Retina E-Paper Bereikt Resolutie van Menselijk Oog (WO₃)

Display sizes have steadily shrunk while resolutions have soared, bringing screens ever closer to our eyes.

In de vroege dagen waren televisies en projectoren ontworpen voor gedeeld, ver kijken. Dit resulteerde in grote, zware en vaste apparaten, waardoor gebruikers zich moesten aanpassen aan het scherm.

Dat veranderde met de opkomst van personal computers, die schermen binnen handbereik plaatsten. Al snel werden displays persoonlijk, wat leidde tot een verschuiving van gedeelde naar individuele interactie.

Toen kwam de smartphonerevolutie, die schermen nog dichter bij onze ogen bracht. We konden onze schermen overal mee naartoe nemen, en interacties werden intiemer.

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.

Lopend onderzoek richt zich op retinale projectie, near‑eye displays en neurale interfaces om display en perceptie effectief te combineren, waarbij het display een onderdeel van ons visuele systeem zelf wordt.

Bij elke stap van dit proces is de fysieke afstand gereduceerd en de onderdompeling toegenomen. Maar nu display‑technologie blijft vorderen, staan we voor de grenzen van display‑grootte en resolutie. 

Menselijke Oog Resolutielimieten (PPD) die de Schermvoortgang Bepalen

Veeg om te scrollen →

Terwijl wetenschappers, ingenieurs en ontwerpers zich richten op het verbeteren van de resolutie van mobiele, augmented reality‑ en virtual reality‑displays, is de vraag of ze daadwerkelijk merkbare voordelen opleveren.

Het punt is dat, hoewel vernieuwers en fabrikanten de resolutie van hun display‑technologie kunnen blijven verhogen door meer pixels toe te voegen, het menselijk oog een limiet heeft. 

Die limiet wordt het retinale resolutie‑ of oog‑beperkende resolutie‑limiet genoemd, wat niets te maken heeft met ons netvlies zelf maar met ons brein. Het goede nieuws is dat deze limiet hoger is dan we oorspronkelijk dachten, namelijk de 60 pixels per graad (PPD) gebaseerd op de Snellen‑kaart.

Om de maximale resolutielimiet van displays te bepalen, heeft een recente studie¹ getracht de limiet van retinale resolutie te identificeren. Wat ze hebben ontdekt is dat het toevoegen van meer pixels aan een display het minder efficiënt, duurder en energie‑intensiever maakt.

De studie heeft als doel de ultieme resolutie te bepalen waarbij een afbeelding scherp lijkt voor onze ogen zonder waarneembare onscherpte. Hiervoor voerden de onderzoekers een experiment uit met 19 deelnemers die patronen zagen op een glijdend display (voor continue controle van de resolutie) met fijne gradaties, in grijstinten en kleur. Om PPD te meten, brachten de onderzoekers het scherm dichter bij en verder van de deelnemers.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer de pixelresolutie de visuele limiet van de waarnemer overschrijdt, de waarnemer niet betrouwbaar fijne lijnpatronen kan onderscheiden van een eenvoudige grijze afbeelding. Zodra waarnemers hun resolutielimiet bereiken, kunnen ze simpelweg geen verschil meer zien tussen twee beelden, wat betekent dat extra pixels of details er niet toe doen omdat het menselijk oog het gewoon niet kan zien.

Volgens de metingen van de studie kan het menselijk oog details resolven tot 94 pixels per graad voor achromatische (zwart‑wit) beelden die recht voor ons worden bekeken, maar dit daalt voor chromatische beelden. Het was 89 voor rode en groene patronen, en zelfs lager, 53 PPD, voor gele en paarse. De onderzoekers meldden ook een grotere daling in de resolutielimiet voor gekleurde patronen dan voor zwart‑wit patronen.

“Onze ogen zijn in wezen sensoren die niet al te geweldig zijn, maar ons brein verwerkt die data tot wat het denkt dat we zouden moeten zien.”

– Rafał Mantiuk, mede‑auteur van de studie en tevens professor Graphics and Displays aan de Universiteit van Cambridge

Waarom het Verkleinen van Emissieve Pixels Mislukt bij Ultra‑Hoge PPI

Het verhogen van de pixeldichtheid voorbij wat onze ogen kunnen onderscheiden brengt een prijs met zich mee. Naarmate pixelgroottes blijven krimpen in emissieve displays, verslechteren de uniformiteit en intensiteit van hun emissie, de helderheid neemt af, en kleur‑crosstalk en fabricage‑complexiteit nemen toe, waardoor het uitdagend wordt om zeer hoge‑resolutie‑beeldvorming te bereiken.

Commerciële telefoonpanelen van vandaag gebruiken pixels van ongeveer ~60 µm (≈450 PPI). Volgens de Nature‑studie is dat enkele duizenden keren groter dan wat een ultiem oog‑gepaard display theoretisch zou nodig hebben — vandaar de drang naar geheel nieuwe pixel‑architecturen in plaats van alleen emitters te verkleinen. Op deze schaal heeft het blote oog moeite om het uitgezonden licht waar te nemen, vooral in heldere buitenomgevingen.

Wat betreft het kleinste kleurrijke micro‑LED‑display, maakt de kleinere pixelgrootte het moeilijk om retinale resolutie over een breed gezichtsveld te behalen. Wanneer pixels kleiner zijn dan 1 micrometer (μm), presteren ze slecht. Op zulke kleine schalen vormen uniformiteit en kleur‑crosstalk ook technische hindernissen, waardoor het gebruik van conventionele emissieve display‑technologie voor het ultieme VR‑display beperkt wordt.

Maar dan is er e‑paper, dat gebruikmaakt van omgevingslicht en hoge optische contrasten kan behouden ongeacht de pixelgrootte.

Electronic paper, E-paper, of intelligent paper, is een display‑apparaat dat omgevingslicht reflecteert om het uiterlijk van inkt op papier na te bootsen, in plaats van eigen licht uit te stralen zoals vlak‑paneel displays doen, wat extra energie vereist. Dit is wat E‑paper of E‑ink comfortabel maakt om te lezen. Het kan ook een bredere kijkhoek bieden dan de meeste licht‑emitterende displays.

Moreover, E-paper can retain static images even without power. Its ability to display content without continuous refreshing makes it highly energy-efficient.

Dit wordt mogelijk gemaakt door miljoenen kleine capsules gevuld met een heldere vloeistof die ultra‑kleine, gekleurde deeltjes met verschillende elektrische ladingen bevat. Elektroden worden boven en onder de dunne capsulefilm geplaatst, en afhankelijk van het aangelegde elektrische veld bewegen de deeltjes naar de boven‑ of onderkant van de capsule, waardoor het displayoppervlak zijn specifieke kleur krijgt.

Maar E-paper heeft zijn eigen beperkingen. Ze kunnen geen hoge resolutie bereiken vanwege de groottebeperkingen van hun capsules. 

Dus onderzoekers van de Universiteit van Göteborg, Chalmers University of Technology en Uppsala University bundelden hun krachten om een nieuwe E‑paper‑technologie te presenteren, retina E‑paper genoemd, die ultra‑hoge resoluties kan bereiken.

Hun retina E‑paper heeft de 25.000 pixels per inch (PPI) overschreden, wat volgens de onderzoekers de theoretische menselijke visuele limiet van 60 pixels per graad over een 120° gezichtsveld op een 8 mm scherm overtreft.

Dit nieuwe E‑paper beschikt over elektrochromische WO₃‑metapixels die bij elektrochemische reductie van isolator naar metaal overgaan, waardoor dynamische modulatie van brekingsindex en optische absorptie mogelijk is en precieze controle over reflectie en contrast op nanoschaal wordt bereikt.

Door dit effect te benutten, kunnen de metapixels dicht bij de visuele resolutielimiet komen wanneer de displaygrootte overeenkomt met de pupildiameter. De nieuwe technologie, volgens de studie, toont sterk optisch contrast, laag energieverbruik, reflectie tot 80 %, videomogelijkheid boven 25 Hz, en ondersteuning voor anaglyph 3D‑display, wat haar potentieel als next‑generation oplossing voor meeslepende virtual‑reality‑systemen benadrukt.

Retina E-Paper: WO₃ Metapixels Leveren Menselijke Resolutie

Gepubliceerd op in Nature, the study, “Video‑rate tunable colour electronic paper with human resolution,“² detailed the new technology, featuring the smallest pixels in a screen with the highest resolution the human eye can perceive. 

De pixels reproduceren kleuren met behulp van nanodeeltjes waarvan de afmetingen en rangschikking bepalen hoe licht wordt verstrooid. De optische eigenschappen van nanodeeltjes kunnen ook elektrisch gemoduleerd worden.

Met deze doorbraak belooft de technologie virtuele werelden te helpen creëren die er precies uitzien als de echte wereld.

Volgens de hoofd‑auteur van de studie, Kunli Xiong, die Associate Senior Lecturer en Assistant Professor is aan de Department of Materials Science and Engineering van de Uppsala University, Zweden:

“De technologie die we hebben ontwikkeld kan nieuwe manieren bieden om met informatie en de wereld om ons heen te interageren. Het kan creatieve mogelijkheden uitbreiden, remote samenwerking verbeteren, en zelfs wetenschappelijk onderzoek versnellen.”

Wat het nieuwe E‑paper heeft gedaan is het grootte‑probleem overwinnen.

De grootte en het aantal pixels bepalen de resolutie en de realiteit van de weergave op het scherm. Echter, pixels kunnen niet te klein worden gemaakt zonder hun prestaties te beïnvloeden. Als gevolg hiervan zijn ervaringen in de huidige AR‑ en VR‑toepassingen beperkt, aangezien de schermen klein zijn en dicht bij de ogen gepositioneerd.

Elke pixel in de Retina E‑paper meet slechts 560 nanometer. Het totale schermoppervlak is ondertussen vergelijkbaar met de grootte van een menselijke pupil, en biedt een resolutie die hoger is dan 25.000 PPI.

“Dit betekent dat elke pixel ruwweg overeenkomt met één fotoreceptor in het oog, d.w.z. de zenuwcellen in het netvlies die licht omzetten in biologische signalen. Mensen kunnen geen hogere resolutie waarnemen dan dit.”

– Andreas Dahlin, Professor aan de Department of Chemistry and Chemical Engineering van Chalmers

Het nieuwe type reflecterend scherm, dat extreem dicht bij het oog kan worden geplaatst, is passief. Dit betekent dat het geen eigen lichtbron heeft. In plaats daarvan verschijnen de kleuren van de pixels alleen wanneer omgevingslicht op kleine structuren op hun oppervlak valt.

Interessant genoeg volgt de verenkleed van veel kleine vogels, zoals kolibries en spreeuwen, dit principe: het toont kleur alleen wanneer licht hen onder specifieke hoeken raakt.

Nu heeft het nieuwe type E‑paper de fysieke en optische limieten van traditionele display‑technologieën overwonnen via nanoschaal‑optische engineering, waardoor het helderheid en kleurnauwkeurigheid kan behouden bij extreme pixeldichtheden.

De kleine pixels van retina E‑paper bevatten deeltjes van wolfraam‑oxide (WO₃), een chemische verbinding van zuurstof en het overgangsmetaal wolfraam. Het reageert op zichtbaar licht en vertoont meerdere kristalfasen. Het materiaal heeft potentiële toepassingen als functioneel materiaal voor foto‑elektroden, katalyse, elektrochromische apparaten en chemische sensoren.

De onderzoekers hebben WO₃‑nanodiscen op een reflecterend substraat van aluminium en platina geëtst, waarbij elke nanodisc fungeert als een optische ‘metapixel’, waardoor kleur wordt gegenereerd via Mie‑verstrooiing en interferentie.

Door de grootte en relatieve posities van WO₃‑deeltjes aan te passen, kon het team bepalen hoe licht van verschillende kleuren wordt gediffuseerd en gereflecteerd. Dit creëert pixels in rood, blauw en groen, die gebruikt kunnen worden om andere kleuren te genereren.

Om ze zwart te maken, kunnen de deeltjes worden uitgeschakeld door een zwakke spanning toe te passen.

Met elektrochromisch WO₃ dat zijn kleurtoestand behoudt zonder continue stroom, verbruikt het display slechts ongeveer 1,7 mW/cm² tijdens videoweergave en 0,5 mW/cm² voor statische beelden.

Ondertussen maakt het gebruik van een 1,0 M LiClO₄‑elektrolyt, een van de meer gangbare lithiumzouten in Li‑ion‑batterijen, gecombineerd met een laterale elektrode‑afstand van 500 nm, de technologie in staat om snelle ionenbewegingen te realiseren, waardoor kleurveranderingen in slechts 40 milliseconden plaatsvinden. Deze snelheid is voldoende voor vloeiende videoweergave boven 25 Hz.

“Dit is een grote stap voorwaarts in de ontwikkeling van schermen die tot een miniatuurgrootte kunnen worden verkleind terwijl kwaliteit wordt verbeterd en energieverbruik wordt verlaagd. De technologie moet verder verfijnd worden, maar we geloven dat retina E‑paper een belangrijke rol zal spelen in haar vakgebied en uiteindelijk impact op ons allen zal hebben.”

– Giovanni Volpe, Professor aan de Department of Physics van de University of Gothenburg

Om de prestaties van hun retina E‑paper te demonstreren, creëerde het onderzoeksteam een afbeelding van ‘The Kiss’, het beroemde kunstwerk van Gustav Klimt, op een oppervlak van 1,4 × 1,9 mm. Dit oppervlak is 1/4000 van een standaard smartphone. 

Ze reproduceerden ook een 3D anaglyph vlinder, waarmee stereoscopische diepte en fijne kunstkleur‑fideliteit werden aangetoond.

Met meer dan 80 % van de informatie die via visuele signalen wordt overgebracht, markeert het nieuwe E‑paper een technologische vooruitgang met het potentieel om de manier waarop we met informatie omgaan te veranderen.

In het domein van AR‑toepassingen maakt de inherente compatibiliteit van retina E‑paper met de omgeving natuurlijke visuele integratie mogelijk, waardoor de batterij aanzienlijk kleiner kan worden. Het opent de mogelijkheid van volledig zelf‑voedende displays wanneer gecombineerd met zonnecellen.

Ondanks het hoge potentieel moet de technologie verder verfijnd worden, waarbij de studie toekomstige stappen schetst: optimalisatie van het kleurgamma en operationele stabiliteit en levensduur, verlaging van de werkspanning, en verkenning van alternatieve elektrolyten om duurzaamheid te vergroten en energieverbruik te verlagen.

Het team zal ook ultra‑hoge‑resolutie thin‑film transistor (TFT) arrays integreren voor onafhankelijke pixel‑controle, waardoor grote‑area displays mogelijk worden. “Vooruitkijkend verwachten we aanzienlijke vooruitgang in dit veld en geloven we sterk dat de evolutie van de retina E‑paper uiteindelijk iedereen zal beïnvloeden,” merkte de studie.

Investeren in Geavanceerde Schermtechnologie

De tech‑gigant Apple Inc. (AAPL ) is al lange tijd betrokken bij display‑R&D, met focus op een menselijk‑oog‑gekoppelde retina‑resolutie.

Retina display is een serie LCD‑ en OLED‑displays van Apple met een hogere pixeldichtheid dan de traditionele Apple‑displays. Deze displays debuteerden in de eerste iPhone‑versies en later in de 3e‑generatie iPad, waar elk scherm werd vervangen door vier kleinere pixels. Vandaag de dag is het Retina‑display te vinden in de meeste Apple‑producten.

De minimale pixeldichtheid van Apple’s Retina‑displays is niet vast; deze varieert met de kijkafstand.

Het bedrijf investeert ook zwaar in AR‑brillen en next‑gen low‑power displays. In 2023 lanceerde het de Apple Vision Pro, de eerste draagbare headset, die een mixed‑reality‑ervaring biedt. Volgens een recent rapport van Bloomberg heeft Apple een geplande revisie van de headset gepauzeerd.

Hoewel een lichtere, betaalbaardere versie van Vision Pro niet snel zal verschijnen, richt Apple zich nu op de ontwikkeling van smart glasses om te concurreren met de producten van Meta Platforms’ (META ) . Het bedrijf streeft ernaar smart glasses binnen een paar jaar te lanceren, met een model dat een display op de lens heeft en naar verwachting rond 2028 op de markt komt.

Apple’s belangrijkste producten zijn iPhone, iPad, Mac, Apple Watch en AirPods, terwijl de software‑platformen iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS en tvOS omvatten. Ondertussen omvatten de diensten AppleCare, reclame, cloud‑services, digitale content en betalingsdiensten.

Vorige week kondigde Apple de financiële resultaten aan voor het fiscale 2025 Q4, dat eindigde op 27 september 2025, en overtrof de verwachtingen van analisten. Het bedrijf rapporteerde een omzetstijging van 8 % YoY tot $102,5 billion. Dit omvat $49,03 billion aan iPhone‑omzet, $8,73 billion aan Mac‑omzet, $6,95 billion aan iPad‑omzet, $9,01 billion aan Overige Producten‑omzet, en $28,75 billion aan Services‑omzet.

Gedurende deze periode rapporteerde het bedrijf een verwaterde winst per aandeel van $1,85, een stijging van 13 % YoY.

“Dankzij ons zeer hoge niveau van klanttevredenheid en loyaliteit heeft onze geïnstalleerde basis van actieve apparaten ook een nieuw record bereikt in alle productcategorieën en geografische segmenten.”

– Apple CFO Kevan Parekh

Apple CEO Tim Cook stelde ondertussen dat het bedrijf volgend jaar een bijgewerkte versie van zijn virtuele assistent en chatbot, Siri, zal uitbrengen. Hij noemde ook aankomende partnerschappen, zoals die met OpenAI om ChatGPT te integreren in Apple Intelligence.

“Onze intentie is om in de loop van de tijd met meer mensen te integreren.”

– Tim Cook

Volgens recente rapporten plant Apple ongeveer $1 billion per jaar te betalen voor een 1,2‑trillion‑parameter AI‑model ontwikkeld door Google ter ondersteuning van de Siri‑herziening.

Met een marktkapitalisatie van $4 trillion handelt Apple‑aandeel momenteel net boven $269, een stijging van 7,87 % YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 7,43 en een P/E (TTM) van 36,37. Apple heeft recent een cash‑dividend van $0,26 per aandeel uitgekeerd.

Conclusie

Display‑technologie vordert met één doel voor ogen: naadloze integratie tussen menselijk zicht en de digitale wereld bereiken. Om dit te realiseren, hebben wetenschappers en ingenieurs de grens tussen perceptie en projectie verkleind.

Het recente onderzoek naar retina E‑paper vertegenwoordigt een grote prestatie op dit gebied, door menselijk‑oog‑niveau resolutie te bereiken met alleen omgevingslicht, door de energie‑efficiëntie van reflecterende displays te combineren met de precisie van nanoschaal‑optische controle. Deze doorbraak opent nieuwe wegen voor duurzame, high‑fidelity visuele systemen, en naarmate de onderzoekers het kleurbereik, de stabiliteit en de schaalbaarheid verfijnen, zou retina E‑paper de basis kunnen vormen voor de volgende generatie van meeslepende, energie‑efficiënte display‑technologieën.

Referenties

<sup>1. Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, R.K. Resolutielimiet van het oog — hoeveel pixels kunnen we zien? 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>