新一代平視顯示系統(tǒng)：發(fā)展動(dòng)力、面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

　　作者：Alan Rankin，德州儀器DLP®產(chǎn)品事業(yè)部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理；Jason Thompson，德州儀器DLP®產(chǎn)品事業(yè)部應(yīng)用工程經(jīng)理

　　2015年2月7日，在美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院第87屆科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，德州儀器 （TI）DLP®芯片發(fā)明者Larry Hornbeck博士榮獲奧斯卡獎(jiǎng)®。 DLP芯片組已經(jīng)從根本上改變了電影制作、發(fā)行和觀影的方式，現(xiàn)在全球超過(guò)80%的電影院都采用了此芯片組。

　　與DLP 技術(shù)對(duì)電影業(yè)的影響類似的是，這種技術(shù)現(xiàn)在也通過(guò)新的顯示和車載照明燈等應(yīng)用，準(zhǔn)備變革汽車行業(yè)。

（表1）

　　HUD2.0的發(fā)展動(dòng)力

　　現(xiàn)有的平視顯示（HUD）系統(tǒng)往往只能顯示冗余信息，即車中其他位置也可以獲得的信息。而此技術(shù)的新一代，即HUD2.0，能夠顯示高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）信息。除了車載傳感器、攝像頭和車輛對(duì)車輛/基礎(chǔ)設(shè)施通信（V2X），車輛所了解的其周圍的信息量也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。我們面臨的挑戰(zhàn)在于如何有效地溝通什么重要信息是車輛“已知的”，并將其傳遞給駕駛員，但只有當(dāng)我們向半自主和自主駕駛功能遷移時(shí)，這些信息才會(huì)增多。

　　
圖1 AR HUD的正形投影圖形

      采用HUD2.0將以自然、直觀的方式傳達(dá)這類信息，增強(qiáng)駕駛員的全局固定視圖，以正形投影圖形顯示車輛已知的信息。導(dǎo)航指示、車道偏離告警（LDW）和自適應(yīng)巡航控制（ACC）指示燈功能將從駕駛員的視角以自然的圖像距離來(lái)顯示。如圖1所示，此圖顯示了如何‘增強(qiáng)’駕駛員視圖的現(xiàn)實(shí)，實(shí)時(shí)提供有用的信息。在這里我們可以，圖像以鮮亮、栩栩如生的色彩來(lái)顯示，并以自然距離疊加在實(shí)物上，因此駕駛員可以最小的干擾輕松地使用信息。 

　　此外，與用戶界面范式中用作“輔助”顯示系統(tǒng)的現(xiàn)有HUD不同的是，HUD2.0位于人機(jī)界面（HMI）策略的中心，并將作為主信息顯示系統(tǒng)。 同樣，新一代HUD也期望在不同日照條件下獲得出色的圖像質(zhì)量和一致的可讀性。

　　圖 2 FOV和VID影響感知的HUD圖形大小

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　HUD 2.0要求在傳統(tǒng)HUD設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上獲得許多新的方面的內(nèi)容。雖然HUD設(shè)計(jì)的詳細(xì)說(shuō)明超出了本文范圍，但仍有必要查看一些關(guān)鍵參數(shù)。

　　如圖2所示，視野（FOV）和虛擬映像距離（VID）在確定感知圖像尺寸方面有重要作用。雖然傳統(tǒng)的HUD視野僅涵蓋了一個(gè)車道，但擁有更大視野和更長(zhǎng)虛擬映像距離的HUD2.0使駕駛員能夠看到超出一個(gè)車道車流的圖像。在視野和虛擬映像距離方面的這些增強(qiáng)要求更高的亮度、更飽和的色彩、更高的功效和更強(qiáng)的日照耐受度。此外，需要符合這些新參數(shù)，同時(shí)滿足所有傳統(tǒng)汽車的環(huán)境條件。下表2列出了HUD2.0的一些參數(shù)，與傳統(tǒng)HUD系統(tǒng)對(duì)比。

　　表2 新一代HUD2.0的關(guān)鍵參數(shù)與傳統(tǒng)HUD關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

　　亮度與功效

　　更大的視野和更高的亮度水平為駕駛員提供易于瀏覽的圖像。 為了確保各種光線條件下的可讀性，HUD應(yīng)當(dāng)能夠在指定的15，000cd/m2和30，000cd/m2之間生成虛像。 然而，需要?jiǎng)?chuàng)建此圖像的絕對(duì)功率應(yīng)保持較低，這樣不僅能最大程度降低熱管理所需的容量，也能在可行的光源（LED）范圍內(nèi)保持光通量。為了擴(kuò)大視野并提高亮度，同時(shí)不增加功耗，更高效的成像器十分必需。 德州儀器DLP 0.3” WVGA類A100數(shù)字微鏡器件（DMD）的效率高于66%，顯著提高了系統(tǒng)效率，以符合以上參數(shù)。 借助效率提升，基于DLP技術(shù)和RGB LED的HUD系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所需的亮度并擴(kuò)大視野。 例如，采用 .3” WVGA DMD和OSRAM Q8WP RGB LED［2］設(shè)計(jì)的系統(tǒng)僅使用6.0 W的LED功率，就能以10度視野實(shí)現(xiàn)超過(guò)15，000 cd/m2亮度，甚至比目前更小的輔助HUD系統(tǒng)的功率還要低。 此系統(tǒng)的功效為10.6 lm/W（每瓦的流明數(shù)）。

　　色彩飽和度

　　很多傳統(tǒng)TFT/LCD HUD設(shè)計(jì)使用白色LED，通過(guò)濾鏡產(chǎn)生紅色、綠色和藍(lán)色。 相比之下，基于DLP技術(shù)的HUD系統(tǒng)則使用紅色、綠色和藍(lán)色三種LED，提供更飽和的色彩，這增強(qiáng)了HUD顯示器上圖像的可讀性［3］。 一些關(guān)鍵性能指標(biāo)可被用來(lái)判斷系統(tǒng)的色彩表現(xiàn)，包括比較其色域和NTSC色域所測(cè)量的色域大小、主波長(zhǎng)和色彩飽和度所定義的每種色彩的色調(diào)。

　　表3比較了TFT/LCD白色LED架構(gòu)［1］與基于DLP技術(shù)采用RGB LED 的HUD架構(gòu)。與NTSC相比，RGB LED色域更大，紅色和藍(lán)色飽和度更深。

　　表3 HUD色彩表現(xiàn)

　　日光熱負(fù)荷

　　隨著HUD系統(tǒng)視野的擴(kuò)大，HUD光學(xué)儀器收集的太陽(yáng)能也增加了。此外，隨著虛擬映像距離增大，駕駛員可以采用與現(xiàn)實(shí)世界固定視圖相比正常的角度瀏覽圖像，太陽(yáng)能更多聚焦到HUD的內(nèi)部成像器上。收集更多陽(yáng)光和將這種能力聚焦到內(nèi)部成像的更小光斑內(nèi)的效果可能會(huì)帶來(lái)?yè)p害。 基于DLP技術(shù)的HUD系統(tǒng)使用漫射屏材料創(chuàng)建HUD系統(tǒng)的內(nèi)部圖像。對(duì)于傳統(tǒng)HUD系統(tǒng)，成像器（一般為TFT面板）直接發(fā)射HUD圖像。

　　漫射屏是無(wú)源元件，它具有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)： 1）它不吸收太陽(yáng)能能量 – 它擴(kuò)散光線 2）它本身不是熱源。借助這些屬性，基于DLP技術(shù)的HUD系統(tǒng)更容易擴(kuò)展到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的HUD系統(tǒng)所需的大視野和更長(zhǎng)的虛擬映像距離。

　　偏光太陽(yáng)鏡

　　除了足以在各種環(huán)境光線條件下看見(jiàn)的亮度外，當(dāng)駕駛員戴上偏光太陽(yáng)鏡時(shí)，HUD虛擬映像也是可讀的。由于DLP技術(shù)投影為非偏光，這使原始設(shè)備廠商能夠優(yōu)化偏光太陽(yáng)鏡所用的HUD。

　　環(huán)境條件

　　汽車HUD系統(tǒng)所用的成像技術(shù)必須能夠在惡劣的環(huán)境條件下可靠地運(yùn)行，比如高濕度、劇烈溫度變化的極端溫度、沖擊和震動(dòng)等環(huán)境。DMD是微機(jī)電系統(tǒng)，它應(yīng)對(duì)汽車中所體驗(yàn)的溫度循環(huán)、沖擊和震動(dòng)的能力令人感到驚嘆。DLP 0.3” WVGA類A100 DMD滿足這些條件。當(dāng)視鏡諧振頻率遠(yuǎn)高于100 kHz時(shí)，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)在《5 kHz范圍的沖擊和震動(dòng)下是堅(jiān)固耐用的。表4列出了在.3” WVGA類A100 DMD上成功完成的一些關(guān)鍵測(cè)試。

　　結(jié)論

　　隨著ADAS技術(shù)在汽車中的應(yīng)用越來(lái)越普及，HUD對(duì)車輛HMI策略也愈發(fā)重要。隨著HUD從小型輔助顯示器向大型主用顯示器逐漸過(guò)渡，人們對(duì)圖像質(zhì)量、可讀性和可靠性的期望也越來(lái)越高。DLP技術(shù)已在消費(fèi)電子和商業(yè)應(yīng)用中廣泛采用了近二十年，為汽車級(jí)芯片奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如圖3所示，DLP 0.3” WVGA類A100 DMD專門滿足新一代汽車HUD的環(huán)境要求。

　　參考資料

　　［1］ E. Buckley， “Pixtronix DMS（tm） technology for head-up displays，” in SID Vehicles and Interfaces Conference， Dearborn， MI， 2011.

　?。?］ OSRAM Opto Semiconductor. ［Online］。 Available： http://www.osram-os.com/osram_os/en/products.

　?。?］ K. I. R. S. D. a. B. E. Blankenbach， “Comparison of the Readability of Colour Head-up Displays Using LED and Laser Light Sources，” in SID， Symposium Digest of Technical Papers， 2010.