作者：Alan Rankin，德州儀器DLP®產品事業(yè)部業(yè)務開發(fā)經理；Jason Thompson，德州儀器DLP®產品事業(yè)部應用工程經理

　　2015年2月7日，在美國電影藝術與科學學院第87屆科學技術獎頒獎典禮上，德州儀器 （TI）DLP®芯片發(fā)明者Larry Hornbeck博士榮獲奧斯卡獎®。 DLP芯片組已經從根本上改變了電影制作、發(fā)行和觀影的方式，現在全球超過80%的電影院都采用了此芯片組。

　　與DLP 技術對電影業(yè)的影響類似的是，這種技術現在也通過新的顯示和車載照明燈等應用，準備變革汽車行業(yè)。

（表1）

　　HUD2.0的發(fā)展動力

　　現有的平視顯示（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。而此技術的新一代，即HUD2.0，能夠顯示高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）信息。除了車載傳感器、攝像頭和車輛對車輛/基礎設施通信（V2X），車輛所了解的其周圍的信息量也呈指數級增長。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，但只有當我們向半自主和自主駕駛功能遷移時，這些信息才會增多。

　　
圖1 AR HUD的正形投影圖形

      采用HUD2.0將以自然、直觀的方式傳達這類信息，增強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。導航指示、車道偏離告警（LDW）和自適應巡航控制（ACC）指示燈功能將從駕駛員的視角以自然的圖像距離來顯示。如圖1所示，此圖顯示了如何‘增強’駕駛員視圖的現實，實時提供有用的信息。在這里我們可以，圖像以鮮亮、栩栩如生的色彩來顯示，并以自然距離疊加在實物上，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)的現有HUD不同的是，HUD2.0位于人機界面（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設計的基礎上獲得許多新的方面的內容。雖然HUD設計的詳細說明超出了本文范圍，但仍有必要查看一些關鍵參數。

　　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視野僅涵蓋了一個車道，但擁有更大視野和更長虛擬映像距離的HUD2.0使駕駛員能夠看到超出一個車道車流的圖像。在視野和虛擬映像距離方面的這些增強要求更高的亮度、更飽和的色彩、更高的功效和更強的日照耐受度。此外，需要符合這些新參數，同時滿足所有傳統(tǒng)汽車的環(huán)境條件。下表2列出了HUD2.0的一些參數，與傳統(tǒng)HUD系統(tǒng)對比。

　　表2 新一代HUD2.0的關鍵參數與傳統(tǒng)HUD關鍵參數對比

　　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應當能夠在指定的15，000cd/m2和30，000cd/m2之間生成虛像。 然而，需要創(chuàng)建此圖像的絕對功率應保持較低，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）范圍內保持光通量。為了擴大視野并提高亮度，同時不增加功耗，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。 借助效率提升，基于DLP技術和RGB LED的HUD系統(tǒng)可以實現所需的亮度并擴大視野。 例如，采用 .3” WVGA DMD和OSRAM Q8WP RGB LED［2］設計的系統(tǒng)僅使用6.0 W的LED功率，就能以10度視野實現超過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）。

　　色彩飽和度

　　很多傳統(tǒng)TFT/LCD HUD設計使用白色LED，通過濾鏡產生紅色、綠色和藍色。 相比之下，基于DLP技術的HUD系統(tǒng)則使用紅色、綠色和藍色三種LED，提供更飽和的色彩，這增強了HUD顯示器上圖像的可讀性［3］。 一些關鍵性能指標可被用來判斷系統(tǒng)的色彩表現，包括比較其色域和NTSC色域所測量的色域大小、主波長和色彩飽和度所定義的每種色彩的色調。

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

　　表3 HUD色彩表現

　　日光熱負荷

　　隨著HUD系統(tǒng)視野的擴大，HUD光學儀器收集的太陽能也增加了。此外，隨著虛擬映像距離增大，駕駛員可以采用與現實世界固定視圖相比正常的角度瀏覽圖像，太陽能更多聚焦到HUD的內部成像器上。收集更多陽光和將這種能力聚焦到內部成像的更小光斑內的效果可能會帶來損害。 基于DLP技術的HUD系統(tǒng)使用漫射屏材料創(chuàng)建HUD系統(tǒng)的內部圖像。對于傳統(tǒng)HUD系統(tǒng)，成像器（一般為TFT面板）直接發(fā)射HUD圖像。

　　漫射屏是無源元件，它具有兩個主要優(yōu)勢： 1）它不吸收太陽能能量 – 它擴散光線 2）它本身不是熱源。借助這些屬性，基于DLP技術的HUD系統(tǒng)更容易擴展到增強現實的HUD系統(tǒng)所需的大視野和更長的虛擬映像距離。

　　偏光太陽鏡

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

　　環(huán)境條件

　　汽車HUD系統(tǒng)所用的成像技術必須能夠在惡劣的環(huán)境條件下可靠地運行，比如高濕度、劇烈溫度變化的極端溫度、沖擊和震動等環(huán)境。DMD是微機電系統(tǒng)，它應對汽車中所體驗的溫度循環(huán)、沖擊和震動的能力令人感到驚嘆。DLP 0.3” WVGA類A100 DMD滿足這些條件。當視鏡諧振頻率遠高于100 kHz時，它的機械結構在《5 kHz范圍的沖擊和震動下是堅固耐用的。表4列出了在.3” WVGA類A100 DMD上成功完成的一些關鍵測試。

　　結論

　　隨著ADAS技術在汽車中的應用越來越普及，HUD對車輛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渡，人們對圖像質量、可讀性和可靠性的期望也越來越高。DLP技術已在消費電子和商業(yè)應用中廣泛采用了近二十年，為汽車級芯片奠定了堅實的基礎。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

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

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

　　［3］ 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.