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Science:从别人Nature子刊里“悟出”超高分辨率显示器

无论是看电影、追剧还是玩游戏,估计大家都不喜欢分辨率低的低质画面。分辨率越低,画面的颗粒感越严重,观感就越差。画面质量不仅取决于数据源的质量,更取决于显示屏的分辨率,后者其实更是设备能显示画面的分辨率上限。想象一下,十几年前流行的黑白手机,分辨率仅仅在96 × 68像素左右,无论如何是放不了目前常见的720P(1280 × 720像素)视频的。

图片来源于网络


尽管目前主流的智能手机分辨率早已超过人类肉眼能分辨的极限(正常使用距离内),然而用在手机上的显示屏技术却不能满足目前发展迅猛的虚拟现实(VR)设备的需求。很多看过VR视频或者玩过VR游戏的朋友,都可能会遇到这么个问题:使用几十分钟后,可能就会出现眩晕感,画面如此不清晰,看啥都像隔着丝袜一样。这种画面颗粒感十足的现象叫“纱窗效应”,主要原因是VR显示屏幕与正常使用的手机屏幕不同,前者近在眼前,所以显得分辨率不足,人眼会直接看到显示屏像素点间的界限。

“纱窗”效应。图片来源于网络


要消除颗粒感,视场角中每1°需要至少60个像素(低于60个像素,视网膜就能分辨出像素点)。平时我们看手机时,眼睛距离屏幕比较远,约300 mm,视场角较小,就分辨不出手机屏幕的像素点。以华为的旗舰机之一HUAWEI P40 Pro为例,手机长158.2 mm,因此纵向的视场角为2 × arctan(79.1/300) ≈ 29.5°,换句话说,超过29.5 × 60 = 1770像素,就不会出现颗粒感。而HUAWEI P40 Pro的分辨率为2640 × 1200像素,纵向远大于1770像素,就算再靠近点看也分辨不出像素点。

手机屏幕参数。图片来源:华为官网


视场角示意图。图片来源于网络


看到这里,对分辨率的单位要做个简单的说明。还是以HUAWEI P40 Pro为例,分辨率为2640 × 1200像素意味着手机屏幕纵向有2640个像素点,横向有1200像素点;而PPI(Pixels Per Inch)指的是像素密度,每英寸所拥有的像素数量。二者可以通过简单的公式换算,比如刚才提到HUAWEI P40 Pro的屏幕分辨率约为440 PPI。

实际上,分辨率≥300 PPI的手机屏幕,在300 mm的正常使用距离上视网膜就无法分辨出像素点,这样的屏幕被称为“视网膜屏”(这里要插一句,视网膜屏(Retina)实际上是某手机公司硬造的营销用语,感兴趣者可自行上网搜索)


VR设备缩短了屏幕和眼睛的距离,如果要消除画面的颗粒感,至少需要多高的分辨率呢?我们每个人的视场角,基本上是水平210°,垂直100°。因此,水平需要210×60 = 12600像素,垂直需要100 × 60 = 6000像素,也就相当于约10,000 PPI,当前的显示屏技术显然无法满足这一要求。怎么办呢?Science 近期刊登了三星公司Won Jae Joo与斯坦福大学Mark L. Brongersma等人的一篇论文,或许为VR设备的超高分辨率显示器找到了解决方案。有意思的是,论文idea来源却是看似与显示器技术八竿子打不着的太阳能电池技术。[1]

VR显示的像素需求。图片来源于网络


Won Jae Joo在2016年至2018年访问斯坦福大学时,听了斯坦福大学研究生Majid Esfandyarpour的一次学术报告,内容关于他所在的Brongersma实验室开发的一项超薄太阳能电池技术(Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 542–547)。这种太阳能电池的基底具有一层纳米结构的金属反射层,称为光学超表面(metasurface),可以操控光的反射性质,从而提升太阳能电池半导体层的光吸收和光电流产生。Joo敏锐地意识到了该技术可以应用于有机发光二极管(OLED)显示器的制备。演讲结束后,他向Esfandyarpour介绍了他的想法,并促成了三星、斯坦福大学、韩国汉阳大学等研究人员的这次合作。[1]


他们近期在Science 杂志上发表的论文报道的这种全彩色、高亮度的OLED显示器,正是将这种超表面用作可调谐的背反射器,可以实现10,000 PPI的超高分辨率,完全满足VR、增强现实(AR)以及智能眼镜等下一代显示的需求。

全彩色、超高分辨率OLED示意图。图片来源:斯坦福大学新闻 [1]


法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔,是一种非常简单但用途广泛的光学元件,由两个相对的反射镜组成。通常以Q因子(quality factor)来量化器件的能量损失率,高Q因数有助于增强光与物质之间的相互作用,同时也降低了工作的光谱带宽。另一方面,OLED微腔往往需要较低的Q因子(<10),以实现有机分子较宽的发射带。最近的研究表明,通过纳米结构可以改变金属反射镜的反射相位,这使得腔谐振的调谐成为可能。

法布里-珀罗腔示意图。图片来源于网络


研究者通过在银反射器上制备纳米图案反射镜,将80 nm高的纳米柱排列在间距为180到380 nm的正方形格子上,实现对光波的精细控制。这种精细的结构,可以实现不同颜色的光在像素点中产生共振,而不再需要像传统显示器那样使用单个颜色的发光体,还能避免像素点排列不均匀的问题。随后将OLED发光材料、RGB发射电极和电荷传输层构建在纳米柱阵列之上,其发射光谱可以覆盖整个可见光谱。

OLED显示器的电致发光性质。图片来源:Science


该方法制备的OLED显示器具有超高的分辨率,像素密度从400 PPI提升到了10,000 PPI。用光学显微镜拍摄OLED显示器的发光图像,即使将尺寸缩小到2.0和1.2 μm,也没有观察到明显的颜色失真或亮度降低(图中的模糊是由于光学显微镜的分辨率限制)。

超高分辨率的像素化的OLED显示器。图片来源:Science


受益于微腔效应,除了拥有创纪录的像素密度外,新的OLED显示器结构导致其量子效率提高,也因此比现有技术更明亮、颜色精度更好、能耗更低。

新OLED显示器与现有OLED显示器电致发光性能比较。图片来源:Science


“我们的技术基础在于,在纳米尺度上光可以像水一样围绕物体流动,”Brongersma说,“纳米光子学领域不断带来新的惊喜,我们的技术非常适合太阳能电池,现在又有机会影响下一代显示器”。“Brongersma课题组的研究在学术上影响深远,对我这样的工程师来说,就像隐藏的宝藏一样”,Joo说。“我们在太阳能电池领域研究的一个问题,可以对OLED显示器产生如此重要的影响,这委实令人兴奋”,Esfandyarpour也评论说。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Metasurface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch

Won-Jae Joo, Jisoo Kyoung, Majid Esfandyarpour, Sung-Hoon Lee, Hyun Koo, Sunjin Song, Young-Nam Kwon, Seok Ho Song, Jun Cheol Bae, Ara Jo, Myong-Jong Kwon, Sung Hyun Han, Sung-Han Kim, Sungwoo Hwang, Mark L. Brongersma

Science, 2020, 370, 459-463, DOI: 10.1126/science.abc8530


参考文献:

1. Stanford materials scientists borrow solar panel tech to create new ultrahigh-res OLED display

https://news.stanford.edu/2020/10/22/future-vr-employ-new-ultrahigh-res-display/


(本文由小希供稿)


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