Il potenziale di occhiali e dispositivi a sovrimpressione grazie agli OLED

I display HUD (head-up display) e NED (near-to-eye display), destinati principalmente al mercato avionico e militare, possono finalmente emergere come proposta fattibile grazie alla tecnologia LED e OLED. Nella realtà commerciale, l'introduzione di alto profilo di prodotti come i Google Glass dà più credito al concetto degli HUD (letteralmente "display a testa alta") e HMD (head-mounted display, ovvero "montati sulla testa").

I primi tentativi di realizzare degli HUD indossabili e a costi abbordabili sono naufragati fondamentalmente perché il dispositivo era troppo ingombrante per risultare pratico oppure perché il display non era sufficientemente luminoso per funzionare con la luce del sole.

Per vincere la sfida dell'illuminazione dei display sono allo studio due approcci. Il primo, statunitense, prevede uno schermo LCD tradizionale ma di dimensioni ridotte, con retroilluminazione LED. Il secondo, europeo, usa la tecnologia dei display OLED (LED organici), che sopperisce alla necessità di retroilluminazione LED.

Questo articolo si prefigge di illustrare le direzioni di sviluppo di questi due approcci, destinati entrambi ad applicazioni di visualizzazione indossabili. Si focalizzerà quindi sullo stato dell'arte dei display OLED, spiegando come viene prodotta la luce e i vantaggi di questo approccio. La gamma corrente dei display grafici OLED e alfanumerici NHD disponibili da Newhaven rappresenterà un punto di riferimento.

Sebbene non abbiano ancora il fattore di forma richiesto per gli HUD e per evitare l'affaticamento della vista, i display Newhaven mostrano qual è il potenziale della tecnologia per questo tipo di applicazioni. È disponibile inoltre una scheda dimostrativa (NHDEV) per consentire ai progettisti di valutare i prodotti.

Opportunità di mercato

Secondo l'ultimo rapporto della Transparency Market Research¹ sulla tecnologia indossabile, si prevede che entro il 2018 il mercato crescerà fino a USD 5,8 miliardi, pari a un impressionante CAGR (tasso annuo di crescita composto) del 40,8%. Le opportunità per i display, specie quelli flessibili, nel mercato dei dispositivi indossabili interessano principalmente l'infotainment e i settori militare/aerospaziale. Con l'avvento di tecnologie come gli orologi e gli occhiali intelligenti, TMR prevede che entro il 2018 il settore dell'infotainment si collocherà alla testa dei generatori di reddito sul mercato della tecnologia indossabile.

Fra i principali criteri responsabili del successo della tecnologia indossabile vi sono la compattezza, la portabilità, la flessibilità e i bassi consumi. La rapida adozione di questa tecnologia fra i giovani consumatori è un importante fattore di promozione nel settore dell'infotainment, mentre i vantaggi evidenti del monitoraggio della salute continueranno a stimolare la crescita nel segmento medicale e del benessere.

Aviazione generale

Una start-up texana, Aerocross Systems, sta per lanciare un head-up display a basso costo per il settore dell'aviazione generale. Questo display HMD posto vicino all'occhio e chiamato Brilliant Eyes, è stato pensato per i piloti di aerei leggeri per mostrare le informazioni dei sei strumenti di volo tradizionali: altitudine, rotta, velocità, componente verticale della velocità, direzione orizzontale e bussola magnetica.


Figura 1: Il primo prototipo di occhiali da dati Brilliant Eyes di Aircross Systems per piloti di aerei leggeri usa un LCD con retroilluminazione LED.

Gli sviluppatori, grazie alla loro formazione tecnica in progettazione di prodotti a base di display per il settore militare, erano perfettamente consapevoli delle carenze dei prodotti correnti. I piloti di elicotteri Apache, ad esempio, per vedere i dati del bersaglio usano una sorta di ingombrante monocolo montato sul casco, che oltretutto ha dei costi proibitivi. Ispirata da Google e dai suoi concorrenti, impegnati nello sviluppo di un piccolo schermo LCD a colori montabile su degli occhiali standard e sufficientemente economico per il mercato consumer, Aerocross si è convinta di poter realizzare un head-up display pratico. Si trattava di vincere innanzitutto la sfida fisica della leggerezza per costruire qualcosa che potesse essere indossato facilmente. La seconda sfida era rappresentata dalla progettazione di ottiche dai costi abbordabili per rendere il prodotto finale economicamente avvicinabile.

Il primo prototipo, per il quale è stato adottato un approccio monocolare, prevede un LCD miniaturizzato con retroilluminazione LED, secondo un design già collaudato nelle TV a schermo piatto. La luce viaggia dall'immagine attraverso un modulo ottico che la mette a fuoco all'infinito e la convoglia in una guida ottica realizzata nell'occhiale o nella lente in policarbonato degli occhiali. Dalle prove condotte è emerso che la maggior parte delle persone riesce a vedere l'immagine in modo nitido. Tuttavia, secondo gli sviluppatori vi sarà sempre una piccola percentuale di piloti che non riuscirà ad adattarsi ai display vicino all'occhio o che soffrirà di nausea e/o affaticamento degli occhi.

Il prodotto finale sarà dotato di un processore di immagini in grado di accettare i dati attraverso un collegamento wireless con sensori remoti o dispositivi digitali. Sebbene il prototipo funzioni in condizioni di pieno sole, la società sta lavorando per aumentare la luminosità aggiornando la retroilluminazione per l'LCD.

Microdisplay

Un approccio alternativo, in corso di sviluppo presso il Fraunhofer Centre di Dresda, Germania, consiste nell'usare un materiale OLED per produrre microdisplay ad alta luminosità (5000 cd/m²) per gli occhiali da dati. Il processo della fotolitografia ortogonale per il patterning dei materiali OLED su backplane CMOS di 200 mm dovrebbe consentire una produzione in serie e a basso costo.

A detta degli sviluppatori, l'alta luminosità è sufficiente per applicazioni di realtà aumentata in cui l'immagine virtuale deve fondersi dolcemente con l'ambiente a luce diurna. Le applicazioni previste per gli occhiali da dati includono la chirurgia e altre procedure mediche o scientifiche che richiedono l'accesso regolare a dati di riferimento.


Figura 2: Gli occhiali da dati binoculari interattivi del Fraunhofer usano microdisplay OLED.

Fraunhofer COMEDD ha sviluppato occhiali da dati binoculari interattivi che utilizzano i suoi microdisplay OLED (Figura 2). L'utente percepisce il suo ambiente come di norma ma sul microdisplay vengono presentate informazioni aggiuntive. Il dispositivo è in grado di visualizzare e acquisire le immagini contemporaneamente, così da permettere la presentazione costante sul display di informazioni contestualmente rilevanti mentre, contemporaneamente, riconosce l'interazione dell'utente. Questa interazione può essere il movimento degli occhi o l'espressione.

Potenziale OLED

I display a LED organici sono una tecnologia relativamente recente il cui principale vantaggio risiede nel fatto che funzionano senza retroilluminazione, per cui possono essere più sottili e più luminosi degli LCD tradizionali. I recenti sviluppi OLED che generano contatti trasparenti o semi-trasparenti su entrambi i lati del dispositivo, possono migliorare enormemente il contrasto e rendere molto più semplice guardare i display sotto il sole. Fra gli altri vantaggi vi sono tempi di risposta più rapidi, un angolo di visualizzazione più ampio e un aspetto dei colori migliore, compresa la capacità di visualizzare il nero vero.

Con l'introduzione di metodi di produzione in serie, i costi di produzione che un tempo rappresentavano una barriera possono essere inferiori a quelli degli LCD tradizionali. Inoltre, i display OLED consumano in genere meno della metà di un LCD che visualizza un'immagine prevalentemente nera. Per la maggior parte delle altre applicazioni dei display, gli OLED consumano tra il 60 e l'80% dell'energia di un LCD.

Dal punto di vista costruttivo, i display OLED sono costituiti da uno strato di materiale organico inserito tra due conduttori. Questi due conduttori (un anodo e un catodo) vengono quindi posti tra una lastra superiore in vetro (tenuta) e una inferiore sempre in vetro (substrato) (Figura 3).

Figura 3: Come gli OLED producono la luce Fonte: Newhaven Display International.

Quando ai due conduttori viene applicata una corrente elettrica, il materiale organico produce una luce brillante, elettroluminescente. Quando l'energia passa dallo strato a carica negativa (catodo) allo strato dell'anodo attraverso il materiale organico, gli elettroni si spostano dallo strato conduttivo a quello emissivo. I "buchi" che rimangono nello strato conduttivo "saltano" in quello emissivo e si ricombinano con gli elettroni. Ne consegue il rilascio di energia supplementare sotto forma di luce visibile attraverso lo strato più esterno del vetro.

Perché gli OLED possano visualizzare il colore serve una corrente elettrica che stimoli i pixel pertinenti sul display OLED. I catodi e gli anodi sono disposti perpendicolarmente tra loro per formare una matrice di pixel. La corrente elettrica applicata alle strisce selezionate di anodi e catodi determina quali pixel vengono attivati e quali rimangono invece disattivati.

Ogni pixel è composto da sottopixel rossi, verdi e blu. Regolando l'intensità della corrente elettrica in ognuno di questi sottopixel è possibile creare colori e gradienti diversi. La luminosità di ogni pixel è proporzionale alla quantità di corrente applicata.

Sostituzione LCD

Newhaven Display International offre una serie di moduli di display OLED per applicazioni testuali e grafiche. Sebbene non siano ancora appropriati per applicazioni indossabili di imminente rilascio come gli occhiali da dati o i display HMD, i display di Newhaven mostrano già il potenziale della tecnologia OLED.

NHD-0216KZW è uno dei più piccoli display a caratteri standard prodotti dall'azienda, misurando appena 80 x 36 mm e soli 10 mm di profondità. Progettato per essere un sostituto compatibile per i moduli LCD o VFD, è disponibile in tre modelli con display a 16 caratteri su due righe di colore blu, giallo o verde. Usa interfacce MPU seriali o parallele, ha istruzioni compatibili con LCD e include quattro tabelle di caratteri incorporate.

Sono inoltre disponibili OLED full-color. NHD-1.27-12896UGC3 misura 45 x 45 x 5 mm, con 128 x 96 pixel che visualizzano 262.000 colori. Si ritiene che le immagini di questi display a matrice passiva a colori a 18 bit, con un angolo di visualizzazione di 160 gradi, siano più nitide e definite rispetto agli LCD e che le animazioni grafiche siano più rapide e fluide in virtù di un tempo di risposta rapido di 10 µs. Il design a basso consumo "tutto in uno" include un modulo che contiene tutta la logica necessaria, compreso un controller con modalità di riposo incorporata. L'unità richiede l'alimentazione di una sola interfaccia (3 o 5 V).

Per la valutazione o la prototipazione dei display OLED grafici e testuali di Newhaven è disponibile anche una scheda di sviluppo, NHDev. La scheda è stata preprogrammata per supportare i display della gamma. Basata sul microcontroller STM332F103 Cortex-M3, la scheda include una scheda SD con immagini e file di testo precaricati.

Conclusioni

Non richiedendo una retroilluminazione, i display OLED possono essere resi più sottili e, in ultima analisi, più flessibili, risultando pertanto ideali per applicazioni indossabili. Basso consumo, alto contrasto, tempi di risposta rapidi e visualizzazione alla luce del giorno sono altre funzioni auspicabili per dispositivi come gli occhiali da dati e i display HMD. Infine, i processi produttivi a bassi costi e in grandi volumi renderanno gli OLED commercialmente fattibili non solo per i dispositivi indossabili nelle applicazioni consumer e di infotainment per le automobili ma anche per i settori medico e avionico.

Riferimenti:

1. Transparency Market Research, Wearable Technology Market 2012-2018.