Fraunhofer FEP

Datenbrillen mit deutlich reduzierter Leistungsaufnahme

28. März 2017, 14:50 Uhr | Von Helmuth Lemme

Ein Problem bei heutigen Datenbrillen ist die geringe Akkulaufzeit. Ein größerer Akku bedeutet aber zu viel Gewicht für eine Brille; also muss der Stromverbrauch drastisch gesenkt werden. Eine bahnbrechende Idee dafür haben Fraunhofer-Forscher entwickelt.

Augmented Reality ist nützlich: Mit einem Mikro-Display dicht vor dem Auge kann sich beispielsweise ein Servicetechniker Montagehinweise und Konstruktionspläne in sein Sichtfeld einblenden, während er gleichzeitig die Hände für seine Arbeit frei behält. Jogger können sich damit – an den Schirm der Mütze angeklemmt – während des Laufs ihre Pulsfrequenz oder ihren Kalorienumsatz anzeigen lassen, Mountainbike-Fahrer Navigationshinweise – ohne auf das wackelnde Smartphone-Display schauen zu müssen.

Wichtig für den Markterfolg eines solchen Produkts sind ein möglichst geringes Bauvolumen und Gewicht. Und damit der Akku klein bleiben kann: auch eine minimale Leistungsaufnahme. Genau an diesem Punkt hapert es bei den kommerziell verfügbaren Versionen oft noch. Die Folge ist, dass der Akku nach wenigen Stunden leer ist und ein Benutzer mehrmals am Tag nachladen muss. Auch stört häufig die Wärmeentwicklung direkt vor dem Gesicht. Solche Eigenschaften sind nicht unbedingt verkaufsfördernd. So haben derartige Datenbrillen den großen Durchbruch bisher noch nicht wirklich geschafft.

Das Problem gesehen haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden. Daraus entstand ein Projekt, die Leistungsaufnahme im Vergleich zu bestehenden Lösungen ganz wesentlich zu senken. Dazu waren mehrere verschiedene Maßnahmen notwendig, die in ihrer Kombination dann zum Erfolg geführt haben. Die „Low Power Displays“ sollen dabei andere Anwendungen als die bisherigen Video-Displays adressieren.

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Zunächst mal war das Display selbst zu optimieren. Der für diesen Zweck am besten geeignete Typ ist OLED auf Silizium. Diese Technologie war schon vor Jahren im Hause entwickelt worden; mittlerweile liegt damit eine Fülle an Erfahrungen vor (die Elektronik hatte mehrfach darüber berichtet.) Hier ist im Gegensatz zu den größeren OLED-Displays (in Smartphones) keine TFT-Backplane erforderlich, sondern der ansteuernde CMOS-Chip übernimmt selbst diese Funktion (Bild 1).

Aus Kostengründen bleiben die Formate aber relativ klein, meist unter 1 cm². Solche Mikro-Displays werden dann durch eine vergrößernde Optik betrachtet. Der Vorteil von OLEDs ist, dass immer nur die Pixel Strom benötigen, die auch hell geschaltet werden. Bei den LCDs ist dagegen immer die gesamte Fläche hinterleuchtet und die Pixel werden, je nach anzuzeigendem Bild, über Polarisationsfilter und Flüssigkristalle abgedunkelt. Ein großer Teil des Lichtes wird also direkt wieder absorbiert. Dabei dringt aber stets noch ein kleiner Teil des Lichtes durch die abgedunkelten Pixel. Die OLED-Pixel haben dieses Problem nicht und erreichen deshalb einen wesentlich höheren Kontrast. Die komplexesten dieser Chips enthalten zwischen den lichtemittierenden Elementen auch lichtempfangende (Fotodioden) und arbeiten zusätzlich auch als Kamera, also bidirektional. Damit lassen sich beispielsweise die Augenbewegungen des Betrachters verfolgen und hierüber Steuerungsfunktionen ausführen.

Um bei einem solchen Mikro-Display die Leistungsaufnahme auf das absolute Minimum zu reduzieren, verzichteten die Entwickler zunächst einmal auf die Kamerafunktion und die Farbdarstellung. Denn die vollfarbigen Versionen verwenden eine weiße OLED-Schicht mit roten, grünen und blauen Farbfiltern vor den Subpixeln, weil direkt leuchtende Subpixel mit so kleinen Abmessungen (wenige µm) bisher nicht herstellbar sind. In den Filtern geht aber viel Lichtleistung verloren. Ein monochromes Display hat keinen Filter und erreicht dadurch eine deutlich höhere Effizienz, außerdem ist es weitaus kostengünstiger.