在瑞典的一個研究團隊提出了一種新型電子墨水顯示解決方案，可能為未來超緊湊、視網膜級別的虛擬現實（VR）頭顯和增強現實（AR）眼鏡開辟道路。

傳統發光顯示屏正在縮小，但它們面臨著物理極限；更小的像素往往發光均勻性較差且光強較弱，這在虛擬現實和增強現實頭顯等近眼應用中尤為明顯。

在近期發表于《自然》（Nature）期刊的一篇研究論文中，一個研究團隊展示了一種“視網膜電子墨水顯示器”，旨在提供與現代虛擬現實（VR）頭顯中常見顯示技術截然不同的解決方案——當前虛擬現實（VR）頭顯正越來越多地采用micro-OLED（微有機發光二極管）來減小尺寸和重量。

該論文由來自烏普薩拉大學、于默奧大學、哥德堡大學以及在哥德堡的查爾默斯理工大學的研究人員共同撰寫，他們是：阿德·薩特里亞·薩洛卡·桑托薩、張玉威（音）、安德烈亞斯·B·達林、拉爾斯·奧斯特隆德、喬瓦尼·沃爾普和熊坤立（音）。

盡管傳統電子紙難以達到實現逼真高保真圖像所需的分辨率，但該團隊提出了一種新型電子紙，其特點是采用僅約560納米寬的電可調“元像素”。

這有望實現超過25000PPI（每英寸像素）的像素密度——比當前三星Galaxy XR或蘋果Vision Pro等頭顯設備所用顯示屏的像素密度高出一個數量級。這些頭顯設備的PPI（每英寸像素）約為4000。

如論文所述，每個元像素由三氧化鎢（WO₃）納米盤構成，當發生電還原反應時，這些納米盤會經歷可逆的絕緣體-金屬轉變。這一過程動態改變了材料的折射率和光學吸收率，實現了納米級的亮度與色彩對比度控制。

實際上，在環境光照亮時，這種顯示器能呈現比人類發絲更纖細的明亮飽和色彩，以及光學對比度據稱可達50%的深邃黑色——相當于反射式高動態范圍效果（HDR）。

研究團隊表示該技術可同時應用于增強現實和虛擬現實顯示屏。下圖展示了兩種應用的概念光學堆棧結構，圖A代表虛擬現實顯示屏，圖B顯示增強現實顯示屏。

不過該技術仍存在明顯缺陷。除絕對分辨率外，這種顯示器僅能以“超過25赫茲”的速率呈現全彩視頻，遠低于虛擬現實用戶舒適觀看所需標準。研究人員指出，除了相對較低的刷新率，視網膜電子紙還需在色域、運行穩定性和使用壽命方面進一步優化。

論文解釋道：“降低工作電壓并探索替代電解質，是延長設備耐久性和降低能耗的有效工程路徑。此外，其超高分辨率還要求開發用于獨立像素控制的超高分辨率薄膜晶體管（TFT）陣列，這將實現完全可尋址的大面積顯示屏，因此是未來研究與技術發展的關鍵方向。”

盡管電子墨水顯示屏本身功耗極低，但集成圖形計算單元來驅動這些元像素仍面臨挑戰。這雖屬于良性問題，但終究是需要解決的問題。

原作者的觀點

至少根據論文描述，這項基礎技術有望制造出我們前所未見的、逼近人類視覺極限尺寸與像素密度的擴展現實顯示屏。達到人類視覺感知極限正是筆者期待已久的突破性時刻。

不過將刷新率顯著提升至25赫茲以上至關重要。如論文所述，25赫茲足以滿足視頻播放需求，但驅動沉浸式虛擬現實環境至少需要60赫茲刷新率才能保證基本舒適度。72赫茲更佳，而90赫茲已成為當前標準。

筆者還期待將這種電子紙顯示器與低分辨率micro-OLED（微有機發光二極管）當代產品進行對比，特別是想驗證其提出的環境光實現高動態范圍（HDR）的技術原理。這實在令人難以直觀理解——本質上，顯示器的元像素吸收并散射環境光，其原理類似“梵塔黑”（一種已知最黑的碳納米管晶體，能吸收99.965%的可見光）——或許需要親眼目睹才能信服。

盡管保持審慎態度，但筆者認為能開展這樣的討論本身就已令人驚嘆：我們正處于擴展現實顯示屏能夠重構真實視覺體驗的技術臨界點。