MEMS的车载激光投影仪设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 MEMS的车载激光投影仪设计 汽车内的显示和信息系统非常丰富，层出不穷地包围着我们，有些信息非常重要，有些则是为了舒适性或娱乐，有的则仅仅是提供资讯，这很有价值，但又非必需。作为一名驾驶者，我们需要的是关于汽车工作状况的关键数据并且是实时的。 汽车制造商采用各种技术为驾驶员提供这类关键信息，包括分立式LED、仪表盘和液晶显示技术。尽管每辆车的型号不同，但提供信息的方式非常一致，几乎每个乘员都能很快适应不熟悉的车型并从中获取信息。另外，还可利用平视显示(HUD)系统将这些数据和信息虚拟投影到车辆前方驾驶员的视线内。随着显示技术的不断发展，HUD在豪华汽车内已非常普

2、及。而随着成本的降低和尺寸的减小以及性能的提升，这些HUD系统也开始不断地被中端汽车所采用，并且很快会普及到经济型汽车内。 的HUD技术采用移动MEMS反射镜和彩色激光，即所谓的微型激光投影仪。这些激光投影仪具有无限对焦、阳光下清晰可读、超凡的色彩饱和度以及小尺寸等优势，使其成为汽车信息娱乐系统的理想媒介。 本文通过剖析汽车领域的现代HUD技术，提出了采用微型激光投影仪的新方案。集成式“桥接芯片”解决方案采用高性能三通道激光驱动器，相对于老式TFT、CRT和DLP技术，其减小了尺寸、降低了成本和设计复杂度，所有这些优点都得益于激光。 HUD技术根底 HUD技术的是一个微型激光投影仪(图1)，它

3、是一种小型MEMS成像系统，能够将像素阵列投射至几乎任意表面。微型激光投影仪没有采用辐射技术(TFT和CRT)，而是发射一束彩色光绘制图像、仪表和指示灯。光束扫描一个类似于CRT电视的光栅图。通过三原色的色度和亮度组合，产生每个像素(见图1)。 图1. 微型投影仪的是R、G和B激光器，以及移动MEMS反射镜。 利用MAX3601激光驱动器集成的8位DAC，每个像素可产生24位色彩饱满的RGB颜色，从而产生1600万种独特的颜色。由于激光器以截然不同的频率发射每种颜色，所以颜色鲜艳并且可以“过饱和”，以吸引驾驶者的注意。在树林或丛林环境下，特意使绿色呈现出不同寻常的色彩，以突出显示。 组合光束被

4、送至扫描MEMS反射镜芯片，后者通过水平扫描产生一条扫描线，然后纵向斜线变化，将扫描线组合为一个显示面。产生的高清图像以60Hz的频率刷新并且始终准确对焦这是激光技术的另一优点，尤其对于弧形的汽车挡风玻璃。 驱动微型投影仪面临的挑战 在阴极射线管(CRT)中，每条扫描线从左侧开始，采用回扫方法快速返回至每行的起点(图2)。微型激光投影仪凭借现代化数字技术，以正向方式扫描奇数行，以反向方式扫描偶数行(图3)。 图2. 在CRT的消隐期间，电子束关闭，并回扫返回至下一行。 图3. 对于微型投影仪，从左至右绘制每行时，激光打开；然后在垂直下降的无效视频区域关闭；当从右至左绘制有效视频时，激光再次打开

5、。 CRT与微型激光投影仪技术的另一不同之处是时序变化，这依赖于像素在水平扫描线上的位置。因为采用MEMS技术，反射镜必须在每行的开始和末尾加速和减速。由于MEMS反射镜惯性的原因，在到达每个末端之前变慢，因此强制以恒定像素时钟发送的像素在末尾“扎堆”。如果不加修正，这种像素扎堆现象会表现出从左至右的较高的边沿亮度及坐标失真(图4)。 图4. 上部的一行彩色点表示MEMS像素空间。由于移动反射镜是机械式的，加速和减速都需要时间。采用巧妙的方法对这种角速度失真开展补偿。 修正扎堆现象的方法之一是产生虚拟像素，并在扫描线的各个段内插入子像素。在扫描线的中段，MEMS反射镜的扫描速率快，这里会以每个

6、虚拟视频时钟发送一个子像素的速率发射子像素。而在边沿，则每隔3个、4个或5个时钟发送一个子像素图5)。 图5. 在左侧边沿，内插像素每4个子像素时钟1个像素；在中段，每一个子像素时钟1个像素。 传统激光投影仪设计的复杂度 控制每个高速激光像素要求器件能够将像素快速打开和关闭，外加许多接口、资源以及功能电路(图6)。MAX3601 RGB激光驱动器(图7)能够在1ns内调制像素边沿，所以非常适合用于该应用。由于激光具有高容性、感性负载，所以关断激光像素极具挑战性。利用Maxim独有的像素关断辅助(Pixel-Off Assist)功能，使得1ns关断边缘速率成为可能。三通道DAC工作在250MH

7、z及以上，确保高清分辨率下的视频速度。 图6. 微型激光投影仪SoC的传统架构，要求许多接口、资源和功能电路。 LCD、DLP及其它背光技术在夜间及隧道条件下面临很大挑战，背光泄露会产生阴影或虚影。而激光投影仪不存在该问题，因为激光采用前照光的方法点亮每个像素。由于激光投影仪逐像素增加照射，除激光偏置电流外，功率始终小于100%全开。消隐期间以及像素为黑电平时，可关断电源。按照这种方式，对于全黑场景，功耗降低至80mW。MAX3601具有倍增DAC，可调制从黑暗环境下1流明一直到太阳光下30k流明的光输出功率。 图7. 集成式MAX3601三通道激光二极管驱动器与桥接芯片设计整齐连接，形成高度

8、集成的方案。请参见下文关于桥接芯片设计的讨论。 持续监测激光颜色，以确保在较宽温度范围内的颜色一致性，以及保证激光条件的安全。也利用颜色传感器补偿日光、阴影或夜间条件下的亮度。由于激光始终对焦，复杂而昂贵的光学器件不会占用光学引擎的宝贵空间。所以，激光投影仪非常适合小型汽车对空间的苛刻要求。由于现在的HUD架构采用7片或更多器件用于呈现颜色，所以该方案所节省的空间就变得尤其宝贵。 桥接技术：一颗桥接芯片支持实时及关键处理 传统激光投影仪中，视频激光控制器SoC的功率几乎与主机SoC控制器相同，也具有类似尺寸的视频帧缓存器，以及GPU功能。微型投影仪实时执行关键任务时仅占一部分处理器带宽。传统设

9、计将数据从视频帧缓存器发送至微型投影仪处理器的帧缓存器，然后逐行解析至MEMS反射镜，这样就很繁琐、没有效率。 为了消除这种冗余性并再次平衡成本、功耗以及每个关键元件的负荷，桥接芯片提供了合理的折衷方式。 微型激光投影仪通过使用桥接芯片(图8)，将数据流流水线化，开展高效率处理。两个视频帧缓存器减少为一个。实时任务由桥接芯片负责，不再占用大量系统负荷的中断，从而减轻SoC负荷，使成本和功耗降低。SoC的GPU处理FIFO-LIFO扫描线反转的存储器寻址以及补偿MEMS惯性运动。工作负荷得到了平衡。 理论上是这样，那么从哪里开始呢？我们首先看一下投影仪的SoC功能，然后决定如何封装这些功能。主机

10、SoC处理器和视频处理器均具有6MB帧缓存器，所以我们可省去存储器并代之以少数的行缓存器。这要求在高速视频输入和MEMS反射镜的较慢的行速率之间做严格定时；这对于支持HUD应用所需的不同分辨率尤其重要。桥接芯片确保行缓存器始终满载，同时也检查主机SoC关断或使极少的关键功能处于工作状态，以节省系统功耗。 中断SoC来处理一般的实时任务以及服务可预测的中断，造成SoC在空闲期间的功耗较高。这非常浪费，因为桥接芯片更适合处理实时任务，因此，可以说桥接芯片将系统效率化了。 主机SoC非常适合处理GPU任务，例如缩放、颜色修正、白平衡、反扭曲(以补偿风挡玻璃的曲面或飞点架构引起的针垫效应)，以及发送数

11、据以填充桥接芯片的行缓存器。对于具有少数几行代码的SoC来说，反转从左至右和从右至左的存储器寻址，是一项简单的任务。该SoC将会预处理数据并将其发送至桥接芯片而无需知道MEMS时序要求。 桥接芯片内置的微型微处理器或状态机可以处理简单的辅助任务，使设计者能够灵活增加自定义功能。 围绕桥接芯片而构建的四芯片方案形成高度集成、可编程的微型激光投影仪，连接至标准视频接口，如HDMI和VGA。该方案处理所有投影仪相关的任务。但我们能够进一步压缩设计吗？ 图8. 四芯片微型激光投影仪方案可采用桥接芯片实现，但集成度更高的方案则更好。 对于要求更高集成度的应用，例如移动电话和其它小型消费类设备，桥接芯片可

12、与其它功能组合。例如，我们可以设计一种可编程桥接芯片，支持距离检测、桶形失真补偿、反射镜加速和减速补偿，以及亮度、颜色和振动稳定。还希望其具有支持防抖、锯齿光栅扫描、字节视频数据对齐、可变分辨率以及亮度控制和功率管理的硬件电路。让处理器驱动的在软件中运行硬件算法，速度足以刷新几乎无抖动的图像。现在，可将之前的四芯片方案缩减为一个芯片(图9)。 图9. 新一代高度集成桥接芯片缩减为单片式微型激光投影仪方案。 结论 微型激光投影仪正逐渐嵌入至智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴式计算机以及汽车HUD显示。20*年度有50万辆以上的汽车配备了HUD，并且，预计在未来5年的增速将达2到20%至30%，因此，OEM要求节省HUD空间和成本是完全可以理解的。高度集成桥接芯片，如图8和图9所示的方案，将大大减轻主机处理器的负荷，节省空间、功耗、芯片数量，以及所需的处理资源。 以CPU为的HUD微型激光投影仪桥接芯片方案支持高质量外设集成和快速处理器，这样就能在软件中执行算法。使用桥接芯片的方式减少了硬件，降低了功耗和复杂度，为实现HUD的新思路、新方法提供了灵活