基于MEMS的車載激光投影儀設(shè)計

汽車內(nèi)的顯示和信息系統(tǒng)非常豐富，層出不窮地包圍著我們，有些信息非常重要，有些則是為了舒適性或娛樂，有的則僅僅是提供資訊，這很有價值，但又非必需。作為一名駕駛者，我們最需要的是關(guān)于汽車工作狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)——并且是實時的。

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)。盡管每輛車的型號不同，但提供信息的方式非常一致，幾乎每個乘員都能很快適應(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，并且很快會普及到經(jīng)濟型汽車內(nèi)。

最新的HUD技術(shù)采用移動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限對焦、陽光下清晰可讀、超凡的色彩飽和度以及小尺寸等優(yōu)勢，使其成為汽車信息娛樂系統(tǒng)的理想媒介。

本文通過剖析汽車領(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)動器，相對于老式TFT、CRT和DLP技術(shù)，其減小了尺寸、降低了成本和設(shè)計復(fù)雜度，所有這些優(yōu)點都得益于激光。

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。光束掃描一個類似于CRT電視的光柵圖。通過三原色的色度和亮度組合，產(chǎn)生每個像素(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MEMS反射鏡。

利用MAX3601激光驅(qū)動器集成的8位DAC，每個像素可產(chǎn)生24位色彩飽滿的RGB顏色，從而產(chǎn)生1600萬種獨特的顏色。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)確對焦——這是激光技術(shù)的另一優(yōu)點，尤其對于弧形的汽車擋風(fēng)玻璃。

驅(qū)動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(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. 對于微型投影儀，從左至右繪制每行時，激光打開;然后在垂直下降的無效視頻區(qū)域關(guān)閉;當(dāng)從右至左繪制有效視頻時，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序變化，這依賴于像素在水平掃描線上的位置。因為采用MEMS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)每個末端之前變慢，因此強制以恒定像素時鐘發(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. 上部的一行彩色點表示MEMS像素空間。由于移動反射鏡是機械式的，加速和減速都需要時間。采用巧妙的方法對這種角速度失真進行補償。

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，這里會以每個虛擬視頻時鐘發(fā)送一個子像素的速率發(fā)射子像素。而在邊沿，則每隔3個、4個或5個時鐘發(fā)送一個子像素圖5)。

圖5. 在左側(cè)邊沿，內(nèi)插像素——每4個子像素時鐘1個像素;在中段，每一個子像素時鐘1個像素。

傳統(tǒng)激光投影儀設(shè)計的復(fù)雜度

控制每個高速激光像素要求器件能夠?qū)⑾袼乜焖俅蜷_和關(guān)閉，外加許多高級接口、資源以及功能電路(圖6)。MAX3601 RGB激光驅(qū)動器(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)，背光泄露會產(chǎn)生陰影或虛影。而激光投影儀不存在該問題，因為激光采用前照光的方法點亮每個像素。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，可關(guān)斷電源。按照這種方式，對于全黑場景，功耗降低至80mW。MAX3601具有倍增DAC，可調(diào)制從黑暗環(huán)境下1流明一直到太陽光下30k流明的光輸出功率。