隨著 LED 和 OLED 技術(shù)的發(fā)展,主要針對(duì)航空電子和軍用市場(chǎng)的頭戴式和近眼式顯示器也許會(huì)得以成真,最終成為一個(gè)切實(shí)可行的應(yīng)用領(lǐng)域。 象谷歌眼鏡這樣的、在商業(yè)領(lǐng)域高調(diào)推出的產(chǎn)品,正讓平視顯示器 (HUD) 概念越來(lái)越可信。
早期嘗試走高性?xún)r(jià)比路線的可穿戴式 HUD 失敗了,主要原因是要么由于體積、重量過(guò)大而不實(shí)用,要么顯示器在陽(yáng)光下亮度不夠?qū)е聼o(wú)法操作。
目前有兩種方法正在開(kāi)發(fā)之中,可以解決顯示器照明方面的難題。 第一種方法是來(lái)自美國(guó)、采用 LED 背光的小型傳統(tǒng) LCD 顯示器。 第二種方法是來(lái)自歐洲、采用不需要 LED 背光的 OLED(有機(jī) LED)顯示器技術(shù)。
本文將簡(jiǎn)要介紹這種兩種方法的開(kāi)發(fā)方向,二者均針對(duì) LCD 和 OLED 顯示應(yīng)用。 然后,重點(diǎn)介紹最新的 OLED 顯示器,解釋其發(fā)光原理及優(yōu)勢(shì)。 我們將以 Newhaven Display International 提供的 NHD 字母數(shù)字和圖形OLED 顯示裝置為例。
雖然 Newhaven 顯示器還沒(méi)有達(dá)到 HUD 和眼鏡要求的體積,但在這類(lèi)應(yīng)用方面已展示出這種技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Α?為方便設(shè)計(jì)人員評(píng)估該產(chǎn)品,該公司還提供了演示板 (NHDEV)。
市場(chǎng)機(jī)會(huì)
按照透明度市場(chǎng)研究 (Transparency Market Research, TMR) 機(jī)構(gòu)1 在其最新發(fā)布的可穿戴技術(shù)報(bào)告中預(yù)測(cè),這一市場(chǎng)到 2018 年將增長(zhǎng)至 58 億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 達(dá)到驚人的 40.8%。 在可穿戴市場(chǎng)中顯示器的發(fā)展機(jī)會(huì),尤其對(duì)柔性顯示器,主要表現(xiàn)在信息娛樂(lè)和軍事/航空航天領(lǐng)域。 TMR 預(yù)計(jì),隨著智能手表和智能眼鏡等技術(shù)的出現(xiàn),信息娛樂(lè)領(lǐng)域到 2018 年將成為可穿戴技術(shù)市場(chǎng)的主要收入來(lái)源。
可穿戴技術(shù)成功的基本條件包括緊湊性、便攜性、靈活性和低功耗。 年輕消費(fèi)群體會(huì)很快接受這類(lèi)技術(shù),這是信息娛樂(lè)領(lǐng)域一股特別強(qiáng)大的推動(dòng)力;同時(shí),其在健康監(jiān)控領(lǐng)域的明顯優(yōu)勢(shì)也將繼續(xù)刺激醫(yī)療和保健領(lǐng)域的增長(zhǎng)。
通用航空
Aerocross Systems 是位于美國(guó)德克薩斯的一家新創(chuàng)公司,即將針對(duì)通用航空領(lǐng)域推出一款低成本平視顯示器。 這種貼近眼睛的頭戴式顯示器被命名為“智能眼 (Brilliant Eyes)”,適用于輕型飛機(jī)駕駛員,它可顯示傳統(tǒng)的“六塊腹肌”排列式信息:高度、飛行方向、垂直速度、氣流速度、水平方向和磁羅盤(pán)。
圖 1:Aircross Systems 的首個(gè)針對(duì)輕型飛機(jī)駕駛員的、采用 LED 背光式 LCD 的“智能眼”數(shù)據(jù)眼鏡原型。
該制造商擁有設(shè)計(jì)軍用顯示器產(chǎn)品的技術(shù)背景,因此對(duì)非常了解當(dāng)前產(chǎn)品的不足之處。 例如,阿帕奇直升飛機(jī)駕駛員采用成本過(guò)高且相當(dāng)笨重的頭盔安裝式單鏡片設(shè)計(jì)顯示目標(biāo)數(shù)據(jù)。 Google 及其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正在開(kāi)發(fā)一種可以安裝到普通眼鏡上的彩色 LCD 屏幕,且價(jià)格足以讓消費(fèi)市場(chǎng)接受,Aerocross 受此啟發(fā),確信自己也可以制造一種切實(shí)可行的平視顯示器。 關(guān)鍵是克服物理方面的難題——制造某種容易穿戴的輕型材料。 第二個(gè)難題是設(shè)計(jì)能使最終產(chǎn)品價(jià)格實(shí)惠的低成本光學(xué)器件。
首個(gè)原型產(chǎn)品采取單眼法,其特點(diǎn)是采用已在平板電視領(lǐng)域發(fā)展成熟的 LED 背光式微型 LCD 設(shè)計(jì)。 來(lái)自圖像的光線穿過(guò)一個(gè)光學(xué)器件模塊,該模塊聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)處的光線,然后將光線注入內(nèi)置于眼鏡中的光學(xué)波導(dǎo)或者眼鏡的聚碳酸酯鏡片中。 試驗(yàn)證明大多數(shù)人能看到清晰的圖像。 然而開(kāi)發(fā)人員說(shuō),始終會(huì)有一少部分飛行員通過(guò)調(diào)整也無(wú)法適應(yīng)近眼式顯示器,或者會(huì)出現(xiàn)惡心和/或視疲勞情況。
最終產(chǎn)品將集成圖像處理器,以便利用連接遠(yuǎn)程傳感器或數(shù)字設(shè)備的無(wú)線鏈路接收數(shù)據(jù)。 雖然原型顯示器能在全日光下工作,但該公司仍在通過(guò)升級(jí) LCD 的背光技術(shù)來(lái)提高亮度。
微型顯示器
這是一種正由德國(guó)德累斯頓 (Dresden) 市弗勞恩霍夫中心 (Fraunhofer Centre) 開(kāi)發(fā)的替代性方法,它采用 OLED 材料來(lái)生產(chǎn)用于數(shù)據(jù)眼鏡的高亮度 (5000 cd/m2) 微型顯示器。 在 200 mm CMOS 背板上實(shí)現(xiàn) OLED 材料構(gòu)造的正交光刻工藝應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場(chǎng)化的低成本生產(chǎn)。
開(kāi)發(fā)人員稱(chēng),該產(chǎn)品的高亮度能充分適應(yīng)不斷增加的實(shí)際應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,虛擬圖像必須與日光環(huán)境平穩(wěn)地融合。 為數(shù)據(jù)化眼鏡設(shè)想的應(yīng)用包括其它外科手術(shù)或動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn),這些應(yīng)用都需要定期獲取參考數(shù)據(jù)。
圖 2:Fraunhofer 采用 OLED 微型顯示器的交互式雙眼數(shù)據(jù)眼鏡。
Fraunhofer COMEDD 使用其 OLED 微型顯示器開(kāi)發(fā)出交互式雙眼數(shù)據(jù)眼鏡(見(jiàn)圖 2)。 用戶(hù)不僅可以正常感知環(huán)境,還能看到微型顯示器上的其它信息。 該設(shè)備可同時(shí)顯示和捕捉圖像,這樣顯示器就能連續(xù)顯示前后連貫的信息,同時(shí)識(shí)別用戶(hù)的交互動(dòng)作。 這類(lèi)交互可能是眼睛或表情動(dòng)作。
OLED 的發(fā)展?jié)摿?/strong>
有機(jī) LED 顯示器是一種相對(duì)較新的技術(shù),主要優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)不需背光,使其比傳統(tǒng) LCD 更薄更輕。 在設(shè)備的兩個(gè)面上形成透明或半透明隱形眼鏡是 OLED 技術(shù)的最新發(fā)展,它能極大地提高對(duì)比度,讓使用者在明亮日光下更易觀察顯示器。 其它優(yōu)勢(shì)包括響應(yīng)時(shí)間更快、視角更寬、外觀顏色更好(含純黑色顯示能力)。
引入靈活的大批量生產(chǎn)方法后,曾經(jīng)是瓶頸的生產(chǎn)成本如今已有可能低于傳統(tǒng) LCD。 此外,OLED 顯示器的典型能耗還不到 LCD 在顯示主要是黑色圖像時(shí)的一半。 用于大多數(shù)其他顯示器應(yīng)用時(shí),OLED 能耗是 LCD 的 60% 到 80%。
在結(jié)構(gòu)方面,OLED 顯示器由置于兩個(gè)導(dǎo)體之間的有機(jī)材料層組成。 然后,這兩個(gè)導(dǎo)體(陽(yáng)極和陰極)被夾在眼鏡頂板(密封層)和底板(基層)之間(圖 3)。
圖 3:OLED發(fā)光原理。 來(lái)源:Newhaven Display International。
在這兩個(gè)導(dǎo)體上施加電流時(shí),有機(jī)材料會(huì)產(chǎn)生明亮的電致發(fā)光光線。 當(dāng)能量從負(fù)電荷層(陰極)經(jīng)有機(jī)材料層到達(dá)陽(yáng)極層時(shí),電子從導(dǎo)電層移動(dòng)到發(fā)射層。 保留在導(dǎo)電層的“空穴”會(huì)“跳躍”至發(fā)射層,與電子重新結(jié)合。 結(jié)果,多余能量就以光的形式釋放,且能通過(guò)眼鏡最外層看到這種光。
為使 OLED 能顯示色彩,就需利用電流激勵(lì) OLED 顯示器上的相應(yīng)像素。 陰極和陽(yáng)極按照相互垂直的形式布置,以形成像素矩陣。 施加到選定陽(yáng)極和陰極帶上的電流決定激活那些像素,以及使那些像素保持關(guān)斷狀態(tài)。
每個(gè)像素又包含紅色、綠色和藍(lán)色子像素。 通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)子像素上的電流強(qiáng)度,會(huì)產(chǎn)生不同的顏色和梯度。 每個(gè)像素的亮度與施加的電流大小成正比。
LCD 的替代品
Newhaven Display International 推出一系列針對(duì)字符和圖形應(yīng)用的 OLED 顯示器。 雖然還不能適合即將到來(lái)的可穿戴應(yīng)用,如數(shù)據(jù)眼鏡或頭戴式顯示器,但 Newhaven 的顯示器已展現(xiàn)出 OLED 技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Α?br />
NHD-0216KZW 是該公司系列產(chǎn)品中最小的標(biāo)準(zhǔn)尺寸字符顯示器之一,體積僅 80 x 36 mm x 10 mm(深)。 該產(chǎn)品旨在作為 LCD 或 VFD 模塊的兼容型替代品,它包括三種模塊,采用藍(lán)、黃或綠兩行 16 個(gè)字符顯示器。 這些模塊采用串行或并行 MPU 接口,具有兼容 LCD 的指令和四個(gè)內(nèi)置字體表。
該公司還提供全色 OLED 產(chǎn)品。 NHD-1.27-12896UGC3 的體積為 45 x 45 x 5 mm,具有 128 x 96 像素,可顯示 262 k 色彩。 這些 18 位彩色無(wú)源矩陣顯示器具有 160° 寬視角,據(jù)稱(chēng)能夠顯示比 LCD 更鮮艷、清晰的圖像,并且由于具有 10 μs 快速響應(yīng)時(shí)間,能實(shí)現(xiàn)更快、更平滑的圖形動(dòng)畫(huà)。 這種一體式低功耗設(shè)計(jì)包括一個(gè)含所需全部邏輯器件的模塊,其中包括具有內(nèi)置睡眠模式的控制器。 該裝置僅需單接口電源(3 V 或 5 V)。
該公司還提供 NHDev 開(kāi)發(fā)板,用于評(píng)估 Newhaven 的字符和圖形 OLED 顯示器,或?qū)ζ溥M(jìn)行原型開(kāi)發(fā)。 該開(kāi)發(fā)板已預(yù)先經(jīng)過(guò)編程,能支持系列內(nèi)的各種顯示器。 該開(kāi)發(fā)板基于 STM332F103 Cortex-M3 微控制器,配備預(yù)先加載了圖像和文本文件的 SD 卡。
結(jié)論
OLED 不需要背光,可以做得非常薄并最終實(shí)現(xiàn)柔性化,成為可穿戴應(yīng)用的理想顯示器件。 低功耗、高對(duì)比度、快速響應(yīng)時(shí)間以及日光下顯示,也是諸如數(shù)據(jù)眼鏡、頭戴式顯示器等設(shè)備的理想特性。 低成本、大批量制造工藝最終會(huì)使 OLED 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,不僅可以用在消費(fèi)和汽車(chē)信息娛樂(lè)應(yīng)用的可穿戴設(shè)備方面,而且還以用在醫(yī)療和航空領(lǐng)域。
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