{"id":917,"date":"2022-02-22T15:04:10","date_gmt":"2022-02-22T15:04:10","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/near-to-eye-applikationen-mit-oled-mikrodisplays\/"},"modified":"2024-04-24T21:20:41","modified_gmt":"2024-04-24T21:20:41","slug":"near-to-eye-applikationen-mit-oled-mikrodisplays","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/near-to-eye-applikationen-mit-oled-mikrodisplays\/","title":{"rendered":"Near-to-Eye-Applikationen mit OLED-Mikrodisplays\u00a0"},"content":{"rendered":"

Displays f\u00fcr Augmented Reality (AR) stellen hinsichtlich Helligkeit und Kontrast h\u00f6here Anforderungen an OLEDs (Organic LEDs) als VR-Anwendungen. Durch eine geschickte Kombination verschiedener Ma\u00dfnahmen steigert Sony Semiconductor Solutions die Helligkeit von OLED-Mikrodisplays bei gleichbleibender Lebensdauer um das Dreifache. Damit sind diese Displays nun auch f\u00fcr den stark wachsenden AR-Markt geeignet.\u00a0<\/strong><\/p>\n

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der organischen Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs) gro\u00dfe Fortschritte gemacht. Hierbei handelt es sich um leuchtende D\u00fcnnschichtbauelemente 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 Realit\u00e4t (VR) und der Augmented Reality (AR) ebenso vor wie in Systemen, die die nat\u00fcrliche Wahrnehmung eines Nutzers mit einer k\u00fcnstlichen, computererzeugten Wahrnehmung mischen (Mixed Reality, MR).\u00a0<\/p>\n

Grunds\u00e4tzlich k\u00f6nnen anspruchsvolle NTE-Applikationen mit verschiedenen technologischen Ans\u00e4tzen gel\u00f6st werden, wobei OLEDs hier seit l\u00e4ngerem voll im Trend liegen, etwa bei EVF und auch VR – nur f\u00fcr 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 L\u00f6sungsansatz stellen Fl\u00fcssigkristallanzeigen LCDs (Liquid Crystal Displays) und LCoS (Liquid Crystal on Silicon) dar, jedoch erm\u00f6glichen selbst die neuesten LCoS-Varianten aufgrund ihrer inh\u00e4renten, lichtblockenden Displaystruktur keine vollst\u00e4ndige Abdunkelung der Schwarzwerte. Deshalb ist hier das Schwarz eher ein dunkles Grau, was dazu f\u00fchrt, dass diese Displays Schw\u00e4chen beim Kontrast zeigen (Bild 2).\u00a0<\/p>\n

\"ContrastFigure 2: Kontrastvergleich: LCDs (rechts) schneiden schlechter ab als OLED-Displays\u00a0<\/em><\/p>\n

Bestechende Vorteile von OLEDs\u00a0<\/h2>\n

n den letzten Jahren haben Hersteller wie Sony Semiconductor Solutions an wichtigen Stellschrauben gedreht, um OLED-Mikrodisplays auch f\u00fcr AR-Anwendungen zu optimieren, wobei es auf gro\u00dfe Helligkeit, guten Kontrast und geringe Leistungsaufnahme ankommt.\u00a0<\/p>\n

Generell kommen OLED-Displays in NTE-Applikationen schon seit Jahren zum Einsatz – und jetzt ist die Zeit reif f\u00fcr den AR-Bereich aufgrund ihrer stark verbesserten Helligkeit. Sie gelten heute als echte Alternative zur DLP- und LCoS-Technik.\u00a0<\/p>\n

OLED-Mikrodisplays bieten eine ultrahohe Aufl\u00f6sung und hohe Helligkeit in winzigen Display- Abmessungen. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs, ihrer kleinen Abmessungen und der vereinfachten Ansteuerelektronik eignen sich OLED-Mikrodisplays hervorragend f\u00fcr kleine und stromsparende Embedded-Systeme. Ausgestattet mit einer dedizierten Optik zur Vergr\u00f6\u00dferung der winzigen Displayoberfl\u00e4che k\u00f6nnen OLED-Mikrodisplays recht einfach in NTE- und Projektionsanwendungen integriert werden.\u00a0<\/p>\n

OLED-Mikrodisplays bauen Bilder sehr schnell auf, d. h. die Bewegungsabl\u00e4ufe wirken \u00e4u\u00dferst fl\u00fcssig (Bild 3). Aufgrund der hohen Aufl\u00f6sung sind die Ansichten extrem scharf und sehr kontrastreich. Speziell bei schr\u00e4gem Blickwinkel wirken die Farben immer noch kr\u00e4ftig. Neben sattem Rot, Gr\u00fcn und Blau f\u00e4llt 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.\u00a0<\/p>\n

\"\"Figure 3: Keine Artefakte: OLED-Mikrodisplays reagieren schneller (rechts)<\/em><\/p>\n

Vergleich mit LCoS-Technik\u00a0<\/h2>\n

Die Reaktionszeit markt\u00fcblicher OLED-Displays liegt im Mikrosekundenbereich. Grob l\u00e4sst sich sagen, dass sie \u00fcber 1000-mal schneller als LCoS-Displays reagieren. Beim Kontrast, also beim Unterschied zwischen hellen und dunklen Bereichen eines Bildes, erzielen moderne OLED- Mikrodisplays ein Verh\u00e4ltnis 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 ben\u00f6tigen keine Hintergrund-Beleuchtung. Sie zeigen keine Probleme bei niedrigen Temperaturen, wohingegen LCoS ab etwa -10 C aufgrund ihrer Reaktionszeit \u00e2\u20ac\u017etr\u00e4ge\u201c reagieren k\u00f6nnen. Zudem punkten sie mit einer hohen Pixeldichte und Aufl\u00f6sung. Deshalb ersetzen OLED-Displays in vielen Anwendungen zunehmend die heute verbreitete LCoS-Technik (Bild 4).\u00a0<\/p>\n

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\nFigure 4: OLED-Mikrodisplays erobern immer mehr Anwendungen\u00a0<\/em><\/p>\n

Gleichwohl sind OLED-Screens hinsichtlich ihrer maximal erreichbaren Helligkeit den LCoS grunds\u00e4tzlich unterlegen. Auch das altbekannte Problem des \u00e2\u20ac\u017eEinbrennens\u201c 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 langj\u00e4hrigen Produktlebenszyklen. Jedoch beheben neueste Entwicklungen rund um die OLED-Mikrodisplay-Technologie diese Problematik bei den meisten Anwendungen bereits. Daf\u00fcr sorgen zum einen moderne Features wie die\u00a0<\/p>\n

\u00e2\u20ac\u017eOrbit-Funktion\u201c von Sony Semiconductor Solutions, zum anderen aber auch generell die l\u00e4ngere Lebensdauer sowie die gesteigerte Lichtauskopplungseffizienz aktueller OLEDs.\u00a0<\/p>\n

Herausforderungen und L\u00f6sungen f\u00fcr EVF und VR\u00a0<\/h2>\n

In EVFs und HMDs f\u00fcr VR-Anwendungen ist der Bauraum naturgem\u00e4\u00df eng begrenzt. Deshalb wird ein kleiner Display-Formfaktor von Entwicklern sehr gesch\u00e4tzt. Zur Vergr\u00f6\u00dferung des Sichtfelds bei gleichem Format, ist es sinnvoll, die Aufl\u00f6sung zu erh\u00f6hen, indem der Pixelabstand verkleinert wird. Hatten die OLED-Mikrodisplays der zweiten Generation von Sony Semiconductor Solutions noch einen Pixelabstand von 7,8 \u00b5m (3.300 ppi), so konnte der Hersteller diesen Wert In der aktuellen Generation auf 6.3 \u00b5m verkleinern, was eine Pixeldichte von mehr als 4.000 ppi mit entsprechend h\u00f6herer Aufl\u00f6sung bei gleichem Formfaktor bedeutet.\u00a0<\/p>\n

Hierbei hat sich gezeigt, dass durch eine Anpassung der Emissionsstruktur mit Farbfiltern die Emissionseffizienz erh\u00f6ht und zugleich eine l\u00e4ngere 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 M\u00f6glichkeit zum optischen \u00c3\u0153bersprechen (Photonen-Crosstalk) stark reduziert. Au\u00dferdem verbessert sich der Blickwinkel auf den Pixel, da sich der Filter nun n\u00e4her am Subpixel befindet, wodurch der Strahlungswinkel und damit der Blickwinkel vergr\u00f6\u00dfert wird (Bild 5).\u00a0<\/p>\n

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Figure 5: Vergleich von OCCF-Design mit herk\u00f6mmlichem OLED-Aufbau<\/em><\/p>\n

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 f\u00fcr VR-Anwendungen ist das ECX339A, das mit einer UXGA-Aufl\u00f6sung von 1600 x 1200 Pixeln, einer Bildrate von 120 fps und einem Kontrastverh\u00e4ltnis von 100.000:1 hervorragend f\u00fcr VR-Anwendungen geeignet ist. Mit einem minimalen Pixelabstand von 6,3 \u00b5m hat das kleine Display eine hohe Pixeldichte von 4032 ppi. Die maximale Helligkeit von 1000 cd\/m2 ist f\u00fcr VR vollkommen ausreichend, aber f\u00fcr AR nicht optimal. Jedoch gibt es hierf\u00fcr zwischenzeitlich hervorragende Alternativen.\u00a0<\/p>\n

Herausforderungen und L\u00f6sungen f\u00fcr AR\u00a0<\/h2>\n

Speziell im AR-Bereich ist es ganz entscheidend, dass die in Wearables eingeblendeten Informationsebenen zwar kontrastreich, aber nahtlos erscheinen. OLED-Mikrodisplays m\u00fcssen diese eingeblendeten Ebenen ohne Farbaufspaltung vollst\u00e4ndig transparent darstellen k\u00f6nnen (Bild 6). Auch erfordern AR-Anwendungen im Wearable eine Helligkeit von \u00fcber 1000 cd\/m2. Das bedeutet f\u00fcr das OLED-Mikrodisplay, dass es, bedingt durch \u00c3\u0153bertragungsverluste w\u00e4hrend 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.\u00a0<\/p>\n

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Figure 6: OLED-Mikrodisplays blenden die zus\u00e4tzliche Informationsebene nahtlos ein (rechts)<\/em><\/p>\n

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Die Forderung nach h\u00f6heren Helligkeitswerten f\u00fchrt zu Ver\u00e4nderungen im Lithografie-Prozess. Eine Ma\u00dfnahme, die aus dem Sensorbereich stammt, ist die Anwendung von speziell geformten (halbkugelf\u00f6rmigen) Mikrolinsen, die im Glassubstrat direkt auf die Farbfilter aufgebracht werden. Diese sorgen bei der Lichtauskopplung aus jedem Subpixel daf\u00fcr, dass das Licht so fokussiert wird, dass es den Filter ohne optisches \u00c3\u0153bersprechen eindeutig in seinen Rot-, Gr\u00fcn- oder Blau-Bereichen durchstrahlt. Damit werden Helligkeitswerte um das 1,8-fache erh\u00f6ht und Farbverf\u00e4lschungen verhindert, selbst bei starken Blickwinkel- \u00c4nderungen von +\/-50\u00b0 (Bild 7).\u00a0<\/p>\n

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 leitf\u00e4higen Zinkoxid-Legierung bew\u00e4hrt. Damit verbessert sich beispielsweise bei einer Wellenl\u00e4nge von etwa 450 nm die ausgekoppelte Lichtintensit\u00e4t um den Faktor 1,6. Da sich die \u00c4nderung des Kathodenmaterials auf unterschiedliche Wellenl\u00e4ngen anders auswirkt, m\u00fcssen die Transmissionseigenschaften der Farbfilter entsprechend angepasst werden. \u00c3\u0153ber das gesamte Spektrum hinweg l\u00e4sst sich durch die \u00c4nderung des Kathodenmaterials insgesamt eine Verbesserung der Lichtauskopplung um den Faktor 1,3 erzielen.\u00a0<\/p>\n

Neues OLED-Modul ebnet den Weg f\u00fcr AR-Anwendungen\u00a0<\/h2>\n

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Ein Beispiel f\u00fcr die gelungene Umsetzung der beschriebenen Ma\u00dfnahmen ist das Sony OLED-Modul ECX335S. Es bietet Spitzenwerte bei der Helligkeit bis 3000 cd\/m2 und ist damit speziell f\u00fcr AR- Anwendungen geeignet. Durch den hohen Kontrast des OLED-Mikrodisplays erscheinen zus\u00e4tzliche Informationsebenen nahtlos und sorgen f\u00fcr ein \u00e2\u20ac\u017ereales\u201c AR-Erlebnis. <\/p>\n

Das ECX335S bietet eine derzeit un\u00fcbertroffene Kombination aus Full-HD-Aufl\u00f6sung und gleichzeitig \u00fcberragender Helligkeit von bis zu 3.000 cd\/m2. Mit seinem extrem kleinen Formfaktor und einem Kontrastverh\u00e4ltnis von 100.000:1 wird dieses Modul die Entwicklung innovativer AR-L\u00f6sungen weiter vorantreiben. Dieses Beispiel zeigt, dass OLED-Mikrodisplays in NTE-Anwendungen und zunehmend auch in anspruchsvollen AR-Applikationen zum Einsatz kommen.\u00a0<\/p>\n

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About the Author<\/h2>\n

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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 f\u00fcr industrielle Displays basierend auf der LCD-, TFT- und OLED-Technologie internationale Erfahrung auf diesem Gebiet. Er ist einer der f\u00fchrenden OLED-Experten im technischen Supportteam von FRAMOS, der es versteht, die Anforderungen der Kunden zu ber\u00fccksichtigen und Hand in Hand mit f\u00fchrenden Technologie- Anbietern zusammenzuarbeiten.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Mit OLED-Mikrodisplays von Sony Semiconductor Solutions unterst\u00fctzt FRAMOS Augmented-Reality-L\u00f6sungen<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":926,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"inline_featured_image":false},"article-category":[],"article-tag":[],"class_list":["post-917","articles","type-articles","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/articles\/917","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/articles"}],"about":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/articles"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/6"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=917"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/926"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=917"}],"wp:term":[{"taxonomy":"article-category","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-category?post=917"},{"taxonomy":"article-tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-tag?post=917"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}