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OLED-Mikrodisplays: Bildgeber für AR und VR

04. April 2017, 15:12 Uhr   |  Bernd Richter, Entwicklungsleiter bei Fraunhofer FEP


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Bidirektionales Mikrodisplay (BiMi)

Ein bidirektionales Mikrodisplay ist die Kombination von Mikrodisplay und Bildsensor in einem Chip mit einem Aktivgebiet aus verschachtelten Display- und Sensorpixeln. Das Aktivgebiet kann gleichzeitig Bilder wiedergeben und aufnehmen. Bild 2 zeigt ein SVGA-BiMi und dessen Querschnitt.
 

Bild 2: Schichtaufbau eines SVGA-BiMi.
© Fraunhofer FEP

Bild 2: Schichtaufbau eines SVGA-BiMi.

Ein Anwendungsbeispiel ist eine über Eye-Tracking gesteuerte Datenbrille: Das OLED-Display wird wie ein Standard-Mikrodisplay zur Wiedergabe genutzt. Der eingebettete Bildsensor beobachtet das Auge des Nutzers und ermöglicht über die Blickrichtungsbestimmung eine gezielte Interaktion zwischen momentaner Blickrichtung und Bildinhalt. Beispielsweise lassen sich Bildinhalte beim Erreichen des Bildrands automatisch scrollen.
Bidirektionale Mikrodisplays werden auch in der Sensorik eingesetzt. Das Display ist dabei hochaufgelöste steuerbare Beleuchtung einer Sensorschicht oder eines Gegenstands. Der eingebettete Bildsensor erfasst das optischen Signal der Sensorschicht oder den Rückreflex des Gegenstandes. Anwendungsbeispiel wäre ein optischer Fingerabdrucksensor.

Ultra-Low-Power-Display

Applikationsgetriebene Anforderungen an Displayeigenschaften und Funktionen erhöhen in aller Regel die Verlustleistung und verringern die Batterielaufzeit. Bei einer Datenbrille steigt mit zunehmender Pixel­anzahl nicht nur die Verlustleistung innerhalb des Mikrodisplays, sondern auch in der lokalen Ansteuerung. Die Verlustleistung der lokalen Videoquelle (Videokonverter/WLAN/mobiler Prozessor) liegt im Bereich von 1 W. Dies schmälert die Laufzeit, erzeugt erheblich Wärme in der Ansteuerelektronik und begrenzt die Systemminiaturisierung durch zusätzliche Bauteile.
Doch es gibt auch Anwendungen ohne kontinuierlichen Videostream mit seltener aktualisierten Bildinhalten: Fitnesstracker oder Richtungsanzeigen mobiler Navigationsgeräte aktualisieren weniger als 60 Bilder pro Sekunde. Bei solchen Anwendungen liegt der Schwerpunkt deutlich stärker auf dem schlanken Gesamtsystem mit langer Batterielaufzeit. Hierfür hat Fraunhofer FEP ein neuartiges Mikrodisplaykonzept mit extrem niedriger Stromaufnahme und stark vereinfachter Ansteuerung entwickelt.
Die Reduktion der Leistungsaufnahme gelingt durch Minimierung der notwendigen Datenübertragung unter Eliminierung von Displayauffrischungszyklen. Die Displaypixel sind mit zusätzlichem statischen Speicher ausgestattet und in einer frei adressierbaren Matrix angeordnet: Nur die Bildbereiche mit veränderlichem Inhalt werden aktualisiert. Dies führt zu enormer Effizienzsteigerung: Die typische Verlustleistung von 200 mW für Videoapplikationen mit Mikrodisplays wurde auf 2 mW bis 3 mW reduziert. Ohne Bildänderung geht die gesamte Datenübertragungstrecke in den Ruhemodus; nur noch die aktiven OLED-Pixel benötigen Strom.
 

Bild 3: Links: Miniaturisierte Ansteuerung inkl. Display und Optik des ULP-Eval-Kits 2. Rechts: Zugehöriges vereinfachtes Blockschaltbild.
© Fraunhofer FEP

Bild 3: Links: Miniaturisierte Ansteuerung inkl. Display und Optik des ULP-Eval-Kits 2. Rechts: Zugehöriges vereinfachtes Blockschaltbild.

Mit serieller SPI-Ansteuerung gelingt ein minimales Gesamtsystem: Einfacher Mikrocontroller statt aufwendige Videoquelle. Inklusive Bluetooth-Modul (BLE), Spannungsversorgung, Batterie und weiteren Sensoren misst die Ansteuerelektronik 42 mm × 32 mm × 4 mm (Bild 3). Das Display wird über Flexkabel mit dem Gesamtsystem verbunden.

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1. OLED-Mikrodisplays: Bildgeber für AR und VR
2. Die OLED-auf-SiliziumTechnik
3. Bidirektionales Mikrodisplay (BiMi)
4. Evaluation-Kits senken die Einstiegshürde

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