具有眼睛交互功能的透視式OLED顯示器

　　基于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的微顯示器已經(jīng)達(dá)到了很高的光學(xué)性能，不僅具有優(yōu)異的對(duì)比度和大的動(dòng)態(tài)范圍，而且具有很低的功耗。它們采用直接發(fā)光機(jī)制，無需額外背光燈，因此外形尺寸可以做得很小，重量很輕，非常適合移動(dòng)式近眼（NTE）應(yīng)用，比如電子取景器或頭盔式顯示器（HMD）。

　　在許多先進(jìn)的應(yīng)用中，微顯示器一般用作純單向型輸出設(shè)備。在集成額外的圖像傳感器后，微顯示器的功能可以擴(kuò)展為雙向光學(xué)輸入/輸出設(shè)備。主要目標(biāo)是在透視式頭盔顯示器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)眼睛跟蹤功能，從而提供基于凝視的人-顯示器交互效果。

　　雖然今天的移動(dòng)信息系統(tǒng)（如智能手機(jī)和平板電腦）通常都是觸摸控制的，但具有一流像素?cái)?shù)量而且?guī)缀纬叽顼@著縮小的微顯示器在消費(fèi)電子產(chǎn)品中已經(jīng)找到用武之地，比如數(shù)碼相機(jī)中的電子取景器?；贠LED的微顯示器在視頻和數(shù)據(jù)顯示領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫那巴?，特別是當(dāng)它們還能用作輸入通道時(shí)。

　　現(xiàn)在，OLED技術(shù)為把高效率的光源和光檢測器一起集成在CMOS基板上提供了可能，因而可在硅芯片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)完整集成的光電和智能應(yīng)用。我們可以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)微型發(fā)光器和接收器，例如以陣列類型的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“雙向OLED微顯示器”，最終一個(gè)設(shè)備就能在同一地方甚至同一時(shí)間再現(xiàn)和捕獲圖像。

　　上述技術(shù)可以成為用于個(gè)人信息管理的全新一代設(shè)備的基礎(chǔ)：向用戶再現(xiàn)信息，同時(shí)以光學(xué)方式識(shí)別用戶的交互意圖。比如攜帶雙向微顯示器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，這樣的設(shè)備可以有意或無意地饋送適應(yīng)操作內(nèi)容的視覺信息，并通過單獨(dú)的眼球移動(dòng)進(jìn)行控制。

　　雙向OLED微顯示器和光學(xué)組件

　　為了用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)高性能的OLED特性，需要修改頂部金屬層。OLED兼容的頂部金屬層的通用要求是在可見光范圍內(nèi)具有高的反射率、平滑的表面以防止OLED棧短路并避免氧化。頂部的發(fā)光OLED具有一個(gè)反射性底部電極和透明的頂部電極。在這些電極之間，帶摻雜傳輸層的OLED棧與三個(gè)一組的發(fā)射器系統(tǒng)一起組成了高效低壓的發(fā)光管。修改后的頂部金屬層用作底部電極，它決定了OLED像素的形狀和尺寸。在底部電極下方留有空間可進(jìn)一步集成驅(qū)動(dòng)電路。光檢測器件是通過p基板中的n阱擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。借用這種結(jié)構(gòu)可以在單個(gè)CMOS芯片上實(shí)現(xiàn)集成有驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)光與光檢測器件。

　　雙向微顯示器的有效區(qū)域由嵌套的顯示器和圖像傳感器（嵌入式攝像頭）像素組成，旁邊環(huán)繞著第二個(gè)圖像傳感器（分幅攝像頭）以及驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，詳見圖1。

　　圖1：雙向OLED微顯示器中的OLED-on-CMOS裝置橫截面圖及功能演示。

　　顯示器和圖像傳感器系統(tǒng)在電氣上是彼此獨(dú)立的，相互間通過同步信號(hào)發(fā)生簡單的交互。這種雙向微顯示器的潛在問題是在顯示器和攝像頭之間存在光學(xué)干擾。不過這種干擾可以通過按時(shí)間順序操作顯示器和攝像頭加以抑制。

　　光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)非球面鏡、一個(gè)光束分離器和一個(gè)微顯示器組成（如圖2）。非球面鏡采用雙色涂覆，可反射顯示路徑中的可見光（380nm-780nm），也可以反射攝像頭路徑中的近紅外（NIR）光（780nm-1100nm）。因此，系統(tǒng)允許投影自然環(huán)境視像中的虛擬圖像。OLED的可見光穿過光束分離器，從底側(cè)的非球面鏡反射回來，然后被光束分離器的底邊反射到眼睛。另外，眼睛被發(fā)出850nm波長的兩個(gè)近紅外二極管所照亮。這個(gè)波長可以改善捕獲到的圖像中瞳孔和虹膜之間的對(duì)比度。二極管放置在形成黑暗瞳孔圖像的攝像頭光軸的外部。

　　圖2：雙向近眼光學(xué)組件的光學(xué)原理。

　　根據(jù)這些原理，我們就能夠?qū)⒁粋€(gè)VGA雙向OLED微顯示器設(shè)計(jì)成雙眼交互透視式頭盔部件。這里的嵌入式嵌套攝像頭用作眼睛跟蹤式圖像傳感器。光學(xué)組件的尺寸為45mm×35mm，深度為35mm。圖3顯示了捕獲到的眼睛圖像，光學(xué)組件提供從用戶眼睛到嵌入式圖像傳感器的銳利且高對(duì)比度投影。對(duì)兩只眼睛來說，雙向光學(xué)組件安裝在符合人體工程學(xué)而且也集成了驅(qū)動(dòng)電路的鏡框內(nèi)。顯示器為每只眼睛提供640×480像素（VGA），而圖像傳感器是128×96像素。顯示器的透明度是50%，可在750mm距離處生成虛擬圖像，視角為20°×21.6°。

　　圖3：捕獲的眼睛圖像（左）以及運(yùn)行中的透視式頭盔顯示器（右）。

　　表1：谷歌眼鏡和COMEDD數(shù)據(jù)眼鏡的性能比較。