激光扫描MEMS投影系统全解析

汽车抬头显示系统(HUD)现已成为许多豪华型汽车的标配或可选设备。HUD是越来越完善的成套高级驾驶辅助系统(ADAS)的重要组成部分。它们帮助驾驶员将注意力集中于前方道路，而不用低头看仪表盘。研究表明，驾驶员视线离开路面超过两秒钟，发生碰撞事故的危险就会增加一倍。

汽车HUD将行驶速度、警告信号和指示箭头直接显示在位于驾驶员视线中的挡风玻璃上。一种最新的HUD使用激光二极管驱动器对高强度红、绿和蓝(RGB)激光器施以脉冲，将高清(HD)视频投射在挡风玻璃上(见图1)。这些增强现实HUD将透明箭头直接“画”在汽车前方街道上，彩色转向信号和导航方向可以提供更直观的引导作用。它们还会高亮显示其他物体——如可能带来危险的行人或车辆，引起驾驶员的注意。

图1. 用于汽车抬头显示系统的激光扫描MEMS投影系统

本文介绍了激光扫描MEMS投影系统，如何提供比液晶显示器(LCD)和数字光处理(DLP)HUD更佳的解决方案。我们还将考察一种帮助实现下一代HUD的高速四通道激光二极管驱动器。

比较激光扫描MEMS投影与LCD和DLP

LCD面板是目前汽车HUD系统中最常用的技术，它采用透射式显示技术和LED背光源，在光穿过它时照亮整个图像。被照亮的图像放大后被折叠镜反射，并显示在驾驶员视野前的挡风玻璃上。

LCD HUD的暗像素是通过阻断背光而产生的，这使LCD对这些像素具有更低的透射性。但是，光不能完全被阻挡，特别是在低环境光背景中。其结果就是投射图像叠加在挡风玻璃上，看上去像一张明信片大小的透明矩形(见图2)。汽车制造商视此为一个严重安全缺陷，因为发光的矩形会让驾驶员分散注意力。

图2. LCD HUD示例

DLP与LCD类似，但分辨率更佳。DLP有数千个以二维(2D)阵列排列的微镜。2D阵列中的每个微镜充当一个像素，调制每个微镜以反射入射光，进而产生所需的像素亮度。亮度为100%的像素具有零调制，而暗像素具有镜像集，以便将光反射到成像路径之外。为提供一致的成像结果，聚集入射光源并将其聚焦到2D微镜阵列上，使每个像素具有相同的亮度。然后放大被反射的图像，将其重新聚焦并投射到折叠镜，然后投射到挡风玻璃上，这个过程类似于LCD HUD实现。

DLP是一个矩形面板，需要平坦的水平表面来投射信息。挡风玻璃在垂直方向上相对较为平坦，但在水平方向上不平坦。因此，为使DLP将信息投射到挡风玻璃上，设计工程师必须使用非球面光学元件来适应挡风玻璃的曲面，这会增加HUD系统的尺寸。

与DLP系统相比，激光扫描MEMS投影系统利用扫描镜的变形图像，允许使用成本更低的光学元件来降低系统的光电机械成本。激光扫描MEMS系统的主要元件是激光二极管驱动器、激光二极管、一些小尺寸的光束成形/对准光学元件，以及MEMS扫描振镜及其控制电子元件。RGB彩色激光二极管在扫描镜扫过显示区域时同步施以脉冲。然后，图像被逐像素投射于叠加在挡风玻璃上的显示区域。

在激光扫描MEMS投影仪中，非常迅速地对每个像素施以脉冲，以产生全高清分辨率。同时，因为激光束始终是聚焦的，所以不需要重新对焦的光学元件，就能将图像投射到挡风玻璃上。这大大降低了整体光学系统复杂性和尺寸，并且不用再使用高成本的光学元件和组件。

激光扫描MEMS投影系统提供比基于帧的LCD或DLP投影系统更出色的电效率。与呈现内容充满整个显示屏的前投式投影仪不同，汽车HUD的导航和仪表信息并不充满整个HUD显示区域。HUD只将时效性强的信息显示在挡风玻璃上，且仅持续很短时间。增强现实信息由一个可以使超过70%的显示像素处于“off”状态的图像构成。图3A 和3B中的红框显示了典型的HUD 显示区域，投影系统须在此区域呈现导航信息。请注意，每个例子中处于“on”状态的像素数量和处于“off”状态的像素数量是相对的。根据显示信息的不同，该比率(ON:OFF像素)的范围在1:3至1:6之间。

图3A. 典型HUD输出示例

图3B. HUD信息示例

例如，在基于帧的DLP显示技术中，无论有多少像素处于“on”状态，光源都必须充满整个像素阵列。在图3A中，在红框显示区域中产生了“暗”光或“未开启像素”的光，然后通过反射到视野区域之外或进行阻挡来消除它。这一能量消耗妨碍了HUD 系统效率的提升。更糟糕的是，该能量损耗增加了由于吸收改变方向的光而产生的热量，并提高了最初用于产生光的电能成本。这两个因素最终增加了基于帧的热冷却需求和电能需求。

激光扫描MEMS HUD仅在需要投射相关像素时才会消耗电能。对于图3A和3B中显示的典型导航和仪表信息，大多数电能是在需要向显示器输出像素时消耗的。这大幅降低了电力需求，实现更低的热曲线和更少的散热。而且，由于激光扫描MEMS HUD集成了驱动器电子元件，其投射占位面积小于基于帧的HUD系统。

激光二极管驱动器助力实现下一代HUD

下一代HUD系统可以使用ISL78365四通道激光二极管驱动器，向汽车挡风玻璃投射增强现实视频信息。如图4所示，该激光驱动器包括一个与MEMS ASIC集成的接口，以创建紧凑的激光扫描投影系统。

图4. ISL78365四通道激光驱动器驱动四个高强度激光二极管

ISL78365具有四个高速750mA可编程电流吸收器，用于调节最多四个激光二极管的电流和光输出。它提供1.5纳秒上升和下降时间，可产生高帧率的高清彩色视频，如图5所示。该激光驱动器为每个电流吸收器提供独立的颜色、阈值和缩放设置，其灵活的高速并行视频接口支持全高清投影和高达150MHz或每行1,900像素的像素率。另外，它还包括像素数据复用功能，以简化光机-电子布局要求。

图5. 激光抬头显示将全高清视频信息呈现在驾驶员的视线中

针对每个激光二极管电源的动态电源管理和三种省电模式，进一步降低了消隐时间内的总系统功耗。激光驱动器的可编程归零脉冲功能，可消除所显示图像的斑点，可编程过温保护功能则支持自定义热性能。

结论

激光扫描MEMS投影系统比基于帧的DLP 或LCD显示系统更适用于汽车增强现实HUD。激光HUD扫描图像只需要其25%-30%像素处于“on”状态，而DLP和LCD HUD需要驱动其100%的图像像素才能产生相同的亮度。DLP和LCD系统会浪费显示黑色像素所需的光和电能。这会导致应当是黑色像素的区域出现微弱的亮点。在白天的阳光下，这个包络可能不是问题，但在夜晚，它会变得很明显。从驾驶员安全角度来看，这又是一个分散驾驶员注意力的因素，从而使天平朝着有利于在下一代抬头显示系统中采用激光扫描MEMS投影系统的汽车制造商倾斜。