MicroOLED-Displays: Starke Bilder für AR/VR

27. Mai 2022 Katrin Pape

MicroOLED-Displays: Starke Bilder für AR/VR

VR-Headsets verfügen über einen begrenzten Bauraum – ein kleiner Display-Formfaktor ist für Anwender natürlich angenehmer, als ein klobiges, schweres Modell. Doch letztlich muss ein Gerät auch effizient arbeiten- lange Zeit bestand an dieser Stelle eine große Diskrepanz: da sich die Displaygröße nicht auf ein Minimum beschränken ließ ohne im Ergebnis an Qualität zu verlieren, waren VR-Brillen entsprechend schwer und unergonomisch.

Im Jahr 2020 hatte das Segment „Near Eye Displays“ (u.a. VR-Headsets und AR-/Smart-Glasses) mit 80,5 % den größten Anteil am globalen OLED-Markt. Auf organischen Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diodes) basierende Mikrodisplays haben nicht nur eine gute optische Leistung mit hervorragendem Kontrastverhältnis, sondern benötigen auch weniger Strom.

Sind MicroOLEDs also der Weg zu noch effizienteren AR-/VR-Brillen?

MicroOLEDs, starker Kontrast!

VR-Headsets hatten lange Zeit das Problem, zu klobig und schwer zu sein. Mit im Display verbauten MicroOLEDs hat sich in den letzten Jahren in Sachen AR/VR einiges getan. Bildquelle: americanexpress.com

Um das Sichtfeld bei gleichem Display-Format zu vergrößern, ist es sinnvoll, die Auflösung durch ein Verkleinern des Pixelabstands zu erhöhen. Micro-OLEDs der zweiten Generation hatten z.B. noch einen Pixelabstand von 7,8 µm/3300 ppi; mittlerweile liegt dieser Wert bei 6,3 µm und erreicht eine Pixeldichte von mehr als 4000 ppi.

Im Gegensatz zu kunststoffbasierten MicroOLEDs haben LCD-Pixel einen Farbfilter, der die Pixel in die jeweiligen RGB-Komponenten aufspaltet. Der Farbraum bei MicroOLEDs entsteht jedoch durch eine vollständige RGB-Überlagerung. wodurch das gesamte emittierte Licht auf einmal abgegeben wird.

Durch die Pixelanordnung wird das Kontrastverhältnis für MicroOLEDs auf über 100000:1 erhöht (im Vergleich zu 150:1 bei LCoS, 300:1 bei LCDs). Die Displays ermöglichen so Pixelgrößen zwischen vier und zwanzig Mikrometern, im Vergleich zu 40 bis 300 Mikrometern bei Standard-OLEDs.

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Für einen schlanken Formfaktor nutzt Panasonic Googles ebenfalls MicroOLEDs. Bildquelle: yankodesign.com

Eine Methode zur Erzeugung von Bildern mit hoher Helligkeit ist das von Texas Instruments entwickelte Digital Light Processing (DLP). Dabei wird Bildgebung über ein Mikrosystem (MEMS) und gezielte Reflektion durch schwenkbare Mikro-Spiegel erzeugt. Ein anderer Ansatz zielt auf Flüssigkristallanzeigen, LCDs (Liquid Crystal Displays) & LCoS (Liquid Crystal on Silicon), ab. Aber auch neueste LCoS-Varianten vermögen aufgrund ihrer inhärenten, lichtblockierenden Displaystruktur keine Anzeige vollständiger Schwarzwerte.

Micro-OLEDs dagegen sind selbst-emittierend und haben keine Hintergrundbeleuchtung, wodurch tiefe Schwarzwerte möglich sind. Auch bei Grauwerten zeigen OLEDs noch hohe Farbwertigkeit. Zudem hat sich gezeigt, dass sich hohe Emissionseffizienz und längere Lebensdauer der VR-/AR-Brillen erzielen lassen, wenn die Emissionsstruktur mit Farbfiltern angepasst wird.

So wird der Farbfilter im OLED-Herstellungsprozess direkt auf dem Siliziumsubstrat aufgetragen (sog. On Chip Colour Filter Array) und der Abstand zur lichtemittierenden Schicht verringert. Das reduziert die Möglichkeit eines „Photonen-Crosstalks“ und verbessert den Blickwinkel auf Pixel, da sich der Filter nun näher am Subpixel befindet, wodurch sich Strahlungswinkel und Blickwinkel vergrößern.

Flüssigkeitsbasierte LCDs dagegen sind in Glassubstrate eingebettet und lassen Licht nur aus einer Richtung wandern. Sie sind dadurch baulich nicht nur schwerer, sondern emittieren langsamer.

MicroOLEDs verfügen aber über eine Schaltzeit im Mikrosekundenbereich (maximal 0,01 Millisekunden, im Vergleich zu 2 – 5 Millisekunden bei LCDs) und punkten damit nicht nur in Sachen Farbwertigkeit, sondern auch in puncto Bewegungsschärfe und Latenz.

Verbesserte Ergonomien

Das nur 200 Gramm schwere Arpara VR-Headset basiert ebenfalls auf MicroOLED-Technologie. Bildquelle: daily-vr.com

Bei VR-/AR-Anwendungen sind nahtlose Übergänge in der Bilddarstellung besonders wichtig; Farbaufspaltungen wirken dieser Zielsetzung diametral entgegen. Damit Licht aus jedem Subpixel optimal alle RGB-Bereiche durchstrahlt und eine optimale Lichtauskopplung gewährleistet werden kann, nutzt die Industrie bei Augmented-Reality-Brillen etwa speziell ausgeformte halbkugelförmige Mikrolinsen, die im Glassubstrat direkt auf die Farbfilter aufgesetzt werden.

Im Gegensatz zu VR müssen in Augmented Reality die verschiedenen Info-Layer im Sichtfeld klar und deutlich erkennbar sein, da die reale Umgebung mit seinen Lichtverhältnissen für Headset-Anwender stets sichtbar bleibt. Was bei VR noch ausreichend ist, genügt in AR lange nicht mehr: der Helligkeits-Sollwert muss hier etwa das 3-fache erreichen.

Spezifische MicroOLEDs mit Orbit-Funktion sind daher beispielsweise so konzipiert, dass sie die für AR-Lösungen relevante Helligkeit durch einen besonders hohen Sollwert erreichen und das Einbrennen bzw. Altern benachbarter Pixeln unterbinden. Die Technologie ist auch ein innovativer Weg, um die eher empfindlichen organischen OLED-Materialien vor funktionellen Korrosionsschäden aufgrund von atmosphärischer Feuchtigkeit zu bewahren, die langfristig zu verminderter Helligkeit führen können.

Eine Verbesserung in der Lichtauskopplung lässt sich auch durch neues Kathodenmaterial erreichen: Anstatt einer Magnesiumsilberlegierung hat sich z.B. die Verwendung einer hochtransparenten und sehr leitfähigen Zinkoxid-Legierung bewährt. Auf diese Weise kann die Lichtintensität in AR-Brillen nochmals erhöht werden.

Kickstarter: arpara, World’s First 5K Micro-OLED All-in-One VR Headset

Auch Arpara VR nutzt MicroOLEDs und erzielt damit wesentlich bessere Farbkontraste als viele andere VR-Headsets. Das Gerät wiegt nur 200 Gramm und damit weniger als die Hälfte des Gewichts der Vive Pro 2. Im Vergleich zur Pico Neo 3, die ebenfalls mit einem LC-Display (3664x1920. 818 PPI) arbeitet, wiegt sie sogar nur 1/3 (200g statt 620g).

Fazit: Selbstemittierende MicroOLEDs unterstützen die fortschreitende Miniaturisierung am Markt und ermöglichen eine verbesserte Portabilität.

Auch wenn die Technologie noch verhältnismäßig teuer ist, so sind entsprechende VR- und AR-Headsets mit MicroOLEDs wesentlich flexibler, handlicher und effizienter: OLEDs emittieren unmittelbar, reagieren etwa 1000 mal schneller als LCoS-Displays und bilden einen erweiterten Farbraum mit besserer Farbwiedergabe, helleren Bildern und stärkerem Kontrast aus. Zudem ist OLED-Material langlebiger, da OLEDs nicht auf Glassubstrate angewiesen sind, sondern aus flexiblen Kunststoffen gefertigt werden können.

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