DLP技術做後盾　車用抬頭顯示器具備超寬視角

DLP HUD包含兩大子系統

借助DLP技術為基礎的各種光學設計，相關人員可更靈活運用於解決未來車用HUD系統於光學設計的各種難題、外型規格限制以及熱負載管理等問題。

圖1 典型DLP抬頭顯示系統

DLP車用HUD系統概念包含兩個子系統，即利用DLP控制器晶片的視訊處理與格式化子系統，以及利用Piccolo微控制器(MCU)的LED控制系統。圖1即展示典型DLP HUD系統應用。

DLP HUD系統控制器負責接收與處理來自外部顯示圖像處理器接收到的視訊與指令，它能接收24位元平行視訊數據，其幀率高達60Hz。所接收到的視訊數據透過可編程圖像縮放、灰度、子畫面支援以及邊框調整因素等處理後，再以數位訊號輸出到數位微鏡裝置(DMD)，以呈現最終圖像。DLP HUD系統控制器亦提供啟動紅、綠、藍三色LED的頻閃訊號，與DMD上正在顯示的數據保持同步，從而呈現高亮度、高度色調飽和，以及具有極快顯示速率的高對比度圖像。

基於Piccolo微控制器的LED控制系統負責精準控制整個工作溫度範圍，以及紅、綠、藍三色LED老化範圍內的色彩與亮度。此外，它還支援高動態亮度的自然調光，滿足HUD系統於白天和夜間駕駛情況。

圖2 連續調光模式

LED控制系統採用基於延遲脈衝寬度調變(PWM)控制方法的光通量回饋機制。該控制系統在連續模式(CM)與斷續模式(DM)兩種基礎模式下運作。在連續模式中，整個輸出LED使能脈衝時段都以近直流電(DC)的方式開啟LED光源，持續保持固定的光照數值。在斷續模式中，每段脈衝的幅度由相同的延遲迴路來控制，但只能啟動已觸發的脈衝光源，DLP控制器可計算每個LED具體的脈衝數量。斷續模式在保持控制精準度時，同時允許採用極低的輸出通量值。

LED溫度升高和衰退，將導致系統必須以更高的電流才能產生所需的光通量值。當光通量控制迴路達到所需的光通量之前LED就達到最高電流時，Piccolo微控制器會偵測到這種情況，並相對應地按適當比例調降三種LED光通量值，直到所有LED恢復到光通量回饋機制的控制範圍內。

藉由這種方式，該系統可在LED完整的使用壽命內，提供最佳圖像，並實現終極亮度水平。 LED控制系統透過序列周邊介面(SPI)匯流排接收來自上游控制光源的亮度/調光控制指令，Piccolo微控制器解析LED控制系統的命令，如RGB LED振幅值、連續或斷續模式，並透過專用I2C匯流排來設定DLP晶片控制器。

LED控制系統具高動態範圍

圖3 斷續調光模式

DLP電子系統採用車用級零件，支援HUD系統運作所需的全部功能。電子系統內含影像處理及LED控制系統，針對從白天和夜間亮度差異極大的駕駛狀況提供高動態範圍的調光範圍。

HUD系統應用對動態範圍要求非常高，在白天運作時亮度需要超過15,000cd/m2支援，而在光線非常暗的環境中，顯示的影像不能低於3cd/m2。HUD系統必須在維持目標白點且動態範圍須超過5,000：1的狀況下，保持全色深的影像。LED驅動控制系統專為車用HUD系統應用而開發，已經展示了全系列的功能。

採用Piccolo微控制器的LED驅動控制系統，不僅能管理LED紅、綠、藍三色LED的振幅調變，維持正常的白點，並可同步LED照度與DLP晶片控制器。DLP晶片控制器向DMD和相關的RGB LED訊號使能信號提供高速數據。LED驅動控制電路選用的每個元件都能採用符合車用各種規範標準的零件。

圖4 德州儀器概念系統測到的白光

DLP投影系統運用脈衝寬度調變的紅、綠、藍三色打造全色深影像。在所用標準脈衝寬度調變技術內整合並同步調光功能。系統採用的延遲光通量回饋機制是根據LED的光源輸出，為了獲得更高的亮度，在位段內的時段採用連續回饋機制來維持穩定的振幅。如圖2所示，連續模式下的回饋機制可在100：1的調光範圍運作。

另外，系統也採用斷續模式回饋來產生少量脈衝光，該技術可讓動態範圍能擴展至超過5,000：1。圖3顯示斷續模式下的光脈衝。

LED控制系統能採用連續與斷續的運作模式，展示從15,000cd/m2至低於3cd/m2範圍內的自然調光。圖4顯示依照德州儀器概念系統量測到的資料。

圖5 依照德州儀器概念系統所量測到的白點

除了實現較大動態範圍之外，還須維持白點。從德州儀器概念系統中，採用D65做為白點，D65是大多數高畫質電視(HDTV)所採用的標準。這個白點的目標彩度值為x=0.313，y=0.329。如圖5～6所示，動態範圍內量測到的數據保持接近目標白點，而離目標彩度點的總偏差低於+/-0.01。

圖6 在動態範圍外量測到的白點

總結來說，LED驅動控制系統所採用的車用級零件符合高動態範圍，可滿足白天與夜間各種觀看條件，同時能維持精確的白點控制。

DLP實現超寬視角HUD系統

DLP車用投影系統具備許多特性，能打造出新一代擴增實境顯示所需具備的超寬視角(VWFOV)HUD系統。DLP在光學、機械體積管理及日光熱管理方面具有設計靈活條件，具有明顯的優勢。

HUD系統光學系統的目的是在道路前方數公尺觀看距離中為駕駛呈現虛擬顯示。虛擬顯示上可顯示包含儀表板的各項資訊，包括速度、導航資料或其他即時訊息，用以協助駕駛。用於打造此虛擬顯示的光學元件通常包括一到三個注塑模具非球面鏡片，具體取決於虛擬影像所需的光學校正程度和視野(FOV)範圍。

現有車用HUD系統的影像來源是來自於LED陣列背光的LCD面板。隨著業界轉移至寬視野範圍的HUD系統發展，有些技術是LCD技術很難解決的。DLP投影技術則提供可能的替代HUD系統圖像產生單元(PGU)。

圖7 HUD系統鏡面光學設計概念

隨著HUD系統的視野範圍不斷擴大，採用DLP技術做為車用HUD系統影像來源的優點也越來越顯著。對於視野非常廣的HUD，如擴增實境顯示所需的系統，DLP可能是唯一可行的解決方案，因為其提供符合HUD顯示應用於汽車內所要求的亮度與設計彈性。DLP支援光學設計的彈性，適用於影像品質與機械配置。

基於DLP HUD系統將採用可進行優化的中間成像平面，使HUD鏡面系統在機械方面適合置入汽車的儀表板。透過調整投影鏡頭的投影距離與重調焦距即能輕鬆調整中間畫面大小。

DLP支援HUD光學設計彈性

HUD系統鏡面光學設計受到各種光學與機械要求的限制，這些限制包括寬視野、影像亮度、眼動範圍(Eyebox)大小與位置以及機械封包等。而解析度、圖像朝向和圖像失真等次要限制也同要重要，但對光學數據的影響程度較小。其中，許多限制相互矛盾，例如光學設計相對於視野範圍寬度的機械緊密性。最接近眼動範圍的鏡面尺寸如圖7所示，完全由視野大小、眼動範圍的位置以及尺寸來決定。圖8指出最終HUD系統鏡面尺寸及全視野(FFOV)的比較。

其餘的鏡面尺寸與機械摺疊配置受到HUD系統鏡片光學裝置的中間成像螢幕影響較大。允許中間成像螢幕的尺寸隨著設計限制而變化，可靈活地讓視野非常廣的系統透過摺疊將體積變小，進而嵌入至汽車儀表板。

圖8 全視野與HUD鏡面大小之比較

在DLP HUD系統的概念中，投影圖形單元在中間成像螢幕上產生DMD的小型放大明亮影像。投影螢幕影像透過HUD系統光學裝置加以放大，在駕駛人眼前打造虛擬顯示。HUD系統鏡面光學裝置的設計者不受固定影像尺寸或基於LCD系統的影像放大率限制。可靈活選擇最佳放大倍率或焦距，能夠為設計者帶來許多優勢，可支援替代光學機械摺疊配置。此外，這樣的彈性能減少光學像差，最大限度地降低HUD系統設計的第二與第三鏡面。

對於如15度或以上的寬視角顯示，要保持受到人眼限制的影像解析度就必須提高像素。圖9顯示每個視角最小可辨識解析度。DLP HUD系統能輕易地達到超過1,200以上的像素，從而實現超過20度的寬視角。此外，中間影像的尺寸與像素無關，可支援上述的設計彈性。

納入熱負載考量

DLP PGU系統本身於熱負載管理的表現就相當穩固。主要原因係DLP PGU擁有三個獨立的RGB LED光源，這些光源可在遠離中間成像螢幕，以及相關陽光反射物的遠程位置單獨進行冷卻。

此外，DMD本身可以從LED分離出來，讓DMD進行熱量管理。這對基於DLP HUD系統引擎設計而言將有顯著的系統性能優勢，因此DMD與HUD系統中間成像螢幕是與熱絕緣的。

HUD系統的另一個熱源就是陽光直接照射影像產生元件所產生的輻射。陽光能進入HUD系統的光學鏡面，並聚焦於成像器位置，進而大大增加局部的熱量。對於現今採用LCD的系統而言，冷卻鏡面通常用來協助減少進入成像器的太陽能總量。如果沒有妥善處理，成像器上的太陽能量可能成為LCD面板的隱憂，減損LCD成像器的效能。

相反地，DLP PGU的中間成像螢幕能有效地為成像器與電子元件隔離太陽輻射。透過柔光濾片，系統幾乎捕捉不到太陽輻射，也不會將太陽輻射反射回DMD。中間成像螢幕的柔光濾片是被動光元件，它的設計能夠承受極高程度的太陽輻射且不會降低效能。

圖9 解析度與視野之比較

DMD效能在熱負載下非常穩定可靠，例如影像對比度不會受到DMD受熱所影響。DMD能在炙熱或嚴寒的環境內維持其影像對比度。因此，DLP PGU能在HUD系統要求的各種使用條件下維持正常的運作。

對於擁有寬視野範圍的HUD系統來說，DLP技術在效能、熱管理及光學設計彈性方面提供許多顯著且獨特的優勢。運用DLP PGU，光學設計人員能夠打造任何尺寸的HUD系統顯示來源，從而更加自由地創造性能良好、適合嵌入儀表板的光學設計。

此外，隔離各種熱源讓基於DMD與PGU的HUD系統可在各種嚴苛的環境條件下，更加穩定地運作。寬視角與擴增實境HUD系統可以得益於DLP投影技術所帶來的優勢。

(本文作者任職於德州儀器)