Електронний папір Retina досягає роздільної здатності людського ока (WO₃)

Розміри дисплеїв неухильно зменшуються, тоді як роздільна здатність стрімко зростає, що наближає екрани до наших очей.

Спочатку телевізори та проектори були розроблені для спільного перегляду на відстані. Через це вони були великими, важкими та стаціонарними, що змушувало користувачів звикати до екрана.

Так було до появи персональних комп’ютерів, які зробили екрани майже доступними для нас. Невдовзі дисплеї стали персональними, що призвело до переходу від спільної до індивідуальної взаємодії.

Тоді прийшов революція смартфонів, що наблизило екрани до наших очей. Ми могли носити наші екрани з собою всюди, і взаємодія стала більш інтимною.

Тепер, на останньому етапі цієї еволюції, дисплеї перемістилися на наші тіла. Носимі пристрої, такі як смарт-годинники, фітнес-браслети, окуляри доповненої реальності та гарнітури віртуальної реальності, розташовуються лише за міліметри від ока, перетворюючи екрани на продовження нас самих.

Поточні дослідження спрямовані на проекцію сітківки, дисплеї поблизу ока та нейронні інтерфейси для ефективного об'єднання відображення та сприйняття, де дисплей стає частиною нашої зорової системи.

На кожному етапі цього процесу фізична відстань було зменшено і занурення в екран збільшилося. Але з розвитком технологій відображення ми стикаємося з обмеженнями розміру та роздільної здатності дисплея. 

Межі роздільної здатності людського ока (PPD), що визначають прогрес відображення

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Поки вчені, інженери та дизайнери зосереджені Щодо покращення роздільної здатності мобільних дисплеїв, дисплеїв доповненої та віртуальної реальності, питання полягає в тому, чи дійсно вони дають помітні переваги.

Річ у тім, що хоча новатори та виробники можуть продовжувати збільшувати роздільну здатність своїх дисплеїв, додаючи більше пікселів, людське око має обмеження. 

Межа посилається як роздільну здатність сітківки або граничну роздільну здатність ока, яка не має нічого спільного з самою нашою сітківкою, а пов'язана з нашим мозком. Добре те, що ця межа вища, ніж ми спочатку думали, тобто 60 пікселів на градус (PPD) на основі діаграми Снеллена.

Щоб визначити максимальну роздільну здатність дисплеїв, a Недавнє дослідження¹ прагнули визначити межу роздільної здатності сітківки. Вони виявили, що додавання більшої кількості пікселів до дисплея робить його менш ефективним, дорожчим та енергоємним.

Мета дослідження – визначити граничну роздільну здатність, за якої зображення виглядає чітким для наших очей без помітного розмиття. Для цього дослідники провели експеримент за участю 19 учасників, яким показували візерунки на ковзному дисплеї (для безперервного контролю роздільної здатності) з дрібними градаціями, у відтінках сірого та кольорового кольорів. Щоб виміряти PPD, дослідники переміщували екран ближче до учасників та далі від них.

Дослідники виявили, що коли роздільна здатність пікселів перевищує візуальну межу спостерігача, спостерігач не може надійно розрізнити візерунки з тонких ліній та звичайне сіре зображення. Тож, як тільки спостерігачі досягають межі роздільної здатності, вони просто не можуть розрізнити два зображення, а це означає, що додавання більшої кількості пікселів або деталей не має значення, оскільки людське око просто не може їх побачити.

Згідно з вимірюваннями дослідження, людське око може розрізняти деталі з роздільною здатністю 94 пікселі на градус для ахроматичних (чорно-білих) зображень, що розглядаються прямо, але цей показник знижується для хроматичних зображень. Для червоних та зелених візерунків він становив 89, а для жовтих та фіолетових — ще менше, 53 PPD. Дослідники також повідомили про більше зниження межі роздільної здатності для кольорових візерунків, ніж для чорно-білих.

«Наші очі — це, по суті, сенсори, які не такі вже й чудові, але наш мозок обробляє ці дані, перетворюючи їх на те, що, на його думку, ми повинні бачити».

– Рафал Мантюк, співавтор дослідження, а також професор графіки та дисплеїв у Кембриджі

Чому зменшення випромінювальних пікселів переривається при надвисокому PPI

Збільшення щільності пікселів за межі того, що можуть розрізнити наші очі, має свою ціну. Оскільки розміри пікселів продовжують зменшуватися в емісійних дисплеях, однорідність та інтенсивність їхнього випромінювання погіршуються, а яскравість... зменшується, а також зростають перехресні кольорові перешкоди та складність виготовлення, що ускладнює отримання зображень з дуже високою роздільною здатністю.

Комерційні телефонні панелі сьогодні використовують пікселі приблизно ~60 мкм у діаметрі (≈450 PPI). Згідно з дослідженням Nature, це приблизно в кілька тисяч разів більше, ніж теоретично потрібно для ідеального дисплея, що відповідає розміру ока, — звідси й прагнення до абсолютно нових архітектур пікселів, а не простого зменшення випромінювачів. У такому масштабі неозброєним оком важко сприймати випромінюване світло, особливо в умовах яскравого зовнішнього освітлення.

Що стосується найменшого кольорового мікро-світлодіодного дисплея, його менший розмір пікселя ускладнює досягнення роздільної здатності на рівні сітківки ока в широкому полі зору. Коли пікселі менші за 1 мікрометр (мкм), вони погано працюють. При таких малих масштабах однорідність та перехресні кольорові перешкоди також створюють технічні перешкоди, обмежуючи використання традиційних технологій емісійного відображення для створення найкращого VR-дисплея.

Але є ще електронний папір, який використовує розсіяне світло та може підтримувати високу оптичну контрастність незалежно від розміру пікселя.

Електронний папір, E-папір або інтелектуальний папір — це пристрій відображення, який відбиває навколишнє світло, імітуючи вигляд чорнила на папері, замість того, щоб випромінювати власне світло, як це роблять плоскі дисплеї, що вимагає додаткової енергії. Цей саме це робить електронний папір або електронне чорнило зручним для читання. Він також може забезпечити ширший кут огляду, ніж більшість світловипромінюючих дисплеїв.

Більше того, електронний папір може зберігати статичні зображення навіть без живлення. Його здатність відображати контент без постійного оновлення робить його дуже енергоефективним.

Цей стало можливим завдяки мільйонам крихітних капсул, заповнених прозорою рідиною, що містить наддрібні кольорові частинки з різними електричними зарядами. Електроди розміщені над і під тонкою плівкою капсули, і залежно від прикладеного електричного поля частинки рухаються або зверху, або вниз. дно капсули, надаючи поверхні дисплея її специфічного кольору.

Але електронний папір має свої обмеження. Вони не можуть досягти високої роздільної здатності через обмеження розміру своїх капсул. 

Отже, дослідники з Гетеборзького університету, Технологічного університету Чалмерса та Уппсальського університету об'єдналися, щоб представити нову технологію електронного паперу, яка отримала назву retina E-paper, і яка може досягати надвисокої роздільної здатності.

Їхній електронний папір для сітківки перевищив 25 000 пікселів на дюйм (PPI), що, за словами дослідників, перевищує теоретичну межу людського зору в 60 пікселів на градус у полі зору 120° на екрані розміром 8 мм. 

Цей новий електронний папір містить електрохромні метапікселі WO3, які переходять з ізолятора в метал при електрохімічному відновленні, що дозволяє динамічно модулювати показник заломлення та оптичне поглинання, а також дозволяє точно контролювати відбивну здатність та контрастність на нанорівні. 

Використовуючи цей ефект, метапікселі можуть досягати щільності, близької до межі візуальної роздільної здатності, коли розмір дисплея відповідає діаметру зіниці. Нова технологія, згідно з дослідженням, демонструє сильну оптичну контрастність, низьке енергоспоживання, коефіцієнт відбиття до 80%, відеоздатність вище 25 Гц та підтримку анагліфічного 3D-дисплея, що підкреслює її потенціал як рішення наступного покоління для систем віртуальної реальності з ефектом занурення.

Retina E-Paper: Метапікселі WO₃ забезпечують роздільну здатність, як у людини

Дослідження, опубліковане в журналі Nature, “Кольоровий електронний папір з налаштовуваною швидкістю відео та людською роздільною здатністю,"² детально описав нову технологію, яка передбачає найменші пікселі на екрані з найвищою роздільною здатністю людське око може сприймати. 

Пікселі відтворюють кольори за допомогою наночастинок, розміри та розташування яких контролюють розсіювання світла. Оптичні властивості наночастинок також можна електрично модулювати. 

Завдяки цьому прориву, технологія обіцяє допомогти створити віртуальні світи, які виглядатимуть точнісінько як реальний світ.

За словами провідного автора дослідження, Кунлі Сюн, який є старшим викладачем та доцентом кафедри матеріалознавства та інженерії Уппсальського університету, Швеція:

«Технологія, яку ми розробили, може забезпечити нові способи взаємодії з інформацією та навколишнім світом. Вона може розширити творчі можливості, покращити віддалену співпрацю та навіть пришвидшити наукові дослідження».

Новий електронний папір подолав проблему розміру.

Розмір і кількість пікселів визначають роздільну здатність та реалістичність екранного зображення.. Тим не менш, пікселі неможливо створити занадто малі, не впливаючи на їхню продуктивність. Як наслідок, досвід у сучасних доповнених та віртуальних системах обмежені, оскільки екрани маленькі та розташовані близько до очей.

Кожен піксель у Retina E-paper має розмір лише 560 нанометрів. Тим часом загальна площа екрана порівнянна з розміром людської зіниці, пропонуючи роздільну здатність, що перевищує 25 000 PPI.

«Це означає, що кожен піксель приблизно відповідає одному фоторецептору в оці, тобто нервовим клітинам сітківки, які перетворюють світло на біологічні сигнали. Люди не можуть сприймати вищу роздільну здатність».

– Андреас Далін, професор кафедри хімії та хімічної інженерії в Чалмерському університеті

Новий тип відбивного екрану, який можна розмістити надзвичайно близько до ока, є пасивним. Цей означає, що він не має власного джерела світла. Натомість кольори пікселів з'являються лише тоді, коли навколишнє світло потрапляє на невеликі структури на їхній поверхні.

Цікаво, що оперення багатьох дрібних птахів, таких як колібрі та шпаки, дотримується цього принципу: воно проявляє колір лише тоді, коли світло падає на нього під певними кутами.

Тепер новий тип електронного паперу подолав фізичні та оптичні обмеження традиційних технологій відображення завдяки нанорозмірній оптичній інженерії, що дозволяє йому зберігати чіткість та точність кольору за екстремальної щільності пікселів.

Крихітні пікселі електронного паперу сітківки містять частинки оксиду вольфраму (WO3), хімічної сполуки кисню та перехідного металу вольфраму. Він чутливий до видимого світла та має кілька кристалічних фаз. Цей матеріал має потенційне застосування як ключовий функціональний матеріал для фотоелектродів, каталізу, електрохромних пристроїв та хімічних сенсорів.

Дослідники нанесли нанодиски WO3 на відбивну підкладку з алюмінію та платини, причому кожен з цих нанодисків діяв як оптичний «метапіксель», генеруючи колір за допомогою розсіювання Мі та інтерференції.

Регулюючи розмір та відносне положення частинок WO3, команда змогла контролювати, як розсіюється та відбивається світло різних кольорів. Цей створює пікселі червоного, синього та зеленого кольорів, які може бути використаний для створення інших кольорів.

Щоб зробити їх чорними, частинки можна вимкнути, застосувавши слабку напругу.

Завдяки електрохромному WO₃, який підтримує свій колірний стан без потреби в постійному живленні, дисплей споживає лише близько 1.7 мВт/см² під час відтворення відео та 0.5 мВт/см² для статичних зображень.

Тим часом, використання 1.0 М електроліту LiClO4, однієї з найпоширеніших солей літію, що використовуються в літій-іонних акумуляторах, у поєднанні з бічним зазором між електродами 500 нм, дозволяє технології досягати швидкого руху іонів, що дозволяє змінювати колір лише за 40 мілісекунд. Цієї швидкості достатньо для плавного відтворення відео з частотою понад 25 Гц.

«Це важливий крок уперед у розробці екранів, які можна зменшити до мініатюрного розміру, одночасно покращуючи якість та зменшуючи споживання енергії. Технологія повинна бути точно налаштованим далі, але ми вважаємо, що електронний папір Retina відіграватиме важливу роль у своїй галузі та зрештою вплине на всіх нас».

– Джованні Вольпе, професор кафедри фізики Гетеборзького університету

Щоб продемонструвати ефективність свого електронного паперу для сітківки, команда дослідників створила зображення «Поцілунку», відомого твору мистецтва Густава Клімта, на поверхні розміром 1.4 × 1.9 міліметра. Ця поверхня становить 1/4000 стандартного смартфона. 

Вони також відтворили 3D-анагліфічного метелика, продемонструвавши стереоскопічну глибину та художню точність передачі кольорів.

Оскільки понад 80% інформації передається за допомогою візуальних сигналів, новий електронний папір знаменує собою технологічний прогрес, який може змінити те, як ми взаємодіємо з інформацією.

У сфері доповненої реальності (AR), властива електронному паперу retina сумісність з навколишнім середовищем забезпечує природну візуальну інтеграцію та суттєве зменшення розміру батареї. Це відкриває можливості для повністю автономних дисплеїв у поєднанні із сонячними елементами.

Незважаючи на свій високий потенціал, технологія потребує подальшого вдосконалення, а дослідження окреслює майбутні кроки: оптимізація колірної гами, стабільності роботи та терміну служби, зниження робочої напруги та дослідження альтернативних електролітів для збільшення терміну служби та зменшення споживання енергії.

Команда також інтегруватиме технології надвисокої роздільної здатності. тонкоплівковий транзистор (TFT) масиви для незалежного керування пікселями, що дозволяє створювати дисплеї великої площі. «Заглядаючи в майбутнє, ми очікуємо значного прогресу в цій галузі та твердо віримо, що еволюція електронного паперу на сітківці зрештою вплине на кожного», – зазначається в дослідженні.

Інвестування в передові технології відображення

Технологічний гігант Apple, Inc. (AAPL ) вже давно займається дослідженнями та розробками дисплеїв, зосереджуючись на роздільній здатності сітківки, що відповідає роздільній здатності людського ока. 

Дисплей Retina — це серія РК- та OLED-дисплеїв від Apple з вищою щільністю пікселів, ніж у традиційних дисплеях Apple. Ці дисплеї дебютували в початкових версіях iPhone, а пізніше в iPad третього покоління, де кожен екран було замінено на чотири менші пікселі. Сьогодні, дисплей Retina можна знайти у більшості продуктів Apple.

Мінімальна щільність пікселів дисплеїв Retina від Apple не виправлено; це змінюється залежно від відстані перегляду.

Компанія також значно інвестує в Окуляри AR і дисплеї наступного покоління з низьким енергоспоживанням. У 2023 році компанія випустила Apple Vision Pro, першу гарнітуру, що носить, яка пропонує досвід змішаної реальності. Згідно з нещодавнім звіт по BloombergApple призупинила запланований капітальний ремонт гарнітури. 

Хоча легша та доступніша версія Vision Pro може з'явитися не найближчим часом, Apple зараз зосереджується на розробці розумних окулярів, які можуть конкурувати з нею. Мета-платформи (META ) продукти. Компанія планує випустити розумні окуляри через пару років, а модель з дисплеєм на лінзі очікується приблизно у 2028 році.

Ключовими продуктами Apple є iPhone, iPad, Mac, Apple Watch та AirPods, а програмними платформами компанії є iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS та tvOS. Тим часом, її послуги включають AppleCare, рекламу, хмарні сервіси, цифровий контент та платіжні сервіси.

Минулого тижня Apple оголосила свої фінансові результати за четвертий квартал 2025 фінансового року, який завершився 27 вересня 2025 року, і перевершила очікування аналітиків. Компанія повідомила про зростання доходу на 8% у річному обчисленні до 102.5 мільярда доларів. Цей включає 49.03 мільярда доларів доходу від iPhone, 8.73 мільярда доларів доходу від Mac, 6.95 мільярда доларів доходу від iPad, 9.01 мільярда доларів доходу від інших продуктів та 28.75 мільярда доларів доходу від послуг.

Протягом цього періоду компанія повідомила про розводнений прибуток на акцію у розмірі 1.85 долара, що на 13% більше, ніж у попередньому році.

«Завдяки дуже високому рівню задоволеності та лояльності клієнтів, наша встановлена ​​база активних пристроїв також досягла нового рекордного рівня у всіх категоріях продуктів та географічних сегментах».

– Фінансовий директор Apple Кеван Парекх

Тим часом генеральний директор Apple Тім Кук заявив, що компанія випустить оновлену версію свого віртуального помічника та чат-бота Siri наступного року. Він також відзначив майбутні партнерства, такі як партнерство з OpenAI для інтеграції ChatGPT в Apple Intelligence.

"Наш намір — інтегруватися з більшою кількістю людей з часом».

- Тім Кук

За даними останніх звітиApple планує платити близько 1 мільярда доларів на рік за модель штучного інтелекту з 1.2 трильйона параметрів, розроблену Google для підтримки капітального ремонту Siri.

Що стосується ринкової капіталізації Apple у 4 трильйони доларів, то її акції зараз торгуються трохи вище 269 доларів, що на 7.87% більше, ніж з початку року. Прибуток на акцію (TTM) становить 7.43, а коефіцієнт P/E (TTM) – 36.37. Нещодавно Apple оголосила про виплату дивідендів у розмірі 0.26 долара на акцію.

Висновок

Технології відображення розвиваються з однією метою: досягнення безшовної інтеграції між людським зором та цифровим світом. Для досягнення цієї мети вчені та інженери зменшують межу між сприйняттям та проекцією.

Нещодавнє дослідження електронного паперу для сітківки є великим досягненням у цьому відношенні, оскільки дозволяє досягти роздільної здатності на рівні людського ока, використовуючи лише навколишнє світло, поєднуючи енергоефективність відбивних дисплеїв з точністю нанорозмірного оптичного керування. Цей прорив відкриває нові шляхи для стійких, високоточних візуальних систем, і оскільки дослідники вдосконалюють діапазон кольорів, стабільність та масштабованість, електронний папір для сітківки може стати основою для наступного покоління захопливих, енергоефективних технологій відображення.

Посилання

<sup>1. Ашраф, М., Чапіро, А. та Мантюк, Р.К. Межа роздільної здатності ока — скільки пікселів ми можемо побачити? Комунікації природи 16, 9086 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64679-2
2. Сантоза А.С., Чанг Ю.В., Далін А.Б., Остерлунд Л., Вольпе Г. та Сюн К. Кольоровий електронний папір з можливістю налаштування відеошвидкості та людською роздільною здатністю. Nature 646, 1089–1095 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09642-3</sup>