从别人的Nature子刊里“悟出”超高分辨率显示器本文来自微信公众号：X-MOLNe

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无论是看电影、追剧还是玩游戏，估计大家都不喜欢分辨率低的低质画面。分辨率越低，画面的颗粒感越严重，观感就越差。画面质量不仅取决于数据源的质量，更取决于显示屏的分辨率，后者其实更是设备能显示画面的分辨率上限。想象一下，十几年前流行的黑白手机，分辨率仅仅在96 × 68像素左右，无论如何是放不了目前常见的720P（1280 × 720像素）视频的。
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尽管目前主流的智能手机分辨率早已超过人类肉眼能分辨的极限（正常使用距离内），然而用在手机上的显示屏技术却不能满足目前发展迅猛的虚拟现实（VR）设备的需求。很多看过VR视频或者玩过VR游戏的朋友，都可能会遇到这么个问题：使用几十分钟后，可能就会出现眩晕感，画面如此不清晰，看啥都像隔着丝袜一样。这种画面颗粒感十足的现象叫“纱窗效应” ，主要原因是VR显示屏幕与正常使用的手机屏幕不同，前者近在眼前，所以显得分辨率不足，人眼会直接看到显示屏像素点间的界限。
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“纱窗”效应。图片来源于网络
要消除颗粒感，视场角中每1°需要至少60个像素（低于60个像素，视网膜就能分辨出像素点）。平时我们看手机时，眼睛距离屏幕比较远，约300 mm ，视场角较小，就分辨不出手机屏幕的像素点。以华为的旗舰机之一HUAWEI P40 Pro为例，手机长158.2 mm ，因此纵向的视场角为2 × arctan(79.1/300) ≈ 29.5° ，换句话说，超过29.5 × 60 = 1770像素，就不会出现颗粒感。而HUAWEI P40 Pro的分辨率为2640 × 1200像素，纵向远大于1770像素，就算再靠近点看也分辨不出像素点。
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手机屏幕参数。图片来源：华为官网
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视场角示意图。图片来源于网络
看到这里，对分辨率的单位要做个简单的说明。还是以HUAWEI P40 Pro为例，分辨率为2640 × 1200像素意味着手机屏幕纵向有2640个像素点，横向有1200像素点；而PPI（Pixels Per Inch）指的是像素密度，每英寸所拥有的像素数量。二者可以通过简单的公式换算，比如刚才提到HUAWEI P40 Pro的屏幕分辨率约为440 PPI 。
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实际上，分辨率≥300 PPI的手机屏幕，在300 mm的正常使用距离上视网膜就无法分辨出像素点，这样的屏幕被称为“视网膜屏”（这里要插一句，视网膜屏（Retina）实际上是某手机公司硬造的营销用语，感兴趣者可自行上网搜索）。
VR设备缩短了屏幕和眼睛的距离，如果要消除画面的颗粒感，至少需要多高的分辨率呢？我们每个人的视场角，基本上是水平210° ，垂直100° 。因此，水平需要210×60 = 12600像素，垂直需要100 × 60 = 6000像素，也就相当于约10,000 PPI ，当前的显示屏技术显然无法满足这一要求。怎么办呢？Science 近期刊登了三星公司Won Jae Joo与斯坦福大学Mark L. Brongersma等人的一篇论文，或许为VR设备的超高分辨率显示器找到了解决方案。有意思的是，论文idea来源却是看似与显示器技术八竿子打不着的太阳能电池技术。 [1]
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VR显示的像素需求。图片来源于网络
Won Jae Joo在2016年至2018年访问斯坦福大学时，听了斯坦福大学研究生Majid Esfandyarpour的一次学术报告，内容关于他所在的Brongersma实验室开发的一项超薄太阳能电池技术（Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 542–547）。这种太阳能电池的基底具有一层纳米结构的金属反射层，称为光学超表面（metasurface），可以操控光的反射性质，从而提升太阳能电池半导体层的光吸收和光电流产生。 Joo敏锐地意识到了该技术可以应用于有机发光二极管（OLED）显示器的制备。演讲结束后，他向Esfandyarpour介绍了他的想法，并促成了三星、斯坦福大学、韩国汉阳大学等研究人员的这次合作。 [1]
他们近期在Science 杂志上发表的论文报道的这种全彩色、高亮度的OLED显示器，正是将这种超表面用作可调谐的背反射器，可以实现10,000 PPI的超高分辨率，完全满足VR、增强现实（AR）以及智能眼镜等下一代显示的需求。