它可以在保持高反射率和光學對比度的同時實現全彩視頻顯示，有望實現終極的VR顯示器

（中國AI網 2025年06月05日）隨著對沉浸式體驗需求的增長，顯示器正以更小的尺寸和更高的分辨率向眼睛靠攏。然而，縮小的像素發射器降低了強度，使它們更難感知。電子紙利用環境光的可見性，保持光學對比度，但不能實現高分辨率。

在一項研究中，瑞典烏普薩拉大學，哥德堡大學和查爾姆斯理工大學團隊展示了由WO?納米片組成的可電調諧元像素，其尺寸降至~560納米（> 45000 PPI），當顯示尺寸與瞳孔直徑匹配時，允許在視網膜進行一對一的像素光電探測器映射。所述技術同時支持視頻顯示（25 Hz），高反射率（~80%）和光學對比度（~50%），而團隊表示這有助于創建終極的虛擬現實顯示器。

隨著像素尺寸的縮小，主流發光顯示器正接近其物理極限。較小的像素尺寸減少了發射器尺寸，導致亮度顯著下降，這使得它們越來越難以用肉眼感知。相關限制暴露了使用傳統發射顯示技術實現最終VR顯示器的重大挑戰。

反射顯示器依賴于環境光的可見性，不會受到亮度問題的影響，而且由于反射是由納米級材質的偏振控制，所以它們的光學對比度不受像素尺寸減小的影響。然而，現有的反射顯示（電子紙）技術受到重大限制的阻礙。例如，反射液晶顯示器受液晶層厚度的限制，而電泳顯示器則受其尺寸的限制。

到目前為止，沒有商業可用的反射顯示技術達到高分辨率（>1000ppi）。光學超表面已經證明了實現超高像素密度的能力，可以達到10萬PPI （~2.5 μm像素尺寸），而圖案納米材質能夠以高達每英寸10萬點的分辨率打印圖像，接近光學衍射極限。

然而，目前大多數納米打印依賴于靜態材質。當應用于動態顯示系統時，材質需要通過微光源進行調制，但隨著分辨率的增加，微光源依然受到電磁降低強度的固有限制。另外，由于電子紙不發光，相鄰像素之間的相互作用可以在超高像素密度下改變其光學特性，這使得使用傳統的RGB亞像素配置進行圖像顯示具有挑戰性。

近年來，人們對整合動態和靜態材質來探索可調諧納米光子學系統越來越感興趣。特別是在顯示領域，混合納米材質-結合可調諧共軛聚合物或半導體作為金屬納米結構的顏色調制器，已經證明了調制亞像素的強度或反射顏色的能力。

所述技術顯著增強了電子紙的色域、反射率和光學對比度，并實現了視頻顯示功能。然而，由于結構、材質和制造方法的限制，混合納米材質的像素尺寸依然在幾十到幾百微米的范圍內，這使得實現超高分辨率顯示具有挑戰性。

在一項研究中，瑞典烏普薩拉大學，哥德堡大學和查爾姆斯理工大學團隊提出了一種概念性的新電子紙技術，并將其命名為“視網膜電子紙”，而它能夠實現超過45000 PPI的超高分辨率。

每個像素的尺寸為~ 560nm，相當于現有最小LED像素的~ 1%的表面積。這種像素大小允許每個亞像素與人類視網膜中的感光細胞一一對應，從而為最終的VR顯示器鋪平了道路。

視網膜電子紙由電致變色的WO?元像素組成，并集成了高反射襯底（Pt/Al）。它的歸一化高反射率（~80%）和光學對比度（~50%）不受像素尺寸減小的影響，即便在像素尺寸小至~400 nm時都能保持出色的可見性。

為了盡量減少相鄰像素之間的干擾，團隊仔細優化了原色元像素的尺寸和間距，通過精確混合RGB子像素來實現全彩顯示。另外，襯底（Al/Pt）表現出優異的導電性。通過將工作電極和反電極之間的橫向距離減小到500 nm，并利用短脈沖輸入信號，在40 ms內實現了WO?納米像素的>95%光學對比度調制，支持25 Hz的視頻顯示。

圖1B顯示了視網膜電子紙的基本結構，它由電致變色的WO?超材質與高反射（Al/Pt）襯底集成組成。WO?是在可見光譜（25）中具有高折射率RI（~2 ~ 2.4）的半導體，所以可以通過Mie散射產生顏色。

通過改變納米片的直徑(D)和間距(W)，元像素可以選擇性地反射紅色、綠色和藍色，作為顯示像素的三個子像素。進一步調整亞像素間距(T)可以生成混合色，如青色、品紅和黃色。由于WO?是電致變色，它可以進行可逆的電化學反應，產生WO?納米片的反射調制，允許RGB視頻顯示。

圖2A展示了當納米圓盤直徑(D)從220納米到320納米，間距(W)從100納米到200納米變化時，WO?元像素的反射顏色如何在110納米的固定厚度變化。這個范圍使元像素能夠覆蓋整個可見光譜。

然而，需要注意的是，并非所有RGB像素都適合用于視網膜電子紙中的子像素。與具有發射色光的傳統顯示器不同，超高分辨率電子紙系統中每個亞像素的反射顏色不僅受其幾何形狀的影響，而且受與相鄰像素的相互作用的影響（圖2C）。

因此，選擇合適的RGB像素，并確保其混合反射的顏色符合加色混合的原則，是實現全彩顯示的關鍵步驟。

發光顯示器的可見度會隨著像素尺寸的減小而降低，而電子紙技術即便在超高分辨率下都能保持一致的亮度和反射率。如圖2B所示，即使尺寸從20 μm減小到420 nm，紅色像素在明場（BF）和暗場（DF）中都保持其顏色和反射率。

最后，圖2D給出了產生CMY顏色的合并像素的顯微鏡和掃描電鏡圖像。在高倍率下（×100），沿x軸交替的子像素排列形成混合顏色清晰可見。

值得注意的是，單個納米片的Mie散射模式主要由其尺寸決定，而亞像素陣列在x方向上的光柵模式決定了反射混合色的產生。作為一種電致變色材質，WO?在可見光譜（400-700 nm）上表現出電可調的折射率(n)和消光系數(k)。在氧化（顏色）狀態下，折射率在~2.38 ~ 2.14之間變化，k值為0.4。

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團隊總結道：“如今，人們80%以上的信息是通過視覺信號感知。隨著物聯網技術的發展和信息傳輸速度的提高，對下一代視覺顯示技術的需求不斷增長。視網膜電子紙不僅達到了人類視覺的理論分辨率極限，而且提供了卓越的可視性。它可以在保持高反射率和光學對比度的同時實現全彩視頻顯示，有望實現終極VR顯示。”

當然，盡管存在上述優點，視網膜電子紙依然需要進一步優化色域覆蓋、刷新率和使用壽命。另外，它的超高分辨率需要開發超高分辨率TFT陣列來獨立控制每個像素。在未來，研究人員預計這一領域將取得重大進展，并堅信視網膜電子紙的發展最終將影響到每個人。