Retina E-Paper erreicht Auflösung des menschlichen Auges (WO₃)

Die Bildschirmgrößen sind stetig geschrumpft, während die Auflösungen in die Höhe geschossen sind, und bringen die Bildschirme immer näher an unsere Augen heran.

In den Anfängen wurden Fernseher und Projektoren für eine gemeinsame entfernte Wiedergabe konzipiert. Dies führte dazu, dass sie groß, schwer und fest waren, was die Benutzer zwang, sich an den Bildschirm anzupassen.

Das änderte sich mit dem Aufkommen von Personalcomputern, die die Bildschirme direkt vor uns platzierten. Bald darauf wurden die Anzeigen persönlich, was zu einem Wechsel von gemeinsamer zu individueller Interaktion führte.

Dann kam die Smartphone-Revolution, die die Bildschirme noch näher an unsere Augen brachte. Wir konnten unsere Bildschirme überall mitnehmen, und die Interaktionen wurden intimer.

Jetzt, in der neuesten Phase dieser Evolution, haben die Anzeigen unsere Körper erreicht. Tragbare Geräte wie Smartwatches, Fitness-Armbänder, AR-Brillen und VR-Headsets sitzen nur wenige Millimeter vom Auge entfernt und machen die Bildschirme zu Erweiterungen unseres Körpers.

Laufende Forschungen konzentrieren sich auf retinale Projektion, Near-Eye-Displays und neuronale Schnittstellen, um Anzeige und Wahrnehmung effektiv zu verbinden, sodass die Anzeige Teil unseres visuellen Systems wird.

Bei jedem Schritt dieses Prozesses wurde der physische Abstand reduziert und die Immersion erhöht. Aber da die Anzeigetechnologie weiter voranschreitet, stehen wir jetzt vor den Grenzen der Bildschirmgröße und -auflösung. 

Grenzen der Auflösung des menschlichen Auges (PPD), die den Fortschritt der Anzeigen definieren

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Während Wissenschaftler, Ingenieure und Designer sich darauf konzentrieren, die Auflösung von Mobil-, Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Anzeigen zu verbessern, stellt sich die Frage, ob sie tatsächlich bemerkbare Vorteile liefern.

Das Problem ist, dass, während Innovatoren und Hersteller die Auflösung ihrer Anzeigetechnologie durch Hinzufügen von mehr Pixeln weiter steigern können, das menschliche Auge eine Grenze hat. 

Die Grenze wird als retinale Auflösung oder augenbegrenzte Auflösung bezeichnet, die nichts mit unserer Retina selbst zu tun hat, sondern mit unserem Gehirn. Das Gute ist, dass diese Grenze höher ist als das, was wir ursprünglich dachten, d. h. die 60 Pixel pro Grad (PPD) basierend auf der Snellen-Tafel.

Um die maximale Auflösungsgrenze von Anzeigen zu bestimmen, suchte eine jüngste Studie¹ danach, die Grenze der retinalen Auflösung zu identifizieren. Was sie herausgefunden haben, ist, dass das Hinzufügen von mehr Pixeln zu einer Anzeige diese weniger effizient, teurer und energieintensiver macht.

Die Studie zielt darauf ab, die ultimative Auflösung zu bestimmen, bei der ein Bild für unsere Augen scharf erscheint, ohne erkennbare Unschärfe. Dazu führten die Forscher ein Experiment mit 19 Teilnehmern durch, die Muster auf einer Schiebeanzeige (für kontinuierliche Kontrolle der Auflösung) mit feinen Abstufungen in Grautönen und Farben gezeigt bekamen. Um PPD zu messen, bewegten die Forscher den Bildschirm näher an und weiter von den Teilnehmern.

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn die Pixelauflösung die visuelle Grenze des Beobachters übersteigt, der Beobachter nicht mehr zuverlässig zwischen feinen Linienmustern und einem einfachen Graubild unterscheiden kann. Sobald also die Beobachter ihre Auflösungsgrenze erreichen, können sie einfach nicht zwischen zwei Bildern unterscheiden, was bedeutet, dass das Hinzufügen von mehr Pixeln oder Details nicht mehr wichtig ist, weil das menschliche Auge es einfach nicht sehen kann.

Laut den Messungen der Studie kann das menschliche Auge Details bei 94 Pixeln pro Grad für achromatische (schwarz-weiße) Bilder, die direkt angesehen werden, auflösen, aber dies sinkt für chromatische Bilder. Es waren 89 für rote und grüne Muster und noch niedriger, 53 PPD, für gelbe und violette. Die Forscher berichteten auch über eine größere Abnahme der Auflösungsgrenze für farbige Muster als für schwarz-weiße Muster.

“Unsere Augen sind im Wesentlichen Sensoren, die nicht allzu gut sind, aber unser Gehirn verarbeitet diese Daten in das, was es denkt, dass wir sehen sollten.”

– Rafał Mantiuk, Co-Autor der Studie und auch Professor für Grafik und Anzeigen an der Universität Cambridge

Warum das Verkleinern von emittierenden Pixeln bei ultrahohen PPI fehlschlägt

Das Weiterverkleinern der Pixelgröße in emittierenden Anzeigen kommt auf Kosten. Wenn die Pixelgröße in emittierenden Anzeigen weiter sinkt, verschlechtert sich die Einheitlichkeit und Intensität ihrer Emission, die Helligkeit wird reduziert, und Farbkreuztalk und Fertigungskomplexität nehmen zu, was es schwierig macht, sehr hochauflösende Bilder zu erreichen.

Kommerzielle Telefonpanele verwenden heute Pixel, die etwa ~60 µm groß sind (≈450 PPI). Laut der Nature-Studie ist dies etwa einige Tausend Mal größer als das, was eine an das Auge angepasste Anzeige theoretisch benötigen würde – daher der Druck, zu ganz neuen Pixelarchitekturen überzugehen, anstatt nur die Emittenten zu verkleinern. Bei dieser Größe hat das bloße Auge Schwierigkeiten, das emittierte Licht wahrzunehmen, insbesondere in hellen Außenbereichen.

Was die kleinsten farbigen Micro-LED-Anzeigen betrifft, macht ihre kleinere Pixelgröße es schwierig, eine retinale Auflösung über ein weites Sichtfeld hinweg zu erreichen. Wenn Pixel kleiner als 1 Mikrometer (μm) sind, funktionieren sie schlecht. Bei solch kleinen Größen stellen Einheitlichkeit und Farbkreuztalk auch technische Hürden dar, was die Verwendung herkömmlicher emittierender Anzeigetechnologie zur Erstellung der ultimativen VR-Anzeige einschränkt.

Aber dann gibt es das elektronische Papier, das Umgebungslicht nutzt und unabhängig von der Pixelgröße einen hohen optischen Kontrast aufrechterhalten kann.

Elektronisches Papier, E-Paper oder intelligentes Papier ist ein Anzeigegerät, das Umgebungslicht reflektiert, um das Aussehen von Tinte auf Papier nachzuahmen, anstatt wie Flachbildschirme eigenes Licht zu emittieren, was zusätzliche Energie erfordert. Dies ist es, was E-Paper oder E-Ink lesbar macht. Es kann auch einen größeren Betrachtungswinkel als die meisten leuchtemittierenden Anzeigen bieten.

Darüber hinaus kann E-Paper auch statische Bilder anzeigen, ohne dass eine ständige Aktualisierung erforderlich ist, was es sehr energieeffizient macht.

Dies wird ermöglicht durch Millionen winziger Kapseln, die eine klare Flüssigkeit enthalten, die ultrakleine, farbige Partikel mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen enthält. Elektroden sind über und unter der dünnen Kapselfolie angebracht, und je nach angelegtem elektrischem Feld bewegen sich die Partikel entweder nach oben oder unten in der Kapsel, wodurch die Anzeigefläche ihre spezifische Farbe erhält.

Aber E-Paper hat seine eigenen Einschränkungen. Es kann keine hohe Auflösung erreichen, weil der Kapselgröße Grenzen gesetzt sind. 

Deshalb kamen Forscher der Universität Göteborg, der Chalmers-Universität für Technologie und der Universität Uppsala zusammen, um eine neue E-Paper-Technologie vorzustellen, die als Retina-E-Paper bezeichnet wird und ultrahochauflösende Bilder liefern kann.

Ihr Retina-E-Paper hat eine Auflösung von über 25.000 Pixeln pro Zoll (PPI) überschritten, was die Forscher als die theoretische Grenze der menschlichen visuellen Wahrnehmung bei einer 120°-Sicht auf einem 8-mm-Bildschirm bezeichnen. 

Diese neue E-Paper-Technologie verwendet elektrochrome WO3-Metapixels, die von einem Isolator zu einem Metall übergehen, wenn sie elektrochemisch reduziert werden, was eine dynamische Modulation des Brechungsindex und der optischen Absorption ermöglicht und eine präzise Kontrolle über Reflexion und Kontrast im Nanomaßstab erlaubt. 

Durch die Ausnutzung dieses Effekts können die Metapixels Dichten erreichen, die nahe an der visuellen Auflösungsgrenze liegen, wenn die Anzeigegröße der Pupillenweite entspricht. Die neue Technologie weist laut der Studie einen starken optischen Kontrast, einen niedrigen Energieverbrauch, eine Reflexion von bis zu 80 %, eine Videofähigkeit über 25 Hz und eine Unterstützung für Anaglyph-3D-Anzeige auf, was ihr Potenzial als Lösung für die nächste Generation von immersiven virtuellen Realitätssystemen unterstreicht.

Retina-E-Paper: WO₃-Metapixels liefern human-äquivalente Auflösung

In der Zeitschrift Nature veröffentlicht, beschreibt die Studie, “Video‐rate tunable colour electronic paper with human resolution,“² die neue Technologie, die die kleinsten Pixel in einem Bildschirm mit der höchsten Auflösung aufweist, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. 

Die Pixel reproduzieren Farben mithilfe von Nanopartikeln, deren Dimensionen und Anordnung die Art und Weise kontrollieren, wie Licht gestreut wird. Die optischen Eigenschaften von Nanopartikeln können auch elektrisch moduliert werden. 

Mit diesem Durchbruch verspricht die Technologie, virtuelle Welten zu schaffen, die genauso aussehen wie die reale Welt.

Laut dem Leitautor der Studie, Kunli Xiong, der als Associate Senior Lecturer und Assistant Professor am Department of Materials Science and Engineering der Universität Uppsala in Schweden tätig ist:

“Die Technologie, die wir entwickelt haben, kann neue Wege eröffnen, um mit Informationen und der Welt um uns herum zu interagieren. Sie könnte kreative Möglichkeiten erweitern, die Fernkollaboration verbessern und sogar die wissenschaftliche Forschung beschleunigen.”

Was das neue E-Paper getan hat, ist, das Größenproblem zu überwinden.

Die Größe und Anzahl der Pixel bestimmen die Auflösung und die Realistik der Anzeige. Allerdings können Pixel nicht zu klein gemacht werden, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen. Als Ergebnis sind die Erfahrungen in heutigen AR- und VR- Anwendungen begrenzt, da die Bildschirme klein und nahe an den Augen positioniert sind.

Jedes Pixel im Retina-E-Paper misst nur 560 Nanometer. Die Gesamtbildschirmfläche ist dabei vergleichbar mit der Größe der Pupille, was eine Auflösung von über 25.000 PPI ergibt.

“Das bedeutet, dass jedes Pixel ungefähr einem einzelnen Photorezeptor im Auge entspricht, d. h. den Nervenzellen in der Retina, die Licht in biologische Signale umwandeln. Menschen können keine höhere Auflösung wahrnehmen als diese.”

– Andreas Dahlin, Professor am Department of Chemistry and Chemical Engineering der Chalmers-Universität

Die neue Art von reflektierendem Bildschirm, der sehr nah am Auge platziert werden kann, ist passiv. Das bedeutet, dass er keine eigene Lichtquelle hat. Stattdessen erscheinen die Farben der Pixel nur, wenn Umgebungslicht auf kleine Strukturen auf ihrer Oberfläche trifft.

Interessanterweise folgt das Gefieder vieler kleiner Vögel, wie Kolibris und Stare, diesem Prinzip: Es zeigt Farben nur, wenn Licht sie in bestimmten Winkeln trifft.

Jetzt hat die neue Art von E-Paper die physikalischen und optischen Grenzen herkömmlicher Anzeigetechnologien durch Nanomaßstab-Optik-Engineering überwunden und kann Klarheit und Farbgenauigkeit bei extremer Pixeldichte aufrechterhalten.

Die winzigen Pixel des Retina-E-Papers enthalten Partikel aus Wolframoxid (WO3), einer chemischen Verbindung aus Sauerstoff und dem Übergangsmetall Wolfram. Es ist lichtempfindlich und zeigt mehrere Kristallphasen. Das Material hat potenzielle Anwendungen als Schlüsselmaterial für Photoelektroden, Katalyse, elektrochrome Geräte und chemische Sensoren.

Die Forscher strukturierten WO3-Nanodisks auf einem reflektierenden Substrat aus Aluminium und Platin, wobei jeder dieser Nanodisks wie ein optisches “Metapixel” wirkt und Farbe durch Mie-Streuung und Interferenz erzeugt.

Durch die Anpassung der Größe und relativen Positionen der WO3-Partikel konnten die Forscher steuern, wie Licht verschiedener Farben gestreut und reflektiert wird. Dies erzeugt Pixel in den Farben Rot, Blau und Grün, die verwendet werden können, um andere Farben zu erzeugen.

Um sie schwarz zu machen, können die Partikel durch Anlegen einer schwachen Spannung ausgeschaltet werden.

Mit elektrochromem WO₃, das seinen Farbzustand ohne kontinuierliche Stromzufuhr beibehält, verbraucht die Anzeige nur etwa 1,7 mW/cm² während der Videowiedergabe und 0,5 mW/cm² für statische Bilder.

Währenddessen ermöglicht die Verwendung eines 1,0 M LiClO4-Elektrolyten, einer der häufiger verwendeten Lithiumsalze in Li-Ionen-Batterien, in Kombination mit einem lateralen Elektrodenabstand von 500 nm, der Technologie, schnelle Ionbewegungen zu erreichen, was Farbwechsel in nur 40 Millisekunden ermöglicht. Diese Geschwindigkeit ist ausreichend für eine flüssige Videowiedergabe bei über 25 Hz.

“Dies ist ein bedeutender Schritt vorwärts in der Entwicklung von Bildschirmen, die auf eine Miniaturgröße verkleinert werden können, während die Qualität verbessert und der Energieverbrauch reduziert wird. Die Technologie muss weiter verfeinert werden, aber wir glauben, dass Retina-E-Paper eine wichtige Rolle in seinem Bereich spielen wird und letztendlich einen Einfluss auf uns alle haben wird.”

– Giovanni Volpe, Professor am Department of Physics der Universität Göteborg

Um die Leistungsfähigkeit ihres Retina-E-Papers zu demonstrieren, erstellte das Forscherteam ein Bild von “Der Kuss”, dem berühmten Kunstwerk von Gustav Klimt, auf einer Oberfläche, die 1,4 × 1,9 Millimetern maß. Diese Oberfläche ist 1/4000 eines Standard-Smartphones. 

Sie reproduzierten auch einen 3D-Anaglyph-Schmetterling, der stereoskopische Tiefe und feine Farbtreue demonstriert.

Mit über 80 % der Informationen, die visuell vermittelt werden, markiert das neue E-Paper einen technologischen Fortschritt mit dem Potenzial, zu verändern, wie wir mit Informationen interagieren.

Im Bereich von AR-Anwendungen ermöglicht die inhärente Kompatibilität von Retina-E-Paper mit der Umgebung eine natürliche visuelle Integration, erhebliche Verkleinerung der Batterie und eröffnet die Möglichkeit vollständig selbstversorgter Anzeigen, wenn sie mit Solarzellen kombiniert werden.

Trotz ihres hohen Potenzials muss die Technologie weiter verfeinert werden, wobei die Studie die folgenden Schritte für die Zukunft skizziert: Optimierung des Farbraums und der Betriebsstabilität und -lebensdauer, Senkung der Betriebsspannung und Erforschung alternativer Elektrolyte, um Haltbarkeit und Energieverbrauch zu reduzieren.

Das Team wird auch ultrahochauflösende Dünnschichttransistoren (TFT)-Arrays für die unabhängige Pixelsteuerung integrieren, um große Bildschirme zu ermöglichen. “Im Hinblick auf die Zukunft erwarten wir erhebliche Fortschritte in diesem Bereich und sind überzeugt, dass die Entwicklung von Retina-E-Paper letztendlich jeden beeinflussen wird”, so die Studie.

Investitionen in fortschrittliche Anzeigetechnologie

Der Technologiekonzern Apple Inc. (AAPL ) ist seit langem in der Forschung und Entwicklung von Anzeigen tätig, mit dem Ziel, eine Auflösung zu erreichen, die der des menschlichen Auges entspricht. 

Retina-Display ist eine Serie von LCD- und OLED-Anzeigen von Apple mit einer höheren Pixelzahl pro Zoll (PPI) als die traditionellen Anzeigen von Apple. Diese Anzeigen debütierten in den ersten iPhone-Modellen und später im 3. iPad-Generation, bei dem jeder Bildschirm durch vier kleinere Pixel ersetzt wurde. Heute finden sich Retina-Displays in den meisten Apple-Produkten.

Die Mindestpixelzahl von Apples Retina-Displays ist nicht festgelegt; sie variiert mit dem Betrachtungsabstand.

Das Unternehmen investiert auch stark in AR-Brillen und nächste Generationen von energieeffizienten Anzeigen. Im Jahr 2023 brachte es das Apple Vision Pro auf den Markt, das erste tragbare Headset, das ein Mixed-Reality-Erlebnis bietet. Laut einem jüngsten Bericht von Bloomberg, hat Apple eine geplante Überarbeitung des Headsets gestoppt. 

Während eine leichtere, günstigere Version des Vision Pro möglicherweise nicht so bald erscheint, konzentriert sich Apple nun darauf, Smart-Glasses zu entwickeln, die mit den Produkten von Meta Platforms (META ) konkurrieren. Das Unternehmen plant, Smart-Glasses in ein paar Jahren auf den Markt zu bringen, wobei ein Modell mit einer Anzeige auf der Linse für 2028 erwartet wird.

Apples wichtigste Produkte sind iPhone, iPad, Mac, Apple Watch und AirPods, während seine Software-Plattformen iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS und tvOS umfassen. Seine Dienstleistungen umfassen AppleCare, Werbung, Cloud-Dienste, digitale Inhalte und Zahlungsdienste.

Letzte Woche gab Apple seine Finanzergebnisse für das vierte Quartal 2025 bekannt, das am 27. September 2025 endete und die Analystenerwartungen übertraf. Das Unternehmen meldete einen Umsatzanstieg von 8 % im Vergleich zum Vorjahr auf 102,5 Milliarden US-Dollar. Dies umfasst 49,03 Milliarden US-Dollar Umsatz mit dem iPhone, 8,73 Milliarden US-Dollar Umsatz mit dem Mac, 6,95 Milliarden US-Dollar Umsatz mit dem iPad, 9,01 Milliarden US-Dollar Umsatz mit anderen Produkten und 28,75 Milliarden US-Dollar Umsatz mit Dienstleistungen.

Während dieses Zeitraums meldete das Unternehmen einen Gewinn pro Aktie von 1,85 US-Dollar, was einem Anstieg von 13 % im Vergleich zum Vorjahr entspricht.

“Vielen Dank an unsere sehr hohen Kunden-zufriedenheits- und Treuelevel, unsere installierte Basis aktiver Geräte hat ein neues Allzeithoch in allen Produktkategorien und geografischen Segmenten erreicht.”

– Apple-CFO Kevan Parekh

Apple-CEO Tim Cook erklärte außerdem, dass das Unternehmen nächstes Jahr eine aktualisierte Version seines virtuellen Assistenten und Chatbots, Siri, veröffentlichen wird. Er erwähnte auch anstehende Partnerschaften, wie die mit OpenAI, um ChatGPT in Apple Intelligence zu integrieren.

“Unser Ziel ist es, mehr Menschen zu integrieren, im Laufe der Zeit.”

– Tim Cook

Laut jüngsten Berichten von Bloomberg, plant Apple, etwa 1 Milliarde US-Dollar pro Jahr für ein 1,2 Billionen-Parameter-KI-Modell zu zahlen, das von Google entwickelt wurde, um den Umbau von Siri zu unterstützen.

Wenn es um Apples Marktkapitalisierung von 4 Billionen US-Dollar geht, wird sein Aktienkurs derzeit bei etwa 269 US-Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 7,87 % im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Es hat einen Gewinn pro Aktie (TTM) von 7,43 und ein KGV (TTM) von 36,37. Apple hat kürzlich eine Bardividende von 0,26 US-Dollar pro Aktie ausgeschüttet.

Zusammenfassung

Anzeigetechnologie macht Fortschritte mit dem Ziel, eine nahtlose Integration zwischen menschlicher Wahrnehmung und der digitalen Welt zu erreichen. Um dies zu erreichen, haben Wissenschaftler und Ingenieure die Grenze zwischen Wahrnehmung und Projektion verkleinert.

Die jüngste Forschung zu Retina-E-Paper stellt einen großen Erfolg in dieser Hinsicht dar, da sie eine Auflösung auf dem Niveau des menschlichen Auges allein mit Umgebungslicht erreicht, indem sie die Energieeffizienz von reflektierenden Anzeigen mit der Präzision der nanoskaligen optischen Kontrolle kombiniert. Durch diesen Durchbruch eröffnen sich neue Wege für nachhaltige, hochauflösende visuelle Systeme, und wenn die Forscher den Farbraum, die Stabilität und die Skalierbarkeit verfeinern, könnte Retina-E-Paper die Grundlage für die nächste Generation von immersiven, energieeffizienten Anzeigetechnologien bilden.

Quellen

<sup>1. Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, R.K. Grenze der Auflösung des Auges — wie viele Pixel können wir sehen? Nature Communications 16, 9086 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64679-2
2. Santosa, A. S., Chang, Y-W., Dahlin, A. B., Österlund, L., Volpe, G. & Xiong, K. Video-rate tunable colour electronic paper with human resolution. Nature 646, 1089–1095 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09642-3</sup>