Bildverarbeitung

OLED-Mikrodisplays für AR-Anwendungen

09. Juli 2020, 09:30 Uhr   |  David Kallenbach

OLED-Mikrodisplays für AR-Anwendungen
© BHS Technologies

Near-to-Eye-Applikation »RoboticScope« mit OLED-Mikrodisplays

Displays für Augmented Reality stellen hinsichtlich Helligkeit und Kontrast sehr hohe Anforderungen an OLEDs

Ein Chirurg sollte sich auf das Operieren konzentrieren und nicht damit beschäftigt sein, während eines Eingriffs in den unmöglichsten Körperhaltungen Mikroskope zu bedienen. BHS Technologies hat deshalb das Head-Mounted-Display RoboticScope entwickelt. Verantwortlich für die OLED-Displays, die Ansteuerung sowie die Vergrößerungsoptiken war der Partner Framos. Noch vor ein paar Jahren wäre das undenkbar gewesen.

Vorteile von OLEDs

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 mehr 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. 

Grundsätzlich lassen sich NTE-Applikationen mit verschiedenen technologischen Ansätzen lösen, wobei OLEDs hier seit längerem im Trend liegen, etwa bei EVF sowie VR – nur für den AR-Bereich hat bisher die notwendige Helligkeit gefehlt. Eine der etablierten Methoden, um bei den Bildern eine hohe Helligkeit zu erreichen, ist Digital Light Processing (DLP), eine von Texas Instruments entwickelte Projektionstechnik. Dabei erzeugt ein Mikrosystem (MEMS) innerhalb des Projektionswegs ein Bild durch gezielte Reflektion an schwenkbaren Mikro-Spiegeln. 

Das OLED-Mikrodisplay ECX335S ist laut Hersteller prädestiniert für AR-Anwendungen und ein idealer Ersatz für herkömmliche Techniken (DLP, LCD und LCoS)
© Framos

Das OLED-Mikrodisplay ECX335S ist laut Hersteller prädestiniert für AR-Anwendungen und ein idealer Ersatz für herkömmliche Techniken (DLP, LCD und LCoS)

Einen anderen Ansatz stellen Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Displays, LcDs) und LCoS (Liquid Crystal on Silicon) dar, jedoch ermöglichen selbst die neuesten LC-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.

OLEDs versus LCoS-Technik

OLED-Mikrodisplays bauen Bilder sehr schnell auf. Das heißt, die Bewegungsabläufe wirken äußerst flüssig. Aufgrund der hohen Auflösung sind die Ansichten sehr scharf und 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 auch ein tiefes Schwarz realisierbar. Selbst bei niedrigen Grauwerten zeigen OLEDs eine hohe Farbtreue.

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. OLED-Screens zeigen keine Probleme bei niedrigen Temperaturen, wohingegen LCoS ab etwa -10 °C aufgrund der eingeschränkten Bewegungsfreiheit der Flüssigkristalle »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.

Dennoch sind OLED-Screens hinsichtlich ihrer maximal erreichbaren Helligkeit den LCoS 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, zum Beispiel bei industriellen Applikationen mit langjährigen Produktlebenszyklen. Jedoch beheben neueste Entwicklungen diese Problematik bei den meisten Anwendungen bereits. Dafür sorgen zum einen moderne Eigenschaften wie die »Orbit-Funktion« von Sony Semiconductor Solutions, zum anderen aber auch die längere Lebensdauer sowie die gesteigerte Lichtauskopplungseffizienz aktueller OLEDs.

Herausforderungen bei AR-Anwendungen

Speziell im AR-Bereich ist es entscheidend, dass die eingeblendeten Informationsebenen zwar kontrastreich, aber nahtlos erscheinen. OLED-Mikrodisplays müssen diese eingeblendeten Ebenen ohne Farbaufspaltung vollständig transparent darstellen können. Auch erfordern AR-Anwendungen 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. 

Mikrolinsen führen das Licht optimal durch den Farbfilter und verhindern Crosstalk.
© Framos

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° .

Verbesserungen hinsichtlich der Lichtauskopplung lassen sich auch durch die Wahl eines neuen Kathodenmaterials erzielen. 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.

Ein Beispiel für die gelungene Umsetzung der beschriebenen Maßnahmen ist das OLED-Modul ECX335S (Hersteller: Sony Semiconductor), das bereits seit Anfang des Jahres serienmäßig verfügbar ist. Mit Helligkeitswerten von bis zu 3000 cd/m² eignet es sich auch für AR-Anwendungen. Durch den hohen Kontrast des OLED-Mikrodisplays erscheinen zusätzliche Informationsebenen nahtlos und sorgen für ein »reales« AR-Erlebnis. Mit seinem kleinen Formfaktor und einem Kontrastverhältnis von 100.000:1 soll dieses Modul laut Hersteller die Entwicklung innovativer AR-Anwendungen weiter vorantreiben.

Autor: David Kallenbach ist Field Application Engineer und OLED-Experte bei Framos

Genannte Unternehmen: BHS Technologies, Framos, Sony Semiconductor, Texas Instruments

Schlagworte: OLED-Mirkodisplays, Augmented Reality

Quelle: D. Kallenbach: Near-to-Eye-Applikationen mit OLED-Mikrodisplays. medical design 4/2020, S. 36 – 39

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