基于MEMS的汽车激光微型投影机的优化设计

用于汽车的现代平视显示器 （HUD） 使用三重激光二极管微型投影仪解决方案，可实现无限聚焦、阳光下的可读性、出色的色彩和小尺寸。汽车三重半导体激光二极管微微投影仪片上系统 （SoC） 围绕微微激光驱动器构建。这种桥接芯片解决方案降低了汽车HUD的尺寸、成本和设计复杂性。

介绍

汽车环境中充斥着丰富的显示器和信息系统。源源不断的信息流围绕着我们，有些至关重要，或令人欣慰，或娱乐，甚至只是信息。这是有价值的，但不是绝对必要的。作为车辆操作员，我们最需要的是有关车辆运行的关键数据......实时。

汽车制造商使用各种技术向驾驶员提供这些关键信息，包括分立式LED、仪表和液体显示技术。虽然每种车型都不同，但这些信息的呈现非常有效和一致，几乎每个乘员都可以快速适应并从不熟悉的车辆中提取信息。这些数据和信息可以通过平视显示器（HUD）在车辆前方驾驶员的视线中虚拟投影。随着显示技术的不断改进，HUD正在豪华车中出现。随着成本和尺寸的下降以及性能的提高，这些HUD正在适应中型车辆，并将很快出现在经济型汽车中。

最新的HUD技术是通过移动MEMS反射镜和彩色激光器（也称为微型激光投影仪）实现的。这些激光投影机具有无限聚焦、阳光下的可读性、出色的色彩饱和度和小尺寸，所有这些都使其成为汽车信息娱乐环境的理想介质。

本文着眼于现代汽车HUD技术，并探讨激光微微投影机解决方案的新方法。集成的“桥接芯片”解决方案围绕高性能三重激光驱动器构建，与旧的 TFT、CRT 和 DLP 技术相比，可减小尺寸、成本和设计复杂性。所有这些进步都来自激光的好处。

HUD技术的基础

最新HUD技术的核心是微型激光投影仪，这是一种小型MEMS成像系统，可将像素阵列投射到几乎任何表面上。微型激光投影机不使用 TFT 和 CRT 等发射区域，而是发射一束彩色光，可绘制出图像、仪器和指示器。光束扫描类似于基于 CRT 的电视的光栅图案。单个图片元素或像素是通过组合三种原色的阴影和强度来创建的。

使用MAX3601激光驱动器中集成的8位DAC，每个像素可以产生24位RGB颜色，具有激光的丰富饱和度，可产生超过1600万种独特的颜色。由于激光以不同的频率发射每种颜色，因此颜色鲜艳，可以“过饱和”以引起驾驶员的注意。绿色看起来不自然的绿色，以便在森林或丛林环境中脱颖而出。

组合光束呈现给扫描MEMS反射镜芯片，该芯片水平扫描以创建扫描线，然后垂直斜坡以将线组合成显示平面。生成的高清 （HD） 图像以 60Hz 刷新并始终清晰对焦——这是激光技术的另一个好处，尤其是对于弯曲挡风玻璃。

驱动微型投影机的挑战

在阴极射线管 （CRT） 中，每条线从左侧开始，并使用反激机构快速返回到每条线的起点（图 2）。利用现代数字技术，微型激光投影仪以正向模式发送奇数线，以反向模式发送偶数线（图 3）。

图2.对于CRT，在消隐期间，电子束被关闭，反激回放将其重新回放到下一行。

图3.使用微型投影仪，激光打开以进行整个从左到右的线条绘制;然后在非活动视频垂直下降时将其关闭;然后在活动视频中从右向左绘制时再次打开。

CRT和微型激光投影仪技术之间的另一个区别是时序变化，这取决于像素在水平扫描线中的位置。使用MEMS技术时，反射镜必须在每条线的起点和终点加速和减速。随着MEMS反射镜的惯性发挥作用，它会在到达每个端点之前减慢速度，从而迫使用恒定像素时钟发送的像素在末端“聚集”。如果不校正，这种像素聚集将被视为更高的左右边缘亮度和标量失真（图 4）。

图4.上面的一行彩色点代表MEMS像素间距。由于移动镜是机械的，因此它们需要时间来加速和减速。这种角速度畸变可以通过巧妙的技术进行补偿。

纠正这种聚集的一种方法是创建一个虚拟像素，并在扫描线的各个段中插入或删除子像素。在扫描线的中间，MEMS镜像以最快的速率扫描，每个虚拟视频时钟将子像素作为一个子像素发送。在边缘，仅发送每三个、第四个或第五个子像素（图 5）。

图5.在左边缘，像素值 - 每 3 个子像素时钟 1 个像素。在中间，每个亚像素时钟有一个像素。

传统激光投影机设计的复杂性

控制每个高速激光像素需要一个可以快速打开和关闭像素的设备，以及许多高级接口、资源和功能块（图 6）。MAX3601 RGB激光驱动器（图7）非常适合这一任务，因为它可以在短至1ns的时间内调制像素边沿。由于激光器具有高电容和电感负载，因此关闭激光像素具有挑战性。在Maxim独特的像素关闭辅助功能的支持下，可实现1ns的衰减边沿速率。运行频率为 250MHz 或更高的三通道 DAC 可确保高清分辨率的视频速度。

图6.微型激光投影仪SoC的传统架构需要许多高级接口、资源和功能块。

LCD、DLP 和其他背光技术受到夜间和隧道条件的挑战，在这些条件下，背光泄漏会产生阴影和鬼影。这不是激光投影仪的问题，因为激光通过前光方法照亮每个像素。由于激光投影仪以逐像素为单位添加光线，因此除激光偏置电流外，功率始终低于 100% 满通。在消隐期间和像素为黑色时，可以关闭电源。通过这种方式，全黑场景的功耗降低到80mW。MAX3601具有乘法器DAC，可以安全地调制光输出功率，从1流明到明亮阳光下的1流明，一直到30k流明。

图7.集成的MAX3601三路半导体激光管驱动器与我们的桥式芯片设计完美结合，形成高度集成的解决方案。请参阅下面对桥接芯片设计的讨论。

持续监测激光颜色，以确保在各种温度下颜色一致，并确保安全的激光条件。颜色传感器还用于补偿日光、阴影或夜间条件下的亮度。由于激光始终聚焦，因此复杂且昂贵的光学器件不会占用光引擎中的宝贵空间。因此，激光投影机适合在最小的车辆中最狭小的空间内。由于当今的HUD架构使用七个或更多设备进行这种颜色呈现，因此它节省的空间变得具有指数级的价值。

桥接世界：桥接芯片卸载实时、苛刻的处理

在传统的激光投影仪中，视频激光控制器SoC的马力几乎与主机SoC控制器相同。它还具有类似大小的视频帧缓冲区和GPU功能。微型投影机功能可能会消耗处理器的带宽，同时执行要求苛刻的实时任务。传统设计将数据从视频帧缓冲存储器发送到微型投影仪处理器的帧缓冲存储器，然后逐行解析到MEMS镜像。这是多余的和低效的。

现在是时候消除这种冗余，并重新平衡每个关键组件的成本、功耗和工作负载了。桥接芯片带回平衡。

通过在微型激光投影仪中使用桥接芯片（图8），数据流得以简化且高效。两个视频帧缓冲区减少到一个。实时事件被卸载到桥接芯片，不再给SoC带来性能消耗中断的负担。降低了成本和功耗。SoC 的 GPU 处理 FIFO-LIFO 扫描线反转的内存寻址，并补偿 MEMS 惯性运动。工作量是平衡的。

这就是理论。很好，但是从哪里开始呢？让我们看一下投影仪SoC的功能，并确定如何更好地包装它们。主机 SoC 处理器和视频处理器都有 6MB 帧缓冲区内存，因此我们可以消除该内存并用一些行缓冲区代替它。这将需要在高速视频输入和MEMS反射镜慢得多的线路视频速率之间仔细计时;在支持此HUD应用所需的各种分辨率中，这一点尤其重要。桥接芯片确保线路缓冲器始终充满，同时检查主机 SoC 是否断电或激活了最小关键功能，以节省系统功耗。

中断 SoC 以处理日常实时任务和服务可预测中断会导致空闲期间 SoC 功耗更高。这是浪费，因为桥接芯片更适合处理实时任务。桥接芯片可最大限度地提高系统效率。

主机 SoC 非常适合处理 GPU 任务，例如缩放;色彩校正;白平衡;去畸变（以补偿挡风玻璃的曲面或飞点建筑的销钉缓冲效果）;并发送数据以填充桥接芯片的线路缓冲区。从左到右和从右到左反转内存寻址是 SoC 通过几行代码完成的简单任务。该SoC将预处理这些数据并将其发送到桥接芯片，而无需知道MEMS时序需求。

嵌入在桥接芯片中的微型微处理器或状态机处理简单的内务处理工作，并使设计人员能够灵活地添加自定义功能。

这种围绕桥接芯片构建的四芯片解决方案可创建高度集成和可编程的微型激光投影机，可连接到HDMI和VGA等标准视频接口。它处理所有与投影仪相关的任务。但是我们可以进一步缩小设计吗？

图8.四芯片微微激光投影机解决方案可以使用桥接芯片实现，但集成度更高的解决方案会更好。

对于需要更高集成度的应用，如手机和其他小型消费类设备，桥接芯片可以与其他功能相结合。例如，让我们使桥接芯片可编程以适应距离感测;桶形畸变校正;镜子加减速补偿;强度、颜色和振动稳定。用于抖动、锯齿形光栅扫描、字节序视频数据对齐、可变分辨率和亮度控制以及电源管理的硬件模块是愿望清单上的佼佼者。让我们的处理器驱动内核以足够快的速度在软件中运行硬件算法，以刷新几乎稳定的无闪烁图像。现在，以前的四芯片解决方案可以浓缩为一个（图 9）。

图9.这种下一代高度集成的桥接芯片被简化为微微激光投影仪的单芯片解决方案。

结论

微型激光投影仪正被嵌入到智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴计算机和汽车HUD显示器中。2013年，汽车出货量超过五十万台HUD，预计至少在未来五年内增长率为20%至30%，OEM要求节省HUD空间和成本是可以理解的。高度集成的桥接芯片（如图8和图9中的解决方案）将显著减轻主机处理器的负担，并减少所需的空间、功耗、芯片数量和处理资源。

用于 HUD 微型激光投影机的以 CPU 为中心的桥接芯片可实现高质量的外设集成和快速处理器，以便在软件中运行算法。这种桥接芯片方法降低了硬件、功耗和复杂性。它为HUD的新想法和方法提供了灵活性。

未来呢？使用飞点架构的Pico激光投影仪将其功能扩展到3D相机和手势应用中。到2014年底，这些将在PC和平板电脑上推出，随后是汽车中的HUD设备。

很快，驾驶员只需在信息娱乐控制台上挥手即可调高收音机音量或切换到其他频道。他们的眼睛将安全地停留在道路上，通过激光HUD观看。用于微型激光投影仪的高度集成桥接芯片和参考设计将使更多公司能够使用该技术，以实现更快、更有创意和更有利可图的用途。

审核编辑：郭婷