具有眼睛交互功能的透视式OLED显示器

　　基于有机发光二极管（OLED）的微显示器已经达到了很高的光学性能，不仅具有优异的对比度和大的动态范围，而且具有很低的功耗。它们采用直接发光机制，无需额外背光灯，因此外形尺寸可以做得很小，重量很轻，非常适合移动式近眼（NTE）应用，比如电子取景器或头盔式显示器（HMD）。
　　在许多先进的应用中，微显示器一般用作纯单向型输出设备。在集成额外的图像传感器后，微显示器的功能可以扩展为双向光学输入/输出设备。主要目标是在透视式头盔显示器应用中实现眼睛跟踪功能，从而提供基于凝视的人-显示器交互效果。
　　虽然今天的移动信息系统（如智能手机和平板电脑）通常都是触摸控制的，但具有一流像素数量而且几何尺寸显著缩小的微显示器在消费电子产品中已经找到用武之地，比如数码相机中的电子取景器。基于OLED的微显示器在视频和数据显示领域将有很好的前途，特别是当它们还能用作输入通道时。
　　现在，OLED技术为把高效率的光源和光检测器一起集成在CMOS基板上提供了可能，因而可在硅芯片基础上实现完整集成的光电和智能应用。我们可以在同一芯片上实现微型发光器和接收器，例如以阵列类型的结构实现“双向OLED微显示器”，最终一个设备就能在同一地方甚至同一时间再现和捕获图像。
　　上述技术可以成为用于个人信息管理的全新一代设备的基础：向用户再现信息，同时以光学方式识别用户的交互意图。比如携带双向微显示器的增强现实眼镜，这样的设备可以有意或无意地馈送适应操作内容的视觉信息，并通过单独的眼球移动进行控制。
　　双向OLED微显示器和光学组件
　　为了用标准CMOS工艺实现高性能的OLED特性，需要修改顶部金属层。OLED兼容的顶部金属层的通用要求是在可见光范围内具有高的反射率、平滑的表面以防止OLED栈短路并避免氧化。顶部的发光OLED具有一个反射性底部电极和透明的顶部电极。在这些电极之间，带掺杂传输层的OLED栈与三个一组的发射器系统一起组成了高效低压的发光管。修改后的顶部金属层用作底部电极，它决定了OLED像素的形状和尺寸。在底部电极下方留有空间可进一步集成驱动电路。光检测器件是通过p基板中的n阱扩散实现的。借用这种结构可以在单个CMOS芯片上实现集成有驱动电路的发光与光检测器件。
　　双向微显示器的有效区域由嵌套的显示器和图像传感器（嵌入式摄像头）像素组成，旁边环绕着第二个图像传感器（分幅摄像头）以及驱动电路和控制电路，详见图1。
　　
　　图1：双向OLED微显示器中的OLED-on-CMOS装置横截面图及功能演示。
　　显示器和图像传感器系统在电气上是彼此独立的，相互间通过同步信号发生简单的交互。这种双向微显示器的潜在问题是在显示器和摄像头之间存在光学干扰。不过这种干扰可以通过按时间顺序操作显示器和摄像头加以抑制。
　　光学系统由两个非球面镜、一个光束分离器和一个微显示器组成（如图2）。非球面镜采用双色涂覆，可反射显示路径中的可见光（380nm-780nm），也可以反射摄像头路径中的近红外（NIR）光（780nm-1100nm）。因此，系统允许投影自然环境视像中的虚拟图像。OLED的可见光穿过光束分离器，从底侧的非球面镜反射回来，然后被光束分离器的底边反射到眼睛。另外，眼睛被发出850nm波长的两个近红外二极管所照亮。这个波长可以改善捕获到的图像中瞳孔和虹膜之间的对比度。二极管放置在形成黑暗瞳孔图像的摄像头光轴的外部。
　　
　　图2：双向近眼光学组件的光学原理。
　　根据这些原理，我们就能够将一个VGA双向OLED微显示器设计成双眼交互透视式头盔部件。这里的嵌入式嵌套摄像头用作眼睛跟踪式图像传感器。光学组件的尺寸为45mm×35mm，深度为35mm。图3显示了捕获到的眼睛图像，光学组件提供从用户眼睛到嵌入式图像传感器的锐利且高对比度投影。对两只眼睛来说，双向光学组件安装在符合人体工程学而且也集成了驱动电路的镜框内。显示器为每只眼睛提供640×480像素（VGA），而图像传感器是128×96像素。显示器的透明度是50%，可在750mm距离处生成虚拟图像，视角为20°×21.6°。
　　
　　图3：捕获的眼睛图像（左）以及运行中的透视式头盔显示器（右）。
　　表1：谷歌眼镜和COMEDD数据眼镜的性能比较。