电子纸有望实现人眼分辨率级虚拟现实

将传统视觉显示器微型化以用于贴近人眼的场景，会面临色彩混叠问题，且需在分辨率与亮度之间权衡。一种名为“视网膜电子纸”（retina E-paper）的创新技术，为反射式显示器赋予了超高分辨率——当屏幕尺寸缩小至瞳孔大小时，其分辨率可达到人眼视觉的极限水平。

本文摘编自：Santosa, A. S. S. 等《具备人眼分辨率的视频速率可调色电子纸》，《自然》（Nature），646期，1089-1095页（2025年）。

研究背景与目标

自19世纪90年代首台电影放映机问世以来，显示技术不断演进：从电视、智能手机到虚拟现实（VR）与增强现实（AR）头显，这类技术已深度融入日常生活。随着显示器尺寸逐渐缩小且愈发贴近人眼，其分辨率必须相应提升，才能呈现清晰、沉浸式的图像。显示技术的终极目标是实现“完美虚拟现实”——屏幕尺寸接近瞳孔大小，同时集成数百万个人眼分辨率级别的像素。

当前的发光型显示器（如使用发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）的显示器）难以实现这一目标：像素缩小会导致亮度降低，且色彩混叠现象加剧，使得图像难以清晰观看（尤其在强光环境下）[1-3]。而电子纸（E-paper）等反射式显示器虽能在强光下保持可见性，但其相对较大的厚度限制了像素尺寸，无法用于超高分辨率场景。

解决方案

为突破电子纸的分辨率瓶颈，研究团队采用了三氧化钨（WO₃）——这是一种经典的“电致变色材料”，即使厚度仅为100纳米级别，在施加电压时仍能可逆地改变光学状态。通过先进的纳米制造技术，研究人员将三氧化钨构建成周期性纳米结构阵列，这些阵列在每个像素中充当“子像素”，可通过电学方式控制其反射强度以生成不同色彩。

选择这一方案的原因在于：电致变色薄膜本身具有超薄特性，且能在亚微米尺度下实现对色彩和分辨率的精确控制。由此，研究团队成功解决了核心挑战——在单一电子纸平台上，同时实现高可见度、丰富色彩与超高像素密度的结合。

研究团队设计的三氧化钨纳米结构阵列，可在“小于光波长”的像素中生成三原色，实现了接近人眼视觉分辨率极限的亚微米级像素尺寸。通过对子像素（多个子像素组合形成一个完整像素）的精心空间排布，色彩串扰现象得到抑制，从而呈现出鲜明、准确的色彩。此外，通过局部提升驱动电压，研究团队将电致变色切换过程的速度提升至“视频速率”（满足显示器刷新需求），克服了传统电子纸响应速度慢的固有缺陷。

这些技术突破共同催生了一种新型显示器——“视网膜电子纸”。该显示器兼具人眼分辨率、全彩显示能力、视频速率刷新性能，且在明亮环境下仍具备出色的可见性（见图1）。视网膜电子纸的分辨率已接近物理极限，有望推动下一代VR与AR技术的发展。

图1 | 视网膜电子纸的原理示意图与演示

a. 受视网膜启发设计的瞳孔尺寸显示器示意图，其核心特征是亚微米级超高分辨率像素；  

b. 古斯塔夫·克里姆特（Gustav Klimt）作品《吻》（The Kiss）在不同设备上的显示对比：左侧为苹果iPhone 15，中间为视网膜电子纸。视网膜电子纸的面积约为标准智能手机屏幕的1/4000，其色彩由精心排布的青、品红、黄三色子像素生成。比例尺为2微米。  

《吻》的图像经Kingston Frameworks许可转载。  

图片来源：Santosa, A. S. S. 等/《自然》（CC BY 4.0协议）。

未来发展方向

视网膜电子纸的成功演示表明，“打造与人眼视网膜尺寸和分辨率相当的显示器”已触手可及。理论上，该技术可精确控制人眼视网膜中光感受器接收的信号，从而模糊现实与虚拟世界的界限。这类技术突破或将催生全新的视觉体验——使人的想象力突破物理、时间与空间的限制。

从技术层面来看，当前最紧迫的挑战在于：开发可独立驱动视网膜电子纸每个亚微米级像素的薄膜晶体管阵列。如何实现如此精细的晶体管尺寸，是电子工程领域的一大显著难题。此外，还需提升色彩纯度、器件寿命与刷新速率，以优化显示性能；最终，具备可扩展性的制造方法与成本降低，将是该技术走向商业化的关键。

除解决上述技术挑战外，研究团队的下一目标是开发功能性原型机，并对其视觉性能进行严格评估。最终，我们期望视网膜电子纸能发展为人人可及的实用技术。  

——熊坤利（Kunli Xiong），瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）

专家观点

“这项研究融合了两种显示技术——电致变色与超构表面，构建出具有新型像素结构和新型材料组合的显示平台。利用亚微米级反射像素呈现可识别的全彩图像，这是一项重大突破。该技术的核心优势在于，其技术路径与当前VR领域的主流技术（微LED）存在本质区别，是对‘许多人认为已解决的问题’的重新思考。”  

——丹尼尔·斯莫利（Daniel Smalley），美国犹他州普罗沃市杨百翰大学（Brigham Young University）

研究背后的故事

视网膜电子纸的构想可追溯至十多年前——源自我攻读博士期间的一项意外发现。当时，导师让我用聚合物控制生物传感器的纳米孔尺寸，但我注意到共轭聚合物具有惊人的光学特性。这一发现启发我：将其与‘等离激元（金属纳米结构）色产生器’结合，突破亚马逊Kindle电子书阅读器等设备中黑白电子纸的技术局限。

在博士与博士后研究期间，我不断完善这一构想——逐步提升性能、稳定性与色彩质量。三年前，我意识到“色彩生成与调制可集成于单一纳米结构动态材料中”，这为实现超高分辨率开辟了道路。我至今仍记得在显微镜下首次看到全彩亚微米像素时的兴奋感。

该项目曾因资金短缺险些中止，幸得瑞典研究理事会（Vetenskapsrådet）的启动基金支持，以及乌普萨拉大学提供的教职，我才得以继续研究，最终成功开发出视网膜电子纸。  

——熊坤利（K.X.）

编辑点评

显示器的分辨率与其像素数量成正比。然而，在传统屏幕（如每个像素为一个LED的屏幕）中，像素尺寸缩小会导致亮度降低，使得分辨率与亮度之间存在固有的权衡关系。在本研究中，作者采用了截然不同的思路：与“电子墨水”技术类似，他们开发的反射式显示器以外部光源为成像基础，因此可在不牺牲亮度的前提下，实现任意高的像素密度。  

——米凯拉·皮卡迪（Michela Picardi），《自然》杂志副编辑