝置通常包括1至3個(gè)注塑模具非球面鏡片，具體取決于虛擬圖像所需的光學(xué)矯正水平和視野（FOV）范圍。圖7顯示了HUD鏡像光學(xué)設(shè)計(jì)示例。

圖7– HUD光學(xué)設(shè)計(jì)概念

現(xiàn)有汽車HUD的圖像源來(lái)自于LED陣列背光的LCD面板。隨著該行業(yè)不斷朝著寬視野范圍的抬頭顯示系統(tǒng)發(fā)展，有些技術(shù)局限是LCD技術(shù)很難解決的。DLP投影技術(shù)則提供了可能的替代HUD圖像生成單元（PGU）。隨著抬頭顯示視野范圍不斷擴(kuò)大，采用DLP技術(shù)作為HUD圖像源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。對(duì)于視野非常廣的抬頭顯示系統(tǒng)，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示所需的系統(tǒng)，DLP可能是唯一合理的解決方案，它能夠提供將上述抬頭顯示系統(tǒng)部署在汽車內(nèi)所需的亮度和設(shè)計(jì)靈活性。DLP支持光學(xué)設(shè)計(jì)的靈活性，適用于圖像質(zhì)量和機(jī)械布局。

光學(xué)設(shè)計(jì)靈活性

基于DLP的抬頭顯示系統(tǒng)將采用可進(jìn)行優(yōu)化的中間成像平面，使抬頭顯示鏡面系統(tǒng)在機(jī)械方面適合汽車儀表盤。通過(guò)調(diào)整投影鏡頭的投影距離和重調(diào)焦距，可輕松調(diào)整中間畫面大小。

HUD鏡面光學(xué)設(shè)計(jì)受到各種光學(xué)和機(jī)械要求的限制，這些限制主要包括寬視野、圖像亮度、眼動(dòng)范圍（eyebox）大小和位置以及機(jī)械包絡(luò)。而分辨率、圖像朝向和圖像失真等次要限制也同樣重要，但其對(duì)光學(xué)時(shí)效產(chǎn)生的影響較小。很多限制相互矛盾，其中一個(gè)示例就是光學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)于視野范圍寬度的機(jī)械緊湊性。最接近眼動(dòng)范圍的鏡面尺寸如上圖所示，完全由視野大小、眼動(dòng)范圍的位置和大小來(lái)確定。圖8顯示了終極抬頭顯示鏡面尺寸與全視野（FFOV）的比較。

圖8– FFOV與HUD鏡面大小之比較

其余的鏡面尺寸和機(jī)械折疊裝置受到HUD鏡片光學(xué)裝置的中間成像屏幕影響較大。支持中間成像屏幕的大小隨著設(shè)計(jì)限制而變化，可靈活地使視野非常廣的系統(tǒng)通過(guò)折疊將體積變小，從而裝入儀表盤中。

在DLP HUD概念中，投影圖形單元（PGU）在中間成像屏幕中形成DMD的小型放大明亮圖像。該投影屏幕圖像通過(guò)抬頭顯示鏡光學(xué)裝置進(jìn)行放大，為駕駛員打造虛擬顯示。HUD鏡光學(xué)裝置的設(shè)計(jì)人員不受固定圖像大小或基于LCD系統(tǒng)的圖像放大率的限制。可靈活選擇最佳放大倍率和/或焦距能夠給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很多好處，可支持替代光學(xué)機(jī)械折疊配置。此外，這種靈活性可減少光學(xué)像差，最大限度地降低抬頭顯示設(shè)計(jì)的第二和第三鏡面。

對(duì)于15度或更高角度的寬視角顯示，要保持受人眼限制的圖像分辨率就必須增加像素。圖9顯示了每視角的最小可解析分辨率繪圖?；贒LP的系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)1200以上的像素，從而實(shí)現(xiàn)超過(guò)20度的寬視角。此外，中間成像的大小與像素?cái)?shù)無(wú)關(guān)，可支持上述設(shè)計(jì)靈活性。

圖9–分辨率與視野之比較

熱負(fù)荷考量

DLP PGU系統(tǒng)在熱負(fù)荷管理方面功能強(qiáng)大。基于DLP的PGU有3個(gè)獨(dú)立的RGB LED光源，這些光源可在遠(yuǎn)離中間屏幕及相關(guān)陽(yáng)光反射物的遠(yuǎn)程位置單獨(dú)進(jìn)行冷卻。DMD本身可從LED中分離出來(lái)，允許單獨(dú)對(duì)DMD進(jìn)行熱量管理。這對(duì)基于DLP的HUD引擎有重大優(yōu)勢(shì)，因此圖像生成裝置（DMD）與HUD中間成像屏幕和光源（LED）是熱絕緣的。

HUD系統(tǒng)中的另一熱源就是陽(yáng)光直接照射圖像生成裝置所產(chǎn)生的輻射。陽(yáng)光能進(jìn)入HUD鏡光學(xué)裝置，并向下聚焦到成像器位置，從而大大增加局部的熱量。對(duì)于目前基于LCD的系統(tǒng)，冷卻鏡面通常用來(lái)幫助減少成像器上的太陽(yáng)能總量。如果管理不善，成像器上聚焦的太陽(yáng)能量可能成為L(zhǎng)CD面板的隱患，會(huì)降低LCD成像器的性能。相反，基于DLP的PGU中間屏幕能夠有效地為成像器和電子元件隔離太陽(yáng)輻射。由于有漫射屏，所以幾乎捕捉不到太陽(yáng)輻射，也不會(huì)將太陽(yáng)輻射反射回DMD.中間屏幕的漫射屏是被動(dòng)光元件，它的設(shè)計(jì)能夠承受高水平的太陽(yáng)輻射，同時(shí)不降低性能。

DMD的性能在熱負(fù)荷下非常強(qiáng)。例如，圖像對(duì)比度不受DMD熱量的影響。DMD能夠在炎熱或寒冷環(huán)境中保持其對(duì)比度。因此，基于DLP的PGU能夠在HUD系統(tǒng)要求的使用條件下正常運(yùn)行。

對(duì)于有大視野范圍的HUD系統(tǒng)，DLP技術(shù)在性能、熱管理和光學(xué)設(shè)計(jì)靈活性方面具有顯而易見的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。采用基于DLP的PGU光學(xué)設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建任何大小的HUD顯示源，從而更加自由地創(chuàng)建性能良好、適合儀表盤的HUD光學(xué)設(shè)計(jì)。此外，隔離熱源使基于DMD PGU的HUD系統(tǒng)在嚴(yán)苛環(huán)境下能更加穩(wěn)定地運(yùn)行。寬視角和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)HUD系統(tǒng)可以得益于DLP投影所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。