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作者：Uwe Vogel博士，德國Fraunhofer 研究院 基于有機發光二極管(OLED)的微顯示器已經達到了很高的光學性能，不僅具有優異的對比度和大的動態范圍，而且具有很低的功耗。它們采用直接發光機制，無需額外背光燈，因此外形尺寸可以做得很小，重量很輕，非常適合移動式近眼(NTE)應用，比如電子取景器或頭盔式顯示器(HMD)。 在許多先進的應用中，微顯示器一般用作純單向型輸出設備。在集成額外的圖像傳感器后，微顯示器的功能可以擴展為雙向光學輸入/輸出設備。主要目標是在透視式頭盔顯示器應用中實現眼睛跟蹤功能，從而提供基于凝視的人-顯示器交互效果。 雖然今天的移動信息系統(如智能手機和平板電腦)通常都是觸摸控制的，但具有一流像素數量而且幾何尺寸顯著縮小的微顯示器在消費電子產品中已經找到用武之地，比如數碼相機中的電子取景器。基于OLED的微顯示器在視頻和數據顯示領域將有很好的前途，特別是當它們還能用作輸入通道時。 現在，OLED技術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上實現完整集成的光電和智能應用。我們可以在同一芯片上實現微型發光器和接收器，例如以陣列類型的結構實現“雙向OLED微顯示器”，最終一個設備就能在同一地方甚至同一時間再現和捕獲圖像。 上述技術可以成為用于個人信息管理的全新一代設備的基礎：向用戶再現信息，同時以光學方式識別用戶的交互意圖。比如攜帶雙向微顯示器的增強現實眼鏡，這樣的設備可以有意或無意地饋送適應操作內容的視覺信息，并通過單獨的眼球移動進行控制。 雙向OLED微顯示器和光學組件 為了用標準CMOS工藝實現高性能的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。頂部的發光OLED具有一個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棧與三個一組的發射器系統一起組成了高效低壓的發光管。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一步集成驅動電路。光檢測器件是通過p基板中的n阱擴散實現的。借用這種結構可以在單個CMOS芯片上實現集成有驅動電路的發光與光檢測器件。 雙向微顯示器的有效區域由嵌套的顯示器和圖像傳感器(嵌入式攝像頭)像素組成，旁邊環繞著第二個圖像傳感器(分幅攝像頭)以及驅動電路和控制電路，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在電氣上是彼此獨立的，相互間通過同步信號發生簡單的交互。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干擾。不過這種干擾可以通過按時間順序操作顯示器和攝像頭加以抑制。 光學系統由兩個非球面鏡、一個光束分離器和一個微顯示器組成(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，系統允許投影自然環境視像中的虛擬圖像。OLED的可見光穿過光束分離器，從底側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，眼睛被發出850nm波長的兩個近紅外二極管所照亮。這個波長可以改善捕獲到的圖像中瞳孔和虹膜之間的對比度。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：雙向近眼光學組件的光學原理。 根據這些原理，我們就能夠將一個VGA雙向OLED微顯示器設計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，光學組件提供從用戶眼睛到嵌入式圖像傳感器的銳利且高對比度投影。對兩只眼睛來說，雙向光學組件安裝在符合人體工程學而且也集成了驅動電路的鏡框內。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)以及運行中的透視式頭盔顯示器(右)。 表1：谷歌眼鏡和COMEDD數據眼鏡的性能比較。
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