微顯示技術爭奇鬥豔

 在移動視頻終端產品(手機、PMP、數碼相機)的繁榮助長下,視頻眼鏡(video glasses)已經走進大家的視野,成為C2C網站上的熱門商品。雖然還沒有像普通眼鏡那樣流行,基於微顯示(microdisplay)技術的視頻眼鏡類產品在軍事、醫療、工業等領域取得的成功卻是不爭的事實。特別是,將“家庭影院”戴在頭上預示了新一代數碼產品的發展趨勢,開啟了穿戴式電子應用的大門。至於什麼時候進入第三次視聽革命   “隨身看”時代,還要看由舒適性、方便性、性價比等組成的“用戶體驗”。

  Strategies預計,移動電視及其內容市場將在2010年達到48億歐元規模。隨著微顯示技術和自由曲面棱鏡設計的推廣應用,未來將小型LCD顯示器件的影像通過光學系統製作成全像大銀幕的需求將日益增加,視頻眼鏡產業將隨著移動電視的推動下獲得爆炸式增長。由於微顯示器(Micro-display)配合一付光學系統就構成了視頻眼鏡,本文介紹主流微顯示技術AMLCD、LCoS、OLED,以及應用方案和合作關係。


一、頭盔顯示器的演變

  視頻眼鏡又稱眼鏡顯示器,屬於軍事用途中的頭盔顯示器(Head Mounted Display,HMD)的新一代民用產品,能夠接收各種控制源信號,包括手機、PMP 播放器、數碼相機、遊戲機等多媒體設備輸出之視頻信號,並在近眼的微顯示器上產生一種虛擬圖像,這種虛擬圖像可在眼睛前面一個固定的距離內變化,看上去相當於一個大螢幕電視;配合適當的校準光學元件,更可以提高清晰度和配戴舒適度,使用戶完全沉浸在播放的圖像中,不會受到任何外部光線的干擾。

  早在1968年,世界上第一個軍用頭盔顯示器由美國資訊處理技術辦公室(ARPA)開發成功,它能顯現二維圖像,沒有浸沉感,用戶只能看到的線框圖疊加在真實環境之上。1984年,美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)創建了並不昂貴的三維立體HMD,隨後 NASA繼續發展三維立體HMD工程,並於同年創建了由操作者位置、聲音和手勢控制,帶有廣角立體顯示的頭盔式顯示系統。 1997年,美國高平公司(Kopin)推出用於數位士兵的CyberDisplay微顯示技術,並民用化於Fujifilm、JVC、Kodak、 Olympus、Samsung和SANYO等公司的消費電子產品中。


微顯示器原理及觀看(資料來源:晶門科技網站)。

  由於視頻眼鏡起源於軍事,所以美國和以色列在技術和軍事應用上都是最強的。美國是目前世界上主要的微顯示器技術方案供應者,如高平公司(Kopin)基於AMLCD技術的CyberDisplay微顯示技術。


Olympus公司Eye-Trek系列產品採用的自由曲面棱鏡技術(資料來源:Olympus公司網站)。

  不過,推動頭盔顯示器一步步從軍事用途轉向民用,從頭盔顯示、頭戴顯示發展成眼鏡顯示的,當屬於微顯示器技術的進步。其中,微顯示器用透射式LCD面板製造大廠SONY,自1987年起就有頭盔顯示器的構想,1991年起先從投影顯器技術著手,1996年開始有商品發售,當時的頭盔形式顯示器已被修改成大型眼罩式,到了1998年底, SONY已經有0.55吋、18萬圖元的LCD面板做為影像源,其PLM-S700產品的顯示器部分重量已經可以減輕到95克,並利用偏心光學曲面設計的透鏡,顯示相當於人眼2m前52吋的大畫面。除了SONY, Olympus也有相似的產品推出,同樣使用0.55吋穿透式LCD面板,其Eye-Trek系列的FMD-700產品的顯示器重量減為85克, SONY與Olympus的產品設計是作為DVD player、遊戲機等視覺娛樂週邊配備。


頭盔顯示器的演變進程(資料來源:365pr.net)。


SONY公司1998年推出的PC顯示產品Glasstron PLM-S700(資料來源:SONY網站)。

  值得注意的是,日本在自由曲面棱鏡(free-shaped prism lens)的設計製造、HMD結構設計乃至加工量產技術上及商業應用上也走在世界前列,日系廠商生產的主要是光學解析度(Optical Super Resolution,OSR)的視頻眼鏡產品:將小型顯示器上的影像通過自由曲面棱鏡變成大銀幕般的視覺效果,OSR元件則置於LCD與自由曲面棱鏡之間。如奧林巴斯(Olympus)公司頭戴式顯示器 Eye-Trek FMD-250W就是利用光學解析度元件使18萬圖元的LCD產生了相當於72萬圖元,水平解析度500條以上的畫質效果;Scalar公司的Teleglass T3-F也採用了獨特的機械結構;三菱電機的有意識頭戴式顯示器則採用了由白色LED,以及上下左右散射特性各異的二維光學系統所組成的低發散角光源。

  近年來成熟起來的反射式有源陣列驅動型矽上液晶顯示器(LCoS,Liquidcrystal on silicon),由於利用CMOS backplane半導體製程技術,不僅具有高亮度、高解析度的優勢,而且價格低,成為目前的主流,特別是在微投影儀(pico projector)方面的市場佔有率高達70%,主流方案提供商為JVC公司、台灣微影(Taiwan MicroDisplay)、臺灣Himax公司、Varitronix、HOLOEYE Systems公司,以及FLCoS方案供應商Displaytech公司等。

  2009年5月,美光科技公司(Micron Technology)收購了Displaytech公司,雙方的目標是開啟一個“以前不被大家注意”的規模市場,並隨後推出了MT7DMQV3A FLCoS微顯示模組。

  基於OLED技術的微顯示器發展也很快,除了軍事、娛樂用途外,也可以應用在醫療、機械修護等領域,提供高解析度的影像顯示效果,主要方案供應商有美國eMagin公司、四川虹視顯示技術有限公司等。

二、微顯示技術

  按定義,微顯示器是指3.3cm以下的顯示器,它把顯示圖像或視頻的全部圖元集成到單片積體電路模組上。該模組分為兩大類:一類用於投影顯示系統,一類用於虛擬顯示系統。   其中,視頻眼鏡產品採用的是虛擬大螢幕成像技術,將來自攜帶型設備的視頻信號快速生成由紅、綠和藍(RGB)圖像組成的高幀速率序列,然後由人眼合成為完整的彩色圖像,這些圖像出現在觀察器的內部,觀看者在觀察器內部某處可看到與實物顯示幕相同的虛像,但看起來非常之大,好象身臨其境地觀看超大螢幕電視一樣。

  與普通顯示器不同,微顯示器可提供高得多的解析度,多數顯示器的全彩色解析度只有80-100行/吋,而許多微顯示器提供的彩色解析度可達1000行/吋或者更高。在增加圖像顯示尺寸和清晰度的同時,微顯示器極大地減小顯示器的尺寸,因為在許多情況下,顯示器越小,整機越便宜。因此,使用微顯示器不僅會使系統價格下降,較小的物理尺寸也意味著產品體積將較小較輕,在利用相同電池的條件下工作時間也較長。

  習慣上,顯示器都是以大為貴的,大畫面、高畫質是製造商和消費者的共同追求。微顯示器的出現,將會引發大家另類思考,這不但減小了顯示器件本身的尺寸,也為工業產品的設計者們一個提供了創新機會。

  按照顯示模組工藝的不同,我們可以將微顯示器分為LCD、 LCoS、OLED和MEMS四種。

1. LCD微顯示技術

  有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)屬於透射型微顯示技術,其背光源發出的光在經過每一圖元時受到液晶單元的調制,而液晶單元受顯示幕上電晶體的控制。這種微顯示器有用多晶矽電晶體的,也有用單晶矽電晶體的。AMLCD是一種成熟的顯示技術,其工藝與目前的CMOS相容,微顯示方案供應商有美國高平公司(Kopin),合作企業有深圳力合東方景公司、日本Scalar公司、Tekom、三菱電機、奧林巴斯(Olympus)公司、美國 Microoptical公司、Yello Mosquito公司等。

  高平公司在AMLCD微顯方面擁有多項專利:IC剝離(lift-off)工藝、低電壓LCD技術、多區域垂直排列(multi-domain verticalalignment,MVA)。早在2005年,高平就與晶門科技結成市場推廣聯盟,借助於晶門科技(Solomon Systech)的強大渠道優勢,目前中國市場上的AMLCD視頻眼鏡產品大多採用了高平公司方案。


高平公司AMLCD微顯器商業化進程(資料來源:Kopin公司)。


高平公司的BDM雙目顯示模組(資料來源:Kopin公司)。

(1)Kopin公司Cyberdisplay方案

  高平公司是AMLCD微顯器方案主要供應商。1997年,高平公司推出了用於數位士兵的CyberDisplay微顯示技術,並通過其Digital iVision成像技術,為普通市場提供BDM-230K、BDM-922K雙目顯示模組。這些模組將全螢幕影像壓縮至微型顯示器,然後再由光學配件將該影像放大至肉眼可接收的大型影像,從而使以前的頭盔顯示產品體積變得非常輕薄,並且配戴舒適。

  在工藝上,Cyberdisplays LCD採用了專利性剝離(lift-off)技術,將非常薄的IC層轉移到玻璃基板上,單晶矽電晶體實現了業界最小的圖元尺寸。Cyberdisplays LCD採用標準的彩色濾光片,通過背光源為圖像提供照明,穿過每一個彩色點的光線由各個圖元電極獨立控制,以產生全彩色域。這些Cyberdisplays LCD微顯示產品基於低電壓(LV)技術,以外接耦合電容器的方式使寫入各個圖元的輸入電壓倍增,集成的DC存儲開關電路可以保存DC電平,無須切換公共電極(VCOM)的電壓。另外,更低的介面電壓還相容了 CMOS驅動器IC工藝,降低了系統功耗和成本。


高平公司Cyberdisplays應用趨勢(資料來源:Kopin公司)。

  對於3C製造商來說,高平公司的雙目顯示模組(Binocular Display Module,BDM)是一個完整的視頻眼鏡影像子系統。BDM模組採用0.25μm和0.35μm工藝,它集合了高平公司的Cyberdisplays LCD、晶門科技(Solomon Systech)的微型顯示控制器晶片及移動視頻產品所需的其他電子及光學元件,再將其放置於輕巧密封式的微型裝置之中。晶門科技的驅動IC有SSD1502和SSD1503兩款SoC,前者採用I2C介面,後者採用SPI介面,它們可以直接接收數位視頻信號,也可以通過增加一個額外的解碼器接收類比視頻信號。

  其中,BDM-230K模組具備QVGA(320×240)解像度,能提供相等於置身2m距離外觀賞35吋電視所播放的大型視頻效果。 BDM-230K僅需3.3V電源及一般NTSC或PAL視頻輸入,內嵌於一個僅重26g、體積只有97.5×23.75×22.0mm的密閉式裝置內,內置兩組CyberDisplay 230K顯示幕、背光裝置、驅動電子零件,以及一對視角達24度、眼視舒解距為20mm及可測曈孔大小為10mm的光學元件。此外,兩組顯示幕及各光學元件之間均已精確對準,確保帶來最舒適的觀賞效果,其耗電量低至450mW,毋須經常充電亦能長時間使用,同時備有音頻轉接器以簡化最後的裝嵌工序。

  模組BDM-922K具有VGA(640×480)解像度,能提供相等於觀看48吋電視的視頻效果,其他功能與BDM-230K相似。它內嵌於一個僅重28g、體積只有95.6×22.3×31.1mm的密閉式裝置內,內置兩組CyberDisplay VGA顯示幕、背光裝置、驅動電子零件,以及一對視角達32度、眼視舒解距為20mm及可測曈孔大小為10mm的光學元件。

(2)典型AMLCD視頻眼鏡

  目前,市場上的AMLCD視頻眼鏡基本上採用了 Cyberdisplays LCD方案。

A、日本Scalar公司的Teleglass T3-F

  2007年5月,日本Scalar Teleglass T3-F視頻眼鏡可在乘電車上下班等日常生活中佩戴。該產品採用0.24吋的QVGA透射型 LCD面板,圖像顯示部分僅重35g左右。將其裝配在眼鏡兩側鏡腿的一側,將圖像顯示部分移至眼前使用,可顯示相當於2m前28 吋電視播放的圖像。Scalar公司之前一直在開發數位顯微鏡等光學分析設備,其光學技術在Teleglass開發中作出了貢獻,其 LCD面板上的圖像就是通過新開發的棱形透鏡來顯示的。

  不過,Teleglass T3-F價格較高,Scalar首先在工業用途方面進行推廣。目前,該公司正在大學醫院的協助下,進行將該產品用作手術用監視器的實驗。在手術時,醫生需要確認心電圖等各種監視器。只要有HMD,便可無需大幅移動視線、輕鬆確認監視器。除此之外,該產品還可在救災、施工等需要免提使用的緊急環境使用,以及用於將厚重的說明書變成電子資料、以圖像形式顯示等用途。


晶門科技SSD1502/3驅動IC在CyberDisplay微顯示器中的應用(資料來源:晶門科技網站)。

B、奧林巴斯(Olympus)無線視頻眼鏡

  日本奧林巴斯(Olympus)公司在視頻眼鏡開發方面也有特色。早在2005年,Olympus就試製成功了頭戴式顯示器Eye-Trek FMD-250W,平時不顯示影像,主要用於顯示簡單的資訊,比如到達車站月臺時通知電車到達時刻,收到電子郵件時提醒用戶注意等。對於用戶而言,就像是在前方50cm處有一個3.8吋、對角長度為10cm的半透明畫面。佩戴時顯示效果是透明的,不會妨礙視野,基本上感覺不到顯示器的存在。

  同一般LCD型視頻眼鏡不同,Olympus利用光學解析度元件使18萬圖元的LCD產生了相當於72萬圖元,水平解析度500條以上的畫質效果。這些OSR是由偏光控制元件(液晶cell)與複折射板所構成。通過OSR元件將LCD的黑色矩陣由圖元所產生的光線移位,雖然理論上它是一種可使光學畫質提高4倍之技術,但實際上單純的使光線移位卻會造成影像模糊效應。

C、高平Golden-i藍牙耳機

  高平公司2009年5月演示了虛擬PC顯示器概念產品    重量僅3盅司的Golden-i藍牙(Bluetooth)耳機。Golden-i具有一個免動手的自然語音識別介面,可以提供一個15吋的虛擬PC 顯示幕,能夠以無線方式遠端控制很多熱門設備,例如手機、 PC、公司網路和無線系統等。Golden-i採用注模式光學模組,初期採用的是高平公司的第三代全彩CyberDisplay SVGA microdisplay微顯示器。

  由於視頻眼鏡目前尚未打開市場,Golden-i作為一種頭戴式控制平臺,可以說是革命性的挑戰。


  高平公司Golden-i藍牙耳機具有一個15吋虛擬PC顯示幕,能夠無線控制很多熱門設備(資料來源:Kopin公司)。

2. LCoS微顯示技術

  LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是將半導體與LCD技術相結合的反射式液晶投影新技術,最大特色在於基底的材質是單晶矽,因此擁有良好的電子移動率,而且單晶矽可形成較細的線路,是比較容易實現高解析度的投影結構,反射式成像也不會因光線穿透面板而大幅降低光利用率,因此提升了光效率。

  LCoS微顯示器利用外部光源,當光從微顯示器表面反射時被調制。LCoS器件的有源控制電路採用CMOS工藝,然後生成液晶層作為反射器,LCoS微顯示器可以利用約85%的表面積來反射光,光柵利用係數比較高。對反射光的調制由加到液晶的電壓來控制。

  由於繼承了LCD技術的優點,同時也克服了LCD的不足之處,所以LCoS擁有諸多LCD所不具備的優點,在理論上具有產品結構簡單,低成本等優勢,基於LCoS器件的顯示技術是最近關注的重點之一。目前,LCoS微顯示器方案供應商有JVC公司、台灣微影(Taiwan MicroDisplay)、臺灣Himax公司、Aurora系統公司、四維顯示公司、索尼公司、 SpetiaLight、香港Varitronix,以及FLCoS方案供應商Displaytech 公司等。


台灣微影公司的XGV0901 LCoS微型顯示器及評估板(資料來源:365PR.net)。

(1)JVC公司的D-ILA技術

  JVC從90年代中期開始就涉足於LCoS的研究開發,是最早投入LCoS技術開發的廠商之一,其獨立開發的D-ILA(Direct-drive Image Light Amplifier)直接驅動圖像光源放大器晶片就屬於LCoS技術。D-ILA晶片的液晶板將電晶體作為圖元點液晶的開關控制單元,製作在一層矽基板上,矽基板(也稱反射電極層)位於液晶層的下面,用於圖元位址定址的各種控制電極和電極間的絕緣層位於矽基板的下面,因此整個結構是一個3D立體排列方式。

  2006年JVC繼推出0.7吋1080p晶片後,推出0.7吋1080p晶片,其D-ILA晶片形成了五種規格,分別是1.7吋4K晶片、1.3吋QXGA等級晶片、0.82吋1080p晶片、0.7吋1080p晶片、以及0.7吋 720p晶片。

  D-ILA技術改變了傳統LCoS製造工藝,對液晶層和配向膜工藝從根本上進行了重新開發,將傳統的液晶層水平排列改為垂直排列,更從無機物中提取了全新的配向膜材料,延長了晶片的使用壽命。採用D-ILA技術的液晶板的光圈比率可以達到93%,在相同尺寸的液晶板上D-ILA技術可以實現更高的解析度。

  D-ILA技術已經極為成熟,目前最新的0.7吋D-ILA三片式液晶面板能實現1080p的全高清輸出,亮度為800流明,真實對比度高達10000:1(在不使用動態光圈的情況下)。據Fuji Chmera統計,JVC公司的LCoS面板在投影領域的市場高達75%。


JVC公司的D-ILA產品及技術演進。

(2)Displaytech公司的FLCoS微顯示器

  在LCoS技術的基礎上,Displaytech公司開發出了鐵電版 LCoS(Ferroelectric LCoS)微顯示器,能夠利用高量產的互連和封裝技術實現小外形尺寸、低功耗和低成本。與傳統的向列液晶的開關時間在10ms範圍相比, FLCoS微型顯示器的開關時間小於100μs,這是它與其他微型顯示器的差異所在。快速的開關速度使人們能夠在CMOS矽裸片的表面上覆蓋一層FLC以生成全彩顯示。CMOS電路與標準的視頻輸入接口,並利用CMOS工藝在金屬的頂層實現點陣式反射鏡面。

  根據由CMOS電路施加在點陣金屬上的電壓,FLC材料與通過該材料的光線相互作用,要麼旋轉極化光,要麼不旋轉極化光。FLCoS微型顯示器利用FLC的快速來生成由紅、綠和藍(RGB)圖像組成的高幀速率序列,然後,由人眼合成為完整的彩色圖像。因為FLCoS微型顯示器採用的是CMOS工藝,所以,它可以採用大量的互連和封裝技術來製造,而這跟小尺寸、低功耗及消費定價模型是一致的。

  2009年5月,美光科技公司(Micron Technology)收購了Displaytech公司,並推出了MT7DMQV3A-A1S FLCoS微顯示模組。過去6年中,Displaytech公司交付使用的FLCoS微型顯示器超過了1400萬套。由於受FLCFerroelectric Liquid Crystal)專利的限制,FLCoS微顯示方案由美國Displaytech公司獨家提供。


美光科技收購Displaytech後推出的MT7DMQV3A-A1S FLCoS微顯示模組。

(A)Displaytech公司的FLCoS產品

  採用專利性FLCoS技術,Displaytech公司開發出了 LightView微顯器件LV-VGA、LV-WVGA和LV-SVGA,它們結合鐵電材料和VLSI半導體技術,能提供快速轉換速度和一流的光學質量,以實現沒有運動拖延的全彩視頻質量。

  其中,LV-VGA具有640×480全彩圖元和9.2mm有效顯示區域對角線,LV-WVGA的解析度為852×480,有效顯示區域對角線為11.25mm,而LV-SVGA的解析度則為800×600,有效顯示區域對角線為11.5mm。這三種微型顯示器都集成了溫度補償功能,能支援消費電子各種溫度範圍,而且功耗也很低,一般只有100mw甚至更低,幀率為60Hz,具有可調節的亮度和Gamma設置。

  Displaytech公司的最新產品MT7DMQV3A模組外形15.2× 11.3×9.2mm,具有300×224全彩圖元和0.2吋有效顯示區域對角線,顯示亮度為250cd/m2,包括面板、LED照明光源和自帶的22 腳柔性連接器在內,模組的總功耗不超過85mW。

(B)基於LCoS的視頻眼鏡

  Displaytech目前已經為用戶交付了1800萬成像器件,主要客戶包括索尼(Sony)、晶奇光電(Oculon Optoelectronics)、柯達(Kodak)、奧林巴斯(Olympus),以及惠普(Hewlett-Packard)等公司。

  晶奇光電產品包括M311B、M201B模組、抬頭顯示器(Head Up Display,HUD),以及F1440B、F320B、F311B視頻眼鏡,這些產品均基於Displaytech 公司的LCoS微顯示技術,以及自己專利技術的瞳孔、焦距調整,可以提供近視700度內的裸視功能,即使近視眼人士也可以直接配戴。其中,F320B視頻眼鏡可在人體前2米處提供相當於觀看37 吋電視播放的影像。

  晶奇光電的車用智慧型抬頭顯示器(HUD)整合了通訊、導航及娛樂,利用光學反射的原理將重要的車速等相關資訊投射在前檔玻璃上面。行車時將車速投射在擋風玻璃,不必低頭看儀錶板直接在擋風玻璃上就可以看到車速增加行車安全。顯示效果相當於在1m處距離觀看9吋顯示幕幕,最高解像度達VGA(92萬圖元)。另外,其紅外線夜視功能允許在照明不足的環境下,依然看得到前方景物。


晶奇光電推出的Falcon-X311 MPEG4視頻眼鏡(資料來源:晶奇光電公司)。

3. OLED微顯示技術

  有機發光二極體(OLED)相對較新,同場致發射(FE)、電致發光(EL)一樣,OLED也屬於發光型微顯技術,目前已經能跟 LCD和LCoS技術在價格和性能上進行競爭。

  OLED在頭戴顯示器應用領域有非常大的優勢:清晰鮮亮的全彩顯示、超低的功耗等,是頭戴式顯示器發展的一大推動力。例如,四川虹視顯示技術有限公司的HMD-481E、HMD-481ED、HMD-321E頭戴顯示器就採用了OLED微顯示技術,其驅動晶片採用晶門科技的SSD13XX、SES114、LDS517等驅動IC,能夠提供近100萬圖元的清晰立體影像,加上附設在神奇幻像鏡兩側的身歷聲耳機,感覺好似於中央座位欣賞立體影片。

  OLED顯示器可以使用小有機分子或聚合物。其中,聚合物技術(Polymer OLED,簡稱P-OLED)允許製造更大螢幕尺寸的顯示器,也可在更低的電壓下工作,而且比基於小分子的顯示器功耗更低,因為它無需真空澱積處理所需的遮蔽掩模,如Micro Emissive Displays(MED)公司推出的eyescreen技術。

  同時,一種新技術--主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)能在矽基片上用澱積法生成有機發光層已經出現,可以實現完全透明的眼鏡型設計,不過尚處於商業化生產的初期階段,主要開發商有美國eMagin公司。

(1)P-OLED微顯示技術

  作為納米技術的典型代表,P-OLED顯示器由夾在透明襯底和陰陽電極之間的聚合物功能材料組成,總厚度可以做到500nm 以下。P-OLED顯示器的夾層材料包括:

‧ 帶有較大工作功能的透明導電電極(陽極),一般為附在襯底上的ITO材料。

‧ 導電聚合物層,負責將孔穴傳輸和注入動態層(孔穴注入/傳輸層);

‧ 薄的有機內層材料,有時稱作基層(primer layer),由CDT公司開發;

‧ 薄的發光聚合物(LEP)層,其厚度不到100nm;

‧ 帶有低工作功能的金屬化電極(陰極)。

  P-OLED同時適合主動、被動顯示驅動,目前已經可以用來製造各種尺寸和性能的顯示器,主要應用包括大型主動、被動顯示器,以及近眼顯示應用,其價格也能跟LCD和LCoS技術競爭。在數碼相機中,LCD顯示幕大概是單個部件中功耗最大的,大約為300或400mW,而典型LCD微顯示器消耗的功率不足200mW, P-OLED微顯示器僅消耗功率50mW。因此,使用P-OLED EVF替代一個LCD顯示幕或LCD微顯示器,相當於在電池壽命上做出了一個非常重大的改進。

(A)MED公司的eyescreen微顯示技術

  Micro Emissive Displays公司的eyescreen微顯示技術採用P-OLED,將無閃爍的超高電視質量的移動視頻圖像與超低功耗結合,可極大地為消費者延長電池壽命。其主要創新是在CMOS襯底上把P-OLED和顯示驅動電路整合在一起,從而在同一晶片上實現圖像大小調整等更多功能。 eyescreen技術可以提供優秀的圖像質量、超低功耗和較高圖元填充因數,可以實現生動逼真的色彩和真正的黑色,可產生深度視像色彩,大大改善用戶的視覺體驗。

  Eyescreen內置驅動器晶片和數位介面等特性,不需要背光和額外驅動晶片,為產品設計工程師提供了快捷的、靈活和功能強大的方案選擇。由於整體尺寸只相當於人眼瞳孔大小,eyescreen 非常適合頭戴顯示器應用。

(B)典型P-OLED微顯示器方案

  MED公司的eyescreen ME3204是P-OLED微顯示器的代表之作,它提供了一個完整的數字微顯示器解決方案,以及很高的電子和光學集成度。ME3204 可提供QVGA解析度(320×240,230k圖元點)的圖像質量,對角線圖元陣列的間距僅為0.24吋。ME3204集成了顯示驅動電子電路和數位視頻界面,無需背光元件,且允許直接無縫集成到很多種系統中,並使得產品設計師能夠開發更小和更輕的產品。


MED公司在SID 2007上展示的基於P-OLED技術Eyescreen ME3204產品(資料來源:365PR.net)。

  2008年11月,Vuzix公司採用eyescreen全彩色微顯示器開發並發售iWear視頻眼鏡產品 AV230XL,可以連接到任何視頻設備上,例如個人視頻播放器、移動電話、個人電腦或者遊戲終端,提供與傳統112cm電視機螢幕尺寸等同的視覺效果。2009年4月,Vuzix公司發佈了全球首款支援3D視頻的視頻眼鏡 - Works with iPhone,並獲得了蘋果公司的認證。另外,Vuzix公司的其他產品還有世界上銷量最好的視頻眼鏡iWear VR920,全球首款採用16:9寬屏的視頻眼鏡AV310,採用太陽鏡外形升級的Wrap 920AV。


Vuzix發佈的3D視頻眼鏡 - Works with iPhone。

(2)OLED微顯示技術

  主動矩陣有機發光二極體面板(AMOLED)被稱為下一代顯示技術,其主要原理是利用薄膜電晶體(TFT)搭配電容儲存信號,以控制OLED的亮度灰階表現。作為一項技術超越現有產品的新興技術,由於製造階段的良品率較低,單位價格高於普通TFT顯示幕50%,AMOLED面板在終端市場始終無法打開局面。

  值得注意的是,美國新興公司 - eMagin的頂部發光(top-emitting structures on opaque substrates)專利結構,以及OLED-XL技術則從頭戴式顯示領域另闢蹊徑,並有望改變AMOLED技術的命運。eMagin公司是目前唯一製造矽上 AMOLED微顯示器(AMOLED-on-silicon)的公司。基於專利性材料、器件結構、工藝和加工技術,以及來自Eastman Kodak公司的OLED專利授權,該公司開發了多種新型OLED技術和矽上電路設計,例如頂部發光結構允許在不透明的IC上部署OLED微顯示器。

  其中,eMagin公司的SVGA OLED-XL微顯示器採用AC耦合RGB,以及NTSC和PAL相容的複合單色,解析度為852×600,可以嵌入到玻璃和光學面板內,而光學面板還可以增加圖像質量。合作企業有韓國e-MDT公司等。


eMagin公司的SVGA+OLED微顯示器(資料來源: eMagin公司網站)。

  Z800 3DVisor是一款沉浸式3D計算產品,兩個高對比度的SVGA 3D OLED微型顯示器可提供高於167萬圖元的全動感顯示,具有360度全方位跟蹤功能的頭位置跟蹤系統,能十分有效地回應用戶的動作。由於採用OLED- on-silicon專利技術,儘管僅有0.59吋的對角尺寸,但它卻能提供相當於12英尺處105吋電影螢幕大小的寬大畫面。

  Z800的頭位置跟蹤系統可以使用戶只需轉動頭部就可以看到環繞式3D資料圖景,同時也可以類比虛擬的多顯示系統。任何人都可以不受傳統顯示的限制,使自己包圍在完全密封的視覺化資料之中,允許戲玩家在遊戲中扮演“虛擬存在”的角色,沉浸於動感的世界當中,PC用戶更可以體驗與他們的資料無縫融合的環境。

4. MEMS微顯示技術

  微機電系統(MEMS)技術已經在矽基片上構成了完整的微顯示器,無須製造附加的上層結構。從定義即可看出,MEMS內部可以包含微型的可動的機械部件,這些部件由控制電壓操作。

  其中,Microvision公司的Eyewea產品採用了其專用的集成光學模組(IPM)。IPM組合了Microvision公司的專利技術 MEMS掃描器、鐳射源、光學鏡頭和系統控制晶片。


Microvision公司的Eyewea彩色視頻眼鏡產品。

三、將電子設備穿在身上

  雖然視頻眼鏡目前還沒有流行,但是這並不妨礙其商業前景,因為穿戴式電子(wearable electronics)前景不可估量,這也正是AMOLED技術真正的“殺手級”應用。OLED顯示器廠商們預計,近幾年內將會出現可彎曲的、完全透明的OLED顯示器。

  在應用端,蘋果(Apple)、諾基亞、摩托羅拉(Motorola)均儲備有相關專利。其中,摩托羅拉的專利實際上是頭戴式手機;諾基亞的專利是可以當鍵盤用,並能像手鐲一樣戴在腕上的手機,並在2008年進行了展示;蘋果的專利申請是頭戴顯示器(HMD)。

  據報導,蘋果(Apple)已經提出了兩項描述對頭戴顯示器(HMD)進行改善的專利申請,這種頭戴顯示器是把1-2片小型顯示器螢幕,與頭盔或眼鏡內的放大鏡結合起來。蘋果公司稱,“增強型頭戴顯示器影像顯示(Enhanced Image Display)”專利申請“為頭戴顯示器使用者提供更寬廣的視野,並創造更自然的觀看條件,因而改善了頭戴顯示器的舒適度以及可用性”。這樣一來,蘋果現有的產品,如僅有一個小型視頻螢幕的iPod,將可獲得頭戴顯示器所帶來的好處。

  蘋果申請的第二項專利“用於頭戴顯示器的週邊設備處理(Peripheral Treatment For Head-Mounted Displays)”則提出了一種“採用MEMS/laser顯示器架構”的系統,以避免現有的頭戴顯示器所存在的問題,也就是說,使用者配戴一個盒狀的顯示器,可能會有因週邊視覺受限所帶來的不適感以及運動不適感。

  蘋果指出,OLED以及LCoS微型顯示器存在的缺點是壽命、解析度、幻覺效應(rainbow effect)以及其他問題,MEMS/laser系統可能存在的潛在問題在於安全性以及功耗。蘋果解決上述擔憂的能力,將是決定其iGlasses 頭戴顯示器產品是否成真與何時問世的關鍵。

參考資料:

1. 產通網http://www.365pr.net/tech_view.asp?id=484

2. 晶門科技公司網站http://www.solomon-systech.com

3. 美國高平公司網站http://www.kopin.com/about-cyberdisplay/

4. 美光科技公司(Micron Technology) http://www.micron.com/about/news/index.aspx

5. eMagin公司網站http://www.emagin.com/technology/index.php

6. Microvision公司網站http://www.microvision.com/about_microvision/contact.html

7. 晶奇光電網站http://www.oculon.com.tw

8. MicroEmissive Displays公司網站http://www.microemissive.com/news/

9. 美國Vuzix公司網站http://www.vuzix.com/news/product_sheets.html

 


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