仿真和系统设计的3 d测量光学系统基于双向OLED集中

文摘

创新显示技术使各种不同的系统应用。具体来说,在计量、医疗和汽车应用程序集中被越来越多的使用。在过去几十年OLED集中在显示发展的重点。一个新类具有一个集成的光电二极管阵列的OLED集中的最新发展。所谓双向OLED集中结合发光设备集中照明(am - OLED)和照片敏感探测器(光电二极管矩阵)基于OLED-on-CMOS-technology在单一芯片上。目前这种显示仍然是一个原型。基于这样一个小说集中照明双向OLED,首次提出一个系统模拟和三维光学表面计量系统的设计。第一步是集中照明的完整描述。根据鉴定结果未来系统参数确定。根据鉴定结果和应用参数定义的系统设计参数。 The functionality of the system is simulated, and a theoretical proof of concept is presented. An example for our application on 3D optical surface metrology system is evaluated.

1。介绍

扩大要求制造技术提高要求非接触测量系统。典型的光学测量系统是基于分离发光单元(例如,投影单元)和检测单位(如摄像机单元)1,2]。这一事实限制了传感器系统的小型化。此外,两个opto-electronical设备的使用复杂的集成和线条,从而导致更高的生产成本。

通常,投影单元包括一个光源和一个收集光学照明光调制器(如DMD(数字微镜装置)或硅晶硅上液晶显示器)和投影镜头,成像生成的模式进入测量平面。第一步这样一个单元的小型化是应用程序的集中照明self-emitting集中照明(有源矩阵OLED)模式一代(3]。OLED集中是最先进的集中,它们用于各种各样的应用程序(例如,多媒体、医疗和计量应用程序(2- - - - - -7])。这些设备包括光源、光调制器在一个元素,最小化系统中组件的数量。相比传统的投影系统OLED集中允许一个简单的小系统集成(6]。

进一步的小型化可以实现通过应用集中集中照明结合OLED和传感器单元(即。光电二极管矩阵)在一个单一的元素。这样一个双向OLED集中(BiMiD)实现使用由弗劳恩霍夫OLED-on-CMOS-technology ipm (8- - - - - -10]。这意味着光源/图像设备被放置在同一个平面上的探测器。这次调查中使用的双向显示由一个am - oled集中与一个集成的光电二极管矩阵。意味着每一个显示像素包含一个发射OLED像素和一个光电二极管。这两个函数同时工作,并且在相同的波长范围。第一个应用程序是基于类似工作BiMiD流,颜色,和反射传感器,提出了Reckziegel et al。8]。另一个应用程序基于BiMiD作品在不同波长范围的OLED成像和光电二极管检测是一个头盔显示器和一个距离传感器,里克特提到的et al。9,11]。

在本文中,我们提出一个基于移相的表面三维光学测量系统边缘投影(1,12- - - - - -17与BiMiDs]。测量对象的边缘是投射到表面。因为它们是通过不同的角度观察(三角角),边缘出现变形根据测量对象的表面变形。这种变形的边缘允许计算所有可见点的三维坐标。到目前为止这种系统分为投影和成像单元增加系统的大小。

我们将证明一个双向OLED的应用集中使高度集成的实现紧凑的表面计量传感器。

2。边缘投影原理

一个简单的条纹投影三维测量系统由一个图像采集传感器和数字模式(例如,边缘)投影仪(见图1(一))[1]。生成的模式/边缘基于LCD数字投影单元,LCOS、DMD,或集中照明OLED技术(2]。图像采集传感器可以应用传统CCD。三维测量系统是基于边缘投影测量物体的表面。边缘出现变形时从不同的角度观察(三角角)。trinangulation角是角投影透镜的光轴与成像透镜。变形的边缘所有可见点的三维坐标计算,因此可以确定物体的形状。

在图1 (b)3 d表面计量系统的原型。该系统是基于一个OLED投影单元和一个成像系统。trinangulation角是18°。OLED集中生成边缘模式通过投影透镜投射到测量对象。成像镜头显示对象在探测器上的序列模式。基于各种各样的边缘图像的三维形状测量对象可以计算。右边的图1 (b)校准的测量目标的结果。测量和目标形状的一致性好。

结构光方法结合的投影序列的相移正弦条纹模式结合使用格雷码的序列模式(18]。由于相移正弦条纹模式产生周期性相位值,附加相位必须解决这些模棱两可,这可以通过使用格雷码序列给每个窦内一个惟一的标识符(12,17]。能够计算物体表面的三维点使用三角测量方法,至少2阶段每个3 d点的值是必要的在此设置连同一个完全校准传感器安排(例如,取向参数测量相机和投影仪边缘)。这可以通过使用两个投影模式序列相互旋转90°。测量结果中的每个像素相机有一双相位值分配给它。这双相位值矩阵描述了一个在投影仪的位置(例如,插值投影仪像素)。使用两个传感器的定位参数单位,可以使用一个简单的三角测量来计算表面的3 d点(15]。使用这种方法,三维坐标测量的准确性直接决定的相位测量的准确性(比例)。

3所示。双向OLED集中

OLED集中被广泛使用在商业应用程序(如显示器,由用户直接观察(手机屏幕,头戴显示器)7,9]。这种显示技术受益于小几何尺寸、低体重、低功耗,和潜在的高分辨率19]。高亮度OLED集中照明也可以应用在picoprojectors图像生成设备(如手机)2,6]。然而,这些系统是单向(9]。

light-emitting-polymer——的发展(地蜡)on-CMOS-technology [19)打开的可能性结合光发射和检测在一个芯片上。所谓双向OLED集中(BiMiD),基于OLED-on-CMOS-technology,已被开发的弗劳恩霍夫光子微系统研究所(ipm,德累斯顿)[8- - - - - -10]。这样的显示提供了一种新的光学测量系统的灵活性,因为投影成像单元可以合并在一个光路。

OLED的cmos技术实现一个简单的电子集成19]。图2显示了BiMiD的截面设计。CMOS顶部金属代表同时OLED底部电极(OLED阴极)。一个半透明的薄金属层用作OLED电极。OLED层直接喷涂到互补金属氧化物半导体衬底。详细的OLED层结构中描述Reckziegel et al。8]。二极管(PDs)嵌入在互补金属氧化物半导体衬底。这意味着在每个BiMiD像素一个OLED发光像素和一个光电二极管集成。由于cmos技术(嵌入式二极管)90%的高填充因子包括OLED像素和光电二极管可以实现。

发射单元是一个主动矩阵- AM - OLED集中。光敏二极管直径约8μm是集成在每个OLED像素(34μ米²)。光敏二极管是7μ米以下的OLED层。图3(一个)显示了BiMiD显示一个图像,图3 (b)显示了一个详细视图的像素结构。

由于加工原因,BiMiD为我们的第一个原型应用程序有一个有限的光电二极管的决议。尽管二极管放置在每个OLED像素,只有一个光电二极管的集成的电子控制,因此活跃。因此,光电二极管分辨率降低四相比OLED决议。结果QVGA分辨率OLED集中的(240×320),光电二极管的决议是QQVGA (120×160)。使用这种设备,同时或顺序排放(OLED投影)和检测(光电二极管)可以实现20.]。在连续的操作模式,OLED投影和光电二极管检测波长独立()。在同步的操作模式,我们使用它BiMiD原型,oled和光敏二极管工作在相同的波长范围()。然而,在这种情况下,直接串扰影响oled和二极管之间可以干扰功能。

我们分类两个不同类型的串扰:局部和全局相声。当地的OLED像素之间的串扰发生直接和其邻近的光敏二极管,引起的,例如,通过互补金属氧化物半导体层(即内部反射。光波导效应)。全球与本地相声,相声的影响表明一个发射OLED像素在二极管被分布在整个显示设备。全球相声可以,例如,是由于(例如,多个)反射显示盖玻片,因此可以检测到光敏二极管中定位不发光的直接邻居OLED像素。局部和全局相声有强烈影响到检测信号的特征(11]。

限制当地的相声,我们可以利用光敏二极管的有限的决议。在一个2×2像素矩阵只有一个光电二极管能够察觉到光线,活跃周围的OLED像素光电二极管不用于发光。因此,所有图片用于掩盖,这意味着OLED像素包括活跃的二极管是不活跃的(例如,黑色像素投影)。这样,当地的光电二极管之间的串扰和周边OLED是可以预防的。

当前BiMiD原型,我们用于原型发出橙色的可见范围(海里)的带宽48海里(应用)。OLED显示器的亮度在不同电压调整位于260 cd /米之间²和7.8 kcd / m²,适用于高亮度投影应用。周围的辐射角是为每个亮度±45°。显示屏的均匀性是90%左右。OLED显示器的对比度约为30000:1的比例(全屏光明黑暗全屏图像)。这个敏感的对比度是OLED集中的一大优势相比传统集中用于投影。光敏二极管展览0.1434和1.174 s女士之间的曝光时间。一致性是最高曝光时间的83%左右。

更详细的技术并给出了双向OLED-on-CMOS-microdisplay Richter et al。(9]。

4所示。概念设计

三维传感器的核心要素是双向OLED集中(BiMiD)。证明的原则传感器BiMiD特征。测量的参数用于系统仿真与光学设计软件ZEMAX档案。此外,软件使用了三维模型的生成。

首先BiMiD为特征(见部分3)。OLED集中照明、光电二极管矩阵(PD),以及OLED和二极管之间的串扰。测量的相声BiMiD近轴镜头设计(见图5)。BiMiD发出和探测光在同一个平面上,在相同的光谱范围。图4(一)显示了预计的测试图像(白色正方形的对角线3毫米),和图4 (b)显示检测到的图像没有额外的光元素(例如,透镜和反射镜)。直接OLED像素之间的串扰和光敏二极管检测。所需的检测信号低于串扰信号( )。由于直接相声BiMiD活跃区域被划分在两个不同的领域:一个对象字段和一个检测领域。在图5近轴镜头设计设置和简化实验室设置包含投影的分离和检测领域。在近轴镜头设置蓝色路径描述投影路径,和绿色的描述了成像路径。对象和图像字段都放在旁边。镜子是集成在投影路径。的位置折反射镜和光学系统的维数配置确定三角角()。成像路径展开。在这两个两个近轴光学路径眼镜集成(图5(一个))。实现设置包括现成的光学如图5 (b)。

图4 (c)显示对象的检测图像。左边的直接相声图像投影场和右边图片所示的对象。由于内部显示效果积极OLED像素成像到相邻的二极管。因此,投影对象字段和检测领域必须通过射线路径分离折叠。之前所述检测信号强度不是相声的面积。投影(gap)之间的距离必须大于相声和检测领域范围半径。的尺寸差距取决于OLED照明和光电二极管的灵敏度。下列近轴模拟投影场周围的相声(差距= 0),但被忽视的进一步发展光学原型对象字段之间的差距> 0和检测领域必须被考虑。

正如之前所讨论的,检测领域必须分开显示投影领域。因此,检测场(对角4.46毫米)是两倍投影领域(对角8.92毫米)来实现更高的分辨率(592×592像素)成像路径。图6显示了紧凑的近轴光学系统设计的3 d传感器:左边右边BiMiD和密苏里州。

对象(例如,边缘模式,见图7)是由近轴成像透镜的焦平面传感器。在焦平面帽放置。通过第二个近轴镜头莫是观察在边缘投影序列和PD检测到的图像。系统参数如表所示1。OLED(对象字段)与传感器的辐射排放特点,和测量对象发出统一的辐射特性。

实现测量领域的约0.85毫米的放大投影透镜是−1/5。成像放大率是11 x。测量对角线为0.85毫米。BiMiD和测量平面之间的距离大约是160毫米。系统孔径很小,和近轴镜头直径在投影路径5毫米和6毫米的成像路径。三角测量的角度;这意味着图像投射到测量对象在一个9°角。

完整的系统原理简化如图所示8。第一个模拟部分是模拟的投影路径OLED的形象。OLED作为图像/光源和传感器的辐射特性。条纹图形图像投射在密苏里州。在模拟的第一步,莫作为检测器。图片保存,用于第二个仿真步骤中,成像/检测路径。与边缘检测图像,莫,充当一个图像/光源的成像莫成真正的探测器平面BiMiD。辐射MO-fringe形象统一的特征。图8(一个)显示的条纹图形图像显示在测量平面的莫莫是一个正弦的理想对象。如图所示8(b)和图9(一个)。图8(c)描绘了莫在一个边缘的检测图像投影序列。第二部分的仿真图像作为一个图像/光源。图像投射到BiMiD检测字段,如图8(d)。2 46条纹图形图像和参考图像成像到莫。因此,48莫与边缘的图像模式成像到BiMiD检测场(23个模式图像对于每个方向,水平或垂直,和2)参考图像(见图7)。基于这些检测图像(BiMiD)模拟测量对象可以重新计算一个三维模型。结果如图8(e)和图9 (b)。

我们决定使用的3 d计算16-step相移干涉图样。每个模式由一系列相邻边缘的宽度16像素。序列中每个模式转变为1像素之间的两个相邻的步骤。基本模式大小是1024×1024组成的64时期的边缘(独立于投影仪的分辨率,只有集中区域投射到对象)。这意味着格雷码7图片导致23序列图像投影在一个方向上。作为引用一个黑人形象和一个明亮的形象也被记录了。因此,我们使用48图像完整的测量。在图7一些测试图片所示。在测量记录一系列的每个像素强度值。计算周期相位值的强度值16边缘模式规范化与黑暗和明亮的图像供参考使用插值。使用格雷码相位完成图像序列。格雷码序列的强度值为每个像素转换成一个二进制序列代表数量。现在的倍数被添加到每个周期阶段价值取决于其数量打开相位值。这个计算正弦莫后,模拟ZEMAX档案,重新计算一个3 d模型。重新计算,相比较而言,模拟对象如图9。计算三维模型显示了模拟莫好符合。

5。结论

OLED-on-CMOS底板的整体设计与光敏二极管发射和检测单位结合在一个单一的芯片。上,提供了一种新的灵活的应用在光学测量表面和形状特征和允许紧凑的光学系统,特别是光学测量领域。

在本文中,我们提出了一个紧凑、高度集成的三维测量系统基于条纹投影原理使用双向OLED集中开发的弗劳恩霍夫ipm。这集中结合称为OLED发光像素集中(投影单元)和光检测像素被称为光敏二极管(摄像机单元)在一个单一的设备。这种技术提供了机会,小型化的光学测量系统。

相比传统的3 d传感器系统(基于投影和成像部件)提出了设置基于BiMiD紧凑。提出了三维测量系统是基于边缘投影测量物体的表面。边缘出现变形时通过一个不同的角度观察(三角角)。基于边缘的变形所有可见点的三维坐标计算,因此,可以确定物体的形状。

由于内部串扰效应两个独立的投影镜头,成像是必要的。系统镜头设计是基于BiMiD和两轴旁的镜头,这是通过三角18°角导向。光阑都小于6毫米。0.85毫米的测量领域一个对角。重新计算的测量对象不同的引用和条纹图形图像是必要的。2 23条纹图形图像和参考图像模拟光学系统在两个方向上,投影成像,和两个方向,水平和垂直。根据检测到的图像(图像测量对象的边缘投影序列),边缘变形是由于测量不规则表面。模拟测量对象可以重新计算一个3 d对象模型。模拟和计算测量对象的一致性可以被显示。这个系统仿真显示了一个3 d表面的概念证明传感器基于双向传感器设备。

由于双向OLED的应用集中边缘生成元素和探测器结合成一个单一的设备。因此,ultracompact和坚实的系统概念3 d表面计量已经实现了。这种紧凑的传感器是非常适合应用内嵌在制造过程质量控制。在消除串扰的情况下,有可能意识到只有一个光学传感器在下一步,而不同的光学系统配置,应用microoptics,混合光学,和自由的光元素将被认为是设计和构建一个完整的3 d曲面传感器工作。

确认

作者要感谢同事的弗劳恩霍夫ipm的良好合作。支持的项目是德国联邦教育和研究(ISEMO,项目没有。16 sv3682)。

引用

1. p . Kuhmstedt c . Munckelt m·海因策c . Brauer-Burchardt和g . Notni”三维形状测量基于相位相关的边缘投影,”光学测量系统为工业检查卷,6616进行方法相比,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. s . Riehemann c . Grossmann沃格尔,b·里希特和g . Notni“超小OLED微型投影机,”Optik”Photonik,4卷,不。2,34-36,2009页。视图:谷歌学术搜索
3. g . Notni s Riehemann p . Kuhmstedt l . Heidler和n .狼”OLED microdisplays-a新的边缘投影设置关键元素,”干涉法十二:应用程序卷,5532学报学报美国,页170 - 177年,2004年8月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. s . Riehemann m .金棕榈奖,李普曼:狼,和g . Notni”系统的概念和光学设计微型投影成像系统和OLED集中”光学设计和工程卷,5962学报学报2005年9月,德国耶拿。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 美国Riehemann,李普曼,m .金棕榈奖诉Vangdal, t·汤姆森和g . Notni“眼部OLED-HMD同时眼球追踪,”第44届国际研讨会,研讨会,展览,SID,37卷,不。1,第165 - 163页,2006年6月。视图:谷歌学术搜索
6. c . Großmann s Riehemann g . Notni, a . Tunnermann”OLED-based pico-projection系统”学会杂志》上的信息显示,18卷,不。10日,821 - 826年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m .肖勒,沃格尔,安德伍德et al .,“HYPOLED高性能OLED移动多媒体头盔显示器和投影应用,集中”第48届SID学报》研讨会,研讨会和展览,3卷,第1929 - 1926页,2010年。视图:谷歌学术搜索
8. s . Reckziegel d . Kreye t Puegner et al .,“光学传感器基于单片集成有机发光二极管(oled)”光学传感器卷,7003学报学报2008年4月,斯特拉斯堡,法国,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. b级,沃格尔,哈罗德r . et al .,“双向OLED集中:显示和图像传感器的功能组合到一个单片CMOS芯片”《IEEE国际固态电路会议(globalfoundries 11)2011年2月,页314 - 315。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 沃格尔,d . Kreye s Reckziegel m·托克c . Grillberger和j .阿梅龙“OLED-on-CMOS集成光电传感器应用”硅光子学二世卷,6477学报学报美国加州圣何塞,2007年1月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. c . Grossmann f . Perske s·茨威格et al .,“表面基于双向集中计量系统,”光学设计和工程第四卷,8167学报学报,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. f . Wahl Mustererkennung, 1986年。
13. j·戈贝尔,p . Kuhmstedt r . m . Kowarschik g . Notni和w·施赖伯”与结构光三座标测量系统,”94:Photomechanics干涉法”卷,2342学报学报1994年5月,页41-49,。视图:谷歌学术搜索
14. r . Kowarschik p . Kuhmstedt j .戈贝尔w·施赖伯和g . Notni“自适应光学和结构光三维测量,”光学工程,39卷,不。1,第158 - 150页,2000。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. w·施赖伯和g . Notni”理论和安排self-calibrating全身使用条纹投影技术,三维测量系统”光学工程39卷学报学报,没有。1,第169 - 159页,2000。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. p . Kuhmstedt”Phasogrammetric光学3 d-sensor大型对象的测量,”在生产工程光学计量卷,5457学报学报2004年4月,页56 - 64。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. t . Luhmann罗布森,s·凯尔,哈利,近距离摄影测量2006年,Luhmann:威利,一来,2006年。
18. f·陈,g·m·布朗和m .歌曲,“三维形状测量使用光学方法的概述,“光学工程,39卷,不。1,10-22,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. g·凯利,r .伍德伯恩。安德伍德et al .,”一个全彩集中使用light-emitting-polymer CMOS,”学报13 IEEE国际会议上电子、电路与系统(leche 06年)2006年12月,页760 - 763。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. d . Kreye m . Toerker,沃格尔,j .阿梅龙”彩色RGB OLED CMOS有源矩阵OLED集中,”有机上杉达也发光材料和设备X卷,6333学报学报2006年8月,圣地亚哥,加利福尼亚州,美国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2012年康斯坦丝Großmann等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。