OLED头戴式眼镜的发展潜力

OLED头戴式眼镜的发展潜力2015-01-16随着LED和OLED技术的发展，主要针对航空电子和军用市场的头戴式和近眼式显示器也许会得以成真，最终成为一个切实可行的应用领域。象谷歌眼镜这样的、在商业领域高调推出的产品，正让平视显示器(HUD)概念越来越可信。早期尝试走高性价比路线的可穿戴式HUD失败了，主要原因是要么由于体积、重量过大而不实用，要么显示器在阳光下亮度不够导致无法操作。目前有两种方法正在开发之中，可以解决显示器照明方面的难题。第一种方法是来自美国、采用LED背光的小型传统LCD显示器。第二种方法是来自欧洲、采用不需要LED背光的OLED（有机LED）显示器技术。本文将简要介绍这种两种方法的开发方向，二者均针对LCD和OLED显示应用。然后，重点介绍最新的OLED显示器，解释其发光原理及优势。我们将以NewhavenDisplayInternational提供的NHD字母数字和图形OLED显示装置为例。虽然Newhaven显示器还没有达到HUD和眼镜要求的体积，但在这类应用方面已展示出这种技术的发展潜力。为方便设计人员评估该产品，该公司还提供了演示板(NHDEV)。市场机会按照透明度市场研究(TransparencyMarketResearch,TMR)机构1在其最新发布的可穿戴技术报告中预测，这一市场到2018年将增长至58亿美元，年复合增长率(CAGR)达到惊人的40.8%。在可穿戴市场中显示器的发展机会，尤其对柔性显示器，主要表现在信息娱乐和军事/航空航天领域。TMR预计，随着智能手表和智能眼镜等技术的出现，信息娱乐领域到2018年将成为可穿戴技术市场的主要收入来源。可穿戴技术成功的基本条件包括紧凑性、便携性、灵活性和低功耗。年轻消费群体会很快接受这类技术，这是信息娱乐领域一股特别强大的推动力；同时，其在健康监控领域的明显优势也将继续刺激医疗和保健领域的增长。通用航空AerocrossSystems是位于美国德克萨斯的一家新创公司，即将针对通用航空领域推出一款低成本平视显示器。这种贴近眼睛的头戴式显示器被命名为“智能眼(BrilliantEyes)”，适用于轻型飞机驾驶员，它可显示传统的“六块腹肌”排列式信息：高度、飞行方向、垂直速度、气流速度、水平方向和磁罗盘。图1：AircrossSystems的首个针对轻型飞机驾驶员的、采用LED背光式LCD的“智能眼”数据眼镜原型该制造商拥有设计军用显示器产品的技术背景，因此对非常了解当前产品的不足之处。例如，阿帕奇直升飞机驾驶员采用成本过高且相当笨重的头盔安装式单镜片设计显示目标数据。Google及其竞争对手正在开发一种可以安装到普通眼镜上的彩色LCD屏幕，且价格足以让消费市场接受，Aerocross受此启发，确信自己也可以制造一种切实可行的平视显示器。关键是克服物理方面的难题——制造某种容易穿戴的轻型材料。第二个难题是设计能使最终产品价格实惠的低成本光学器件。首个原型产品采取单眼法，其特点是采用已在平板电视领域发展成熟的LED背光式微型LCD设计。来自图像的光线穿过一个光学器件模块，该模块聚焦无穷远处的光线，然后将光线注入内置于眼镜中的光学波导或者眼镜的聚碳酸酯镜片中。试验证明大多数人能看到清晰的图像。然而开发人员说，始终会有一少部分飞行员通过调整也无法适应近眼式显示器，或者会出现恶心和/或视疲劳情况。最终产品将集成图像处理器，以便利用连接远程传感器或数字设备的无线链路接收数据。虽然原型显示器能在全日光下工作，但该公司仍在通过升级LCD的背光技术来提高亮度。微型显示器这是一种正由德国德累斯顿(Dresden)市弗劳恩霍夫中心(FraunhoferCentre)开发的替代性方法，它采用OLED材料来生产用于数据眼镜的高亮度(5000cd/m2)微型显示器。在200mmCMOS背板上实现OLED材料构造的正交光刻工艺应该能实现大规模市场化的低成本生产。开发人员称，该产品的高亮度能充分适应不断增加的实际应用，在这些应用中，虚拟图像必须与日光环境平稳地融合。为数据化眼镜设想的应用包括其它外科手术或动物科学实验，这些应用都需要定期获取参考数据。图2：Fraunhofer采用OLED微型显示器的交互式双眼数据眼镜FraunhoferCOMEDD使用其OLED微型显示器开发出交互式双眼数据眼镜（见图2）。用户不仅可以正常感知环境，还能看到微型显示器上的其它信息。该设备可同时显示和捕捉图像，这样显示器就能连续显示前后连贯的信息，同时识别用户的交互动作。这类交互可能是眼睛或表情动作。OLED的发展潜力有机LED显示器是一种相对较新的技术，主要优点是工作时不需背光，使其比传统LCD更薄更轻。在设备的两个面上形成透明或半透明隐形眼镜是OLED技术的最新发展，它能极大地提高对比度，让使用者在明亮日光下更易观察显示器。其它优势包括响应时间更快、视角更宽、外观颜色更好（含纯黑色显示能力）。引入灵活的大批量生产方法后，曾经是瓶颈的生产成本如今已有可能低于传统LCD。此外，OLED显示器的典型能耗还不到LCD在显示主要是黑色图像时的一半。用于大多数其他显示器应用时，OLED能耗是LCD的60%到80%。在结构方面，OLED显示器由置于两个导体之间的有机材料层组成。然后，这两个导体（阳极和阴极）被夹在眼镜顶板（密封层）和底板（基层）之间（图3）。图3：OLED发光原理在这两个导体上施加电流时，有机材料会产生明亮的电致发光光线。当能量从负电荷层（阴极）经有机材料层到达阳极层时，电子从导电层移动到发射层。保留在导电层的“空穴”会“跳跃”至发射层，与电子重新结合。结果，多余能量就以光的形式释放，且能通过眼镜最外层看到这种光。为使OLED能显示色彩，就需利用电流激励OLED显示器上的相应像素。阴极和阳极按照相互垂直的形式布置，以形成像素矩阵。施加到选定阳极和阴极带上的电流决定激活那些像素，以及使那些像素保持关断状态。每个像素又包含红色、绿色和蓝色子像素。通过调节每个子像素上的电流强度，会产生不同的颜色和梯度。每个像素的亮度与施加的电流大小成正比。LCD的替代品NewhavenDisplayInternational推出一系列针对字符和图形应用的OLED显示器。虽然还不能适合即将到来的可穿戴应用，如数据眼镜或头戴式显示器，但Newhaven的显示器已展现出OLED技术的发展潜力。NHD-0216KZW是该公司系列产品中最小的标准尺寸字符显示器之一，体积仅80x36mmx10mm（深）。该产品旨在作为LCD或VFD模块的兼容型替代品，它包括三种模块，采用蓝、黄或绿两行16个字符显示器。这些模块采用串行或并行MPU接口，具有兼容LCD的指令和四个内置字体表。该公司还提供全色OLED产品。NHD-1.27-12896UGC3的体积为45x45x5mm，具有128x96像素，可显示262k色彩。这些18位彩色无源矩阵显示器具有160°宽视角，据称能够显示比LCD更鲜艳、清晰的图像，并且由于具有10μs快速响应时间，能实现更快、更平滑的图形动画。这种一体式低功耗设计包括一个含所需全部逻辑器件的模块，其中包括具有内置睡眠模式的控制器。该装置仅需单接口电源（3V或5V）。该公司还提供NHDev开发板，用于评估Newhaven的字符和图形OLED显示器，或对其进行原型开发。该开发板已预先经过编程，能支持系列内的各种显示器。该开发板基于STM332F103Cortex-M3微控制器，配备预先加载了图像和文本文件的SD卡。结论:OLED不需要背光，可以做得非常薄并最终实现柔性化，成为可穿戴应用的理想显示器件。低功耗、高对比度、快速响应时间以及日光下显示，也是诸如数据眼镜、头戴式显示器等设备的理想特性。低成本、大批量制造工艺最终会使OLED实现商业化，不仅可以用在消费和汽车信息娱乐应用的可穿戴设备方面，而且还以用在医疗和航空领域。