基于MEMS的车载激光投影仪设计

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。