Retina E-papper når mänsklig ögonupplösning (WO₃)

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

På de tidiga dagarna var tv-apparater och projektorer designade för gemensam fjärrvisning. Detta gjorde dem stora, tunga och fasta, vilket tvingade användarna att anpassa sig till skärmen.

Det var fram till framväxten av persondatorer, som placerade skärmar inom räckhåll för våra armar. Snart blev skärmar personliga, vilket ledde till ett skifte från gemensam till individuell interaktion.

Sedan kom smarttelefonrevolutionen, som förde skärmar ännu närmare våra ögon. Vi kunde bära våra skärmar med oss överallt, och interaktionerna blev mer intima.

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.

Pågående forskning går mot retinal projektion, när-ögon-skärmar och neurala gränssnitt för att effektivt förena skärm och perception, där skärmen blir en del av vårt visuella system.

Vid varje steg i denna process har det fysiska avståndet minskat och uppslukningen ökat. Men när skärmtekniken fortsätter att utvecklas står vi nu inför gränserna för skärmstorlek och upplösning. 

Mänskliga ögons upplösningsgränser (PPD) som definierar skärmframsteg

Swipe to scroll →

Medan forskare, ingenjörer och formgivare fokuserar på att förbättra upplösningen hos mobila, förstärkta verklighets- och virtuell verklighets-skärmar, är frågan om de faktiskt levererar märkbara fördelar.

Problemet är att även om innovatörer och tillverkare kan fortsätta öka upplösningen på sin skärmteknik genom att lägga till fler pixlar, har det mänskliga ögat en gräns. 

Gränsen kallas för retinal upplösning eller ögonbegränsande upplösning, vilket inte har något att göra med vår näthinna i sig utan med vår hjärna. Det positiva är att denna gräns är högre än vad vi ursprungligen trodde, dvs. 60 pixlar per grad (PPD) baserat på Snellens diagram.

För att fastställa den maximala upplösningsgränsen för skärmar sökte en nyligen genomförd studie¹ att identifiera gränsen för retinal upplösning. Vad de fann är att tillägg av fler pixlar till en skärm gör den mindre effektiv, dyrare och energikrävande.

Studien syftar till att fastställa den ultimata upplösning där en bild upplevs skarp för våra ögon utan märkbar oskärpa. För detta genomförde forskarna ett experiment med 19 deltagare som visades mönster på en glidande skärm (för kontinuerlig kontroll av upplösningen) med fina nyanser, i gråskala och färg. För att mäta PPD flyttade forskarna skärmen närmare och längre bort från deltagarna.

Forskarnas resultat visade att när pixlarnas upplösning överstiger observatörens visuella gräns, kan observatören inte på ett tillförlitligt sätt skilja mellan fina linjemönster och en enkel grå bild. Så när observatörer når sin upplösningsgräns kan de helt enkelt inte skilja mellan två bilder, vilket innebär att tillägg av fler pixlar eller detaljer är meningslöst eftersom det mänskliga ögat helt enkelt inte kan se dem.

Enligt studiens mätningar kan det mänskliga ögat lösa detaljer med 94 pixlar per grad för achromatiska (svartvita) bilder som ses rakt framifrån, men detta sjunker för kromatiska bilder. Det var 89 för röda och gröna mönster, och ännu lägre, 53 PPD, för gula och violetta. Forskarna rapporterade också att de observerade en större nedgång i upplösningsgränsen för färgade mönster än för svartvita mönster.

“Våra ögon är i princip sensorer som inte är särskilt bra, men vår hjärna bearbetar den informationen till det den tror att vi bör se.”

– Rafał Mantiuk, medförfattare till studien och professor i grafik och skärmar vid Cambridge

Varför minskning av emitterande pixlar misslyckas vid ultrahög PPI

Att öka pixeltätheten bortom vad våra ögon kan urskilja medför en kostnad. När pixlarnas storlek fortsätter att krympa i emitterande skärmar försämras uniformiteten och intensiteten i deras utsläpp, ljusstyrkan minskar, och färgkorsprat samt tillverkningskomplexitet ökar, vilket gör det svårt att uppnå mycket högupplöst avbildning.

Komersiella telefonpaneler idag använder pixlar på ungefär ~60 µm (≈450 PPI). Enligt Nature‑studien är detta några tusen gånger större än vad en teoretisk ögonmatchad skärm skulle behöva – därför satsas på helt nya pixelarkitekturer snarare än att bara krympa emitterare. På denna skala har blotta ögat svårt att uppfatta det utsända ljuset, särskilt i starkt utomhusljus.

När det gäller den minsta färgglada micro‑LED‑skärmen gör dess mindre pixlar det svårt att uppnå retinal nivå av upplösning över ett brett synfält. När pixlar är mindre än 1 mikrometer (μm) presterar de dåligt. På så små skalor utgör uniformitet och färgkorsprat också tekniska hinder, vilket begränsar användningen av konventionell emitterande skärmteknik för att skapa den ultimata VR‑skärmen.

Men så finns det e‑papper, som utnyttjar omgivande ljus och kan behålla hög optisk kontrast oavsett pixelstorlek.

Elektroniskt papper, e‑papper eller intelligent papper, är en displayenhet som reflekterar omgivande ljus för att efterlikna bläck på papper, istället för att avge eget ljus som platta panelskärmar gör, vilket kräver extra energi. Detta är vad som gör e‑papper eller e‑ink bekvämt att läsa. Det kan också erbjuda en bredare betraktningsvinkel än de flesta ljusemitterande skärmar.

Dessutom kan e‑papper behålla statiska bilder även utan ström. Dess förmåga att visa innehåll utan kontinuerlig uppdatering gör det mycket energieffektivt.

Detta möjliggörs av miljontals små kapslar fyllda med en klar vätska som innehåller ultrasmåa, färgade partiklar med olika elektriska laddningar. Elektroder placeras ovanför och under den tunna kapselfilmen, och beroende på det applicerade elektriska fältet rör sig partiklarna antingen mot toppen eller botten av kapseln, vilket ger displayytan dess specifika färg.

Men e‑papper har sina egna begränsningar. De kan inte uppnå hög upplösning på grund av kapslarnas storleksbegränsningar. 

Så forskare från Göteborgs universitet, Chalmers tekniska högskola och Uppsala universitet gick samman för att presentera en ny e‑pappersteknik, kallad retina‑e‑papper, som kan uppnå ultrahög upplösning.

Deras retina‑e‑papper har överstigit 25 000 pixlar per tum (PPI), vilket forskarna noterar överstiger den teoretiska mänskliga visuella gränsen på 60 pixlar per grad över ett 120° synfält på en 8 mm skärm.

Detta nya e‑papper har elektrokrömatiska WO₃‑metapixlar som övergår från isolator till metall vid elektrolytisk reduktion, vilket möjliggör dynamisk modulering av brytningsindex och optisk absorption samt tillåter exakt kontroll över reflektion och kontrast på nanoskalig nivå.

Genom att utnyttja denna effekt kan metapixlarna uppnå tätheter nära den visuella upplösningsgränsen när skärmstorleken matchar pupillens diameter. Den nya tekniken, enligt studien, visar stark optisk kontrast, låg energiförbrukning, reflektion så hög som 80 %, videokapacitet över 25 Hz och stöd för anaglyf 3D‑display, vilket understryker dess potential som en nästa generationslösning för uppslukande virtuell verklighet.

Retina e-papper: WO₃‑metapixlar levererar mänsklig upplösning

Publicerad i Nature, beskriver studien, “Video‑rate tunable colour electronic paper with human resolution,”² den nya tekniken, som har de minsta pixlarna i en skärm med den högsta upplösning som det mänskliga ögat kan uppfatta. 

Pixlarna återger färger med hjälp av nanopartiklar vars dimensioner och arrangemang styr hur ljuset sprids. De optiska egenskaperna hos nanopartiklar kan också moduleras elektriskt. 

Med detta genombrott lovar tekniken att hjälpa till att skapa virtuella världar som ser exakt ut som den verkliga världen.

Enligt studiens huvudförfattare, Kunli Xiong, som är Associate Senior Lecturer och Assistant Professor vid Institutionen för materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Uppsala universitet, Sverige:

“Den teknik vi har utvecklat kan erbjuda nya sätt att interagera med information och världen omkring oss. Den kan utöka kreativa möjligheter, förbättra fjärrsamarbete och till och med påskynda vetenskaplig forskning.”

Det nya e‑pappret har övervunnit storleksproblemet.

Storleken och antalet pixlar bestämmer upplösningen och realismen i den skärmda visningen. Dock kan pixlar inte göras för små utan att påverka deras prestanda. Som ett resultat är upplevelserna i dagens AR och VR begränsade, eftersom skärmarna är små och placerade nära ögonen.

Varje pixel i Retina e‑papper mäter endast 560 nanometer. Den totala skärmytan är samtidigt jämförbar med storleken på en mänsklig pupill, vilket ger en upplösning som överstiger 25 000 PPI.

“Detta innebär att varje pixel ungefär motsvarar en enda fotoreceptor i ögat, dvs. nervcellerna i näthinnan som omvandlar ljus till biologiska signaler. Människor kan inte uppfatta en högre upplösning än detta.”

– Andreas Dahlin, professor vid Institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers

Den nya typen av reflekterande skärm, som kan placeras extremt nära ögat, är passiv. Detta innebär att den inte har någon egen ljuskälla. Istället visas pixelernas färger endast när omgivande ljus träffar små strukturer på deras yta.

Intressant nog följer fjäderdräkten hos många små fåglar, såsom kolibrier och stjärtskvinnor, detta princip: den visar färg endast när ljus träffar dem i specifika vinklar.

Nu har den nya typen av e‑papper övervunnit de fysiska och optiska begränsningarna hos traditionella displayteknologier genom nanoskalig optisk ingenjörskonst, vilket möjliggör att den behåller klarhet och färgnoggrannhet vid extrem pixeltäthet.

De små pixlarna i retina‑e‑papper innehåller partiklar av volframoxid (WO₃), en kemisk förening av syre och övergångsmetallen volfram. Den är responsiv för synligt ljus och uppvisar flera kristallfaser. Materialet har potentiella tillämpningar som en nyckelfunktionell komponent för fotoelektroder, katalys, elektrokrömatiska enheter och kemiska sensorer.

Forskarna mönstrade WO₃‑nanodiskar på ett reflekterande substrat av aluminium och platina, där varje nanodisk fungerar som en optisk ‘metapixel’, vilket genererar färg genom Mie‑spridning och interferens.

Genom att justera storleken och de relativa positionerna för WO₃‑partiklarna kunde teamet kontrollera hur ljus i olika färger sprids och reflekteras. Detta skapar pixlar i rött, blått och grönt, vilka kan användas för att generera andra färger.

För att göra dem svarta kan partiklarna stängas av genom att applicera en svag spänning.

Med elektrokrömatiskt WO₃ som behåller sitt färgtillstånd utan kontinuerlig strömförsörjning, förbrukar displayen endast cirka 1,7 mW/cm² under videouppspelning och 0,5 mW/cm² för statiska bilder.

Samtidigt möjliggör användningen av en 1,0 M LiClO₄‑elektrolyt, ett av de vanligare litiumsalarna som används i litiumjonbatterier, kombinerat med ett lateralt elektrodgap på 500 nm, att tekniken uppnår snabb jonrörelse, vilket tillåter färgförändringar på endast 40 millisekunder. Denna hastighet är tillräckligt snabb för smidig videouppspelning över 25 Hz.

“Detta är ett stort steg framåt i utvecklingen av skärmar som kan krympas till en miniatyrstorlek samtidigt som kvaliteten förbättras och energiförbrukningen minskar. Tekniken måste finjusteras ytterligare, men vi tror att retina‑e‑papper kommer att spela en stor roll inom sitt område och så småningom påverka oss alla.”

– Giovanni Volpe, professor vid Institutionen för fysik vid Göteborgs universitet

För att demonstrera prestandan hos deras retina‑e‑papper skapade forskarteamet en bild av ‘The Kiss’, det berömda konstverket av Gustav Klimt, på en yta som mäter 1,4 × 1,9 millimeter. Denna yta är 1/4000 av en standardsmarttelefon. 

De reproducerade också en 3D‑anaglyf fjäril, vilket demonstrerade stereoskopiskt djup och hög färgnoggrannhet i finkonst.

Med över 80 % av informationen överförd via visuella signaler markerar det nya e‑pappret ett teknologiskt framsteg med potential att förändra hur vi interagerar med information.

Inom AR‑applikationer möjliggör retina‑e‑pappers inneboende kompatibilitet med omgivningen naturlig visuell integration och avsevärt minskade batterier. Det öppnar möjligheten för helt självkörande skärmar när de kombineras med solceller.

Trots dess stora potential behöver tekniken förfinas ytterligare, där studien beskriver framtida steg: optimera färgomfång samt driftstabilitet och livslängd, sänka driftspänningen och utforska alternativa elektrolyter för att förlänga hållbarheten och minska energiförbrukningen.

Teamet kommer också att integrera ultrahögupplösta tunnfilmstransistorer (TFT)‑arrayer för oberoende pixelkontroll, vilket möjliggör stora skärmar. “Framåt ser vi betydande framsteg inom detta område och tror starkt på att utvecklingen av retina‑e‑papper så småningom kommer att påverka alla,” noterade studien.

Investera i avancerad displayteknik

Tekjätten Apple Inc. (AAPL ) har länge varit involverad i display‑F&U, med fokus på en mänsklig‑öga‑matchad retinal upplösning. 

Retina‑display är en serie LCD‑ och OLED‑skärmar från Apple med högre pixeltäthet än Apples traditionella skärmar. Dessa skärmar debuterade i de första iPhone‑versionerna och senare i den tredje generationens iPad, där varje skärm ersattes av fyra mindre pixlar. Idag finns Retina‑display i de flesta Apple‑produkter.

Den minsta pixeltätheten i Apples Retina‑skärmar är inte fast; den varierar med betraktningsavståndet.

Företaget investerar också kraftigt i AR‑glasögon och nästa generations låg‑effekt‑skärmar. År 2023 lanserade de Apple Vision Pro, det första bärbara headsetet, som erbjuder en blandad verklighetsupplevelse. Enligt en nyligen rapport från Bloomberg, har Apple pausat en planerad omdesign av headsetet. 

Även om en lättare, mer prisvärd version av Vision Pro kanske inte kommer inom kort, fokuserar Apple nu på att utveckla smarta glasögon för att konkurrera med Meta Platforms’ (META ) produkter. Företaget siktar på att lansera smarta glasögon om ett par år, med en modell som har en display på linsen och förväntas släppas omkring 2028.

Apples nyckelprodukter är iPhone, iPad, Mac, Apple Watch och AirPods, medan deras mjukvaruplattformar inkluderar iOS, macOS, iPadOS, watchOS, visionOS och tvOS. Samtidigt omfattar deras tjänster AppleCare, reklam, molntjänster, digitalt innehåll och betalningstjänster.

Förra veckan meddelade Apple sina finansiella resultat för räkenskapsåret 2025 Q4, som avslutades den 27 september 2025, och överträffade analytikernas förväntningar. Företaget rapporterade en 8 % år‑till‑år ökning i intäkter till 102,5 miljarder dollar. Detta inkluderar 49,03 miljarder dollar i iPhone‑intäkter, 8,73 miljarder dollar i Mac‑intäkter, 6,95 miljarder dollar i iPad‑intäkter, 9,01 miljarder dollar i övriga produktintäkter och 28,75 miljarder dollar i tjänsteintäkter.

Under denna period rapporterade företaget en utspädd vinst per aktie på 1,85 USD, upp 13 % år‑till‑år.

“Tack vare våra mycket höga nivåer av kundnöjdhet och lojalitet har vår installerade bas av aktiva enheter också nått en ny rekordnivå över alla produktkategorier och geografiska segment.”

– Apple CFO Kevan Parekh

Apple‑VD Tim Cook påpekade samtidigt att företaget kommer att släppa en uppdaterad version av sin virtuella assistent och chatbot, Siri, nästa år. Han nämnde också kommande partnerskap, såsom det med OpenAI för att integrera ChatGPT i Apple Intelligence.

“Vår avsikt är att integrera med fler människor över tid.”

– Tim Cook

Enligt senaste rapporter planerar Apple att betala cirka 1 miljard dollar per år för en AI‑modell med 1,2 biljard parametrar utvecklad av Google för att stödja Siri‑ombyggnaden.

När det gäller Apples marknadsvärde på 4 biljoner dollar handlas aktien för närvarande strax över 269 USD, upp 7,87 % år‑till‑datum. Den har en EPS (TTM) på 7,43 och ett P/E‑tal (TTM) på 36,37. Apple har nyligen deklarerat en kontantutdelning på 0,26 USD per aktie.

Slutsats

Displayteknik utvecklas med ett enda mål i åtanke: att uppnå sömlös integration mellan mänsklig syn och den digitala världen. För att uppnå detta har forskare och ingenjörer krympt gränsen mellan perception och projektion.

Den senaste forskningen kring retina‑e‑papper representerar ett stort framsteg i detta avseende, genom att uppnå mänsklig ögon‑nivå upplösning med enbart omgivande ljus genom att kombinera energieffektiviteten hos reflekterande skärmar med precisionen i nanoskalig optisk kontroll. Detta genombrott öppnar nya vägar för hållbara, högupplösta visuella system, och när forskarna förfinar färgomfånget, stabiliteten och skalbarheten kan retina‑e‑papper bli grunden för nästa generation av uppslukande, energieffektiva displayteknologier.

Referenser

<sup>1. Ashraf, M., Chapiro, A. & Mantiuk, R.K. Upplösningsgräns för ögat — hur många pixlar kan vi se? 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‑hastighets‑justerbart färge‑elektroniskt papper med mänsklig upplösning. Nature 646, 1089–1095 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09642-3</sup>