1.2 太阳能负载建模在增强现实抬头显示器设计中的重要性

[音乐播放] 大家好，我是德州仪器 (TI) DLP 的 Sam Martin， 今天我们讨论下一代增强现实 抬头显示系统所面临的众多挑战之一 阳光。 您可能想知道为何一个在半导体制造商 德州仪器 (TI)工作的人在这里 谈论汽车抬头显示，因此我们首先 稍微介绍一下相关背景。 DLP 为汽车行业的抬头 显示应用提供MEMS 微镜成像器件。 我们的 DLP3000-Q1 和 DLP5530-Q1 芯片组 已发布并用于生产中。 这些芯片组提供汽车应用 所要求的密封封装和工作 温度。 现在，您可以在林肯 Continental 中 找到使用 DLP 技术的抬头显示。 我们计划为其他两款车型采用该技术，并在 2020 年之前 为 10 款车型采用该技术。 DLP 拥有超过 20 年各种应用的生产 经验，这些应用包括 数字影院、3D 打印和 汽车抬头显示。 当前的 HUD 架构基于 TFT 或 DLP 技术。 它们是类似的，差异仅在于 TFT 架构直接 投影图像，而 DLP 架构使用 散射屏来延迟投影图像。 当阳光进入HUD 光学系统时， 该差异变得非常重要。 散射屏是无源光学元件，能够 简单地将阳光散射开，但 TFT 等直接投影包含必须将 该能量全部吸收的敏感 电子设备。 对于未来的增强现实 HUD 系统而言， 该问题变得更加突出。 那么是什么使得增强现实 HUD 脱颖而出呢？ 当今在公路上的汽车中可以找到的 传统 HUD 用于显示次要或重复的信息。 它们通常具有约两三米的 虚像距离以及小于 10 度的视场。 要实现真正的增强现实， 未来的汽车 HUD将需要更宽的 视场和更长的虚像距离， 以便恰当地将数字内容叠加在现实世界 物体上。 我们将在欧洲和中国看到许多有关 AR HUD 的 活动。 许多项目的目标时间范围为 2020/2021 年， 要求视场比 10度大 5 度，并且 要求 VID 大于 7 米。 不过，这些更长的虚像距离和更高的 视场要求会导致更高水平的阳光 收集和集中，这要高于 在现今道路上传统 HUD 中 看到的水平。 为了研究这种效果， 我一直在使用我们的团队设计和构建的 原型 AR HUD 系统进行一些仿真。 该图像显示了光学设计，其中 包含两个曲面镜和一个散射屏。 您可以看到入射的阳光如何集中在 屏幕平面上。 增大视场将需要更大的 HUD 镜， 因此增加阳光收集面积，这 意味着更多阳光能量将 集中在屏幕上。 不太明显的是，增加虚像 距离会导致阳光集中到 屏幕中更小的点上。 为了理解这一点，让我们来快速了解 一下几何光学。 在这里，我们可以看到一个简单的薄镜头系统， 该系统会生成一个虚像，这与 HUD 的工作方式类似。 发光显示面板或散射屏等 源物体 位于 HUD 光学系统的焦距 以内，从而导致驾驶员在汽车 前方的某个虚像 距离处看到投影并放大的虚像。 物距、像距和系统焦距 之间的关系由高斯成像 公式给出 -- 像距分之一等于物距分之一加上 焦距分之一。 请记住本例中导致物距为 负值的符号规则。 重写该公式，我们可以看到， 为了实现更长的虚像距离或更大的 z，我们必须使分母趋向于 0 或者使 z接近负 f。 这等效于移动源物体，使其 更靠近 HUD 光学器件的焦平面。 当阳光进入光学系统时， 它趋向于聚焦在焦平面上。 传统 HUD 中具有更短 虚像距离的显示源将经历 相对低水平的 阳光集中，因为它离 焦平面不是很近。 为了实现增强现实 HUD 所需的 更长虚像距离，必须 将屏幕移至更靠近焦平面的 位置，从而可能实现更高水平的 阳光集中。 我们的仿真证实了这一点。 这些图像显示了TI AR HUD 原型中 屏幕上的辐照度分布，其中采用了 两种不同的虚像距离配置， 即 7 米和 15 米。 在这两种配置之间，我们看到屏幕上的 峰值太阳辐照度大约 增加了 2 倍。 这些仿真是在阳光源与 HUD 光学 系统的主光线对准的情况下完成的，但我们 很快会发现偏轴输入可能 会糟糕得多。 这两个仿真分别显示了针对轴上和偏轴情况的 屏幕上太阳辐照度分布，前者位于左侧， 后者位于右侧。x 尽管总光通量较小，但局部 辐照度可能要大得多，从而 可能导致光线所照射的任何 位置发生局部损坏。 因此，更长的虚像距离和 偏轴阳光输入会明显导致 更高的辐照度，但这些只是相对变化。 如果我们要作出明智的 设计决策，那么我们需要绝对的数字。 可以预期在这些系统中 产生多大的实际太阳辐照度？ 为了回答该问题，我们需要实际的阳光模型， 以预测太阳辐照度并防止最终产品中 发生热故障。 精确的阳光源模型需要 包含太阳的几何形状、 光谱和地球表面的辐照度。 太阳在天空中形成对象角大约为 0.5 度的 圆盘，在通过大气进行光谱滤波之后， 该光谱分布可以实现高达约 1 千瓦/平方米的 辐照度。 不过，由于挡风玻璃、强光挡板 和可使该光线衰减的其他 HUD 光学元件， HUD 系统中存在一些固有的光谱滤波功能。 由于光谱滤波，该演示中的 仿真假设实际大约 有 25% 的阳光到达屏幕表面。 末尾处链接的白皮书提供了 相关的详细信息。 下一个问题是怎样的输入角 导致了屏幕上最高水平的太阳辐照度？ 使用 MATLAB zmax脚本，我能够 在 HUD 系统上方的一系列角度下扫描 阳光源。 右侧的图显示了作为阳光输入角度的 函数的屏幕上峰值辐照度。 通过该图，我们发现在 15 米的 虚像距离时，最坏情况下的 屏幕上峰值辐照度大约为 57 千瓦/平方米。 务必记住，每个 HUD设计都是不同的， 因此该数字不一定对每个 HUD 系统都正确。 必须执行全面的仿真， 其中包含 HUD光学设计和 每个组件的光谱透射属性， 以便对太阳辐照度进行精确仿真。 不过，AR HUD 系统中太阳能负载增大的 总体趋势保持不变。 任何为 HUD 提供支持的显示技术， 无论是 TFT 面板还是用于 DLP 架构的散射屏， 都必须能够承受这些更高水平的 太阳辐照度。 总而言之，下一代增强现实 HUD 需要 更大的视场和更长的虚像距离， 从而实现更高水平的阳光收集 和集中。 必须对该太阳能负载进行仿真，以预测并 避免热故障。 基于 DLP 技术的HUD 架构使用 可以承受这些更高水平的太阳 辐照度的散射屏。 要了解有关太阳能负载和抬头显示或 一般 DLP 汽车应用的更多信息，欢迎 随时访问其中的任何超链接或访问 ti.com/dlp。