汽車抬頭顯示系統（HUD）現已成為許多豪華型汽車的標配或可選設備。HUD是越來越完善的成套高級駕駛輔助系統（ADAS）的重要組成部分。它們幫助駕駛員將注意力集中于前方道路，而不用低頭看儀表盤。研究表明，駕駛員視線離開路面超過兩秒鐘，發生碰撞事故的危險就會增加一倍。
汽車HUD將行駛速度、警告信號和指示箭頭直接顯示在位于駕駛員視線中的擋風玻璃上。一種最新的HUD使用激光二極管驅動器對高強度紅、綠和藍（RGB）激光器施以脈沖，將高清（HD）視頻投射在擋風玻璃上（見圖1）。這些增強現實HUD將透明箭頭直接“畫”在汽車前方街道上，彩色轉向信號和導航方向可以提供更直觀的引導作用。它們還會高亮顯示其他物體——如可能帶來危險的行人或車輛，引起駕駛員的注意。
圖1. 用于汽車抬頭顯示系統的激光掃描MEMS投影系統
本文介紹了激光掃描MEMS投影系統，如何提供比液晶顯示器（LCD）和數字光處理（DLP）HUD更佳的解決方案。我們還將考察一種幫助實現下一代HUD的高速四通道激光二極管驅動器。
比較激光掃描MEMS投影與LCD和DLP
LCD面板是目前汽車HUD系統中最常用的技術，它采用透射式顯示技術和LED背光源，在光穿過它時照亮整個圖像。被照亮的圖像放大后被折疊鏡反射，并顯示在駕駛員視野前的擋風玻璃上。
LCD HUD的暗像素是通過阻斷背光而產生的，這使LCD對這些像素具有更低的透射性。但是，光不能完全被阻擋，特別是在低環境光背景中。其結果就是投射圖像疊加在擋風玻璃上，看上去像一張明信片大小的透明矩形（見圖2）。汽車制造商視此為一個嚴重安全缺陷，因為發光的矩形會讓駕駛員分散注意力。
圖2. LCD HUD示例
DLP與LCD類似，但分辨率更佳。DLP有數千個以二維（2D）陣列排列的微鏡。2D陣列中的每個微鏡充當一個像素，調制每個微鏡以反射入射光，進而產生所需的像素亮度。亮度為100%的像素具有零調制，而暗像素具有鏡像集，以便將光反射到成像路徑之外。為提供一致的成像結果，聚集入射光源并將其聚焦到2D微鏡陣列上，使每個像素具有相同的亮度。然后放大被反射的圖像，將其重新聚焦并投射到折疊鏡，然后投射到擋風玻璃上，這個過程類似于LCD HUD實現。
DLP是一個矩形面板，需要平坦的水平表面來投射信息。擋風玻璃在垂直方向上相對較為平坦，但在水平方向上不平坦。因此，為使DLP將信息投射到擋風玻璃上，設計工程師必須使用非球面光學元件來適應擋風玻璃的曲面，這會增加HUD系統的尺寸。
與DLP系統相比，激光掃描MEMS投影系統利用掃描鏡的變形圖像，允許使用成本更低的光學元件來降低系統的光電機械成本。激光掃描MEMS系統的主要元件是激光二極管驅動器、激光二極管、一些小尺寸的光束成形/對準光學元件，以及MEMS掃描振鏡及其控制電子元件。RGB彩色激光二極管在掃描鏡掃過顯示區域時同步施以脈沖。然后，圖像被逐像素投射于疊加在擋風玻璃上的顯示區域。
在激光掃描MEMS投影儀中，非常迅速地對每個像素施以脈沖，以產生全高清分辨率。同時，因為激光束始終是聚焦的，所以不需要重新對焦的光學元件，就能將圖像投射到擋風玻璃上。這大大降低了整體光學系統復雜性和尺寸，并且不用再使用高成本的光學元件和組件。
激光掃描MEMS投影系統提供比基于幀的LCD或DLP投影系統更出色的電效率。與呈現內容充滿整個顯示屏的前投式投影儀不同，汽車HUD的導航和儀表信息并不充滿整個HUD顯示區域。HUD只將時效性強的信息顯示在擋風玻璃上，且僅持續很短時間。增強現實信息由一個可以使超過70%的顯示像素處于“off”狀態的圖像構成。圖3A 和3B中的紅框顯示了典型的HUD 顯示區域，投影系統須在此區域呈現導航信息。請注意，每個例子中處于“on”狀態的像素數量和處于“off”狀態的像素數量是相對的。根據顯示信息的不同，該比率（ON:OFF像素）的范圍在1:3至1:6之間。
圖3A. 典型HUD輸出示例
圖3B. HUD信息示例
例如，在基于幀的DLP顯示技術中，無論有多少像素處于“on”狀態，光源都必須充滿整個像素陣列。在圖3A中，在紅框顯示區域中產生了“暗”光或“未開啟像素”的光，然后通過反射到視野區域之外或進行阻擋來消除它。這一能量消耗妨礙了HUD 系統效率的提升。更糟糕的是，該能量損耗增加了由于吸收改變方向的光而產生的熱量，并提高了最初用于產生光的電能成本。這兩個因素最終增加了基于幀的熱冷卻需求和電能需求。
激光掃描MEMS HUD僅在需要投射相關像素時才會消耗電能。對于圖3A和3B中顯示的典型導航和儀表信息，大多數電能是在需要向顯示器輸出像素時消耗的。這大幅降低了電力需求，實現更低的熱曲線和更少的散熱。而且，由于激光掃描MEMS HUD集成了驅動器電子元件，其投射占位面積小于基于幀的HUD系統。
激光二極管驅動器助力實現下一代HUD
下一代HUD系統可以使用ISL78365四通道激光二極管驅動器，向汽車擋風玻璃投射增強現實視頻信息。如圖4所示，該激光驅動器包括一個與MEMS ASIC集成的接口，以創建緊湊的激光掃描投影系統。
圖4. ISL78365四通道激光驅動器驅動四個高強度激光二極管
ISL78365具有四個高速750mA可編程電流吸收器，用于調節最多四個激光二極管的電流和光輸出。它提供1.5納秒上升和下降時間，可產生高幀率的高清彩色視頻，如圖5所示。該激光驅動器為每個電流吸收器提供獨立的顏色、閾值和縮放設置，其靈活的高速并行視頻接口支持全高清投影和高達150MHz或每行1,900像素的像素率。另外，它還包括像素數據復用功能，以簡化光機-電子布局要求。
圖5. 激光抬頭顯示將全高清視頻信息呈現在駕駛員的視線中
針對每個激光二極管電源的動態電源管理和三種省電模式，進一步降低了消隱時間內的總系統功耗。激光驅動器的可編程歸零脈沖功能，可消除所顯示圖像的斑點，可編程過溫保護功能則支持自定義熱性能。
結論
激光掃描MEMS投影系統比基于幀的DLP 或LCD顯示系統更適用于汽車增強現實HUD。激光HUD掃描圖像只需要其25%-30%像素處于“on”狀態，而DLP和LCD HUD需要驅動其100%的圖像像素才能產生相同的亮度。DLP和LCD系統會浪費顯示黑色像素所需的光和電能。這會導致應當是黑色像素的區域出現微弱的亮點。在白天的陽光下，這個包絡可能不是問題，但在夜晚，它會變得很明顯。從駕駛員安全角度來看，這又是一個分散駕駛員注意力的因素，從而使天平朝著有利于在下一代抬頭顯示系統中采用激光掃描MEMS投影系統的汽車制造商傾斜。
關于作者
Jack Yee是Intersil公司的汽車抬頭顯示系統（HUD）產品高級應用經理。Yee先生在其超過15年的半導體行業職業生涯中擔任過多項工程和工程管理職務。加入Intersil前，Yee先生曾在C-Cube Microsystems任技術營銷經理，在Aurora Systems, Inc.任系統架構師資深總監。Yee先生擁有美國圣何塞州立大學的電子工程學士學位（BSEE）。