DLP新一代汽车抬头显示系统介绍

引言　　德州仪器DLP投影技术是一项被广泛使用的成熟技术，用于多种显示应用，包括：手持投影机、会议室和数字影院。DLP技术可满足先进的HUD系统的需求。DLP电子系统可支持视频处理和格式化，满足需要图形和视频图像的未来HUD系统的需求。高动态范围LED控制系统的概念已被证明可提供在白昼和黑夜观看的条件。此外，借助基于DLP技术的光学设计实施，相关人员可更加灵活地解决未来汽车HUD系统的光学设计难题、外形规格限制以及热负荷管理等问题。
　

卜臻敏

2019-7-3 09:23:06

　DLP电子系统概述
　　DLP汽车抬头显示系统的概念包含两个子系统，即利用DLP控制器芯片的视频处理和格式化子系统，以及利用Piccolo 微控制器（MCU）的LED控制系统。图1展示了一个典型的DLP抬头显示系统应用。
　　

　　图1. 典型的DLP抬头显示系统应用
　　DLP HUD控制器负责接收和处理从外部显示图形处理器接收到的视频和命令，它能够接收24位并行视频数据，其帧速率高达60Hz。所接收的视频数据经过可编程图像缩放、灰度、子图像支持以及边框调整因素等处理后，最终数字输出给DMD，以呈现最终图形显示。此外，DLP HUD控制器还提供启动红色、绿色和蓝色LED的频闪信号，与DMD器件上正在显示的数据保持同步，从而呈现高亮度、高度饱和色彩和具有极快显示速率的高对比度图形。
　　基于Piccolo MCU的LED控制系统负责精确控制整个工作温度范围以及红色、绿色和蓝色LED的老化范围内的色彩和亮度。此外，它还支持高动态亮度的自然调光，适用于HUD应用的白天和夜间驾驶情况。
　　LED控制系统采用基于PWM滞后控制方法的光通量反馈方案。在连续模式（CM）中，整个输出LED使能脉冲时段都以近直流电（DC）方式开启LED光源，持续保持固定的光照水平。在断续模式（DM）中，每个脉冲幅度由相同的滞后控制环路控制，但只能启用已触发的脉冲光源。DLP控制器可计量每个LED具体的脉冲数量。断续模式在保证控制精度的同时，允许采用极低的输出通量水平。
　　LED温度升高和LED老化将导致要用更高的电流电平才能产生所需的光通量水平。当光通量控制环路达到所需的光通量水平之前就已达到最大的LED电流时，Piccolo MCU会感知到这种情况，并相应地按比例降低所有3个LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反馈控制之下。通过这种方式，该系统可在LED的整个使用寿命提供最佳图片，并实现终极亮度水平。
　　LED控制系统通过SPI总线输入接收来自上行控制光源的亮度/调光控制命令。Piccolo解析LED控制系统的命令，如RGB LED振幅电平、连续或断续模式，并通过专用I2C总线配置DLP控制器。
　　DLP电子系统基于汽车级元件，该元件可实现HUD系统操作所需的全部功能。该电子系统包括视频处理和LED控制系统，支持适用于白天和夜间驾驶情况的高动态调光范围。
　　

　DLP电子系统概述
　　DLP汽车抬头显示系统的概念包含两个子系统，即利用DLP控制器芯片的视频处理和格式化子系统，以及利用Piccolo 微控制器（MCU）的LED控制系统。图1展示了一个典型的DLP抬头显示系统应用。
　　

　　图1. 典型的DLP抬头显示系统应用
　　DLP HUD控制器负责接收和处理从外部显示图形处理器接收到的视频和命令，它能够接收24位并行视频数据，其帧速率高达60Hz。所接收的视频数据经过可编程图像缩放、灰度、子图像支持以及边框调整因素等处理后，最终数字输出给DMD，以呈现最终图形显示。此外，DLP HUD控制器还提供启动红色、绿色和蓝色LED的频闪信号，与DMD器件上正在显示的数据保持同步，从而呈现高亮度、高度饱和色彩和具有极快显示速率的高对比度图形。
　　基于Piccolo MCU的LED控制系统负责精确控制整个工作温度范围以及红色、绿色和蓝色LED的老化范围内的色彩和亮度。此外，它还支持高动态亮度的自然调光，适用于HUD应用的白天和夜间驾驶情况。
　　LED控制系统采用基于PWM滞后控制方法的光通量反馈方案。在连续模式（CM）中，整个输出LED使能脉冲时段都以近直流电（DC）方式开启LED光源，持续保持固定的光照水平。在断续模式（DM）中，每个脉冲幅度由相同的滞后控制环路控制，但只能启用已触发的脉冲光源。DLP控制器可计量每个LED具体的脉冲数量。断续模式在保证控制精度的同时，允许采用极低的输出通量水平。
　　LED温度升高和LED老化将导致要用更高的电流电平才能产生所需的光通量水平。当光通量控制环路达到所需的光通量水平之前就已达到最大的LED电流时，Piccolo MCU会感知到这种情况，并相应地按比例降低所有3个LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反馈控制之下。通过这种方式，该系统可在LED的整个使用寿命提供最佳图片，并实现终极亮度水平。
　　LED控制系统通过SPI总线输入接收来自上行控制光源的亮度/调光控制命令。Piccolo解析LED控制系统的命令，如RGB LED振幅电平、连续或断续模式，并通过专用I2C总线配置DLP控制器。
　　DLP电子系统基于汽车级元件，该元件可实现HUD系统操作所需的全部功能。该电子系统包括视频处理和LED控制系统，支持适用于白天和夜间驾驶情况的高动态调光范围。
　　

段宜敏

2019-7-3 09:23:28

高动态范围LED控制系统概念
　　HUD应用对动态范围要求非常高，在白天运行时支持的亮度要超过15000 cd/m^2，而在光线非常暗的夜间环境中，显示图形的亮度不能低于3 cd/m^2。HUD系统必须能够在目标白点处保持全色深的图形，并且动态范围需超过5000:1。LED驱动器控制系统专为汽车HUD应用而开发，已经展示了全系列的功能。
　　采用Piccolo MCU的LED驱动器控制系统，可管理红色、绿色和蓝色LED调幅，保持正常的白点，并同步LED照明和DLP控制器。DLP控制器为DMD和相关的RGB LED使能信号提供高速数据。 LED驱动器控制电路选用的每个器件都能采用符合汽车标准的德州仪器Q1（专为汽车而设计）元件。
　　DLP投影系统采用脉宽调制（PWM）的红、绿和蓝光打造全色深图形，在所用的标准PWM技术内集成并同步调光功能。
　　该系统采用基于LED光线输出的光学滞后反馈，为了获得更高的亮度，在位段内的时段采用连续反馈模式保持稳定状态的振幅。该示例如图2所示。连续模式反馈已经证明可在100:1调光范围工作。
　

　
　　图 2. 连续调光模式
　　该系统还采用了断续模式反馈来生成少量脉冲光。该技术可将动态范围扩展至超过5000:1的比例。图 3显示了断续模式光脉冲示例。
　　

　　图 3. 断续调光模式
　　LED控制系统可采用连续和断续操作模式，展示从15000 cd/m^2至低于3 cd/m^2的范围内的自然调光。德州仪器概念系统中的已测数据如图4所示。
　　

　　图4.德州仪器概念系统的已测白光
　　除了实现较大动态范围外，还须保持白点。为了在德州仪器概念系统中实施，我们选择D65为目标白点，D65是大部分高清电视（HDTV）所采用的标准。此白点的目标色度值为x=0.313、y=0.329。如图5和6所示，动态范围内的已测数据保持接近目标白点，离目标色度点的总偏差不小于+/- 0.01。
　　

　　图5. 德州仪器概念系统的已测白点
　

　
　　图6. 动态范围外的已测白点
　

刘政玮

2019-7-3 09:23:38

　综上所述，所实施的LED驱动器控制系统基于汽车级元件，这些元件证明符合高动态范围，可满足白天和夜间观看条件，同时能够保持精确的白点控制。DLP HUD光学系统
　　DLP汽车投影系统具有一些特性，能支持带有适用于新一代增强现实显示器的VWFOV（非常宽视角）的HUD系统。DLP在光学、机械容量管理和日光热管理的设计灵活性方面，具有明显的优势。
　　HUD光学系统的目的是在道路前方数米观看距离中为驾驶员呈现虚拟显示。该虚拟显示可能包含仪表盘数据，如速度、导航数据或其它协助驾驶员的实时信息。用于创建此虚拟显示的光学装置通常包括1至3个注塑模具非球面镜片，具体取决于虚拟图像所需的光学矫正水平和视野（FOV）范围。图 7显示了HUD镜像光学设计示例。
　　

　　图 7 – HUD光学设计概念
　　现有汽车HUD的图像源来自于LED阵列背光的LCD面板。随着该行业不断朝着宽视野范围的抬头显示系统发展，有些技术局限是LCD技术很难解决的。DLP投影技术则提供了可能的替代HUD图像生成单元（PGU）。随着抬头显示视野范围不断扩大，采用DLP技术作为HUD图像源的优势愈发明显。对于视野非常广的抬头显示系统，如增强现实显示所需的系统，DLP可能是唯一合理的解决方案，它能够提供将上述抬头显示系统部署在汽车内所需的亮度和设计灵活性。DLP支持光学设计的灵活性，适用于图像质量和机械布局。
　

李鑫赢

2019-7-3 09:23:47

　光学设计灵活性
　　基于DLP的抬头显示系统将采用可进行优化的中间成像平面，使抬头显示镜面系统在机械方面适合汽车仪表盘。通过调整投影镜头的投影距离和重调焦距，可轻松调整中间画面大小。
　　HUD镜面光学设计受到各种光学和机械要求的限制，这些限制主要包括宽视野、图像亮度、眼动范围（eyebox）大小和位置以及机械包络。而分辨率、图像朝向和图像失真等次要限制也同样重要，但其对光学时效产生的影响较小。很多限制相互矛盾，其中一个示例就是光学设计相对于视野范围宽度的机械紧凑性。最接近眼动范围的镜面尺寸如上图所示，完全由视野大小、眼动范围的位置和大小来确定。图8显示了终极抬头显示镜面尺寸与全视野（FFOV）的比较。
　　

　　图 8 – FFOV与HUD镜面大小之比较
　　其余的镜面尺寸和机械折叠装置受到HUD镜片光学装置的中间成像屏幕影响较大。支持中间成像屏幕的大小随着设计限制而变化，可灵活地使视野非常广的系统通过折叠将体积变小，从而装入仪表盘中。
　　在DLP HUD概念中，投影图形单元（PGU）在中间成像屏幕中形成DMD的小型放大明亮图像。该投影屏幕图像通过抬头显示镜光学装置进行放大，为驾驶员打造虚拟显示。HUD镜光学装置的设计人员不受固定图像大小或基于LCD系统的图像放大率的限制。可灵活选择最佳放大倍率和/或焦距能够给设计人员带来很多好处，可支持替代光学机械折叠配置。此外，这种灵活性可减少光学像差，最大限度地降低抬头显示设计的第二和第三镜面。
　　对于15度或更高角度的宽视角显示，要保持受人眼限制的图像分辨率就必须增加像素。图9显示了每视角的最小可解析分辨率绘图。基于DLP的系统可以轻松实现1200以上的像素，从而实现超过20度的宽视角。此外，中间成像的大小与像素数无关，可支持上述设计灵活性。
　　

　　图 9 –分辨率与视野之比较
　　

　光学设计灵活性
　　基于DLP的抬头显示系统将采用可进行优化的中间成像平面，使抬头显示镜面系统在机械方面适合汽车仪表盘。通过调整投影镜头的投影距离和重调焦距，可轻松调整中间画面大小。
　　HUD镜面光学设计受到各种光学和机械要求的限制，这些限制主要包括宽视野、图像亮度、眼动范围（eyebox）大小和位置以及机械包络。而分辨率、图像朝向和图像失真等次要限制也同样重要，但其对光学时效产生的影响较小。很多限制相互矛盾，其中一个示例就是光学设计相对于视野范围宽度的机械紧凑性。最接近眼动范围的镜面尺寸如上图所示，完全由视野大小、眼动范围的位置和大小来确定。图8显示了终极抬头显示镜面尺寸与全视野（FFOV）的比较。
　　

　　图 8 – FFOV与HUD镜面大小之比较
　　其余的镜面尺寸和机械折叠装置受到HUD镜片光学装置的中间成像屏幕影响较大。支持中间成像屏幕的大小随着设计限制而变化，可灵活地使视野非常广的系统通过折叠将体积变小，从而装入仪表盘中。
　　在DLP HUD概念中，投影图形单元（PGU）在中间成像屏幕中形成DMD的小型放大明亮图像。该投影屏幕图像通过抬头显示镜光学装置进行放大，为驾驶员打造虚拟显示。HUD镜光学装置的设计人员不受固定图像大小或基于LCD系统的图像放大率的限制。可灵活选择最佳放大倍率和/或焦距能够给设计人员带来很多好处，可支持替代光学机械折叠配置。此外，这种灵活性可减少光学像差，最大限度地降低抬头显示设计的第二和第三镜面。
　　对于15度或更高角度的宽视角显示，要保持受人眼限制的图像分辨率就必须增加像素。图9显示了每视角的最小可解析分辨率绘图。基于DLP的系统可以轻松实现1200以上的像素，从而实现超过20度的宽视角。此外，中间成像的大小与像素数无关，可支持上述设计灵活性。
　　

　　图 9 –分辨率与视野之比较
　　

罗颖

2019-7-3 09:23:53

热负荷考量
　　DLP PGU系统在热负荷管理方面功能强大。基于DLP的PGU有3个独立的RGB LED光源，这些光源可在远离中间屏幕及相关阳光反射物的远程位置单独进行冷却。DMD本身可从LED中分离出来，允许单独对DMD进行热量管理。这对基于DLP的HUD引擎有重大优势，因此图像生成装置（DMD）与HUD中间成像屏幕和光源（LED）是热绝缘的。
　　HUD系统中的另一热源就是阳光直接照射图像生成装置所产生的辐射。阳光能进入HUD镜光学装置，并向下聚焦到成像器位置，从而大大增加局部的热量。对于目前基于LCD的系统，冷却镜面通常用来帮助减少成像器上的太阳能总量。如果管理不善，成像器上聚焦的太阳能量可能成为LCD面板的隐患，会降低LCD成像器的性能。相反，基于DLP的PGU中间屏幕能够有效地为成像器和电子元件隔离太阳辐射。由于有漫射屏，所以几乎捕捉不到太阳辐射，也不会将太阳辐射反射回DMD。中间屏幕的漫射屏是被动光元件，它的设计能够承受高水平的太阳辐射，同时不降低性能。
　　DMD的性能在热负荷下非常强。例如，图像对比度不受DMD热量的影响。DMD能够在炎热或寒冷环境中保持其对比度。因此，基于DLP的PGU能够在HUD系统要求的使用条件下正常运行。
　　对于有大视野范围的HUD系统，DLP技术在性能、热管理和光学设计灵活性方面具有显而易见的独特优势。采用基于DLP的PGU光学设计人员能够创建任何大小的HUD显示源，从而更加自由地创建性能良好、适合仪表盘的HUD光学设计。此外，隔离热源使基于DMD PGU的HUD系统在严苛环境下能更加稳定地运行。宽视角和增强现实HUD系统可以得益于DLP投影所带来的优势。
　　作者：德州仪器DLP嵌入式产品事业部Jason Thompson、John Ferri、Michael McCormick
　　——本文选自电子发烧友网11月《视音频技术特刊》“透视新设计栏目

王海燕

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卜臻敏

段宜敏

刘政玮

李鑫赢

罗颖

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