Lasertechnik verbessert Head-up-Displays (HuDs) – auch für Augmented Reality

Head-up-Displays zeigen die Geschwindigkeit, Verkehrszeichen und Richtungspfeile auf der Windschutzscheibe direkt im Blickfeld des Fahrers an. Neueste HUDs basieren auf der Laser-/Scanned-MEMS-Projektion und projizieren ein hochauflösendes farbiges Bild auf die Windschutzscheibe, was das Verfolgen von Farbwechseln bei Verkehrszeichen und Navigationspfeilen vereinfacht. Diese Augmented-Reality-HUDs heben auch andere Objekte hervor, beispielsweise Fußgänger oder Fahrzeuge, die eine Gefahr darstellen können, und erhöhen somit die Aufmerksamkeit des Fahrers.

Bei geringem Umgebungslicht erscheint beim LCD-HUD das auf die Windschutzscheibe projizierte Bild als transparentes Rechteck. Intersil

Laser-/Scanned-MEMS-Projektion im Vergleich zu LCD und DLP

LCD-Panels sind die gängige Technik, die in heute üblichen Automotive-HUD-Systemen zum Einsatz kommt. Dabei nutzt man eine Display-Übertragungstechnik und LED-Hintergrundbeleuchtung, die das gesamte Bild beleuchtet, sobald sie aktiviert ist. Das beleuchtete Bild wird vergrößert, über einen Klappspiegel reflektiert und auf die Windschutzscheibe im Blickfeld des Fahrers projiziert. Die dunklen Pixel des LCD-HUDs entstehen dabei durch Blockieren der Hintergrundbeleuchtung, was bedeutet, dass das LCD weniger übertragungsfähig für diese Pixel ist. Vor allem bei geringem Umgebungslicht lässt sich nicht das gesamte Licht blockieren, so dass das auf die Windschutzscheibe projizierte Bild dann wie ein transparentes Rechteck in Postkartengröße aussieht. Die Fahrzeughersteller sehen dies als Sicherheitsnachteil, da der beleuchtete Bereich den Fahrer ablenkt.

DLP (Digital Light Processing) ist vergleichbar mit LCDs, bietet aber eine bessere Auflösung. DLP basiert auf Tausenden von Mikrospiegeln, die in einer zweidimensionalen Anordnung angebracht sind. Jeder Spiegel in diesem 2D-Array dient als Pixel und wird moduliert, um das einfallende Licht zu reflektieren und die gewünschte Pixelintensität bereitzustellen. Ein zu 100 % helles Pixel weist keine Modulation auf, während ein dunkles Pixel den Spiegel so einstellt, dass er das Licht aus dem bildgebenden Pfad herausreflektiert. Um ein gleichmäßiges Bild zu erhalten, sammelt man das einfallende Licht und fokussiert es auf das 2D-Array – mit gleicher Intensität auf jedem Pixel. Nach einer Vergrößerung und Neuausrichtung projiziert man das reflektierte Bild auf einen Klappspiegel und auf die Windschutzscheibe, ähnlich wie bei einem LCD-HUD.

Ein Laserdiodentreiber ist das Herzstück eines Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssystems für Head-up Displays in Fahrzeugen. Intersil

Ein DLP-Panel ist rechteckig und benötigt eine flache horizontale Oberfläche als Projektionsfläche. Windschutzscheiben sind zwar relativ flach in vertikaler Richtung, aber nicht in horizontaler Richtung. Damit nun ein DLP Informationen auf die Windschutzscheibe projizieren kann, müssen Entwickler eine asphärische Optik verwenden, um die Biegung der Scheibe mit einzubeziehen. Dies vergrößert das HUD-System.

Im Gegensatz zu einem DLP-System nutzt ein Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssystem das verformte Bild des Scan-Spiegels, was die Kosten für die Opto-Mechanik verringert. Die Hauptbestandteile eines Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssystems sind der Laserdioden-Treiber, die Laserdioden, die kleine Strahlformungs- und Ausrichtungsoptik sowie der oszillierende MEMS-Spiegel mit seiner Steuerelektronik. Das System pulst die RGB-Farblaserdioden synchron während es den Spiegel scannt und das Bild dann Pixel für Pixel über das Displayfeld zeichnet, um es auf die Windschutzscheibe zu überlagern.

Der Laser-/Scanned-MEMS-Projektor gepulst jedes Pixel sehr schnell, um volle HD-Auflösung zu erzeugen. Da der Laserstrahl stets fokussiert ist, lässt sich das Bild ohne Refokussieroptik auf die Windschutzscheibe projizieren. Damit verringert sich die Komplexität und Größe des gesamten optischen Systems, so dass sich teure optische Komponenten und deren Montage erübrigen.

Die roten Kästen zeigen typische HUD-Anzeigeflächen, in denen das Projektionssystem die Navigationsinformationen darstellen muss. Intersil

Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssysteme bieten zudem einen besseren elektrischen Wirkungsgrad als bildratenbasierte LCD- oder DLP-Projektionssysteme. Im Gegensatz zu einem Frontprojektor, bei dem das gesamte Display mit einer Präsentation gefüllt ist, füllt die Navigations- und Instrumenteninformation hier nicht die gesamte Displayfläche des HUD-Feldes. Das HUD stellt nur zeitkritische Informationen auf der Windschutzscheibe für eine kurze Zeitdauer dar. Diese Augmented-Reality-Information besteht aus einem Bild, bei dem über 70 % der Displaypixel abgeschaltet sein können. Je nach Information kann das Verhältnis der aktivierten Pixel in Bezug auf die Menge der ausgeschalteten Pixel zwischen 1:3 und 1:6 liegen.

Bei der bildratenbasierten DLP-Technik muss die Lichtquelle unabhängig von der Anzahl aktivierter Pixel das gesamte Pixel-Array ausfüllen. Sie erzeugt erst das Licht für dunkle oder ausgeschaltete Pixel und verwirft diese anschließend wieder, entweder durch Herausreflektieren aus dem Sichtbereich oder durch Blockieren. Dies ist verschwendete Energie, die den Wirkungsgrad eines solchen HUD-Systems verringert. Hinzu kommt, dass diese verschwendete Energie durch Absorption des umgeleiteten Lichts zusätzliche Wärme erzeugt – ganz zu schweigen von der Energie, die für das vorherige Erzeugen des Lichts erforderlich ist. Diese Faktoren erhöhen die Kühlungsanforderungen bildratenbasierter HUD-Systeme und den Energiebedarf.

Ein Laser-/Scanned-MEMS-HUD verbraucht hingegen nur dann elektrische Leistung, wenn für die Navigations- und Instrumenteninformation relevante Pixel auf das Display zu projizieren sind. Dies verringert die elektrischen Anforderungen, was auch die Abwärme und den Aufwand für die Wärmeableitung reduziert. Da Laser-/Scanned-MEMS-HUDs die Treiberelektronik bereits enthalten, sind ihre Projektionsabmessungen kleiner als bei bildratenbasierten HUD-Systemen.

Laserdioden-Treiber für die HUDs der nächsten Generation

Der 4-Kanal-Lasertreiber ISL78365 pulst vier Laserdioden mit hoher Intensität. Intersil

Für künftige HUD-Systeme bietet sich der 4-Kanal-Laserdioden-Treiber ISL78365 von Intersil zur Darstellung von Augmented-Reality-Videoinformation auf Windschutzscheiben an. Der Lasertreiber bietet eine Schnittstelle zum MEMS ASIC, um so ein kompaktes Laser-Scanning-Projektionssystem entwickeln zu können.

Der ISL78365 verfügt über vier schnelle, einstellbare 750-mA-Stromsenken, die den Strom und den optischen Ausgang von bis zu vier Laserdioden regeln, und erlaubt für jede Stromsenke eine unabhängige Farb-, Schwellen- und Skaleneinstellung. Die Anstiegs- und Abfallraten betragen 1,5 ns, was eine HD-Farbvideowiedergabe mit hoher Bildrate ermöglicht. Die flexible parallele Highspeed-Video-Schnittstelle des Lasertreibers unterstützt Full-HD-Projektion und Pixelraten bis 150 MHz oder 1900 Pixels pro Zeile. Um die opto-mechanischen auf elektronischen Layout-Anforderungen zu vereinfachen ermöglicht der Lasertreiber auch das Multiplexing von Pixeldaten.

Dynamisches Power-Management für jede Laserdioden-Stromversorgung und drei Stromsparmodi verringern den Stromverbrauch des Gesamtsystems während der Ausblendzeiten. Die einstellbare Return-to-Zero-Pulsfunktion beseitigt Sprenkel im dargestellten Bild und ein einstellbarer Übertemperaturschutz ermöglicht eine kundenspezifische Thermal-Performance.

Fazit

Ein Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssystem eignet sich für Augmented-Reality-HUDs in Fahrzeugen besser als bildratenbasierte DLP- oder LCD-Displaysysteme. Während ein Laser-HUD-gescanntes Bild nur 25 bis 30 Prozent seiner Pixel aktivieren muss, erfordern DLP- und LCD-HUDs die Ansteuerung aller Bildpixel, um die gleiche Helligkeit zu erzeugen. Um schwarze Pixel darzustellen verschwenden DLP- und LCD-Systeme daher Licht und Energie, was zu einem geringfügig helleren Bereich führt, in dem schwarze Pixel dargestellt werden. Bei Tageslicht und Sonneneinstrahlung mag dies kein Problem darstellen, aber in der Nacht schon. Aus der Sicht des Fahrers kann es eine Ablenkung darstellen, was die Autohersteller inzwischen dazu veranlasst, Laser-/Scanned-MEMS-Projektionssysteme für ihre kommenden Head-up-Displays einzusetzen.

(pet)