物理學(xué)家創(chuàng)造出世界上最小像素：未來的智能眼鏡可能只有針尖大小

智能眼鏡這個(gè)概念，科技圈已經(jīng)炒了十幾年。從谷歌眼鏡到各種AR設(shè)備，廠商們畫的餅一個(gè)比一個(gè)誘人：戴上眼鏡，導(dǎo)航信息直接顯示在視野里，開車不用低頭看手機(jī)；開會時(shí)實(shí)時(shí)翻譯懸浮在眼前，跨國溝通無障礙；甚至能把整個(gè)辦公桌投射到空氣中，隨時(shí)隨地辦公。

但現(xiàn)實(shí)很骨感。你去體驗(yàn)過那些智能眼鏡就知道，要么鏡框厚得像護(hù)目鏡，戴著又沉又傻；要么顯示效果跟上世紀(jì)的綠屏電腦差不多，模糊、暗淡、視野小。為什么做不好？

核心問題就一個(gè)——顯示技術(shù)跟不上。

手機(jī)屏幕那么大塊，做到2K、4K分辨率不稀奇。但智能眼鏡要的是微型顯示器，最好能藏在鏡框里，體積只有幾毫米甚至更小，還得保證清晰度和亮度，這就難了。傳統(tǒng)光學(xué)有個(gè)硬傷：當(dāng)像素的尺寸縮小到接近可見光波長（大約400到700納米）時(shí)，經(jīng)典的光學(xué)定律就不好使了。要么光發(fā)不出來，要么發(fā)出來也弱得可憐，根本沒法用。

這個(gè)瓶頸困擾了顯示行業(yè)很多年。不過最近，德國維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)家們找到了破局的辦法。Jens Pflaum教授和Bert Hecht教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，利用光學(xué)天線技術(shù)，成功造出了目前世界上最小的發(fā)光像素。相關(guān)成果剛剛發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

小到什么程度？

這個(gè)橙色像素的占地面積是300納米×300納米。可能你對"納米"這個(gè)單位沒什么概念，我換個(gè)說法：一納米是一毫米的百萬分之一。人的頭發(fā)絲直徑大約7萬納米，這個(gè)像素的邊長只有頭發(fā)絲的二百多分之一。如果用顯微鏡看，它就是個(gè)微小到極致的發(fā)光點(diǎn)。

但別小看這個(gè)點(diǎn)。Hecht教授在論文里強(qiáng)調(diào)："我們用了一種特殊設(shè)計(jì)的金屬觸點(diǎn)，它既能給有機(jī)發(fā)光二極管注入電流，又能同時(shí)放大和發(fā)射產(chǎn)生的光。雖然尺寸只有這么小，但亮度完全能媲美常規(guī)OLED屏幕上那種5微米×5微米的像素。"

5微米是多大？大概是300納米的16到17倍。也就是說，新像素的面積還不到傳統(tǒng)像素的1/250，但亮度沒打折扣。這意味著什么？算筆賬你就明白了：

一塊標(biāo)準(zhǔn)的1920×1080全高清屏幕，像素總數(shù)大約207萬個(gè)。如果用這種300納米的像素來做，整塊屏幕的尺寸大約是0.58毫米×0.32毫米，總面積還不到0.2平方毫米——比一粒芝麻還小。就算算上像素之間的間隔和邊框，整個(gè)顯示器塞進(jìn)一平方毫米綽綽有余。

這樣的顯示器能直接集成到眼鏡腿里，把畫面投射到鏡片上。從外觀看，這副眼鏡跟普通眼鏡沒什么兩樣，但功能上已經(jīng)是一臺微型電腦的顯示終端了。

技術(shù)難在哪？

要搞懂這項(xiàng)技術(shù)的難度，得先了解OLED的工作原理。

OLED全稱"有機(jī)發(fā)光二極管"，是目前高端手機(jī)和電視普遍使用的顯示技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)其實(shí)不復(fù)雜：幾層超薄的有機(jī)材料（厚度只有幾十到幾百納米）夾在兩個(gè)電極之間，就像三明治一樣。當(dāng)電流通過這個(gè)"三明治"時(shí)，電子從一個(gè)電極跑到另一個(gè)電極，路上遇到"空穴"（可以理解為缺少電子的位置），兩者結(jié)合后能量釋放，激發(fā)有機(jī)分子發(fā)光。

OLED最大的優(yōu)勢是"自發(fā)光"。液晶屏需要背光板照亮液晶分子，所以黑色其實(shí)是"擋住的白光"，不夠純；而OLED每個(gè)像素自己會發(fā)光，不發(fā)光的地方就是純黑。這帶來了三個(gè)好處：黑色夠深、色彩對比度高、省電（黑色區(qū)域不耗電）。對于需要長時(shí)間佩戴的AR/VR設(shè)備來說，這些優(yōu)點(diǎn)至關(guān)重要。

但問題來了：你不能簡單地把OLED按比例縮小。

Pflaum教授用了一個(gè)很形象的比喻："就像避雷針一樣，如果直接把傳統(tǒng)OLED結(jié)構(gòu)等比例縮小，電流會主要從天線的邊緣和角落發(fā)射出去。"

他們設(shè)計(jì)的光學(xué)天線是一個(gè)金制的長方體，尺寸是300納米×300納米×50納米（長×寬×高）。金屬在納米尺度下有個(gè)麻煩的特性：尖端和邊角處的電場會特別強(qiáng)。這個(gè)電場強(qiáng)到什么程度？能讓金原子從原本的位置"跑出來"，逐漸向發(fā)光材料層遷移，形成一根根超細(xì)的金屬"絲"——專業(yè)術(shù)語叫"細(xì)絲"（filament）。

這些細(xì)絲一旦形成，就會繼續(xù)生長，最終貫穿整個(gè)OLED結(jié)構(gòu)，把正負(fù)電極直接連通。結(jié)果就是短路，像素?zé)龤А＿@就像水管漏水，一開始只是滲水，慢慢裂縫越來越大，最終徹底爆管。

這個(gè)問題不是維爾茨堡團(tuán)隊(duì)獨(dú)有的，而是整個(gè)納米光電子領(lǐng)域共同面臨的難題。過去很多研究團(tuán)隊(duì)嘗試做納米級的OLED，結(jié)果都是像素點(diǎn)亮幾秒鐘或幾分鐘后就壞了，根本沒法實(shí)用。

巧妙的解決方案

維爾茨堡團(tuán)隊(duì)的突破在于引入了一層特制的絕緣層。

這層絕緣材料覆蓋在金天線的頂部，但不是完全封死，而是在天線的正中央留了一個(gè)直徑200納米的圓形開口。這個(gè)設(shè)計(jì)看似簡單，實(shí)際上精妙無比：

電流只能從中央的圓孔注入OLED，邊緣和角落完全被絕緣層堵住了。這樣一來，原本會在邊角聚集的電流被徹底阻斷，電場強(qiáng)度大幅降低，金原子就"老實(shí)"了，不會再亂跑形成細(xì)絲。

同時(shí)，200納米的開口尺寸經(jīng)過精心計(jì)算。太大的話，邊緣效應(yīng)還是會出現(xiàn)；太小的話，電流注入效率不夠，像素亮度會下降。200納米正好是一個(gè)平衡點(diǎn)——既保證了電流均勻注入，又避免了邊緣問題。

這個(gè)方案說起來容易，做起來難。在納米尺度上加工這樣的結(jié)構(gòu)，對制造工藝要求極高。絕緣層要夠薄、夠均勻，開口的位置要精確對準(zhǔn)天線中心，誤差不能超過幾十納米。這需要用到先進(jìn)的納米加工技術(shù)，比如電子束光刻、原子層沉積等。

效果如何？Hecht教授說："即使是第一批試制的納米像素，在常溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作兩個(gè)星期。"要知道，之前的納米OLED能撐幾分鐘就不錯(cuò)了，兩星期已經(jīng)是質(zhì)的飛躍。

下一步要做什么？

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)距離真正商用還有距離。研究團(tuán)隊(duì)自己也很清楚，接下來還有幾個(gè)關(guān)鍵問題要解決：

第一是發(fā)光效率。目前這種納米像素的光電轉(zhuǎn)換效率只有1%左右，也就是說，輸入的電能只有1%轉(zhuǎn)化成了可見光，其余99%都變成了熱量。相比之下，成熟的OLED屏幕效率能達(dá)到20%甚至更高。1%的效率意味著耗電量大、發(fā)熱嚴(yán)重，這對需要電池供電的智能眼鏡來說是個(gè)大問題。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，效率低主要是因?yàn)楣鈱W(xué)天線的設(shè)計(jì)還不夠優(yōu)化。通過改進(jìn)天線的形狀、材料和尺寸，理論上可以把更多的光子"擠"出來，而不是讓它們在材料內(nèi)部損耗掉。

第二是顏色。目前他們只做出了橙色像素。但要做彩色顯示器，必須有紅、綠、藍(lán)三原色（RGB）。不同顏色的光波長不同，對應(yīng)的有機(jī)發(fā)光材料也不一樣，光學(xué)天線的設(shè)計(jì)參數(shù)也要相應(yīng)調(diào)整。所以他們需要針對紅光、綠光和藍(lán)光分別開發(fā)三種納米像素，并且確保三種像素的亮度、效率和壽命都達(dá)到相近水平。

第三是大規(guī)模制造。實(shí)驗(yàn)室里用電子束光刻做幾個(gè)像素不難，但要做一塊包含幾百萬像素的顯示屏，就需要開發(fā)新的批量生產(chǎn)工藝。可能需要結(jié)合納米壓印、自組裝等技術(shù)，才能在成本可控的前提下實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

不過研究團(tuán)隊(duì)對前景很樂觀。Hecht教授在采訪中表示："技術(shù)上的主要障礙已經(jīng)克服了。現(xiàn)在是工程優(yōu)化的問題，而不是原理上的不可能。"

這技術(shù)能帶來什么？

如果這種納米像素技術(shù)真的成熟并量產(chǎn)，能改變的不只是智能眼鏡。

最直接的應(yīng)用當(dāng)然是AR眼鏡。一副看起來跟普通眼鏡一樣的設(shè)備，但鏡片上能實(shí)時(shí)顯示各種信息：走在路上，導(dǎo)航箭頭懸浮在實(shí)景中；看到外文招牌，翻譯自動出現(xiàn)；開會時(shí)，對方的名片信息浮現(xiàn)在視野邊緣。而且因?yàn)轱@示器足夠小,整副眼鏡可以做得很輕，戴一整天也不會累。

更激進(jìn)的是隱形眼鏡顯示器。一平方毫米的顯示器，完全可以集成到隱形眼鏡的邊緣。當(dāng)然，這還需要解決供電、無線傳輸、散熱等一系列問題,但至少顯示技術(shù)這一環(huán)不再是瓶頸了。

在醫(yī)療領(lǐng)域，這種技術(shù)可以用于手術(shù)顯微鏡、內(nèi)窺鏡等設(shè)備，在極小的視野內(nèi)提供高清圖像。在工業(yè)檢測中，可以做成超微型探頭，觀察芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。在科學(xué)儀器上，可以制造出分辨率前所未有的顯微成像系統(tǒng)。

而且，這項(xiàng)技術(shù)還有個(gè)有意思的副產(chǎn)品：它證明了光學(xué)天線在極小尺度上操控光子是可行的。這為未來的光子計(jì)算、光通信、量子信息處理等前沿領(lǐng)域打開了新思路。

從某種意義上說，這項(xiàng)研究是人類與物理極限的又一次較量。

過去一百多年，人類一直在突破各種技術(shù)極限：晶體管從厘米級做到納米級，存儲密度從每平方英寸幾千比特提升到幾萬億比特，顯示器從黑白到彩色、從低分辨率到視網(wǎng)膜級。每一次突破，都有人說"到極限了"，但工程師們總能找到新辦法。

這次也一樣。當(dāng)經(jīng)典光學(xué)說"像素不能再小了"的時(shí)候，物理學(xué)家用光學(xué)天線證明了"還可以"。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品還有很長的路要走。也許五年后，也許十年后，我們才能在商店里買到基于這項(xiàng)技術(shù)的智能眼鏡。但至少現(xiàn)在，那個(gè)曾經(jīng)看似不可逾越的技術(shù)障礙，已經(jīng)有了清晰的解決方案。

科技進(jìn)步就是這樣一步步推進(jìn)的——先有人證明"這事能做"，然后無數(shù)工程師接力優(yōu)化，最終變成普通人手里的產(chǎn)品。維爾茨堡團(tuán)隊(duì)做的，正是最關(guān)鍵的第一步。