基于MEMS的汽車激光微型投影機的優化設計

用于汽車的現代平視顯示器 （HUD） 使用三重激光二極管微型投影儀解決方案，可實現無限聚焦、陽光下的可讀性、出色的色彩和小尺寸。汽車三重半導體激光二極管微微投影儀片上系統 （SoC） 圍繞微微激光驅動器構建。這種橋接芯片解決方案降低了汽車HUD的尺寸、成本和設計復雜性。

介紹

汽車環境中充斥著豐富的顯示器和信息系統。源源不斷的信息流圍繞著我們，有些至關重要，或令人欣慰，或娛樂，甚至只是信息。這是有價值的，但不是絕對必要的。作為車輛操作員，我們最需要的是有關車輛運行的關鍵數據......實時。

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

最新的HUD技術是通過移動MEMS反射鏡和彩色激光器（也稱為微型激光投影儀）實現的。這些激光投影機具有無限聚焦、陽光下的可讀性、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環境的理想介質。

本文著眼于現代汽車HUD技術，并探討激光微微投影機解決方案的新方法。集成的“橋接芯片”解決方案圍繞高性能三重激光驅動器構建，與舊的 TFT、CRT 和 DLP 技術相比，可減小尺寸、成本和設計復雜性。所有這些進步都來自激光的好處。

HUD技術的基礎

最新HUD技術的核心是微型激光投影儀，這是一種小型MEMS成像系統，可將像素陣列投射到幾乎任何表面上。微型激光投影機不使用 TFT 和 CRT 等發射區域，而是發射一束彩色光，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。單個圖片元素或像素是通過組合三種原色的陰影和強度來創建的。

使用MAX3601激光驅動器中集成的8位DAC，每個像素可以產生24位RGB顏色，具有激光的豐富飽和度，可產生超過1600萬種獨特的顏色。由于激光以不同的頻率發射每種顏色，因此顏色鮮艷，可以“過飽和”以引起駕駛員的注意。綠色看起來不自然的綠色，以便在森林或叢林環境中脫穎而出。

組合光束呈現給掃描MEMS反射鏡芯片，該芯片水平掃描以創建掃描線，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 刷新并始終清晰對焦——這是激光技術的另一個好處，尤其是對于彎曲擋風玻璃。

驅動微型投影機的挑戰

在陰極射線管 （CRT） 中，每條線從左側開始，并使用反激機構快速返回到每條線的起點（圖 2）。利用現代數字技術，微型激光投影儀以正向模式發送奇數線，以反向模式發送偶數線（圖 3）。

圖2.對于CRT，在消隱期間，電子束被關閉，反激回放將其重新回放到下一行。

圖3.使用微型投影儀，激光打開以進行整個從左到右的線條繪制;然后在非活動視頻垂直下降時將其關閉;然后在活動視頻中從右向左繪制時再次打開。

CRT和微型激光投影儀技術之間的另一個區別是時序變化，這取決于像素在水平掃描線中的位置。使用MEMS技術時，反射鏡必須在每條線的起點和終點加速和減速。隨著MEMS反射鏡的慣性發揮作用，它會在到達每個端點之前減慢速度，從而迫使用恒定像素時鐘發送的像素在末端“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量失真（圖 4）。

圖4.上面的一行彩色點代表MEMS像素間距。由于移動鏡是機械的，因此它們需要時間來加速和減速。這種角速度畸變可以通過巧妙的技術進行補償。

糾正這種聚集的一種方法是創建一個虛擬像素，并在掃描線的各個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，每個虛擬視頻時鐘將子像素作為一個子像素發送。在邊緣，僅發送每三個、第四個或第五個子像素（圖 5）。

圖5.在左邊緣，像素值 - 每 3 個子像素時鐘 1 個像素。在中間，每個亞像素時鐘有一個像素。

傳統激光投影機設計的復雜性

控制每個高速激光像素需要一個可以快速打開和關閉像素的設備，以及許多高級接口、資源和功能塊（圖 6）。MAX3601 RGB激光驅動器（圖7）非常適合這一任務，因為它可以在短至1ns的時間內調制像素邊沿。由于激光器具有高電容和電感負載，因此關閉激光像素具有挑戰性。在Maxim獨特的像素關閉輔助功能的支持下，可實現1ns的衰減邊沿速率。運行頻率為 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的傳統架構需要許多高級接口、資源和功能塊。

LCD、DLP 和其他背光技術受到夜間和隧道條件的挑戰，在這些條件下，背光泄漏會產生陰影和鬼影。這不是激光投影儀的問題，因為激光通過前光方法照亮每個像素。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，可以關閉電源。通過這種方式，全黑場景的功耗降低到80mW。MAX3601具有乘法器DAC，可以安全地調制光輸出功率，從1流明到明亮陽光下的1流明，一直到30k流明。

圖7.集成的MAX3601三路半導體激光管驅動器與我們的橋式芯片設計完美結合，形成高度集成的解決方案。請參閱下面對橋接芯片設計的討論。

持續監測激光顏色，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，因此復雜且昂貴的光學器件不會占用光引擎中的寶貴空間。因此，激光投影機適合在最小的車輛中最狹小的空間內。由于當今的HUD架構使用七個或更多設備進行這種顏色呈現，因此它節省的空間變得具有指數級的價值。

橋接世界：橋接芯片卸載實時、苛刻的處理

在傳統的激光投影儀中，視頻激光控制器SoC的馬力幾乎與主機SoC控制器相同。它還具有類似大小的視頻幀緩沖區和GPU功能。微型投影機功能可能會消耗處理器的帶寬，同時執行要求苛刻的實時任務。傳統設計將數據從視頻幀緩沖存儲器發送到微型投影儀處理器的幀緩沖存儲器，然后逐行解析到MEMS鏡像。這是多余的和低效的。

現在是時候消除這種冗余，并重新平衡每個關鍵組件的成本、功耗和工作負載了。橋接芯片帶回平衡。

通過在微型激光投影儀中使用橋接芯片（圖8），數據流得以簡化且高效。兩個視頻幀緩沖區減少到一個。實時事件被卸載到橋接芯片，不再給SoC帶來性能消耗中斷的負擔。降低了成本和功耗。SoC 的 GPU 處理 FIFO-LIFO 掃描線反轉的內存尋址，并補償 MEMS 慣性運動。工作量是平衡的。

這就是理論。很好，但是從哪里開始呢？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 SoC 處理器和視頻處理器都有 6MB 幀緩沖區內存，因此我們可以消除該內存并用一些行緩沖區代替它。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計時;在支持此HUD應用所需的各種分辨率中，這一點尤其重要。橋接芯片確保線路緩沖器始終充滿，同時檢查主機 SoC 是否斷電或激活了最小關鍵功能，以節省系統功耗。

中斷 SoC 以處理日常實時任務和服務可預測中斷會導致空閑期間 SoC 功耗更高。這是浪費，因為橋接芯片更適合處理實時任務。橋接芯片可最大限度地提高系統效率。

主機 SoC 非常適合處理 GPU 任務，例如縮放;色彩校正;白平衡;去畸變（以補償擋風玻璃的曲面或飛點建筑的銷釘緩沖效果）;并發送數據以填充橋接芯片的線路緩沖區。從左到右和從右到左反轉內存尋址是 SoC 通過幾行代碼完成的簡單任務。該SoC將預處理這些數據并將其發送到橋接芯片，而無需知道MEMS時序需求。

嵌入在橋接芯片中的微型微處理器或狀態機處理簡單的內務處理工作，并使設計人員能夠靈活地添加自定義功能。

這種圍繞橋接芯片構建的四芯片解決方案可創建高度集成和可編程的微型激光投影機，可連接到HDMI和VGA等標準視頻接口。它處理所有與投影儀相關的任務。但是我們可以進一步縮小設計嗎？

圖8.四芯片微微激光投影機解決方案可以使用橋接芯片實現，但集成度更高的解決方案會更好。

對于需要更高集成度的應用，如手機和其他小型消費類設備，橋接芯片可以與其他功能相結合。例如，讓我們使橋接芯片可編程以適應距離感測;桶形畸變校正;鏡子加減速補償;強度、顏色和振動穩定。用于抖動、鋸齒形光柵掃描、字節序視頻數據對齊、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。讓我們的處理器驅動內核以足夠快的速度在軟件中運行硬件算法，以刷新幾乎穩定的無閃爍圖像?，F在，以前的四芯片解決方案可以濃縮為一個（圖 9）。

圖9.這種下一代高度集成的橋接芯片被簡化為微微激光投影儀的單芯片解決方案。

結論

微型激光投影儀正被嵌入到智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴計算機和汽車HUD顯示器中。2013年，汽車出貨量超過五十萬臺HUD，預計至少在未來五年內增長率為20%至30%，OEM要求節省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）將顯著減輕主機處理器的負擔，并減少所需的空間、功耗、芯片數量和處理資源。

用于 HUD 微型激光投影機的以 CPU 為中心的橋接芯片可實現高質量的外設集成和快速處理器，以便在軟件中運行算法。這種橋接芯片方法降低了硬件、功耗和復雜性。它為HUD的新想法和方法提供了靈活性。

未來呢？使用飛點架構的Pico激光投影儀將其功能擴展到3D相機和手勢應用中。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設備。

很快，駕駛員只需在信息娛樂控制臺上揮手即可調高收音機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計將使更多公司能夠使用該技術，以實現更快、更有創意和更有利可圖的用途。

審核編輯：郭婷