DLP技術(shù)：實現(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、會議室和數(shù)字影院。DLP技術(shù)可滿足先進的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HUD系統(tǒng)的需求。高動態(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)計實施，相關(guān)人員可更加靈活地解決未來汽車HUD系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計難題、外形規(guī)格限制以及熱負荷管理等問題。

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60Hz.所接收的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過可編程圖像縮放、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控制器還提供啟動紅色、綠色和藍色LED的頻閃信號，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比度圖形。

基于Piccolo MCU的LED控制系統(tǒng)負責(zé)精確控制整個工作溫度范圍以及紅色、綠色和藍色LED的老化范圍內(nèi)的色彩和亮度。此外，它還支持高動態(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，整個輸出LED使能脈沖時段都以近直流電（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控制器可計量每個LED具體的脈沖數(shù)量。斷續(xù)模式在保證控制精度的同時，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)路達到所需的光通量水平之前就已達到最大的LED電流時，Piccolo MCU會感知到這種情況，并相應(yīng)地按比例降低所有3個LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反饋控制之下。通過這種方式，該系統(tǒng)可在LED的整個使用壽命提供最佳圖片，并實現(xiàn)終極亮度水平。

LED控制系統(tǒng)通過SPI總線輸入接收來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，并通過專用I2C總線配置DLP控制器。

DLP電子系統(tǒng)基于汽車級元件，該元件可實現(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態(tài)調(diào)光范圍。

高動態(tài)范圍LED控制系統(tǒng)概念

HUD應(yīng)用對動態(tài)范圍要求非常高，在白天運行時支持的亮度要超過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)白點處保持全色深的圖形，并且動態(tài)范圍需超過5000：1.LED驅(qū)動器控制系統(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)動器控制系統(tǒng)，可管理紅色、綠色和藍色LED調(diào)幅，保持正常的白點，并同步LED照明和DLP控制器。DLP控制器為DMD和相關(guān)的RGB LED使能信號提供高速數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動器控制電路選用的每個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）元件。

DLP投影系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）的紅、綠和藍光打造全色深圖形，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)模式反饋來生成少量脈沖光。該技術(shù)可將動態(tài)范圍擴展至超過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)中的已測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4.德州儀器概念系統(tǒng)的已測白光

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

圖5.德州儀器概念系統(tǒng)的已測白點

圖6.動態(tài)范圍外的已測白點

綜上所述，所實施的LED驅(qū)動器控制系統(tǒng)基于汽車級元件，這些元件證明符合高動態(tài)范圍，可滿足白天和夜間觀看條件，同時能夠保持精確的白點控制。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現(xiàn)實顯示器的VWFOV（非常寬視角）的HUD系統(tǒng)。DLP在光學(xué)、機械容量管理和日光熱管理的設(shè)計靈活性方面，具有明顯的優(yōu)勢。

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)助駕駛員的實時信息。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)計示例。

圖7– HUD光學(xué)設(shè)計概念

現(xiàn)有汽車HUD的圖像源來自于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大，采用DLP技術(shù)作為HUD圖像源的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。對于視野非常廣的抬頭顯示系統(tǒng)，如增強現(xiàn)實顯示所需的系統(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)計靈活性。DLP支持光學(xué)設(shè)計的靈活性，適用于圖像質(zhì)量和機械布局。

光學(xué)設(shè)計靈活性

基于DLP的抬頭顯示系統(tǒng)將采用可進行優(yōu)化的中間成像平面，使抬頭顯示鏡面系統(tǒng)在機械方面適合汽車儀表盤。通過調(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)計受到各種光學(xué)和機械要求的限制，這些限制主要包括寬視野、圖像亮度、眼動范圍（eyebox）大小和位置以及機械包絡(luò)。而分辨率、圖像朝向和圖像失真等次要限制也同樣重要，但其對光學(xué)時效產(chǎn)生的影響較小。很多限制相互矛盾，其中一個示例就是光學(xué)設(shè)計相對于視野范圍寬度的機械緊湊性。最接近眼動范圍的鏡面尺寸如上圖所示，完全由視野大小、眼動范圍的位置和大小來確定。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)計限制而變化，可靈活地使視野非常廣的系統(tǒng)通過折疊將體積變小，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抬頭顯示鏡光學(xué)裝置進行放大，為駕駛員打造虛擬顯示。HUD鏡光學(xué)裝置的設(shè)計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?？伸`活選擇最佳放大倍率和/或焦距能夠給設(shè)計人員帶來很多好處，可支持替代光學(xué)機械折疊配置。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)計的第二和第三鏡面。

對于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)可以輕松實現(xiàn)1200以上的像素，從而實現(xiàn)超過20度的寬視角。此外，中間成像的大小與像素數(shù)無關(guān)，可支持上述設(shè)計靈活性。

圖9–分辨率與視野之比較

熱負荷考量

DLP PGU系統(tǒng)在熱負荷管理方面功能強大?；贒LP的PGU有3個獨立的RGB LED光源，這些光源可在遠離中間屏幕及相關(guān)陽光反射物的遠程位置單獨進行冷卻。DMD本身可從LED中分離出來，允許單獨對DMD進行熱量管理。這對基于DLP的HUD引擎有重大優(yōu)勢，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光直接照射圖像生成裝置所產(chǎn)生的輻射。陽光能進入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。對于目前基于LCD的系統(tǒng)，冷卻鏡面通常用來幫助減少成像器上的太陽能總量。如果管理不善，成像器上聚焦的太陽能量可能成為LCD面板的隱患，會降低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輻射。由于有漫射屏，所以幾乎捕捉不到太陽輻射，也不會將太陽輻射反射回DMD.中間屏幕的漫射屏是被動光元件，它的設(shè)計能夠承受高水平的太陽輻射，同時不降低性能。

DMD的性能在熱負荷下非常強。例如，圖像對比度不受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行。

對于有大視野范圍的HUD系統(tǒng)，DLP技術(shù)在性能、熱管理和光學(xué)設(shè)計靈活性方面具有顯而易見的獨特優(yōu)勢。采用基于DLP的PGU光學(xué)設(shè)計人員能夠創(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。此外，隔離熱源使基于DMD PGU的HUD系統(tǒng)在嚴苛環(huán)境下能更加穩(wěn)定地運行。寬視角和增強現(xiàn)實HUD系統(tǒng)可以得益于DLP投影所帶來的優(yōu)勢。