本文由论文作者团队投稿
导读
在增强现实（AR）与虚拟现实（VR）设备快速发展的今天，硅基液晶（Liquid crystal on silicon，LCoS）光引擎作为其核心显示组件，却始终面临着偏振依赖与系统复杂的技术瓶颈，这一限制不仅影响了光利用率，更制约了设备的轻薄化发展。近日，湖南大学胡跃强教授、段辉高教授团队与德国斯图加特大学刘娜教授团队、华为技术有限公司合作，提出了一种超构表面集成的LCoS（meta-LCoS）新架构。该研究通过双层超构表面和液晶的协同设计，实现了偏振不敏感的非时序单芯片全彩显示，有望重塑微显示的技术格局。
研究成果以“Meta-optics redefines microdisplay: monolithic color LCoS without polarization dependency”为题发表于Nature Communications。湖南大学2025届博士毕业生欧香念和胡跃强教授为论文的共同第一作者，湖南大学胡跃强教授、段辉高教授、和德国斯图加特大学刘娜教授为共同通讯作者。
1 引言：LCoS技术的机会和困境
随着增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和抬头显示（HUD）设备的加速普及应用，市场对超紧凑、高分辨率、高效率的微显示光引擎技术提出了更为迫切的需求。例如，近期Meta公司发布的智能眼镜，再次将AR技术推向消费电子前沿，其光学系统的核心便采用了LCoS技术。相比于光机结构复杂、供应链集中度高的数字微镜（DMD），以及尚未完全成熟量产的MicroLED，LCoS凭借高分辨率、高光学效率与优异的小型化能力，已成为AR/VR、车载HUD等近眼显示方案中的重要选择。
图1：Meta发布的Ray-Ban Display智能眼镜及LCoS光机位置示意（图片来自Meta官网和网络）
然而，传统LCoS技术有一个与生俱来的“阿喀琉斯之踵”：偏振依赖。它必须使用线偏振光才能工作，而常见的LED等光源发出的都是非偏振光。这就意味着，至少一半的光在进入系统时就被浪费了，理论光利用率不超过50%。此外，为实现全彩显示，LCoS通常采用两种主流架构：一是时序彩色方案，通过高速切换三基色实现混色，但对芯片响应速度提出极高要求；二是三芯片空间彩色方案，需借助复杂的分光与合光棱镜系统，不仅增加设备的体积与成本，也带来了严峻的光学校准挑战。
图2：左图：LCoS实物图（图片来自网络），中图：LCoS结构示意图（图片来源：DOI：10.19816/j.cnki.10-1594/tn.2020.02.073），右图：实现彩色投影的三片LCoS架构（图片来自网络）
面对上述挑战，该研究提出了一种集成超构表面的偏振不敏感、单片全彩LCoS原型芯片（meta-LCoS）。这项技术不仅解决了偏振依赖问题，更在单芯片上实现了非时序的全彩显示，为下一代超紧凑、高效率微显示系统打开了新的大门。
图3：不同光引擎原理示意图及超构表面集成的偏振不敏感单片彩色LCoS示意图
2 技术原理：超构表面如何“重塑”LCoS
偏振不敏感设计机制
传统LCoS的偏振敏感性源于液晶材料本身的双折射特性，只对特定偏振方向的光响应。该研究的关键在于，在LCoS的反射电极之上，巧妙地设计了双层超构表面结构，通过结构与液晶的协同调制消除了对入射光偏振状态的依赖。
底层偏振转换：该层由精心设计的铝纳米棒阵列构成。这些纳米棒作为光学天线，其功能相当于一个高效率的“半波片”。无论入射光是何种偏振态（均可分解为X和Y两个偏振分量），该层都能将其一个分量转换为与之正交偏振分量，并引入一个特定的共振相位。上层动态相位调制：该层由介质纳米光栅和液晶组成。当光穿过液晶层时，会因液晶的双折射效应积累一个与偏振方向相关的传播相位（这里为X和Y方向各异的相位）。
因此，当光入射并反射出器件时，在超构表面和液晶的协同调制下，两个正交的偏振分量入射和反射过程完全对称且获得相等的相位调制。这意味着，任何偏振状态的光（无论是线偏振、圆偏振还是非偏振光）入射到该器件上，都能获得相同的调制效果，从而彻底摆脱了对光源偏振状态的依赖，实现了真正意义上的偏振不敏感相位调制。
高对比度光开关设计机制
消除了偏振敏感性后，另一个挑战随之而来：传统的基于偏振器的振幅调制（即“开关”）方法不再适用。该研究再次利用超构表面的设计自由度，给出创新解决方案。
首先在每个“超级像素单元”中并行排列了两列不同的结构，底层通过纳米结构的几何相位设计，使这两列之间产生一个X方向的初始π相位差。上层一列覆盖液晶，另一列覆盖纳米光栅。当纳米光栅和液晶之间不存在相位差时，超构单元的两列之间因π相位差会发生相消干涉，此时像素处于“关”态。当施加电压改变液晶的折射率时，两列之间的相位差被打破，相消干涉条件被破坏，反射光得以重建，像素切换到“开”态。并且随着电压的连续改变，“开”态亮度可以连续调节，实现不同灰度。为了进一步提升显示对比度，该研究通过在超构单元引入一个沿Y方向的线性相位梯度，使得调制光以一个特定的离轴角度偏转射出，从而与未经调制的零级背景光在空间上分离，获得更加纯净的“开”态图像和更深的“关”态背景，实现了高达1505:1的高对比度光开关。
图4：偏振不敏感光开关设计原理
3 原型展示与性能验证
研究团队首先制作了单像素样品进行原理验证和性能表征。结果表明，当入射光偏振方向与液晶分子取向垂直时，传统LCoS芯片调制效率几乎为零，而该研究提出的偏振不敏感meta-LCoS器件在不同偏振入射光下基本保持稳定的调制效率，充分验证了其偏振不敏感特性。进一步地，研究团队制备了64像素的meta-LCoS原型，无论是在x偏振、y偏振还是非偏振LED光源照射下，器件均能稳定地投影出清晰的字母、数字及汉字图案，展现了优异的偏振无关特性。
图5：样品制备工艺及单像素光开关性能表征
图6：64像素单色meta-LCoS原型动态投影验证
4 特定离轴反射角设计实现单片全彩
为了实现单片全彩显示，该研究将红、绿、蓝三色工作的超构表面子像素集成在同一个像素内。每个颜色的子像素都包含针对特定工作波长优化的纳米结构，通过精确设计纳米结构的周期，确保三基色光线都能以相同的离轴角投射出去，从而在投影屏幕上精准合成全彩图像。研究团队成功制作了9像素的彩色原型器件，演示了高对比度的全彩图像投影，验证了单片集成方案的可行性。
图7：偏振不敏感单片彩色meta-LCoS原型动态投影验证
5 应用前景与未来方向
该研究提出的meta-LCoS技术，通过消除对偏振光学元件的依赖，显著简化了光学系统，提高了光能量利用效率上限。由于该技术与现有LCoS制造工艺完全兼容，具备大规模生产和商业化应用的巨大潜力。研究团队还进一步提出了结合介质纳米柱来提高效率和对比度的方案，同时避免结构中的热产生。通过考虑纳米结构间的近场耦合效应，并结合先进的逆向设计方法，器件的性能还将得到进一步提升。该研究有望为下一代高分辨率、高对比度、低成本微显示设备提供变革性解决方案，解决困扰业界多年的核心痛点，有望推动显示技术进入一个全新发展阶段。
论文信息
Ou, X., Hu, Y., Yu, D. et al. Meta-optics redefines microdisplay: monolithic color LCoS without polarization dependency. Nat Commun 16, 10925 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66032-z
