基于MEMS的汽車激光微型投影機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

用于汽車的現(xiàn)代平視顯示器 （HUD） 使用三重激光二極管微型投影儀解決方案，可實(shí)現(xiàn)無(wú)限聚焦、陽(yáng)光下的可讀性、出色的色彩和小尺寸。汽車三重半導(dǎo)體激光二極管微微投影儀片上系統(tǒng) （SoC） 圍繞微微激光驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建。這種橋接芯片解決方案降低了汽車HUD的尺寸、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

介紹

汽車環(huán)境中充斥著豐富的顯示器和信息系統(tǒng)。源源不斷的信息流圍繞著我們，有些至關(guān)重要，或令人欣慰，或娛樂(lè)，甚至只是信息。這是有價(jià)值的，但不是絕對(duì)必要的。作為車輛操作員，我們最需要的是有關(guān)車輛運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)......實(shí)時(shí)。

汽車制造商使用各種技術(shù)向駕駛員提供這些關(guān)鍵信息，包括分立式LED、儀表和液體顯示技術(shù)。雖然每種車型都不同，但這些信息的呈現(xiàn)非常有效和一致，幾乎每個(gè)乘員都可以快速適應(yīng)并從不熟悉的車輛中提取信息。這些數(shù)據(jù)和信息可以通過(guò)平視顯示器（HUD）在車輛前方駕駛員的視線中虛擬投影。隨著顯示技術(shù)的不斷改進(jìn)，HUD正在豪華車中出現(xiàn)。隨著成本和尺寸的下降以及性能的提高，這些HUD正在適應(yīng)中型車輛，并將很快出現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)型汽車中。

最新的HUD技術(shù)是通過(guò)移動(dòng)MEMS反射鏡和彩色激光器（也稱為微型激光投影儀）實(shí)現(xiàn)的。這些激光投影機(jī)具有無(wú)限聚焦、陽(yáng)光下的可讀性、出色的色彩飽和度和小尺寸，所有這些都使其成為汽車信息娛樂(lè)環(huán)境的理想介質(zhì)。

本文著眼于現(xiàn)代汽車HUD技術(shù)，并探討激光微微投影機(jī)解決方案的新方法。集成的“橋接芯片”解決方案圍繞高性能三重激光驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建，與舊的 TFT、CRT 和 DLP 技術(shù)相比，可減小尺寸、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。所有這些進(jìn)步都來(lái)自激光的好處。

HUD技術(shù)的基礎(chǔ)

最新HUD技術(shù)的核心是微型激光投影儀，這是一種小型MEMS成像系統(tǒng)，可將像素陣列投射到幾乎任何表面上。微型激光投影機(jī)不使用 TFT 和 CRT 等發(fā)射區(qū)域，而是發(fā)射一束彩色光，可繪制出圖像、儀器和指示器。光束掃描類似于基于 CRT 的電視的光柵圖案。單個(gè)圖片元素或像素是通過(guò)組合三種原色的陰影和強(qiáng)度來(lái)創(chuàng)建的。

使用MAX3601激光驅(qū)動(dòng)器中集成的8位DAC，每個(gè)像素可以產(chǎn)生24位RGB顏色，具有激光的豐富飽和度，可產(chǎn)生超過(guò)1600萬(wàn)種獨(dú)特的顏色。由于激光以不同的頻率發(fā)射每種顏色，因此顏色鮮艷，可以“過(guò)飽和”以引起駕駛員的注意。綠色看起來(lái)不自然的綠色，以便在森林或叢林環(huán)境中脫穎而出。

組合光束呈現(xiàn)給掃描MEMS反射鏡芯片，該芯片水平掃描以創(chuàng)建掃描線，然后垂直斜坡以將線組合成顯示平面。生成的高清 （HD） 圖像以 60Hz 刷新并始終清晰對(duì)焦——這是激光技術(shù)的另一個(gè)好處，尤其是對(duì)于彎曲擋風(fēng)玻璃。

驅(qū)動(dòng)微型投影機(jī)的挑戰(zhàn)

在陰極射線管 （CRT） 中，每條線從左側(cè)開(kāi)始，并使用反激機(jī)構(gòu)快速返回到每條線的起點(diǎn)（圖 2）。利用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，微型激光投影儀以正向模式發(fā)送奇數(shù)線，以反向模式發(fā)送偶數(shù)線（圖 3）。

圖2.對(duì)于CRT，在消隱期間，電子束被關(guān)閉，反激回放將其重新回放到下一行。

圖3.使用微型投影儀，激光打開(kāi)以進(jìn)行整個(gè)從左到右的線條繪制;然后在非活動(dòng)視頻垂直下降時(shí)將其關(guān)閉;然后在活動(dòng)視頻中從右向左繪制時(shí)再次打開(kāi)。

CRT和微型激光投影儀技術(shù)之間的另一個(gè)區(qū)別是時(shí)序變化，這取決于像素在水平掃描線中的位置。使用MEMS技術(shù)時(shí)，反射鏡必須在每條線的起點(diǎn)和終點(diǎn)加速和減速。隨著MEMS反射鏡的慣性發(fā)揮作用，它會(huì)在到達(dá)每個(gè)端點(diǎn)之前減慢速度，從而迫使用恒定像素時(shí)鐘發(fā)送的像素在末端“聚集”。如果不校正，這種像素聚集將被視為更高的左右邊緣亮度和標(biāo)量失真（圖 4）。

圖4.上面的一行彩色點(diǎn)代表MEMS像素間距。由于移動(dòng)鏡是機(jī)械的，因此它們需要時(shí)間來(lái)加速和減速。這種角速度畸變可以通過(guò)巧妙的技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

糾正這種聚集的一種方法是創(chuàng)建一個(gè)虛擬像素，并在掃描線的各個(gè)段中插入或刪除子像素。在掃描線的中間，MEMS鏡像以最快的速率掃描，每個(gè)虛擬視頻時(shí)鐘將子像素作為一個(gè)子像素發(fā)送。在邊緣，僅發(fā)送每三個(gè)、第四個(gè)或第五個(gè)子像素（圖 5）。

圖5.在左邊緣，像素值 - 每 3 個(gè)子像素時(shí)鐘 1 個(gè)像素。在中間，每個(gè)亞像素時(shí)鐘有一個(gè)像素。

傳統(tǒng)激光投影機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

控制每個(gè)高速激光像素需要一個(gè)可以快速打開(kāi)和關(guān)閉像素的設(shè)備，以及許多高級(jí)接口、資源和功能塊（圖 6）。MAX3601 RGB激光驅(qū)動(dòng)器（圖7）非常適合這一任務(wù)，因?yàn)樗梢栽诙讨?ns的時(shí)間內(nèi)調(diào)制像素邊沿。由于激光器具有高電容和電感負(fù)載，因此關(guān)閉激光像素具有挑戰(zhàn)性。在Maxim獨(dú)特的像素關(guān)閉輔助功能的支持下，可實(shí)現(xiàn)1ns的衰減邊沿速率。運(yùn)行頻率為 250MHz 或更高的三通道 DAC 可確保高清分辨率的視頻速度。

圖6.微型激光投影儀SoC的傳統(tǒng)架構(gòu)需要許多高級(jí)接口、資源和功能塊。

LCD、DLP 和其他背光技術(shù)受到夜間和隧道條件的挑戰(zhàn)，在這些條件下，背光泄漏會(huì)產(chǎn)生陰影和鬼影。這不是激光投影儀的問(wèn)題，因?yàn)榧す馔ㄟ^(guò)前光方法照亮每個(gè)像素。由于激光投影儀以逐像素為單位添加光線，因此除激光偏置電流外，功率始終低于 100% 滿通。在消隱期間和像素為黑色時(shí)，可以關(guān)閉電源。通過(guò)這種方式，全黑場(chǎng)景的功耗降低到80mW。MAX3601具有乘法器DAC，可以安全地調(diào)制光輸出功率，從1流明到明亮陽(yáng)光下的1流明，一直到30k流明。

圖7.集成的MAX3601三路半導(dǎo)體激光管驅(qū)動(dòng)器與我們的橋式芯片設(shè)計(jì)完美結(jié)合，形成高度集成的解決方案。請(qǐng)參閱下面對(duì)橋接芯片設(shè)計(jì)的討論。

持續(xù)監(jiān)測(cè)激光顏色，以確保在各種溫度下顏色一致，并確保安全的激光條件。顏色傳感器還用于補(bǔ)償日光、陰影或夜間條件下的亮度。由于激光始終聚焦，因此復(fù)雜且昂貴的光學(xué)器件不會(huì)占用光引擎中的寶貴空間。因此，激光投影機(jī)適合在最小的車輛中最狹小的空間內(nèi)。由于當(dāng)今的HUD架構(gòu)使用七個(gè)或更多設(shè)備進(jìn)行這種顏色呈現(xiàn)，因此它節(jié)省的空間變得具有指數(shù)級(jí)的價(jià)值。

橋接世界：橋接芯片卸載實(shí)時(shí)、苛刻的處理

在傳統(tǒng)的激光投影儀中，視頻激光控制器SoC的馬力幾乎與主機(jī)SoC控制器相同。它還具有類似大小的視頻幀緩沖區(qū)和GPU功能。微型投影機(jī)功能可能會(huì)消耗處理器的帶寬，同時(shí)執(zhí)行要求苛刻的實(shí)時(shí)任務(wù)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)從視頻幀緩沖存儲(chǔ)器發(fā)送到微型投影儀處理器的幀緩沖存儲(chǔ)器，然后逐行解析到MEMS鏡像。這是多余的和低效的。

現(xiàn)在是時(shí)候消除這種冗余，并重新平衡每個(gè)關(guān)鍵組件的成本、功耗和工作負(fù)載了。橋接芯片帶回平衡。

通過(guò)在微型激光投影儀中使用橋接芯片（圖8），數(shù)據(jù)流得以簡(jiǎn)化且高效。兩個(gè)視頻幀緩沖區(qū)減少到一個(gè)。實(shí)時(shí)事件被卸載到橋接芯片，不再給SoC帶來(lái)性能消耗中斷的負(fù)擔(dān)。降低了成本和功耗。SoC 的 GPU 處理 FIFO-LIFO 掃描線反轉(zhuǎn)的內(nèi)存尋址，并補(bǔ)償 MEMS 慣性運(yùn)動(dòng)。工作量是平衡的。

這就是理論。很好，但是從哪里開(kāi)始呢？讓我們看一下投影儀SoC的功能，并確定如何更好地包裝它們。主機(jī) SoC 處理器和視頻處理器都有 6MB 幀緩沖區(qū)內(nèi)存，因此我們可以消除該內(nèi)存并用一些行緩沖區(qū)代替它。這將需要在高速視頻輸入和MEMS反射鏡慢得多的線路視頻速率之間仔細(xì)計(jì)時(shí);在支持此HUD應(yīng)用所需的各種分辨率中，這一點(diǎn)尤其重要。橋接芯片確保線路緩沖器始終充滿，同時(shí)檢查主機(jī) SoC 是否斷電或激活了最小關(guān)鍵功能，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

中斷 SoC 以處理日常實(shí)時(shí)任務(wù)和服務(wù)可預(yù)測(cè)中斷會(huì)導(dǎo)致空閑期間 SoC 功耗更高。這是浪費(fèi)，因?yàn)闃蚪有酒m合處理實(shí)時(shí)任務(wù)。橋接芯片可最大限度地提高系統(tǒng)效率。

主機(jī) SoC 非常適合處理 GPU 任務(wù)，例如縮放;色彩校正;白平衡;去畸變（以補(bǔ)償擋風(fēng)玻璃的曲面或飛點(diǎn)建筑的銷釘緩沖效果）;并發(fā)送數(shù)據(jù)以填充橋接芯片的線路緩沖區(qū)。從左到右和從右到左反轉(zhuǎn)內(nèi)存尋址是 SoC 通過(guò)幾行代碼完成的簡(jiǎn)單任務(wù)。該SoC將預(yù)處理這些數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到橋接芯片，而無(wú)需知道MEMS時(shí)序需求。

嵌入在橋接芯片中的微型微處理器或狀態(tài)機(jī)處理簡(jiǎn)單的內(nèi)務(wù)處理工作，并使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地添加自定義功能。

這種圍繞橋接芯片構(gòu)建的四芯片解決方案可創(chuàng)建高度集成和可編程的微型激光投影機(jī)，可連接到HDMI和VGA等標(biāo)準(zhǔn)視頻接口。它處理所有與投影儀相關(guān)的任務(wù)。但是我們可以進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)嗎？

圖8.四芯片微微激光投影機(jī)解決方案可以使用橋接芯片實(shí)現(xiàn)，但集成度更高的解決方案會(huì)更好。

對(duì)于需要更高集成度的應(yīng)用，如手機(jī)和其他小型消費(fèi)類設(shè)備，橋接芯片可以與其他功能相結(jié)合。例如，讓我們使橋接芯片可編程以適應(yīng)距離感測(cè);桶形畸變校正;鏡子加減速補(bǔ)償;強(qiáng)度、顏色和振動(dòng)穩(wěn)定。用于抖動(dòng)、鋸齒形光柵掃描、字節(jié)序視頻數(shù)據(jù)對(duì)齊、可變分辨率和亮度控制以及電源管理的硬件模塊是愿望清單上的佼佼者。讓我們的處理器驅(qū)動(dòng)內(nèi)核以足夠快的速度在軟件中運(yùn)行硬件算法，以刷新幾乎穩(wěn)定的無(wú)閃爍圖像?，F(xiàn)在，以前的四芯片解決方案可以濃縮為一個(gè)（圖 9）。

圖9.這種下一代高度集成的橋接芯片被簡(jiǎn)化為微微激光投影儀的單芯片解決方案。

結(jié)論

微型激光投影儀正被嵌入到智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴計(jì)算機(jī)和汽車HUD顯示器中。2013年，汽車出貨量超過(guò)五十萬(wàn)臺(tái)HUD，預(yù)計(jì)至少在未來(lái)五年內(nèi)增長(zhǎng)率為20%至30%，OEM要求節(jié)省HUD空間和成本是可以理解的。高度集成的橋接芯片（如圖8和圖9中的解決方案）將顯著減輕主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，并減少所需的空間、功耗、芯片數(shù)量和處理資源。

用于 HUD 微型激光投影機(jī)的以 CPU 為中心的橋接芯片可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外設(shè)集成和快速處理器，以便在軟件中運(yùn)行算法。這種橋接芯片方法降低了硬件、功耗和復(fù)雜性。它為HUD的新想法和方法提供了靈活性。

未來(lái)呢？使用飛點(diǎn)架構(gòu)的Pico激光投影儀將其功能擴(kuò)展到3D相機(jī)和手勢(shì)應(yīng)用中。到2014年底，這些將在PC和平板電腦上推出，隨后是汽車中的HUD設(shè)備。

很快，駕駛員只需在信息娛樂(lè)控制臺(tái)上揮手即可調(diào)高收音機(jī)音量或切換到其他頻道。他們的眼睛將安全地停留在道路上，通過(guò)激光HUD觀看。用于微型激光投影儀的高度集成橋接芯片和參考設(shè)計(jì)將使更多公司能夠使用該技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更快、更有創(chuàng)意和更有利可圖的用途。

審核編輯：郭婷