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

Display‑Größen haben sich stetig verkleinert, während die Auflösungen in die Höhe geschossen sind, wodurch Bildschirme immer näher an unsere Augen herankommen.

In den frühen Tagen wurden Fernseher und Projektoren für das gemeinsame, entfernte Betrachten konzipiert. Das führte dazu, dass sie groß, schwer und fest waren, sodass die Nutzer sich an den Bildschirm anpassen mussten.

Das änderte sich mit dem Aufkommen von Personal‑Computern, die Bildschirme direkt in Reichweite unserer Arme brachten. Bald wurden Displays persönlich, was zu einem Wechsel von gemeinsamem zu individuellem Umgang führte.

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

Now, in the latest stage of this evolution, displays have moved onto our very bodies. Wearables such as smartwatches, fitness bands, AR glasses, and VR headsets sit mere millimetres from the eye, turning screens into extensions of ourselves.

Laufende Forschung bewegt sich in Richtung retinaler Projektion, Near‑Eye‑Displays und neuronaler Schnittstellen, um Display und Wahrnehmung effektiv zu verschmelzen, wobei das Display selbst Teil unseres visuellen Systems wird.

Bei jedem Schritt dieses Prozesses wurde der physische Abstand reduziert und die Immersion erhöht. Aber während die Display‑Technologie weiter voranschreitet, stehen wir nun vor den Grenzen von Display‑Größe und Auflösung. 

Auflösungsgrenzen des menschlichen Auges (PPD), die den Display‑Fortschritt definieren

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Während Wissenschaftler, Ingenieure und Designer darauf fokussiert sind, die Auflösung von Mobil‑, Augmented‑Reality‑ und Virtual‑Reality‑Displays zu verbessern, stellt sich die Frage, ob sie tatsächlich spürbare Vorteile liefern.

Die Sache ist, dass Innovatoren und Hersteller die Auflösung ihrer Display‑Technologie durch Hinzufügen weiterer Pixel steigern können, das menschliche Auge jedoch eine Grenze hat. 

Diese Grenze wird als retinal‑Auflösung oder augen‑limitierende Auflösung bezeichnet, die nichts mit unserer Netzhaut selbst, sondern mit unserem Gehirn zu tun hat. Das Gute ist, dass diese Grenze höher ist als ursprünglich angenommen, also höher als die 60 Pixel pro Grad (PPD) basierend auf der Snellen‑Tafel.

Um das maximale Auflösungs‑Limit von Displays zu bestimmen, hat eine kürzlich durchgeführte Studie¹ versucht, das Limit der retinalen Auflösung zu identifizieren. Was sie herausgefunden haben, ist, dass das Hinzufügen weiterer Pixel zu einem Display dessen Effizienz verringert, die Kosten erhöht und den Energieverbrauch steigert.

Die Studie zielt darauf ab, die ultimative Auflösung zu bestimmen, bei der ein Bild für unser Auge scharf erscheint, ohne wahrnehmbare Unschärfe. Dafür führten die Forscher ein Experiment mit 19 Teilnehmenden durch, denen Muster auf einem schiebbaren Display (zur kontinuierlichen Kontrolle der Auflösung) mit feinen Abstufungen in Graustufen und Farbe gezeigt wurden. Um PPD zu messen, bewegten die Forscher den Bildschirm näher an die Teilnehmenden heran und wieder zurück.

Die Forscher stellten fest, dass wenn die Pixel‑Auflösung das visuelle Limit des Beobachters überschreitet, dieser nicht zuverlässig zwischen feinen Linienmustern und einem einfarbigen Graubild unterscheiden kann. Sobald Beobachter ihr Auflösungs‑Limit erreichen, können sie also zwei Bilder nicht mehr unterscheiden, was bedeutet, dass das Hinzufügen weiterer Pixel oder Details keinen Unterschied macht, weil das menschliche Auge sie einfach nicht sehen kann.

Gemäß den Messungen der Studie kann das menschliche Auge Details von 94 Pixel pro Grad für achromatische (schwarz‑weiße) Bilder, die frontal betrachtet werden, auflösen, aber dieser Wert sinkt für chromatische Bilder. Er lag bei 89 für rote und grüne Muster und noch niedriger, bei 53 PPD, für gelbe und violette Muster. Die Forscher berichteten außerdem, dass der Auflösungs‑Abfall bei farbigen Mustern stärker war als bei schwarz‑weißen Mustern.

„Unsere Augen sind im Grunde Sensoren, die nicht besonders gut sind, aber unser Gehirn verarbeitet diese Daten zu dem, was wir zu sehen glauben.“

– Rafał Mantiuk, Mitautor der Studie und Professor für Grafik und Displays an der Universität Cambridge

Warum das Verkleinern emissiver Pixel bei ultra‑hoher PPI scheitert

Das Vorantreiben der Pixeldichte über das hinaus, was unsere Augen unterscheiden können, hat einen Preis. Wenn die Pixelgrößen bei emissiven Displays weiter schrumpfen, verschlechtern sich die Gleichmäßigkeit und Intensität ihrer Emission, die Helligkeit nimmt ab, und Farb‑Kreuztalk sowie Fertigungskomplexität steigen, was es schwierig macht, sehr hochauflösende Bildgebung zu erreichen.

Kommerzielle Handy‑Panels verwenden heute Pixel von etwa ~60 µm Durchmesser (≈450 PPI). Laut der Nature‑Studie ist das um ein Vielfaches größer als das, was ein theoretisch perfektes, augen‑angepasstes Display benötigen würde – daher die Suche nach völlig neuen Pixel‑Architekturen statt nur nach kleineren Emittern. In diesem Maßstab hat das bloße Auge Schwierigkeiten, das emittierte Licht wahrzunehmen, besonders bei hellem Tageslicht im Freien.

Bei den kleinsten farbigen Micro‑LED‑Displays stellt die noch kleinere Pixelgröße eine Herausforderung dar, retinal‑gleiche Auflösung über ein weites Sichtfeld zu erreichen. Wenn Pixel kleiner als 1 Mikrometer (μm) sind, funktionieren sie schlecht. Auf solch kleinen Skalen stellen Gleichmäßigkeit und Farb‑Kreuztalk ebenfalls technische Hürden dar, die den Einsatz konventioneller emissiver Display‑Technologie für das ultimative VR‑Display begrenzen.

Dann gibt es das elektronische Papier, das Umgebungslicht nutzt und bei jeder Pixelgröße einen hohen optischen Kontrast beibehalten kann.

Electronic Paper, E‑Paper oder intelligentes Papier ist ein Anzeigegerät, das Umgebungslicht reflektiert, um das Aussehen von Tinte auf Papier zu imitieren, anstatt eigenes Licht zu emittieren, wie Flachbildschirme es tun, was zusätzlichen Energieaufwand erfordert. Dies ist der Grund, warum E‑Paper oder E‑Ink zum Lesen so angenehm ist. Es kann zudem einen breiteren Betrachtungswinkel bieten als die meisten lichtemittierenden Displays.

Außerdem kann E‑Paper statische Bilder sogar ohne Strom behalten. Die Fähigkeit, Inhalte ohne kontinuierliche Bildwiederholungen darzustellen, macht es äußerst energieeffizient.

Dies wird durch Millionen winziger Kapseln ermöglicht, die mit einer klaren Flüssigkeit gefüllt sind, die ultra‑kleine, farbige Partikel mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen enthält. Elektroden werden ober- und unterhalb der dünnen Kapselfolie platziert, und je nach angelegtem elektrischen Feld bewegen sich die Partikel entweder zur Ober‑ oder zur Unterseite der Kapsel, wodurch die Display‑Oberfläche ihre spezifische Farbe erhält.

E‑Paper hat jedoch eigene Beschränkungen. Sie können keine hohe Auflösung erreichen, weil die Größe ihrer Kapseln begrenzt ist. 

Forscher der Universität Göteborg, der Chalmers University of Technology und der Universität Uppsala haben sich zusammengeschlossen, um eine neue E‑Paper‑Technologie vorzustellen, die Retina‑E‑Paper genannt wird und ultra‑hohe Auflösungen erreichen kann.

Ihr Retina‑E‑Paper hat über 25.000 Pixel pro Zoll (PPI) überschritten, was laut den Forschern die theoretische menschliche Sehgrenze von 60 Pixel pro Grad über ein 120°‑Sichtfeld auf einem 8 mm‑Bildschirm übertrifft. 

Dieses neue E‑Paper verwendet elektrochrome WO₃‑Metapixel, die beim elektrochemischen Reduzieren vom Isolator zum Metall übergehen, wodurch eine dynamische Modulation des Brechungsindex und der optischen Absorption ermöglicht wird und eine präzise Kontrolle von Reflexion und Kontrast im Nanomaßstab erlaubt. 

Durch Ausnutzung dieses Effekts können die Metapixel Dichten erreichen, die nahe an der visuellen Auflösungsgrenze liegen, wenn die Display‑Größe dem Pupillendurchmesser entspricht. Die neue Technologie demonstriert laut Studie einen starken optischen Kontrast, niedrigen Energieverbrauch, Reflexion von bis zu 80 %, Videofähigkeit über 25 Hz und Unterstützung für Anaglyph‑3D‑Displays, was ihr Potenzial als nächste‑Generation‑Lösung für immersive Virtual‑Reality‑Systeme hervorhebt.

Retina‑E‑Paper: WO₃‑Metapixel liefern menschliche Auflösung

Veröffentlicht in Nature, 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 bietet, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. 

Die Pixel reproduzieren Farben mithilfe von Nanopartikeln, deren Dimensionen und Anordnung bestimmen, wie das Licht gestreut wird. Die optischen Eigenschaften der Nanopartikel können zudem elektrisch moduliert werden. 

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

Laut dem leitenden Autor der Studie, Kunli Xiong, der als Associate Senior Lecturer und Assistant Professor an der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik der Universität Uppsala, Schweden, tätig ist:

„Die von uns entwickelte Technologie kann neue Wege bieten, mit Informationen und der Umgebung zu interagieren. Sie könnte kreative Möglichkeiten erweitern, die Fern‑Zusammenarbeit verbessern und sogar die wissenschaftliche Forschung beschleunigen.“

Was das neue E‑Paper geleistet hat, ist das Größenproblem zu überwinden.

Die Größe und Anzahl der Pixel bestimmen die Auflösung und die Realitätsnähe der Bildschirmanzeige. Allerdings können Pixel nicht zu klein gemacht werden, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen. Infolgedessen sind die Erlebnisse in heutigen AR‑ und VR‑Anwendungen begrenzt, da die Bildschirme klein und nahe am Auge positioniert sind.

Jeder Pixel im Retina‑E‑Paper misst nur 560 Nanometer. Die gesamte Bildschirmfläche entspricht dabei etwa der Größe einer menschlichen Pupille und bietet eine Auflösung von über 25.000 PPI.

„Das bedeutet, dass jeder Pixel ungefähr einem einzelnen Fotorezeptor im Auge entspricht, also den Nervenzellen in der Netzhaut, die Licht in biologische Signale umwandeln. Menschen können keine höhere Auflösung als diese wahrnehmen.“

– Andreas Dahlin, Professor an der Abteilung für Chemie und Chemie‑Ingenieurwesen an der Chalmers

Der neue reflektierende Bildschirm, der extrem nah am Auge platziert werden kann, ist passiv. Das bedeutet, dass er keine eigene Lichtquelle besitzt. Stattdessen erscheinen die Farben der Pixel nur, wenn Umgebungslicht auf kleine Strukturen ihrer Oberfläche trifft.

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

Jetzt hat die neue Art von E‑Paper die physikalischen und optischen Grenzen traditioneller Display‑Technologien durch nanoskalige optische Ingenieurkunst überwunden und kann Klarheit und Farbgenauigkeit bei extremen Pixeldichten beibehalten.

Die winzigen Pixel des Retina‑E‑Paper enthalten Partikel aus Wolframoxid (WO₃), einer chemischen Verbindung aus Sauerstoff und dem Übergangsmetall Wolfram. Es reagiert auf sichtbares Licht und weist mehrere Kristallphasen auf. Das Material hat potenzielle Anwendungen als Schlüssel‑Funktionsmaterial für Photoelektroden, Katalyse, elektrochrome Geräte und chemische Sensoren.

Die Forscher haben WO₃‑Nanodisks auf ein reflektierendes Substrat aus Aluminium und Platin aufgebracht, wobei jeder dieser Nanodisks wie ein optischer „Metapixel“ wirkt und Farbe durch Mie‑Streuung und Interferenz erzeugt.

Durch Anpassung von Größe und relativen Positionen der WO₃‑Partikel konnte das Team steuern, wie Licht verschiedener Farben gestreut und reflektiert wird. Dies erzeugt Pixel in Rot, Blau und Grün, die zur Erzeugung anderer Farben verwendet werden können.

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

Da das elektrochrome WO₃ seinen Farbzustand ohne kontinuierliche Stromzufuhr beibehält, verbraucht das Display während der Videowiedergabe nur etwa 1,7 mW/cm² und für statische Bilder 0,5 mW/cm².

Gleichzeitig ermöglicht die Verwendung eines 1,0 M LiClO₄‑Elektrolyten, eines der häufigeren Lithiumsalze in Li‑Ion‑Batterien, in Kombination mit einem lateralen Elektrodenabstand von 500 nm, dass die Technologie schnelle Ionenbewegungen erreicht, sodass Farbwechsel in nur 40 Millisekunden möglich sind. Diese Geschwindigkeit reicht für flüssige Videowiedergabe über 25 Hz aus.

„Dies ist ein bedeutender Fortschritt in der Entwicklung von Bildschirmen, die auf Miniaturgröße reduziert werden können, während Qualität und Energieverbrauch verbessert werden. Die Technologie muss weiter verfeinert werden, aber wir glauben, dass Retina‑E‑Paper eine zentrale Rolle in ihrem Feld spielen und letztlich uns alle beeinflussen wird.“

– Giovanni Volpe, Professor an der Abteilung für Physik an der Universität Göteborg

Um die Leistungsfähigkeit ihres Retina‑E‑Paper zu demonstrieren, erstellte das Forscherteam ein Bild von „Der Kuss“, dem berühmten Kunstwerk von Gustav Klimt, auf einer Fläche von 1,4 × 1,9 mm. Diese Fläche entspricht 1/4000 eines Standard‑Smartphones. 

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

Da über 80 % der Informationen über visuelle Signale übertragen werden, markiert das neue E‑Paper einen technologischen Fortschritt mit dem Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie wir mit Informationen interagieren.

Im Bereich der AR‑Anwendungen ermöglicht die inhärente Kompatibilität des Retina‑E‑Paper mit der Umgebung eine natürliche visuelle Integration, erhebliche Batterie‑Verkleinerung und eröffnet die Möglichkeit vollständig autarke Displays in Kombination mit Solarzellen.

Trotz seines hohen Potenzials muss die Technologie weiter verfeinert werden; die Studie skizziert zukünftige Schritte: Optimierung des Farbraums, betriebliche Stabilität und Lebensdauer, Senkung der Betriebsspannung sowie Erforschung alternativer Elektrolyte, um Haltbarkeit zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken.

Das Team wird zudem ultra‑hochauflösende Thin‑Film‑Transistor‑ (TFT‑) Arrays für unabhängige Pixel‑Steuerung integrieren, um großflächige Displays zu ermöglichen. „Wir erwarten in Zukunft bedeutende Fortschritte in diesem Feld und sind fest davon überzeugt, dass die Weiterentwicklung des Retina‑E‑Paper letztlich jeden von uns beeinflussen wird“, so die Studie.

Investition in fortschrittliche Display‑Technologie

Der Technologieriese Apple Inc. (AAPL ) ist seit langem in Display‑F&E involviert und konzentriert sich auf eine dem menschlichen Auge angepasste Retina‑Auflösung. 

Retina‑Display ist eine Serie von LCD‑ und OLED‑Displays von Apple mit einer höheren Pixeldichte als die traditionellen Apple‑Displays. Diese Displays wurden zunächst in den ersten iPhone‑Versionen und später im 3.‑Generation‑iPad eingeführt, wobei jeder Bildschirm durch vier kleinere Pixel ersetzt wurde. Heute ist das Retina‑Display in den meisten Apple‑Produkten zu finden.

Die minimale Pixeldichte von Apples Retina‑Displays ist nicht festgelegt; sie variiert je nach Betrachtungsabstand.

Das Unternehmen investiert zudem stark in AR‑Brillen und nächste‑Generation‑Niedrig‑Energie‑Displays. Im Jahr 2023 brachte es das Apple Vision Pro auf den Markt, das erste tragbare Headset, das ein Mixed‑Reality‑Erlebnis bietet. Laut einem aktuellen Bericht von Bloomberg hat Apple die geplante Überarbeitung des Headsets pausiert. 

Während eine leichtere, erschwinglichere Version des Vision Pro nicht bald erscheint, konzentriert sich Apple nun auf die Entwicklung von Smart‑Glasses, die mit den Produkten von Meta Platforms’ (META ) konkurrieren sollen. Das Unternehmen plant, in ein paar Jahren Smart‑Glasses auf den Markt zu bringen, wobei ein Modell mit einem Display auf der Linse voraussichtlich um 2028 erscheinen soll.

Apples Schlüsselprodukte sind iPhone, iPad, Mac, Apple Watch und AirPods, während die Software‑Plattformen iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS und tvOS umfassen. Gleichzeitig gehören zu den Services AppleCare, Werbung, Cloud‑Dienste, digitale Inhalte und Zahlungsdienste.

Letzte Woche gab Apple seine Finanzergebnisse für das Geschäftsjahr 2025 Q4 bekannt, das am 27. September 2025 endete, und übertraf die Analystenerwartungen. Das Unternehmen meldete einen Jahres‑Umsatzanstieg von 8 % auf 102,5 Milliarden USD. Darin enthalten sind 49,03 Milliarden USD iPhone‑Umsatz, 8,73 Milliarden USD Mac‑Umsatz, 6,95 Milliarden USD iPad‑Umsatz, 9,01 Milliarden USD Sonstige‑Produkt‑Umsatz und 28,75 Milliarden USD Services‑Umsatz.

In diesem Zeitraum meldete das Unternehmen verwässerte Gewinne pro Aktie von 1,85 USD, ein Anstieg von 13 % gegenüber dem Vorjahr.

„Dank unseres sehr hohen Kundenzufriedenheits‑ und Loyalitätsniveaus hat unsere installierte Basis aktiver Geräte ebenfalls einen neuen All‑Time‑Höchststand in allen Produktkategorien und geografischen Segmenten erreicht.“

– Apple CFO Kevan Parekh

Apple‑CEO Tim Cook erklärte zudem, dass das Unternehmen im nächsten Jahr eine aktualisierte Version seines virtuellen Assistenten und Chatbots Siri veröffentlichen wird. Er erwähnte auch bevorstehende Partnerschaften, etwa mit OpenAI, um ChatGPT in Apple Intelligence zu integrieren.

„Unsere Absicht ist, im Laufe der Zeit mit immer mehr Menschen zu interagieren.“

– Tim Cook

Laut aktuellen Berichten plant Apple, etwa 1 Milliarde USD pro Jahr für ein 1,2‑Billion‑Parameter‑KI‑Modell von Google zu zahlen, um das Siri‑Upgrade zu unterstützen.

Bei einer Marktkapitalisierung von 4 Billionen USD wird die Aktie derzeit knapp über 269 USD gehandelt, ein Anstieg von 7,87 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 7,43 und ein KGV (TTM) von 36,37 auf. Apple hat kürzlich eine Bardividende von 0,26 USD pro Aktie erklärt.

Fazit

Display‑Technologie entwickelt sich mit einem einzigen Ziel weiter: die nahtlose Integration zwischen menschlicher Sicht und der digitalen Welt zu erreichen. Um dies zu verwirklichen, haben Wissenschaftler und Ingenieure die Grenze zwischen Wahrnehmung und Projektion immer weiter verkleinert.

Die jüngste Forschung zum Retina‑E‑Paper stellt in dieser Hinsicht einen großen Fortschritt dar, indem sie menschliche‑Augen‑Auflösung allein mit Umgebungslicht erreicht, indem sie die Energieeffizienz reflektierender Displays mit der Präzision nanoskaliger optischer Kontrolle kombiniert. Dieser Durchbruch eröffnet neue Wege für nachhaltige, hoch‑fidelitäts‑Visuelle Systeme, und während die Forscher den Farbbereich, die Stabilität und Skalierbarkeit weiter verfeinern, könnte das Retina‑E‑Paper die Grundlage für die nächste Generation immersiver, energieeffizienter Display‑Technologien werden.

References

<sup>1. Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, R.K. Resolution limit of the eye — how many pixels can we see? 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>