Near-to-Eye-Applikationen mit OLED-Mikrodisplays  – FRAMOS
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Near-to-Eye-Applikationen mit OLED-Mikrodisplays 

Near-to-Eye-Applikationen mit OLED-Mikrodisplays 

Displays für Augmented Reality (AR) stellen hinsichtlich Helligkeit und Kontrast höhere Anforderungen an OLEDs (Organic LEDs) als VR-Anwendungen. Durch eine geschickte Kombination verschiedener Maßnahmen steigert Sony Semiconductor Solutions die Helligkeit von OLED-Mikrodisplays bei gleichbleibender Lebensdauer um das Dreifache. Damit sind diese Displays nun auch für den stark wachsenden AR-Markt geeignet. 

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der organischen Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs) große Fortschritte gemacht. Hierbei handelt es sich um leuchtende Dünnschichtbauelemente aus organischen Halbleitern, die in immer neuen Anwendungen vorkommen, auch in Near-to-Eye- (NTE-) Applikationen. Dabei kann es sich um elektronische Sucher (Electronic Viewfinder, EVF) oder Head-Mounted-Displays (HMDs) handeln. Letztere kommen in Anwendungen der virtuellen Realität (VR) und der Augmented Reality (AR) ebenso vor wie in Systemen, die die natürliche Wahrnehmung eines Nutzers mit einer künstlichen, computererzeugten Wahrnehmung mischen (Mixed Reality, MR). 

Grundsätzlich können anspruchsvolle NTE-Applikationen mit verschiedenen technologischen Ansätzen gelöst werden, wobei OLEDs hier seit längerem voll im Trend liegen, etwa bei EVF und auch VR – nur für den AR-Bereich hat bisher die notwendige Helligkeit gefehlt. Eine der etablierten Methoden zur Erzeugung von Bildern mit hoher Helligkeit ist Digital Light Processing (DLP), eine von Texas Instruments entwickelte Projektionstechnik, bei der ein Mikrosystem (MEMS) innerhalb des Projektionswegs ein Bild durch gezielte Reflektion an schwenkbaren Mikro-Spiegeln erzeugt. Einen anderen Lösungsansatz stellen Flüssigkristallanzeigen LCDs (Liquid Crystal Displays) und LCoS (Liquid Crystal on Silicon) dar, jedoch ermöglichen selbst die neuesten LCoS-Varianten aufgrund ihrer inhärenten, lichtblockenden Displaystruktur keine vollständige Abdunkelung der Schwarzwerte. Deshalb ist hier das Schwarz eher ein dunkles Grau, was dazu führt, dass diese Displays Schwächen beim Kontrast zeigen (Bild 2). 

Contrast comparison: LCDs (right) perform worse than OLED displays Figure 2: Kontrastvergleich: LCDs (rechts) schneiden schlechter ab als OLED-Displays 

Bestechende Vorteile von OLEDs 

n den letzten Jahren haben Hersteller wie Sony Semiconductor Solutions an wichtigen Stellschrauben gedreht, um OLED-Mikrodisplays auch für AR-Anwendungen zu optimieren, wobei es auf große Helligkeit, guten Kontrast und geringe Leistungsaufnahme ankommt. 

Generell kommen OLED-Displays in NTE-Applikationen schon seit Jahren zum Einsatz – und jetzt ist die Zeit reif für den AR-Bereich aufgrund ihrer stark verbesserten Helligkeit. Sie gelten heute als echte Alternative zur DLP- und LCoS-Technik. 

OLED-Mikrodisplays bieten eine ultrahohe Auflösung und hohe Helligkeit in winzigen Display- Abmessungen. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs, ihrer kleinen Abmessungen und der vereinfachten Ansteuerelektronik eignen sich OLED-Mikrodisplays hervorragend für kleine und stromsparende Embedded-Systeme. Ausgestattet mit einer dedizierten Optik zur Vergrößerung der winzigen Displayoberfläche können OLED-Mikrodisplays recht einfach in NTE- und Projektionsanwendungen integriert werden. 

OLED-Mikrodisplays bauen Bilder sehr schnell auf, d. h. die Bewegungsabläufe wirken äußerst flüssig (Bild 3). Aufgrund der hohen Auflösung sind die Ansichten extrem scharf und sehr kontrastreich. Speziell bei schrägem Blickwinkel wirken die Farben immer noch kräftig. Neben sattem Rot, Grün und Blau fällt das besonders beim tiefen Schwarz positiv auf. Denn anders als die LCoS-Technik haben OLED-Displays keine Hintergrund-Beleuchtung: Jeder einzelne Subpixel leuchtet selbst – oder eben nicht. Somit ist ein tiefes Schwarz realisierbar. 

Figure 3: Keine Artefakte: OLED-Mikrodisplays reagieren schneller (rechts)

Vergleich mit LCoS-Technik 

Die Reaktionszeit marktüblicher OLED-Displays liegt im Mikrosekundenbereich. Grob lässt sich sagen, dass sie über 1000-mal schneller als LCoS-Displays reagieren. Beim Kontrast, also beim Unterschied zwischen hellen und dunklen Bereichen eines Bildes, erzielen moderne OLED- Mikrodisplays ein Verhältnis von 100.000:1 im Gegensatz zu 150:1 wie bei den LCoS-Displays. Selbst bei niedrigen Grauwerten zeigen OLEDs eine hohe Farbtreue. Ihre Leuchtkraft erzielen sie mit niedriger Leistungsaufnahme, denn sie benötigen keine Hintergrund-Beleuchtung. Sie zeigen keine Probleme bei niedrigen Temperaturen, wohingegen LCoS ab etwa -10 C aufgrund ihrer Reaktionszeit „träge“ reagieren können. Zudem punkten sie mit einer hohen Pixeldichte und Auflösung. Deshalb ersetzen OLED-Displays in vielen Anwendungen zunehmend die heute verbreitete LCoS-Technik (Bild 4). 


Figure 4: OLED-Mikrodisplays erobern immer mehr Anwendungen 

Gleichwohl sind OLED-Screens hinsichtlich ihrer maximal erreichbaren Helligkeit den LCoS grundsätzlich unterlegen. Auch das altbekannte Problem des „Einbrennens“ von OLED-Displays, also die unterschiedliche Alterung und damit auch die unterschiedliche Helligkeit von benachbarten Pixeln bei immer wiederkehrendem Bildschirminhalt, stellt ihre Tauglichkeit in Frage, z.B. bei industriellen Applikationen mit langjährigen Produktlebenszyklen. Jedoch beheben neueste Entwicklungen rund um die OLED-Mikrodisplay-Technologie diese Problematik bei den meisten Anwendungen bereits. Dafür sorgen zum einen moderne Features wie die 

„Orbit-Funktion“ von Sony Semiconductor Solutions, zum anderen aber auch generell die längere Lebensdauer sowie die gesteigerte Lichtauskopplungseffizienz aktueller OLEDs. 

Herausforderungen und Lösungen für EVF und VR 

In EVFs und HMDs für VR-Anwendungen ist der Bauraum naturgemäß eng begrenzt. Deshalb wird ein kleiner Display-Formfaktor von Entwicklern sehr geschätzt. Zur Vergrößerung des Sichtfelds bei gleichem Format, ist es sinnvoll, die Auflösung zu erhöhen, indem der Pixelabstand verkleinert wird. Hatten die OLED-Mikrodisplays der zweiten Generation von Sony Semiconductor Solutions noch einen Pixelabstand von 7,8 µm (3.300 ppi), so konnte der Hersteller diesen Wert In der aktuellen Generation auf 6.3 µm verkleinern, was eine Pixeldichte von mehr als 4.000 ppi mit entsprechend höherer Auflösung bei gleichem Formfaktor bedeutet. 

Hierbei hat sich gezeigt, dass durch eine Anpassung der Emissionsstruktur mit Farbfiltern die Emissionseffizienz erhöht und zugleich eine längere Lebensdauer erzielt werden kann. So wird der Farbfilter im modernen OLED-Herstellungsprozess direkt auf dem Siliziumsubstrat aufgetragen. Mit einem solchen On-Chip-Color-Filter- (OCCF-) Array verringert sich der Abstand zur lichtemittierenden Schicht. Damit wird die Möglichkeit zum optischen Übersprechen (Photonen-Crosstalk) stark reduziert. Außerdem verbessert sich der Blickwinkel auf den Pixel, da sich der Filter nun näher am Subpixel befindet, wodurch der Strahlungswinkel und damit der Blickwinkel vergrößert wird (Bild 5). 

Figure 5: Vergleich von OCCF-Design mit herkömmlichem OLED-Aufbau

Diese Fortschritte machen sich VR-Entwickler zunutze – und sie erzielen mit aktuellen OLED-Mikrodisplays von Sony Semiconductor Solutions sehr gute Ergebnisse. Ein typisches 0,5-Zoll-Mikrodisplay für VR-Anwendungen ist das ECX339A, das mit einer UXGA-Auflösung von 1600 x 1200 Pixeln, einer Bildrate von 120 fps und einem Kontrastverhältnis von 100.000:1 hervorragend für VR-Anwendungen geeignet ist. Mit einem minimalen Pixelabstand von 6,3 µm hat das kleine Display eine hohe Pixeldichte von 4032 ppi. Die maximale Helligkeit von 1000 cd/m2 ist für VR vollkommen ausreichend, aber für AR nicht optimal. Jedoch gibt es hierfür zwischenzeitlich hervorragende Alternativen. 

Herausforderungen und Lösungen für AR 

Speziell im AR-Bereich ist es ganz entscheidend, dass die in Wearables eingeblendeten Informationsebenen zwar kontrastreich, aber nahtlos erscheinen. OLED-Mikrodisplays müssen diese eingeblendeten Ebenen ohne Farbaufspaltung vollständig transparent darstellen können (Bild 6). Auch erfordern AR-Anwendungen im Wearable eine Helligkeit von über 1000 cd/m2. Das bedeutet für das OLED-Mikrodisplay, dass es, bedingt durch Übertragungsverluste während der Projektion, mindestens einen Sollwert von 3000 cd/m2 aufweisen muss. Deshalb ist Sony Semiconductor Solutions bestrebt, die Helligkeit der Mikrodisplays noch weiter zu optimieren. 

Figure 6: OLED-Mikrodisplays blenden die zusätzliche Informationsebene nahtlos ein (rechts)

Figure 7: Mikrolinsen führen das Licht optimal durch den Farbfilter und verhindern Crosstalk 

Die Forderung nach höheren Helligkeitswerten führt zu Veränderungen im Lithografie-Prozess. Eine Maßnahme, die aus dem Sensorbereich stammt, ist die Anwendung von speziell geformten (halbkugelförmigen) Mikrolinsen, die im Glassubstrat direkt auf die Farbfilter aufgebracht werden. Diese sorgen bei der Lichtauskopplung aus jedem Subpixel dafür, dass das Licht so fokussiert wird, dass es den Filter ohne optisches Übersprechen eindeutig in seinen Rot-, Grün- oder Blau-Bereichen durchstrahlt. Damit werden Helligkeitswerte um das 1,8-fache erhöht und Farbverfälschungen verhindert, selbst bei starken Blickwinkel- Änderungen von +/-50° (Bild 7). 

Weiterhin erzielt Sony Semiconductor Solutions durch die Wahl eines neuen Kathodenmaterials erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Lichtauskopplung. Anstatt einer Magnesium-Silberlegierung hat sich die Verwendung einer hochtransparenten und sehr leitfähigen Zinkoxid-Legierung bewährt. Damit verbessert sich beispielsweise bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm die ausgekoppelte Lichtintensität um den Faktor 1,6. Da sich die Änderung des Kathodenmaterials auf unterschiedliche Wellenlängen anders auswirkt, müssen die Transmissionseigenschaften der Farbfilter entsprechend angepasst werden. Über das gesamte Spektrum hinweg lässt sich durch die Änderung des Kathodenmaterials insgesamt eine Verbesserung der Lichtauskopplung um den Faktor 1,3 erzielen. 

Neues OLED-Modul ebnet den Weg für AR-Anwendungen 

Ein Beispiel für die gelungene Umsetzung der beschriebenen Maßnahmen ist das Sony OLED-Modul ECX335S. Es bietet Spitzenwerte bei der Helligkeit bis 3000 cd/m2 und ist damit speziell für AR- Anwendungen geeignet. Durch den hohen Kontrast des OLED-Mikrodisplays erscheinen zusätzliche Informationsebenen nahtlos und sorgen für ein „reales“ AR-Erlebnis.

Das ECX335S bietet eine derzeit unübertroffene Kombination aus Full-HD-Auflösung und gleichzeitig überragender Helligkeit von bis zu 3.000 cd/m2. Mit seinem extrem kleinen Formfaktor und einem Kontrastverhältnis von 100.000:1 wird dieses Modul die Entwicklung innovativer AR-Lösungen weiter vorantreiben. Dieses Beispiel zeigt, dass OLED-Mikrodisplays in NTE-Anwendungen und zunehmend auch in anspruchsvollen AR-Applikationen zum Einsatz kommen. 

About the Author

David Kallenbach ist Field Application Engineer und OLED-Experte bei FRAMOS in Taufkirchen. Nach seinem Master in Physik mit dem Schwerpunkt Nanostrukturen in Halbleitern sammelte er als Technical Sales Engineer für industrielle Displays basierend auf der LCD-, TFT- und OLED-Technologie internationale Erfahrung auf diesem Gebiet. Er ist einer der führenden OLED-Experten im technischen Supportteam von FRAMOS, der es versteht, die Anforderungen der Kunden zu berücksichtigen und Hand in Hand mit führenden Technologie- Anbietern zusammenzuarbeiten.

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