近眼显示技术——人类视觉的“数字视网膜”

　　■印二威 刘小龙 魏 寅

　　近期，一场“看我天地中轴”虚拟现实技术体验展在北京王府井举行。走进展览，戴上一套头显设备，观众就能看到北京中轴线的三维高保真场景。体验展以一种独特新颖的方式，实现与文化和历史现场的沉浸式互动。

　　穿越虚拟世界与现实世界，这些昔日只有在科幻小说中才会出现的场景，正逐步走进现实。伴随着5G时代的到来和AI技术的发展，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、扩展现实（XR）技术的发展步入快车道，有望革命性地改变人们的交互方式，成为通往“元宇宙”的入口。这一切的背后，离不开一种基础性技术——近眼显示技术。

　　比如，芬兰科技公司Varjo推出的XR-4系列头显设备，搭载了“仿生显示”技术，不仅实现了单眼分辨率达到视网膜级清晰度，更突破性地将动态观测范围提升至人眼感知范围的99%；利用美国一家公司发布的MR头显设备，用户可沉浸式观看高清影像，还能通过手势操控虚拟界面中的文档、图片甚至3D模型。

　　那么，这种将显示屏贴近人眼、通过光学系统投射图像的近眼显示技术，为何能在短短数十年间从实验室走向千家万户？其蕴含着怎样的科学原理？又将如何重塑未来社会的交互模式？请看本期关注。

3月3日，在西班牙巴塞罗那举行的2025年世界移动通信大会上，人们正在体验头显设备。

　　打开虚拟与现实交融的“新视界”

　　观察物体时，人眼能够轻松分辨物体的远近与立体形态。这得益于人类视觉系统独特的“双目视差”机制。

　　具体而言，在观察同一物体时，人的左右眼会形成微小的视角差。这种视角差最终形成了左右眼看到的二维图像差异化。随后，二维图像传入大脑，经过视觉皮层复杂的合成运算，最终形成具有深度信息的三维立体感知。

　　人类这种精妙的生物演化成果，正是近眼显示技术试图复制的核心原理。

　　从本质上看，近眼显示技术是对人类视觉系统的工程学重构——通过模拟人眼自然成像规律，将数字信息直接投射到视网膜感知范围内，使虚实内容以符合生理习惯的方式无缝融合。

　　在虚拟现实近眼显示设备中，工程师们通过精密的光学系统完美“复刻”了人类的自然视觉机制。

　　当用户佩戴设备时，计算机会根据头部追踪数据，实时生成两套不同视角的立体图像。就像为左右眼各配置了一台专属显示器，这些图像先经过微型显示屏呈现，再通过特制的菲涅尔透镜或Pancake透镜组进行光学放大，将原本微小的画面扩展至覆盖人眼90~120度的视场范围。而最终呈现的效果，相当于在人眼前创造出一个如同置身于IMAX巨幕场景中的沉浸体验空间。

　　更巧妙的是，近眼显示设备中内置的瞳距调节机，能自动校准镜片间距，确保每帧画面都能精准对应不同用户的眼球位置。这种个性化的适配技术，让不同年龄段的人都能获得舒适的立体视觉体验。

　　目前，根据虚实融合程度不同，近眼显示技术主要分为两大技术流派。一种是“虚拟现实”流派——借助全封闭式头显完全遮蔽现实环境，用高分辨率显示屏和空间音效构建全数字世界，这种类型特别适合需要深度沉浸体验的作品。还有一种是“增强现实”流派——通过特殊的光学元件，将数字信息叠加在现实场景中。例如，微软HoloLens 2全息眼镜，突破了传统光学设计的物理限制。在厚度仅为1.7毫米的镜片内部，数以万计的纳米级光栅像迷宫般排列，将微型投影仪发出的光线经过12次以上的全反射“折叠”后精准导向人眼。这既保持了镜片的轻薄透明，又能让用户清晰看见悬浮在空气中的全息操作界面。

　　此外，当用户注视不同距离的虚拟物体时，近眼显示设备的镜片会自动调整光线发散角度，让眼球肌肉如同观察真实物体般自然运动，从根本上避免了长时间用眼导致的视觉疲劳。

　　我们由此可以大体概括近眼显示技术的“工作流程”：通过微型显示器件与精密光学系统，在眼球前方极近距离内生成高分辨率虚拟图像，重构人类视觉的“数字视网膜”，进而达到让人类“看见”的目的。

　　从“沉重头盔”到“轻薄眼镜”

　　事实上，人类对近眼显示的探索，最早可以追溯至19世纪。

　　1838年，英国科学家查尔斯·惠斯通发明了立体镜。人的左右眼借助该立体镜，分别观看两张略有差异的平面图像，通过大脑合成产生立体感。这一装置虽然简陋，但首次揭示了通过光学手段欺骗视觉、创造沉浸式体验的可能性。

　　20世纪60年代，计算机图形学的发展为近眼显示技术注入了新动力。1968年，被誉为“虚拟现实之父”的伊万·萨瑟兰在美国麻省理工学院开发出首款头戴式显示设备——“达摩克利斯之剑”。操作中，用户需佩戴沉重的头盔，透过镜片观看由计算机生成的简单线框图形。尽管这款显示设备外形笨拙、画面粗糙，却首次将“头戴显示”与“计算机生成图像”结合，奠定了近眼显示技术的雏形。

　　不过，受限于显示技术和光学系统，早期的近眼显示设备普遍存在体积大、分辨率低、延迟高等问题。例如，1995年日本任天堂公司推出的Virtual Boy游戏机，仅能显示单色像素画面，用户佩戴后容易产生眩晕感，最终因市场反响惨淡退场。

　　转机出现在21世纪初。当时，随着液晶显示、有机发光二极管等屏幕技术的成熟，近眼显示设备的显示屏尺寸得以缩小至毫米级，同时分辨率大幅提升。2012年，美国Oculus公司推出首款消费级VR近眼显示设备“Oculus Rift”，该设备采用两块7英寸LCD屏幕，提高了单眼分辨率，同时搭配低延迟头部追踪技术，首次为用户提供了相对舒适的沉浸式体验。此后，近眼显示技术进入快速发展期。

　　2014年，谷歌发布AR眼镜“Google Glass”，这款眼镜首次将显示屏集成至普通眼镜形态。尽管因隐私争议最终未能普及，该眼镜却开创了轻量化近眼显示的先河。

　　2016年，微软公司推出HoloLens AR近眼显示设备。这款设备采用了全息波导技术，能够将虚拟图像叠加于真实环境，实现虚实融合的交互体验。

　　2024年9月，美国Meta互联网科技公司发布Orion AR眼镜。据悉，这款眼镜采用碳化硅镜片，重量只有98克，镜框内嵌有7个摄像头，而且折射率更高。此外，为了提升交互体验，该设备还配备了肌电手环。有了肌电手环，用户可以通过手腕的微小运动来控制眼镜，实现更加自然流畅的交互体验。

　　从“沉重头盔”到“轻薄眼镜”，从第一代近眼显示设备到即将融入日常穿搭的智能眼镜，近眼显示技术的持续进化，本质上也是人类对自身生理局限的不断突破。当未来不到100克重的近眼显示设备成为“新世代”的标准配置，我们或将真正实现科幻小说中描绘的超现实主义数字空间——“元宇宙”中的图景。

　　不同行业的“透视眼”

　　2023年，全球VR游戏市场规模突破180亿美元，一些游戏作品凭借逼真的交互体验，重新定义了游戏的叙事边界。游戏中，用户可通过手势抓取虚拟物体、攀爬悬崖峭壁，甚至能与AI角色进行眼神交流。

　　不仅在游戏领域，近眼显示设备慢慢成为不同行业的“透视眼”。

　　在工业维修领域，德国西门子公司研发的AR辅助系统，能够通过智能眼镜将设备内部的三维模型与真实机械结构精准叠加——当工程师检修燃气轮机时，目光所及之处会浮现红色箭头标记故障点；蓝色线条指引拆解路径，甚至浮现半透明动画，演示螺栓旋转角度。据悉，这套系统使复杂设备的检修效率提升40%，新手工程师的培训周期从6个月缩短至8周。

　　在医学教育领域，美国约翰·霍普金斯大学打造的VR手术模拟器，内置2000多种人体组织物理特性参数。在腹腔镜等模拟操作中，虚拟血管会因操作力度过大而“破裂”，脏器组织也能呈现真实解剖层次的阻力感。此外，模拟操作系统实时生成患者生命体征曲线，若操作失误导致“血压骤降”，场景将立即冻结并弹出三维错误分析图谱。目前，这种零风险的“虚拟手术室”已培养出3000余名通过腹腔镜专项考核的外科医生。

　　在军事领域，近眼显示技术的出现，为拨开“战场迷雾”提供了新利器，进一步拓展了人机交互的可能性，有利于形成作战中的新优势。一方面，指挥员佩戴近眼显示头显，可“透视”山体查看隐藏工事，手势拖拽即可模拟敌方兵力移动路径，有助于增强态势感知、提高决策速度和准确性。另一方面，近眼显示技术在班组作战和夜战中具有较大的价值，士兵装备AR战术眼镜后，可通过近眼显示设备界面获得多重信息流：弹道计算机实时显示瞄准修正参数、敌我识别标签悬浮于数百米外目标头顶、夜视微光图像等数字信息……这些能力在提高单兵作战以及班组协同作战方面具有重要作用。

　　如今，近眼显示技术在医疗、教育、工业、军事等领域深度渗透，推动“元宇宙”逐步应用于网络社交、网络游戏、网络经济等领域，预示着一个打破虚实界限的时代正在到来。正如19世纪立体镜的发明者无法想象今天的近眼显示设备进步之快，我们亦难以预言未来近眼显示技术将如何重塑千行百业。唯一确定的是，这场关于视觉的革命，才刚刚拉开帷幕。