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透明OLED顯示器導入人眼互動功能

上網時間: 2014年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:頭戴式顯示器  微型顯示器  眼鏡  影像感測器  OLED 

作者: Dr. Uwe Vogel,Fraunhofer IPMS微型顯示器與感測事業部負責人

基於有機發光二極體(OLED)的微型顯示器已可實現很高的光學性能,不僅擁有優異的對比度和更大動態範圍,而且可實現很低的功耗。它們採用直接發光機制,無需額外背光,因此外形尺寸可以做得很小且重量很輕,非常適合行動式近眼(NTE)應用,如電子取景器或頭戴式顯示器(HMD)。

在許多先進的應用中,微型顯示器一般作為純單向的輸出裝置。在整合額外的影像感測器後,微型顯示器的功能可擴展為雙向的光學輸入/輸出裝置。主要目標是在透明頭戴式顯示器應用中實現眼睛追蹤功能,從而提供基於凝視的「人-顯示器」互動效果。

雖然今天的行動資訊系統(如智慧型手機和平板電腦)通常都以觸控控制,但具有先進畫素數且幾何尺寸大幅縮小的微型顯示器在消費電子產品中已經找到用武之地,例如數位相機中的電子取景器。基於OLED的微型顯示器在視訊和資料顯示領域將會有很好的發展前景,特別是當它們還能用來作為輸入通道時。

現在,OLED技術已能將高效率的光源和光檢測器整合在CMOS基板上(即OLEDoS;OLED-on-CMOS),因而可在矽晶片的基礎上實現完全整合的光電和智慧應用。我們可在同一晶片上實現微型發光器和接收器,例如以陣列類型的結構實現「雙向OLED微型顯示器」,從而使一款裝置可在同一地方甚至同一時間再現和擷取影像。

上述技術可成為用於個人資訊管理的全新一代裝置基礎:向使用者再現資訊,同時以光學方式辨識使用者的互動意圖。例如可攜式雙向微型顯示器的增強實境(AR)眼鏡,這一類裝置可有意或無意地饋送因應操作環境的視覺資訊,並透過單獨的眼球移動進行控制。

雙向OLED微型顯示器與光學元件

為了採用標準CMOS製程實現高性能的OLED特性,必須修改頂部金屬層。OLED相容的頂部金屬層通常要求在可見光(VIS)範圍內具有高的反射率、平滑的表面以防止OLED堆疊短路並避免氧化。頂部的發光OLED具有一個反射性底部電極和透明的頂部電極。在這些電極之間,帶摻雜傳輸層的OLED堆疊與三重發射器系統共同組成高效率且低壓的發光器。修改後的頂部金屬層用作底部電極,它決定了OLED畫素的形狀和尺寸。在底部電極下方留有空間可用於進一步整合驅動電路。光檢測元件是透過p基板中的n阱擴散而實現的。透過使用這種結構可在單個CMOS晶片上實現整合驅動電路的發光與光檢測元件。

雙向OLED微型顯示器的OLEDoS建置橫截面及其功能。
圖1:雙向OLED微型顯示器的OLEDoS建置橫截面及其功能。

雙向微型顯示器的有效區域是由嵌套的顯示器和影像感測器(內建錄影機)畫素組成,周圍環繞第二個影像感測器以及驅動電路和控制電路,如圖1。

顯示器和影像感測器系統在電氣上是彼此獨立的,彼此間僅透過同步訊號產生互動。這種雙向微型顯示器的潛在問題是在顯示器和攝影機之間存在光學串擾。不過這種串擾可經由以時間順序操作顯示器和攝影機加以抑制。

雙向近眼光學元件的光學原理。
圖2:雙向近眼光學元件的光學原理。

光學系統由兩個非球面鏡、一個光束分離器和一個微型顯示器組成(如圖2)。非球面鏡採用雙色塗覆,可反射顯示路徑中的可見光(VIS,380nm-780nm),也可以反射攝像頭路徑中的近紅外光(NIR;780nm-1100nm)。因此,系統允許投影自然環境視像中的虛擬影像。OLED的可見光穿過光束分離器,從底側的非球面鏡反射回來,然後經由光束分離器底邊反射到眼睛。此外,眼睛被發出850nm波長的兩個近紅外二極體所照亮。這個波長可以改善擷取到的影像中瞳孔和虹膜之間的對比度。二極體放置在形成黑暗瞳孔影像的攝影機光軸的外部。

根據這些原理,我們就能夠將一個VGA雙向OLED微型顯示器設計成雙眼互動透明的頭戴式元件。這裡的嵌入式嵌套攝影機作為眼睛追蹤式影像感測器。光學元件的尺寸為45mm×35mm,深度為35mm。圖3顯示擷取到的眼睛影像,光學元件提供從使用者眼睛到內建影像感測器的銳利且高對比投影。對兩隻眼睛來說,雙向光學元件安裝在符合人體工學且整合驅動電路的訊框內。顯示器為每只眼睛提供640×480畫素(VGA),而影像感測器是128×96畫素。顯示器的透明度為50%,可在750mm距離處產生虛擬影像,視角為20°×21.6°。

擷取到的眼睛影像(左)以及透明頭戴式顯示器(右)。
圖3:擷取到的眼睛影像(左)以及透明頭戴式顯示器(右)。

 Google眼鏡和COMEDD數據眼鏡的性能比較。
表1:Google眼鏡和COMEDD數據眼鏡的性能比較。

(參考原文:See-through OLED display goes eye-interactive,by Dr. Uwe Vogel)





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