隨著 LED 和 OLED 技術的發展，主要針對航空電子和軍用市場的頭戴式和近眼式顯示器也許會得以成真，最終成為一個切實可行的應用領域。 象谷歌眼鏡這樣的、在商業領域高調推出的產品，正讓平視顯示器 (HUD) 概念越來越可信。

早期嘗試走高性價比路線的可穿戴式 HUD 失敗了，主要原因是要么由于體積、重量過大而不實用，要么顯示器在陽光下亮度不夠導致無法操作。

目前有兩種方法正在開發之中，可以解決顯示器照明方面的難題。 第一種方法是來自美國、采用 LED 背光的小型傳統 LCD 顯示器。 第二種方法是來自歐洲、采用不需要 LED 背光的 OLED（有機 LED）顯示器技術。

本文將簡要介紹這種兩種方法的開發方向，二者均針對 LCD 和 OLED 顯示應用。 然后，重點介紹最新的 OLED 顯示器，解釋其發光原理及優勢。 我們將以 Newhaven Display International 提供的 NHD 字母數字和圖形OLED 顯示裝置為例。

雖然 Newhaven 顯示器還沒有達到 HUD 和眼鏡要求的體積，但在這類應用方面已展示出這種技術的發展潛力。 為方便設計人員評估該產品，該公司還提供了演示板 (NHDEV)。

市場機會

按照透明度市場研究 (Transparency Market Research, TMR) 機構1 在其最新發布的可穿戴技術報告中預測，這一市場到 2018 年將增長至 58 億美元，年復合增長率 (CAGR) 達到驚人的 40.8%。 在可穿戴市場中顯示器的發展機會，尤其對柔性顯示器，主要表現在信息娛樂和軍事/航空航天領域。 TMR 預計，隨著智能手表和智能眼鏡等技術的出現，信息娛樂領域到 2018 年將成為可穿戴技術市場的主要收入來源。

可穿戴技術成功的基本條件包括緊湊性、便攜性、靈活性和低功耗。 年輕消費群體會很快接受這類技術，這是信息娛樂領域一股特別強大的推動力；同時，其在健康監控領域的明顯優勢也將繼續刺激醫療和保健領域的增長。

通用航空

Aerocross Systems 是位于美國德克薩斯的一家新創公司，即將針對通用航空領域推出一款低成本平視顯示器。 這種貼近眼睛的頭戴式顯示器被命名為“智能眼 (Brilliant Eyes)”，適用于輕型飛機駕駛員，它可顯示傳統的“六塊腹肌”排列式信息：高度、飛行方向、垂直速度、氣流速度、水平方向和磁羅盤。

圖 1：Aircross Systems 的首個針對輕型飛機駕駛員的、采用 LED 背光式 LCD 的“智能眼”數據眼鏡原型。

該制造商擁有設計軍用顯示器產品的技術背景，因此對非常了解當前產品的不足之處。 例如，阿帕奇直升飛機駕駛員采用成本過高且相當笨重的頭盔安裝式單鏡片設計顯示目標數據。 Google 及其競爭對手正在開發一種可以安裝到普通眼鏡上的彩色 LCD 屏幕，且價格足以讓消費市場接受，Aerocross 受此啟發，確信自己也可以制造一種切實可行的平視顯示器。 關鍵是克服物理方面的難題——制造某種容易穿戴的輕型材料。 第二個難題是設計能使最終產品價格實惠的低成本光學器件。

首個原型產品采取單眼法，其特點是采用已在平板電視領域發展成熟的 LED 背光式微型 LCD 設計。 來自圖像的光線穿過一個光學器件模塊，該模塊聚焦無窮遠處的光線，然后將光線注入內置于眼鏡中的光學波導或者眼鏡的聚碳酸酯鏡片中。 試驗證明大多數人能看到清晰的圖像。 然而開發人員說，始終會有一少部分飛行員通過調整也無法適應近眼式顯示器，或者會出現惡心和/或視疲勞情況。

最終產品將集成圖像處理器，以便利用連接遠程傳感器或數字設備的無線鏈路接收數據。 雖然原型顯示器能在全日光下工作，但該公司仍在通過升級 LCD 的背光技術來提高亮度。

微型顯示器

這是一種正由德國德累斯頓 (Dresden) 市弗勞恩霍夫中心 (Fraunhofer Centre) 開發的替代性方法，它采用 OLED 材料來生產用于數據眼鏡的高亮度 (5000 cd/m2) 微型顯示器。 在 200 mm CMOS 背板上實現 OLED 材料構造的正交光刻工藝應該能實現大規模市場化的低成本生產。

開發人員稱，該產品的高亮度能充分適應不斷增加的實際應用，在這些應用中，虛擬圖像必須與日光環境平穩地融合。 為數據化眼鏡設想的應用包括其它外科手術或動物科學實驗，這些應用都需要定期獲取參考數據。

圖 2：Fraunhofer 采用 OLED 微型顯示器的交互式雙眼數據眼鏡。

Fraunhofer COMEDD 使用其 OLED 微型顯示器開發出交互式雙眼數據眼鏡（見圖 2）。 用戶不僅可以正常感知環境，還能看到微型顯示器上的其它信息。 該設備可同時顯示和捕捉圖像，這樣顯示器就能連續顯示前后連貫的信息，同時識別用戶的交互動作。 這類交互可能是眼睛或表情動作。

OLED 的發展潛力

有機 LED 顯示器是一種相對較新的技術，主要優點是工作時不需背光，使其比傳統 LCD 更薄更輕。 在設備的兩個面上形成透明或半透明隱形眼鏡是 OLED 技術的最新發展，它能極大地提高對比度，讓使用者在明亮日光下更易觀察顯示器。 其它優勢包括響應時間更快、視角更寬、外觀顏色更好（含純黑色顯示能力）。

引入靈活的大批量生產方法后，曾經是瓶頸的生產成本如今已有可能低于傳統 LCD。 此外，OLED 顯示器的典型能耗還不到 LCD 在顯示主要是黑色圖像時的一半。 用于大多數其他顯示器應用時，OLED 能耗是 LCD 的 60% 到 80%。

在結構方面，OLED 顯示器由置于兩個導體之間的有機材料層組成。 然后，這兩個導體（陽極和陰極）被夾在眼鏡頂板（密封層）和底板（基層）之間（圖 3）。

圖 3：OLED發光原理。 來源：Newhaven Display International。

在這兩個導體上施加電流時，有機材料會產生明亮的電致發光光線。 當能量從負電荷層（陰極）經有機材料層到達陽極層時，電子從導電層移動到發射層。 保留在導電層的“空穴”會“跳躍”至發射層，與電子重新結合。 結果，多余能量就以光的形式釋放，且能通過眼鏡最外層看到這種光。

為使 OLED 能顯示色彩，就需利用電流激勵 OLED 顯示器上的相應像素。 陰極和陽極按照相互垂直的形式布置，以形成像素矩陣。 施加到選定陽極和陰極帶上的電流決定激活那些像素，以及使那些像素保持關斷狀態。

每個像素又包含紅色、綠色和藍色子像素。 通過調節每個子像素上的電流強度，會產生不同的顏色和梯度。 每個像素的亮度與施加的電流大小成正比。

LCD 的替代品

Newhaven Display International 推出一系列針對字符和圖形應用的 OLED 顯示器。 雖然還不能適合即將到來的可穿戴應用，如數據眼鏡或頭戴式顯示器，但 Newhaven 的顯示器已展現出 OLED 技術的發展潛力。

NHD-0216KZW 是該公司系列產品中最小的標準尺寸字符顯示器之一，體積僅 80 x 36 mm x 10 mm（深）。 該產品旨在作為 LCD 或 VFD 模塊的兼容型替代品，它包括三種模塊，采用藍、黃或綠兩行 16 個字符顯示器。 這些模塊采用串行或并行 MPU 接口，具有兼容 LCD 的指令和四個內置字體表。

該公司還提供全色 OLED 產品。 NHD-1.27-12896UGC3 的體積為 45 x 45 x 5 mm，具有 128 x 96 像素，可顯示 262 k 色彩。 這些 18 位彩色無源矩陣顯示器具有 160° 寬視角，據稱能夠顯示比 LCD 更鮮艷、清晰的圖像，并且由于具有 10 μs 快速響應時間，能實現更快、更平滑的圖形動畫。 這種一體式低功耗設計包括一個含所需全部邏輯器件的模塊，其中包括具有內置睡眠模式的控制器。 該裝置僅需單接口電源（3 V 或 5 V）。

該公司還提供 NHDev 開發板，用于評估 Newhaven 的字符和圖形 OLED 顯示器，或對其進行原型開發。 該開發板已預先經過編程，能支持系列內的各種顯示器。 該開發板基于 STM332F103 Cortex-M3 微控制器，配備預先加載了圖像和文本文件的 SD 卡。

結論

OLED 不需要背光，可以做得非常薄并最終實現柔性化，成為可穿戴應用的理想顯示器件。 低功耗、高對比度、快速響應時間以及日光下顯示，也是諸如數據眼鏡、頭戴式顯示器等設備的理想特性。 低成本、大批量制造工藝最終會使 OLED 實現商業化，不僅可以用在消費和汽車信息娛樂應用的可穿戴設備方面，而且還以用在醫療和航空領域。