Mitch Leslie

Senior Technology Writer

憑借清晰的圖像和鮮明的對比度，每英寸數(shù)百像素（ppi）的有機發(fā)光二極管（OLED）顯示屏已成為大多數(shù)智能手機和許多高端電視機的首選屏幕技術[1]。但是在具體應用時，特別是對于升級改良后的虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）設備，需要具有比當前OLED顯示屏更高的像素密度[2]。2020年年底，美國斯坦福大學和韓國三星公司的研究人員描述了一種顯示屏像素密度超過10 000 ppi的設計，創(chuàng)下OLED紀錄[3]。這一發(fā)現(xiàn)將有助于各種基于OLED的新型電子產品的開發(fā)。然而，專家警告說，技術限制和來自其他類型顯示屏的競爭可能會抑制這種超高分辨率OLED顯示屏的實際使用。

2010年，蘋果公司因推出iPhone 4而引起轟動，這款手機配備了像素密度為326 ppi（是之前型號的4倍）的液晶顯示屏[4]。從那以后，制造商在顯示屏上壓縮了更多的像素?，F(xiàn)在，大多數(shù)智能手機都配備可提供400～500 ppi像素密度的OLED顯示屏[5]。同樣，電視機顯示屏的像素密度隨著時間的推移也在增加，現(xiàn)在許多OLED電視機顯示屏的像素密度根據(jù)尺寸可以達到100～200 ppi [6]?？墒菍τ谑謾C和其他移動設備而言，增大像素密度是有代價的，電池的電量消耗會更快[7]。此外，人眼是否可以區(qū)分不同像素密度的手機顯示屏仍然備受爭議[8,9]。

然而，VR、AR和MR設備需要更高的像素密度，這是毫無疑問的。它們要么像VR那樣將用戶置于計算機生成的世界中，要么在用戶的真實世界中添加圖像[10]。這些技術在Pokemon Go等游戲以及各種工業(yè)、軍事和教育應用中已經很常見，但視覺體驗效果可能令人失望。例如，像素之間的間隙可能是可見的，從而產生所謂的紗窗效應[11]。標準VR頭戴式設備的設計解釋了為什么在此類設備中視覺缺陷更明顯。頭戴式設備的顯示屏距離用戶的眼睛只有幾厘米（而用戶通常與手機顯示屏之間的距離為25～30 cm），而且設備還包含放大鏡[11]。研究人員估計，更平滑、更逼真的顯示屏要求更亮，并且需要超過5000 ppi的像素密度[3]。臺灣大學電氣工程學教授Jiun-Haw Lee說：“發(fā)現(xiàn)增加像素數(shù)量的新方法十分重要?！彼]有參與斯坦福大學與三星公司的研究。

為了提高OLED顯示屏的分辨率，斯坦福大學和三星公司的研發(fā)團隊不得不應對當前技術的兩個限制。大多數(shù)智能手機的OLED顯示屏的制造過程包括通過精細的金屬掩模（一種擁有許多微孔的薄材料）將發(fā)光有機化合物涂到表面上[12]。掩?？梢栽诿總€像素內精確定位紅色、綠色和藍色子像素，這些子像素以各種組合形式發(fā)光來產生不同的顏色[13]。在掩模上增加更多的孔可以提高像素密度，但越來越多的孔會導致圖像質量變差。因此，大多數(shù)手機顯示屏的像素密度仍保持在400～500 ppi [12]。另一個限制適用于OLED電視。隨著精細金屬掩模尺寸變大，它們往往會下垂，因此制造商通常使用不同的工藝來制造大顯示屏[12]。一臺電視機顯示屏上的子像素包括三層有機化合物，每一層都發(fā)出紅光、綠光或藍光[1]。這些層合在一起就會產生白光，白光通過濾光器阻擋某些特定波長的光，從而在顯示屏上產生不同的顏色[1,12]。Lee說，這種方法的缺點是效率低、亮度有限，“它浪費了2/3的能量”，原因是濾光器阻擋了大部分發(fā)出的光。

圖1. 斯坦福大學和三星公司研究人員推出的新OLED設計，將發(fā)光層夾在兩個反射面之間，即“元鏡”（meta mirror）和覆蓋層正下方的銀鎂陰極。“元鏡”的表面布滿了微小的柱子，這些柱子改變了反射光的傳播距離。從納米柱陣列中發(fā)出的光的顏色取決于它們的大小和密度（插圖）。圖片來源：Samsung Advanced Institute of Technology (public domain)。

斯坦福大學和三星公司研究人員的設計與OLED電視顯示屏的核心相似，因為每個像素都包含了可產生紅光、綠光和藍光的多層有機化合物。然而，他們將這些層放置在兩個鏡子之間，其中一個鏡子上布滿了直徑為80～120 nm的納米柱陣列（圖1）[12]。來自OLED層的白光在鏡子之間反射，但也在納米柱之間來回反射。這種設計會產生共振，放大某些波長。研究人員證明，他們可以通過改變納米柱的大小和排列來調整光的顏色。例如，納米柱密集的陣列發(fā)出紅光，而稀疏的陣列則產生藍光[5]。通過調整納米柱整列，研究人員可以生成所有波長的可見光[3]。

由于該團隊沒有使用精細的金屬掩模，因此他們可以壓縮更多像素——他們的計算表明該設計甚至可以使像素密度超過10 000 ppi [3]。由于不需要濾光器，使用該技術的設備應該會更高效、更明亮。研究人員說，他們的設計相比OLED裝置的發(fā)光效率提高了一倍。該技術的另一個優(yōu)點是，用納米壓印光刻技術可以制造帶有納米柱排列的鏡子，該技術已經成為制造太陽能電池和其他產品的標準技術。美國中佛羅里達大學的光學研究員Tao Zhan說：“這項研究非常重要?！比欢?，他沒有參與這項研究。他說，這項研究表明“你可以簡化制造過程并顯著增加像素密度”。

斯坦福大學和三星公司的研究人員分析了一個小型測試陣列，但沒有構建全屏或將陣列連接到手機或其他設備。盡管如此，Lee表示，該團隊證明納米柱方法“是可行的”。他說，現(xiàn)在該小組可以開始嘗試制造帶有納米柱排列鏡子的顯示屏，并確定它們適用于哪些產品。

但Lee提醒說，OLED有一些缺點，可能會降低其普及程度。這些設備可能會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，圖像會永久印在顯示屏上[14]。老化對手機來說不是大問題，因為用戶通常每隔幾年就會購買新機型。然而，這對于VR、AR或MR設備來說將是一場災難。此外，其他顯示技術也在爭奪市場份額。加拿大VueReal公司（位于加拿大安大略省滑鐵盧市）已經銷售了采用微型發(fā)光二極管（microLED）的顯示屏，顯示屏的像素密度可達30 000 ppi [5]。microLED顯示屏中的每個像素都是一個微觀的銦鎵氮化物半導體，使用這種技術的大顯示屏電視機才剛剛進入市場[15,16]。與OLED一樣，microLED也可以產生清晰的圖像，但它們老化的可能性更低[16]。然而，microLED也有幾個缺點，即它更耗電、會產生大量熱量且價格昂貴，因此哪種技術將點亮未來的顯示屏尚不清楚[16]。

Lee補充說，試圖開發(fā)更具細節(jié)、更生動、更逼真的VR、AR和MR產品的研究人員還面臨其他設計挑戰(zhàn)，包括如何提高數(shù)據(jù)傳輸速度。他說：“高分辨率是必不可少的，但這并不是唯一需要解決的問題?！?/p>