基于MEMS的车载激光投影仪设计

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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，我们最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。
       
        最新的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技术基础
       
        最新HUD技术的核心是一个微型激光投影仪（图1），它是一种小型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.微型投影仪的核心是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。

         
        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进行补偿。

         
        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反射镜的扫描速率最快，这里会以每个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，外加许多高级接口、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250MHz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，要求许多高级接口、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，进行高效率处理。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最大化了。
       
        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。让处理器驱动的核心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。2013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为核心的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、新方法提供了灵活性。
       
        未来，微型激光投影仪将采用飞点架构，这能把功能扩展至3D照相和手势控制应用。在2014年后期，PC和平板电脑中将配备这些功能，随后是HUD设备将广泛应用于汽车中。
       
        不久的将来，驾驶员只需在中控台前挥一下手，即可调节收音机音量或切换至不同频道；双眼将通过激光HUD观察前方路面，确保安全。高度集成的微型激光投影仪桥接芯片及参考设计将为更多公司提供快速采用该项技术的途径，发挥创造性并获取更大利润。