终结笨重AR眼镜？世界最小像素突破经典光学极限

本来上次说到这一期要聊一聊Meta的超薄激光显示面板，这个暂且放一下，前两天出来了一个最小像素点的新研究，还热乎着，我们先来看看这个。

AR眼镜被视为下一代计算终端，尤其是AI全面爆发后，AR眼镜更是被寄予厚望。然而目前的AR眼镜依旧笨重远远达不到消费者日常长时间佩戴的要求。这需要AR眼镜的各个元件体积都变小，才有可能实现。

在光学领域，有一个经典光学理论是，如果发光像素的尺寸缩小到发射光的波长大小，那么像素就无法实现高效发光。

第一次看这句话我也不是很懂，但是可以做个类比，这句话就很简单了。

我们可以把显示面板看成一栋房子，显示面板上的像素看成是一个个房间，每个房间都有一扇门。我们所有大门都打开，里面的人同时发出声音，我们站在外面是能清楚听到的。而如果所有门都只留下一点点门缝，再让所有人都发出声音，那么我们在外面几乎听不到了。也就是绝大多数声波能量被门反射回房间了。

对应到显示面板，在房门完全打开的时候，房间里的人发出的声音（声波）其实就对应的是像素发出的光，这就是高效传递，显示面板能正常发光。留下的一点点门缝也就是将像素缩小到发射光的波长大小，那么这个时候发光效率极低。

那么可以接着说了。

最近，维尔茨堡大学的物理学家们借助光学纳米天线，成功制造出迄今为止世界上最小的像素。这项研究由延斯·普夫劳姆教授和伯特·赫克特教授领导的研究团队完成，其研究成果已发表在《科学进展》杂志上。

这个光学纳米天线又是什么呢？

光学纳米天线是一种在纳米级别上操控光的结构，我们可以把它理解为“光的喇叭”。就像收音机的金属天线能高效收发无线电波一样，光学纳米天线的核心使命是高效地控制“光”。当需要我们上面提到的，一个极微小的光源发光时，光会因为被“卡住”而难以有效射出。这时，在旁边放置一个光学天线，它就能像喇叭一样，将这点微弱的光“接住”并放大，然后定向地发射出去，极大提高发光效率。

光学纳米天线如何作为“光的喇叭”工作：它能“接住”左侧纳米发光点发出的微弱光（左），像喇叭放大声音一样将其增强（中），最终发射出强度更高、方向性更好的光（右）。

反过来，它也能像一个“光的漏斗”，将照射过来的光聚集到一个极小的点上，从而显著增强该点的亮度。光学天线其实就是完美解决上面提到的因为门太小，而光出不来的问题。因此，光学纳米天线是突破传统光学极限的关键技术，在未来超高清显示、超高速光通信和生物检测等领域有着巨大的应用潜力。

光学纳米天线的“漏斗”效应：如同漏斗能将广口流入的液体汇聚到小口一样，光学纳米天线能将上方大面积的入射光（浅黄）捕获并浓缩到下方一个极小的纳米点上（亮黄），从而极大地增强该点的光强。

赫克特教授的这个研究核心是什么呢？

他们在实验中利用一种金属接触点，既能将电流注入OLED，同时又能放大并发射其所产生的光，从而在一个仅300×300纳米的面积上创建了一个发射橙光的像素。这个像素的亮度与常规尺寸为5×5微米的传统OLED像素差不多。一纳米等于百万分之一毫米。这意味着，一个分辨率为1920 x 1080像素的显示器或投影仪，可以轻松地集成在仅一平方毫米的面积上。比如追求轻便化的AR，显示器可以集成到镜腿中，生成的光线可以从那里投射到镜片上。

对于这种微观单位，很多人都没有概念。这个表格可以直观感受一下。

那么根据这个表格可以对上面的数据统一换算成毫米单位：

实验中创建的发射橙光的像素大小：

    300nm=0.3μm=0.0003mm

    0.0003*0.0003=0.00000009mm²

传统OLED像素大小：

 5μm=0.005mm

0.005*0.005=0.000025mm²

这意味着，维尔茨堡研发的纳米像素面积，仅有传统像素的约1/278（0.00000009 / 0.000025 ≈ 0.0036）。

那么，一个分辨率为1920 x 1080的单色（例如橙色）显示面板需要多少面积呢？

1920 x 1080的单色显示面板：

 0.00000009*(1920×1080)≈ 0.186mm²

这个数据已经非常惊人，意味着在针尖大小（1平方毫米）的面积上，容纳一个高清单色显示器绰绰有余。这为将显示器集成到眼镜镜腿提供了坚实的物理基础。

如果我们展望未来，假设这项技术成熟后，能制造出红、绿、蓝三种颜色的纳米像素，

那么一个全彩高清面板的理论像素总面积约为：

0.00000009mm²*(1920*1080)*3≈0.56mm²

即便按照这个更苛刻的理想模型，1平方毫米的空间也足以容纳所有发光像素，这为将超高清显示器集成到眼镜镜腿乃至更小的空间里，扫清了最根本的物理障碍。

当然，通往革命性产品的道路并非一帆风顺。研究人员在将像素进一步微型化的过程中，很快遇到了一个棘手的物理难题。

在进一步微型化像素时，研究团队发现：电流在如此小的面积中分布不均匀。普夫劳姆教授解释：”就像避雷针一样，如果只是简单地缩小传统的OLED结构，会导致电流主要从光学天线的边角处释放出来。”这种由黄金制成的天线呈300x300x50纳米的长方体结构，由此产生的强电场会使金原子迁移至发光材料内部，形成名为‘细丝’的导电丝状物。这些‘细丝’就如同微小的金属桥，一旦生长到连接上下电极，就会立刻导致像素短路烧毁。（下图C）

具有可独立寻址底部纳米电极的纳米OLED像素的概念设计。

(A) 器件结构示意图（剖开爆炸视图）。一个支撑等离子体激元模式的亚波长金贴片电极被用作底部阳极。为规避电极尺寸缩小带来的不利影响，该纳米电极的边缘和角落被绝缘，留下一个具有均匀电场分布区域的中心纳米孔径（参见”绝缘纳米孔径”）。一套标准的有机叠层——包括空穴注入层、空穴传输层、发光层和电子传输层——被施加于其上，之后是延伸的金属顶部阴极。

(B) 沿(A)图中α-β线的剖面图。空间受控的空穴注入（来自底部阳极）和电子注入（来自顶部阴极）导致激子在发光层内、纳米孔径上方形成。复合时，激子耦合到金纳米贴片的等离子体激元模式，导致强发光。

(C) 无纳米孔径的器件：不均匀的载流子注入导致发光性能差，并促进灯丝生长（参见右侧插图）。

那么对于这个问题，目前研究人员能采取的是什么措施呢？

维尔茨堡团队目前研发出的新结构，在我们前面所讲的光学纳米天线的顶部加入了一层特殊制造的新型绝缘层。该绝缘层只在天线中央留下一个直径200纳米的圆形开口。（上图A）

这种设计阻止了电流从天线边缘和角落注入的可能性，从而确保了纳米发光二极管能够稳定、长效地工作。在这种结构下，导致短路的细丝就无法再形成。（上图B）

“即便是最初制造出的纳米像素，在环境条件下也能稳定工作两周之久，”赫克特在描述这一成果时说道。

接下来的步骤中，物理学家们希望将发光效率从目前的1%进一步提升，并将色域扩展至RGB光谱范围。届时，一代全新的”维尔茨堡制造”微型显示器的发展道路将畅通无阻。

凭借这项技术，未来的AR专用显示器可以做得非常小，以至于能够几乎不被察觉地集成到普通眼镜大小的AR眼镜上。

资料来源：

1. https://phys.org/news/2025-10-physicists-smallest-pixel-world.html
2. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz8579