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Die Vorteile der DLP-Technologie bei Head-up-Display-Systemen

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Insbesondere HUD-Systeme mit breitem Sichtfeld und Augmented-Reality-Unterstützung können von den Vorteilen der DLP-Projektion profitieren.
Insbesondere HUD-Systeme mit breitem Sichtfeld und Augmented-Reality-Unterstützung können von den Vorteilen der DLP-Projektion profitieren. (Bild: TI)

Mithilfe einer automobil-spezifischen Digital-Light-Processing-Technologie (DLP), soll sich die nächste Generation von Head-up-Displays (HUD) realisieren lassen. Ein Überblick über die Funktion der mit Solid-State realisierten Ausleuchtung der DLP-Technologie und wie sich mit DLP die Herausforderungen beim HUD-Design bewältigen lassen.

Texas Instruments hat eine DLP-Technologie entwickelt, mit der sich die nächste Generation von Head-up-Displaysysteme (HUD) für Automobil-Anwendungen realisieren lassen. Dank der DLP-Technologie sollen die üblichen Probleme beim Design von Head-up-Displaysystemen, wie etwa der Umgang mit extremen Umgebungsbedingungen und der thermischen Belastung durch Sonnenlicht, die Realisierung eines sehr hellen und hochauflösenden Displays sowie die Implementierung dynamischer Dimmungsfunktionen, gelöst werden. Die auf Projektion basierende Architektur der DLP-Technologie sorgt für die nötige Flexibilität in der optischen Konstruktion, um auf virtuelle Displays mit sehr großem Sichtfeld zu erzeugen, die dem Fahrer wirksam assistieren.

1. Einführung

Die DLP-Projektionstechnik von TI ist eine ausgereifte und in großem Umfang eingesetzte Technik für Display-Anwendungen wie etwa Handheld-Projektoren, Konferenzräume und digitale Kinos. Ebenso geeignet ist sie außerdem für die Anforderungen von AR-HUD-Systemen. DLP-Elektroniksysteme ermöglichen die notwendige Videoverarbeitung und -formatierung für die Anforderungen künftiger HUD-Systeme zur Darstellung von Grafiken und Videobildern.

Bild 1: Typisches Head-up-Displaysystem auf DLP-Basis.
Bild 1: Typisches Head-up-Displaysystem auf DLP-Basis. (Bild: TI)

Das Konzept des LED-Ansteuersystems, das einen großen Dynamikbereich unterstützt, bringt nachgewiesenermaßen die Voraussetzungen für den Einsatz bei Tag und bei Nacht mit. Hinzu kommt, dass optische Konstruktionen auf Basis der DLP-Technologie mehr Flexibilität bieten, wenn es um die Herausforderungen beim Design der Optik, die Restriktionen bezüglich des Formats und den Umgang mit der thermischen Belastung künftiger Automotive-HUD-Systeme geht.

2. Die DLP-Elektronik im Überblick

Das Grundkonzept eines DLP-basierten HUD-Systems ist in Bild 1 zu sehen. Die Videoverarbeitung und -formatierung basiert auf dem Controller-Chip DLPC120-Q1, der den auf dem Piccolo-Mikrocontroller TMS320F28023 basierenden LED-Farbcontroller und -Treiber synchronisiert. Der DLP3030-Q1 erzeugt schließlich das finale Bild aus den vom Controller kommenden formatierten Daten und sorgt für die synchronisierte LED-Ansteuerung.

Der DLPC120-Q1 ist für den Empfang und die Verarbeitung der Videodaten und Befehlen zuständig, die von einem externen Displaygrafik-Prozessor kommen. Er kann 245-Bit-parallele Videodaten mit einer Framerate von 60 Hz verarbeiten. Der DLP-Controller kann das Bild gemäß dem Seitenverhältnis des DMD skalieren, die De-Gamma-Korrektur anwenden und die Anpassung an den Rahmen vornehmen, um die Daten anschließend für die DMD-PWM-Verarbeitung zu formatieren. Darüber hinaus erzeugt der Controller-Chip Strobe-Signale, mit deren Hilfe sich die roten, grünen und blauen LEDs zu den vom DMD dargestellten Daten synchronisieren können. Das Resultat sind kontrastreiche Bilder mit großer Helligkeit und Farbsättigung sowie extrem schnellen Displayraten.

Das auf dem Piccolo-Mikrocontroller basierende LED-Ansteuersystem sorgt für die präzise Kontrolle von Farbe und Helligkeit über den Betriebstemperaturbereich und bei zunehmender Alterung der roten, grünen und blauen LEDs. Er ermöglicht eine höchst dynamische Dimmung, die die Voraussetzung für den HUD-Betrieb bei hellem Sonnenlicht und bei Nacht ist.

Das LED-Ansteuersystem nutzt ein Verfahren zur Rückmeldung des Lichtstroms auf der Basis einer hysteresebehafteten PWM-Regelungsmethode. Der Controller arbeitet dabei in einer von zwei Grund-Betriebsarten, nämlich im kontinuierlichen oder im diskontinuierlichen Modus. Im kontinuierlichen Modus wird die LED nahezu im DC-Betrieb für die gesamte Impulszeit angesteuert und liefert damit gleichmäßig viel Licht. Im diskontinuierlichen Modus dagegen wird die Stärke eines jeden Impulses von der gleichen hysteresebehafteten Regelschleife gesteuert, jedoch werden nur getriggerte Lichtimpulse erzeugt. Dazu wird eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro LED vom DLP-Controller ausgegeben. Mit dieser Betriebsart lassen sich extrem geringe Lichtströme erzeugen, ohne dass Abstriche an der Genauigkeit der Regelung gemacht werden müssen.

Erhöhte LED-Temperaturen und die Alterung der LEDs sorgen dafür, dass höhere Ströme erforderlich sind, um den gewünschten Lichtstrom zu erzeugen. Wenn das entsprechende Regelungssystem den Maximalstrom der LEDs erreicht, bevor der gewünschte Lichtstrom erreicht ist, wird dies vom Piccolo-Mikrocontroller erkannt. Der Baustein reduziert daraufhin proportional die Lichtströme aller drei LED-Gruppen, bis alle LEDs wieder der Lichtstrom-Regelung unterliegen. Auf diese Weise sorgt das System für eine bestmögliche Bilddarstellung, auch wenn die LEDs altern und sich ihrer End-of-Life-Helligkeit nähern.

Das LED-Ansteuersystem erhält seine Helligkeits- und Dimmungsbefehle über einen SPI-Buseingang von einer vorgelagerten Regeleinheit. Der Piccolo-Mikrocontroller wertet die Befehle aus, modifiziert die Amplituden für die RGB-LEDs im kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus und konfiguriert den DLP-Controller über einen speziellen I²C-Bus. Das DLP-Elektroniksystem basiert auf Automotive-tauglichen Bauelementen, die sämtliche für den Betrieb eines HUD-Systems nötigen Funktionen implementieren. Die Elektronik schließt die Videoverarbeitung und ein LED-Ansteuersystem ein, um für den Tag- und Nachtbetrieb eine Dimmung mit großem Dynamikbereich zu ermöglichen.

3. Konzept des LED-Ansteuersystems mit großem Dynamikbereich

Die HUD-Applikation verlangt nach einem sehr großen Dynamikbereich, um bei Tageslicht eine Helligkeit von mehr als 15.000 cd/m² zu unterstützen, während die Helligkeit in dunkler Nacht auf 3 cd/m² reduziert wird. Das HUD-System muss also über einen Dynamikbereich von mehr 5000:1 ein Bild mit voller Farbtiefe bei dem gewünschten Weißpunkt erzeugen können. Diese Fähigkeit hat das speziell für Automotive-HUD-Applikationen entwickelte LED-Ansteuersystem unter Beweis gestellt.

Implementiert ist das LED-Ansteuersystem mit dem Piccolo-Mikrocontroller, der die Modulation der Amplituden für die roten, grünen und weißen LEDs übernimmt, den richtigen Weißpunkt einstellt und die LED-Ausleuchtung mit dem DLP-Controller synchronisiert. Der DLP-Controller schickt die High-Speed-Daten an den DMD und erzeugt die entsprechenden Freigabesignale für die RGB-LEDs. Jede der Lösungen, die für die LED-Ansteuerschaltung ausgewählt wird, lässt sich mit auf Q1-Bauelementen von TI, die den Automotive-Standards entsprechen, implementieren.

Durch die Pulsweiten-Modulation (PWM) von rotem, grünem und blauem Licht erzeugen DLP-Projektionssysteme Bilder mit voller Farbtiefe. Die Dimmungsfunktion ist integriert und wird mit den verwendeten standardmäßigen PWM-Techniken synchronisiert. Das System nutzt eine hysteresebehaftete optische Rückmeldung auf der Basis des von den LEDs tatsächlich erzeugten Lichts. Bei größeren Helligkeiten wird eine kontinuierliche Rückmeldung verwendet, um für eine gleichmäßige Amplitude über die gesamte Dauer eines Bitsegments hinweg zu sorgen. Bild 2 veranschaulicht dies an einem Beispiel. Wie sich gezeigt hat, eignet sich die kontinuierliche Rückmeldung für einen Dimmungsbereich von 100:1.

Bild 2: Kontinuierliche Dimmung.
Bild 2: Kontinuierliche Dimmung. (Bild: TI)

Darüber hinaus benutzt das System eine diskontinuierliche Rückmeldung zum Erzeugen sehr kurzer Lichtimpulse. Diese Technik gestattet eine Ausweitung des Dynamikbereichs auf deutlich über 5000:1. In Bild 3 ist ein Beispiel für den diskontinuierlichen Modus dargestellt.

Bild 3: Diskontinuierliche Dimmung.
Bild 3: Diskontinuierliche Dimmung. (Bild: TI)

Mithilfe des kontinuierlichen und des diskontinuierlichen Modus liefert das LED-Ansteuersystem einen natürlichen Dimmungsbereich von 15.000 cd/m² bis unter 3 cd/m². Bild 4 gibt real gemessene Daten eines Konzeptsystems von TI wieder.

Bild 4: Gemessenes weißes Licht eines TI-Konzeptsystems.
Bild 4: Gemessenes weißes Licht eines TI-Konzeptsystems. (Bild: TI)

Abgesehen vom großen Dynamikbereich muss auch der Weißpunkt eingehalten werden. In dem erwähnten TI-Konzeptsystem wurde als angestrebter Weißpunkt D65 gewählt, wie er auch in den meisten HDTV-Systemen verwendet wird. Dieser Weißpunkt weist eine Ziel-Chromatizität mit den Koordinaten x = 0,313 und y = 0,329 auf. Wie den Bildern 5 und 6 zu entnehmen ist, wird dieser Weißpunkt von den gemessenen Daten über den Dynamikbereich hinweg sehr genau eingehalten. Die Gesamtabweichung von der angestrebten Chromatizität beträgt weniger als ±0,01.

Bild 5: Gemessener Weißpunkt des TI-Konzeptsystems.
Bild 5: Gemessener Weißpunkt des TI-Konzeptsystems. (Bild: TI)

Bild 6: Gemessener Weißpunkt über den Dynamikbereich.
Bild 6: Gemessener Weißpunkt über den Dynamikbereich. (Bild: TI)

Das implementierte LED-Ansteuersystem basiert auf Automotive-tauglichen Bauteilen und erreicht nachgewiesenermaßen einen großen Dynamikbereich für den Betrieb bei Tageslicht und bei Dunkelheit. Dabei wird der angestrebte Weißpunkt mit großer Genauigkeit beibehalten.

4. Das optische System des DLP-basierten Head-up-Displays

DLP-basierte Projektionssysteme für Automobil-Anwendungen bieten Eigenschaften, mit denen sich HUD-Systeme mit dem breiten Sichtfeld (Wide Field of View, WFOV) und der großen Distanz des virtuellen Bilds (Virtual Image Distance, VID) realisieren lassen, die für die Augmented-Realität-Displays der nächsten Generation erforderlich sind. Die DLP-Technik bietet klare Vorteile für die Designflexibilität in der Optik, das mechanische Volumen und das Wärmemanagement unter dem Einfluss von Sonnenlicht.

Das optische System eines Head-up-Displays soll dem Autofahrer ein virtuelles Display präsentieren, das in einer zwischen wenigen Metern und größeren Distanzen liegenden scheinbaren Entfernung auf die Straße projiziert wird. Dieses virtuelle Display kann Informationen aus der Instrumententafel enthalten, wie etwa die Fahrgeschwindigkeit, Navigationsdaten oder andere Echtzeit-Informationen, die den Fahrer unterstützen. Die Optik, mit der dieses virtuelle Display erzeugt wird, besteht meist aus einem bis drei asphärischen Spiegeln, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Zahl der Spiegel richtet sich danach, welches Maß an optischer Korrektur und welches Sichtfeld das virtuelle Bild bieten soll. Bild 7 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Spiegel eines HUD-Systems.

Bild 7: Optisches Designkonzept eines Head-up-Displays.
Bild 7: Optisches Designkonzept eines Head-up-Displays. (Bild: TI)

Als Bildquelle für existierende Automotive-HUDs dient ein LCD-Panel mit einem LED-Array als Hintergrundbeleuchtung. Hierbei ergeben sich allerdings erhebliche Einschränkungen, die sich mit der LCD-Technologie unter Umständen schwierig überwinden lassen, wenn der Trend in der Industrie immer mehr zu HUDs mit weitem Sichtfeld geht. Hier bietet sich die DLP-Projektionstechnologie als potenzielle alternative Bilderzeugungs-Einheit (Picture Generation Unit, PGU) für HUDs an. Die Vorteile dieser neuen Technik fallen umso mehr ins Gewicht, je größer das Sichtfeld der HUDs wird. Bei HUDs mit sehr großem Sichtfeld, wie sie für Augmented-Reality-Displays benötigt werden, ist DLP unter Umständen sogar die einzig sinnvolle Lösung, um die erforderliche Helligkeit und Designflexibilität für die praktische Implementierung in einem Auto zu erreichen.

5. Flexibilität für das optische Design

DLP-basierte HUD-Systeme besitzen eine zwischengeschaltete Bildfläche, die sich so optimieren lässt, dass die HUD-Spiegelsysteme mechanisch in die Armaturentafel eines Autos passen. Die Größe des Zwischenbildschirms lässt sich einfach anpassen, indem man den Projektionsabstand zwischen der Projektionslinse und der Refokussierung variiert. Durch Vergrößern der Entfernung zwischen dem Zwischenbild und der Projektionslinse der PGU ist eine Faltung des optischen Pfads möglich, durch die die mechanische Anordnung der PGU besser in den Platz hinter der Armaturentafel passt.

Das Design der optischen Spiegel für ein HUD unterliegt den verschiedensten optischen und mechanischen Restriktionen, deren wichtigste das Sichtfeld, die Bildhelligkeit, die Größe und Position der Eyebox sowie der mechanische Platzbedarf sind. Nachrangige optische Restriktionen wie etwa die Bildauflösung, der Brechwert und die Verzerrung sind zwar nicht weniger wichtig, haben aber nur subtile Auswirkungen auf die optischen Vorgaben. Viele der Restriktionen stehen im Widerspruch zueinander, wie etwa die Forderungen nach mechanischer Kompaktheit der optischen Konstruktion und nach einem breiten Sichtfeld. Die Größe des Spiegels, der der Eyebox am nächsten gelegen ist (Spiegel 2 in Bild 7) wird vollständig von der Breite des Sichtfelds, der Anordnung der Eyebox bezogen auf die Oberfläche des letzten Spiegels und der Größe der Eyebox vorgegeben. Bild 8 gibt die geschätzte Größe des letzten HUD-Spiegels als Funktion des vollen Sichtfelds wieder. Die in Bild 8 dargestellten Abmessungen beziehen sich auf die Größe von Spiegel 2 im optischen Designkonzept von Bild 7.

Bild 8: Geschätzte Größe des HUD-Spiegels als Funktion der Sichtfeldgröße.
Bild 8: Geschätzte Größe des HUD-Spiegels als Funktion der Sichtfeldgröße. (Bild: TI)

Die Abmessungen der übrigen Spiegel und die Anordnung der optischen Faltung werden in erheblichem Maß von der Größe der zwischengeschalteten Bildfläche in der HUD-Optik bestimmt. Indem man es ermöglicht, die Größe der Zwischenbildebene als Designparameter zu variieren, erhält man die nötige Flexibilität für eine optimale Faltung von Systemen mit breitem Sichtfeld in ein genügend kleines Volumen zur Unterbringung in der Armaturentafel. Zum Beispiel erfordert ein größeres Zwischenbild eine größere Arbeitsdistanz in der HUD-Spiegeloptik. Dieser zusätzliche Platz zwischen den Spiegeln und dem Bildschirm kann ein Falten des optischen Pfads ermöglichen, was wiederum vorteilhaft für die mechanische Konstruktion und die optische Leistungsfähigkeit sein kann.

In dem DLP-basierten HUD-Konzept erzeugt die PGU auf einem Zwischenbildschirm ein kleines und helles, vergrößertes Abbild des DMD. Dieses projizierte Bild wird anschließend von der HUD-Spiegeloptik zu einem virtuellen Bild für den Fahrer vergrößert. Beim Design der HUD-Spiegeloptik bestehen anders als bei LCD-basierten Systemen keine Restriktionen durch eine vorgegebene Spiegelgröße oder die Bildvergrößerung. Die Flexibilität, sich für die beste Vergrößerung oder Brennweite entscheiden zu können, ist ein gravierender Vorteil für die Verringerung der optischen Aberration sowie die Größenminimierung des zweiten und des dritten Spiegels im HUD-Design.

Um ein breites Sichtfeld von Beispielsweise 15° oder mehr zu erreichen, muss die Zahl der Pixel erhöht werden, damit die vom Auge wahrgenommene Bildauflösung beibehalten wird. Das Diagramm in Bild 9 gibt die maximal wahrnehmbare Auflösung bezogen auf das Sichtfeld wieder. DLP-basierte Systeme kommen mit Leichtigkeit auf mehr als 1.000 Pixel, was ein Sichtfeld von über 15° zulässt. Hinzu kommt, dass die Größe des Zwischenbildes unabhängig von der Zahl der Pixel ist, was für die hier beschriebene Designflexibilität sorgt.

Bild 9: Auflösung und Sichtfeld.
Bild 9: Auflösung und Sichtfeld. (Bild: TI)

6. Thermische Belastung

Das DLP-Bilderzeugungssystem ist prinzipbedingt robust im Umgang mit thermischer Belastung. Die DLP-basierte PGU enthält drei separate RGB-LED-Lichtquellen, die jede für sich gekühlt werden können – unabhängig und losgelöst von dem Zwischenbildschirm und etwaigem reflektiertem Sonnenlicht. Der DMD selbst ist ebenfalls von den LEDs separiert, was ein eigenes Wärmemanagement für diesen Baustein ermöglicht. Dies stellt einen entscheidenden Pluspunkt der DLP-basierten HUD-Engines dar, denn der Bilderzeugungs-Baustein (DMD) ist thermisch sowohl vom HUD-Zwischenbildschirm als auch von den Lichtquellen (den LEDs) isoliert.

Eine weitere Wärmequelle in HUD-Systemen ist das direkte Sonnenlicht, das auf den Bilderzeugungs-Baustein trifft. Sonnenlicht kann in die HUD-Spiegeloptik eintreten, gebündelt auf den Imager gelangen und dort eine erhebliche lokale Erwärmung verursachen. In den heutigen LCD-basierten Systemen wird in der Regel ein Kaltlichtspiegel verwendet, um die Menge der auf den Bilderzeuger treffenden Sonnenenergie zu verringern. Wird hier nicht richtig vorgegangen, kann diese fokussierte Sonnenenergie bei LCD-Panels zu einem Problem werden und die Leistungsfähigkeit des LCD-Imagers potenziell beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu entkoppelt der zwischengeschaltete Bildschirm der DLP-basierten PGU die Sonneneinstrahlung effektiv vom Imager und der Elektronik. Dank der Diffusorscheibe gelangt nur sehr wenig Sonnenlicht bis zum DMD. Als passives optisches Element lässt sich diese Diffusorscheibe so konstruieren, dass sie ohne Performance-Einbußen einem hohen Maß an Sonnenstrahlung widersteht.

Die DMD-Performance ist auch bei sehr heißen und kalten thermischen Bedingungen überaus robust. Zum Beispiel werden die Schaltgeschwindigkeit, die Farbe oder der Kontrast des DMD über den vollen Betriebstemperaturbereich des DMD von -40 °C bis +105 °C nicht beeinträchtigt.

Fazit

In HUD-Systemen mit breitem Sichtfeld bietet die DLP-Technologie klare Vorteile in Bezug auf die Leistungsfähigkeit, das Wärmemanagement und die Flexibilität der optischen Konstruktion. Die Fähigkeit zur Erzeugung einer beliebig großen HUD-Bildquelle mit einer DLP-basierten PGU ergibt mehr Freiraum beim Design der Optik eines HUD-Systems, das eine hohe Leistungsfähigkeit erzielt und problemlos in das Armaturenbrett passt. Die Isolation zwischen den Wärmequellen verleiht dem DMD-basierten HUD-System außerdem mehr Robustheit unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Insbesondere HUD-Systeme mit breitem Sichtfeld und Augmented-Reality-Unterstützung können von den Vorteilen der DLP-Projektion profitieren.

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* basierend auf Unterlagen von Texas Instruments

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