除了自发光的颜色，现实中的颜色主要包括色素颜色（如花的颜色），以及结构色（如孔雀羽毛的颜色）。
大部分花朵的颜色都是由色素造成的。例如，当白光照射到一朵黄花上时，除了黄光，其他颜色的光都被花吸收，只有黄光反射到我们眼睛里面，因此我们看到花是黄色的。而且不论从哪个角度观察这朵黄花，它的颜色都不会改变，这是色素颜色的特点。
对于结构色，现实中最常见的例子是光盘：从不同角度看一张光盘，我们可能看到不同的颜色。这种随观察角度改变而变化的颜色叫虹彩色。
把光盘放到显微镜下，我们可以看到光盘表面规则排列的微小结构，这些结构也就是光盘上记录的数据。正是因为这些微小结构，造成了光盘的结构色。
但并不是所有的结构颜色都是虹彩色。例如，东蓝鸲羽毛的颜色也来自结构颜色，但不随观察角度的变化而变化。这种蓝色是由不规则微观结构的光散射引起的。
在现实中，第一种结构颜色产生机制是单薄膜干涉，其中膜的厚度要求非常薄。生活中经常看到的例子是水上油膜的颜色。不同颜色的光在不同的入射角和不同厚度的油膜上干涉，导致油膜颜色丰富。
另一种结构色的产生机理是光在多层薄膜中发生干涉，多层薄膜是由两种折射率不同的物质交替叠加而成。
对于大多数金属光泽的甲虫来说，它们的壳含有多层薄膜结构。利用电子显微镜观察吉丁虫壳的横截面，可以看到多层微结构。
霓虹脂鲤身上的闪亮蓝带也是因为细胞中的多层结构，下图右下方是逐级放大的示意图，最右面一张示意图展示了细胞中的多层结构。
还有一种结构色是由光子晶体造成的，所谓光子晶体就是由两种折射率不同的物质周期性排布形成的微观结构。
孔雀羽毛的结构颜色来源于羽毛内部的光子晶体结构。在右边，可以看到孔雀羽毛小枝横截面的电子显微镜图片，可以看到周期结构，即光子晶体。
许多生物变色也与结构色有关。例如，豹变色龙在放松状态下身体的绿色在压力状态下变为黄色。这种变化的原因是皮肤中的光子晶体从比较密集的排列变化为比较松散的排列。
光学滤光片是一种有选择性地反射、透射或吸收特定波长或波段的入射光而呈现某种特性的光学器件。根据工作波段可以将滤光片分为紫外滤光片、可见光滤光片以及红外滤光片等。可见光滤光片因在 400～800 nm 波段内反射、透射或吸收某个波长或波段的光谱而呈现特定颜色，使其在液晶显示、光伏太阳能电池、汽车喷涂、传感探测以及成像等领域有着潜在的应用价值。
传统可见光滤光片主要由微米级的有机聚合物或化学染料组成。虽然基于该技术的滤光片制作成本低，但是其通带较宽且滤光效果差，另外，在制造过程中会对环境造成严重的污染，最致命的是其长期暴露于紫外线照射、高温、酸碱等条件下容易受到光学损坏，导致使用寿命及成色质量大大降低。
为了解决这个问题，研究人员基于薄膜干涉效应设计了不同的结构色滤光片，包括由高低折射率介质膜堆构成的一维（1D）光子晶体结构和由金属-介质-金属构成的 FP（Fabry Pérot）谐振腔结构等。
虽然基于薄膜干涉效应的结构色滤光片的制备不需要复杂的微纳加工工艺，但是其颜色的纯度、亮度以及分辨率等很难达到日益增长的需求。
后来随着电磁波理论数值算法的发展和微纳结构尺寸加工技术的进步，另一种利用光与物体表面微纳结构相互作用实现颜色调控的结构型滤光片因具有分辨率高、亮度大、尺寸小、稳定性好、可调谐性和可扩展性强等独特优势而有望成为替代传统染料型滤光片的新选择。
导膜共振（Guided Mode Resonance，GMR）效应是衍射光栅在一定的光栅结构参数和入射条件下出现的一种“异常”的衍射现象，在物理机制上可以认为是外部传播的衍射光场与受调制波导泄露模之间的耦合引起的光波能量的重新分布。GMR 效应主要表现为线宽窄、衍射效率高、共振波长对入射角敏感等特点。因此，利用光栅结构的 GMR 效应可以设计制备高反射器、高透射器以及窄带滤光片等。
导模共振滤光片（Guided Mode Resonant Filter，GMRF）就是基于 GMR 效应实现的光学滤光片，即当周期性光栅结构所产生的衍射级次与波导所支持的模式相匹配时所产生的共振现象。GMRF 由于其具有衍射效率高、结构简单以及共振波长和线宽可调等优势而受到了广泛的关注。
一般情况下，GMRF 由光栅层、波导层和衬底三部分组成，其结构模型如图11（a）所示。这里，光栅层的作用有两个：（1）入射到周期性排列的光栅结构表面的光会发生衍射现象从而获得不同的衍射级次；（2）将不同衍射级次的光耦合进波导层或将波导层内传输的光泄漏出去。入射光在 GMRF 结构内的光路轨迹如图 11（a）所示，其物理过程可以分解为：入射光经过衍射光栅的衍射作用会产生不同的衍射级次，满足平板波导的传导模式的衍射级次会被耦合进波导层中进行传输形成导波；由于光栅层的泄漏作用，平板波导中传输的导波会被泄漏出去，并产生如图11（b）所示的反射光谱。为了获得具有高品质因数（Q）值的反射或透射光谱，一般将光栅层设计成亚波长结构（只存在零级衍射）。图11（c）和11（d）分别对应反射光谱（图11（b））中边带波长和峰值波长处的入射光在 GMRF 结构内的光路轨迹以及所对应的电场分布。从边带波长处的电场分布可以看出，大部分入射光从 GMRF结构内透射出去；而从峰值波长处的电场分布可以看出，部分入射光耦合进波导层并在波导层内发生共振现象。结合光路轨迹和电场分布可以发现：反射光谱中峰值衍射效率是由入射光在波导层中产生的共振现象造成的；而边带波长处的入射光在 GMRF 结构中没有发生共振现象因此衍射效率比较低。
对于反射型 GMRF，为了在共振峰波长处获得 100% 的衍射效率，光栅层和波导层通常选择在可见光波段无损耗的介电材料，衬底为玻璃。二氧化钛（TiO 2）、二氧化铪（HfO2）、氮化硅（Si3N4）以及硫化锌（ZnS）等材料由于在可见光波段内的消光系数κ趋于 0，因此成为制备 GMRF的常用材料。例如，利用周期性排列的 1D 光栅层、波导层以及玻璃衬底三部分设计了反射型结构色滤光片，其结构模型如图12（a）所示。这里光栅层和波导层的材料为在可见光波段无损耗的 Si3N4材料。相比于入射光，光栅周期设计地足够小（亚波长光栅结构）可确保在该结构中只存在零级衍射波被耦合到波导层中进行传输。图12（b）为对应三种不同光栅周期（Λ=275 nm、325 nm、375 nm）时的反射光谱。
从图中可以看出，三种反射光谱的峰值衍射效率接近 100% 且边带波长处的衍射效率低于 20%。另外，基于 GMR 效应的红（Red，R）、绿（Green，G）、蓝（Blue，B）三种颜色的反射光谱具有极窄的半峰宽（Full Width at Half Maximum，FWHM），因此可以获得纯度较高的颜色，如图 12（c）所示。
基于 GMR 效应不仅可以设计反射型彩色滤光片，还可以设计透射型彩色滤光片。对于透射型 GMRF，光栅层的材料可以是介电材料，也可以是金属材料。由于金属材料在可见光波段内的消光系数不为零，GMRF 透射光谱中峰值衍射效率不能达到 100%。图12（d）为基于亚波长金属光栅结构设计的透射型 GMRF 的结构模型，该滤光片由银（Ag）光栅层、Si3N4波导层以及玻璃衬底三部分组成。另外，为了进一步提高透射光谱峰值衍射效率、降低边带透射效率并减小透射光谱的 FWHM，在该 GMRF 结构中增加了一层缓冲层 SiO2。研究结果表明：通过调节缓冲层的厚度可以获得具有不同共振线宽的 GMRF，且当缓冲层的厚度为55 nm 时，GMRF 的 FWHM 为 30 nm。对于缓冲层的这种作用可以利用金属包层介质波导理论来解释。当缓冲层厚度降低时，金属光栅的波导模损耗会随之增加，从而降低谐振因子使谐振带宽变宽。另外，GMRF 的共振峰位置随着光栅周期的增大向长波方向移动，因此可以通过改变金属光栅层的周期获得具有不同颜色的透射光谱。对应 R、G、B 三种颜色滤光片的透射光谱如图12（e）所示，图12（f）和12（g）分别对应所制备的蓝色和红色透射型滤光片的光学图片。
由于1D光栅 GMRF 在 TE 和 TM 入射光下的谐振模式不同，因此，对于不同偏振态（TE 或TM）的入射光，GMRF 的共振峰位置也会不同，如图13（a）所示。因此，可以通过改变入射光的偏振态获得共振峰位置不同的反射型或透射型滤光片，从而获得不同的结构色。例如，利用 GMR 效应实现了偏振态控制的波长可调谐的结构色滤光片。该结构色滤光片的结构模型如图13（b）所示，它由亚波长介质光栅层、波导层和玻璃衬底三部分组成。光栅层和波导层的材料选为在可见光波段无损耗的Si3N4，因此可以获得峰值衍射效率达100% 的反射光谱。研究结果表明，当光栅周期为 370 nm 时，通过调节入射光的偏振态（TE 和 TM 偏振）可以获得黄色和红色两种颜色的滤光片，其结果如图13（c）所示，这里实线和虚线分别代表反射光谱的计算和测试结果。从图中可以看出，对应 TE 和 TM 偏振态的反射光谱的峰值衍射效率接近 100%，且实验测试结果与模拟结果吻合的很好，因此可以获得纯度较高的颜色，如图13（c）中的插图所示（制备样品的光学图片）。
当入射光以大角度方式（0～90°）入射时，1D光栅 GMRF 的共振机制如图13（d）所示。从图中可以看出：在入射角从 0°增大到 90°的过程中，GMRF 的共振位置随着入射角的改变发生频移，且共振峰会由一束（正入射）分裂成两束（斜入射）。图中曲线之间的阴影部分代表共振发生的区域。GMRF 的共振位置随着入射角发生改变的现象可以利用波矢的传输常数进行解释。
通过对结构中波矢传输常数的分析，可以比较清晰地解释图13（d）所示的光谱分裂特性。对于这种共振位置随入射角发生频移的现象，研究人员设计了入射角控制的波长可调谐的彩色滤光片，如图13（e）和13（f）所示。这里，GMRF 也是由无损耗的Si3N4材料制备的光栅层和波导层，无损耗的玻璃作为衬底。研究结果表明，当入射角分别取值为 42°、24°和 7°时可以获得纯度非常高的R、G、B 彩色滤光片，其对应的反射光谱分别如图13（f）中的红色、绿色和蓝色曲线所示。
表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPP）是局域在金属和介质界面传播的一种电磁波。金属表面自由电子在入射光场的激励下发生集体相干振荡，入射光的电磁场和表面电荷的共振相互作用产生了 SPP。由于 SPP 表面局域和近场增强效应，金属微纳结构、金属与介质的复合结构对 SPP 的调控会产生光场增强以及异常透射等一系列新颖的现象，这使得SPP 在超分辨率成像、光信号处理、生物成像、传感探测等领域展现出重要的应用前景。
近年来随着微纳加工技术的发展与进步，基于表面等离子体激元共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效应的结构色滤光片得到了长足的发展。图14（a）、14（b）为基于 SPR 效应设计的透射型结构色滤光片，它是由 1D 周期性排列的 Ag 金属光栅和玻璃衬底组成，其结构模型如图14（a）所示。当光栅周期分别取值为350 nm、270 nm 以及 230 nm 并控制光栅结构占空比为 0.5时可以获得青（Cyan，C）、品红（Magenta，M）、黄（Yellow，Y）三种颜色，其对应的透射光谱如图14（b）所示。除了 1D 金属光栅外，2D 周期性排列的等离子激元纳米阵列也是实现高效光透射和反射器件常用的结构，如图14（c）所示。该结构利用玻璃衬底上的 Al 纳米阵列来产生三原色的互补色，并通过调整纳米阵列光栅周期获得 C、M、Y 三种颜色，其对应的透射光谱、制备样品的SEM 图以及样品的光学图片如图14（d）所示。
为了降低反射或透射光谱的角度依赖性，研究人员设计了不同的微纳光学结构用以将光场局域在结构内部，从而实现局域等离子体激元共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR），比如利用漏斗效应将光场局域在深亚波长纳米槽结构内或将光场局域在超薄金属纳米片阵列中。
图15（a）描述了基于金属纳米腔结构的宽角度反射型结构色滤光片的结构模型，它是由亚波长SiO2 介质光栅以及上表面沉积的足够厚的金属Ag 组成。与基于 SPR 原理设计的结构色滤光片不同的是该结构通过光漏斗效应将入射光限制在深亚波长纳米槽结构中，因此该结构反射光谱的共振峰位置λ受光栅周期的影响不大，而是由有效介质折射率neff 、光栅槽深度D决定。
通过改变 1D 介质光栅槽深度 D、宽度 w 可以获得共振峰位置不同的反射光谱，进而获得不同的结构色。图15（b）所示为不同宽度 w 时的 C、M、Y 三颜色的反射光谱，插图内为所制备样品的光学图片。另外，基于结构的光漏斗效应，反射光谱的共振位不随入射角的变化发生频移，结果如图15（c）所示。
降低反射或透射光谱角度依赖性的另一类等离子体纳米结构通常由三层薄膜组成：顶部金属纳米结构阵列层、电介质间隔层和底部金属纳米结构反射层。这种金属-绝缘体-金属（MIM）结构通常被称为间隙等离子体激元结构 (Gap Surface Plasmon)，这是因为该结构共振模式的特点是磁场被限制在顶部金属纳米结构和底部金属层之间的介电间隙内。基于间隙表面等离子体（Gap Surface Plasmon，GSP）模式的结构色滤光片具有很多优势，比如：亚波长像素尺寸，对入射角不敏感，颜色饱和度高，色域面积大等。基于GSP原理设计的结构色滤光片的共振峰位置可以通过改变有效模式折射率或金属纳米结构尺度来调节。图15（d）和15（e）所示为基于 Au-SiO2 -Au 结构设计的 GSP 结构。这种周期性排列的金（Au）纳米盘结构以及中间的介质层和底部的 Au 金属层可以被用来实现等离子体激元彩色印刷，结果如图15（f）所示。
图15（g）所示为另一种基于 GSP 模式设计的彩色滤光片的结构模型，它是由介电间隔层Al2O3和金属薄膜 Ag 形成的一种“纳米三明治”的结构形式组成。这种 MIM“纳米三明治”结构由于在两个金属-绝缘体界面上存在局域等离激元模之间的近场耦合，因此可以支持同相和异相电偶极子模（In-phase and Out-of-phase Electric Dipole Modes）。而且，与没有背反射器的金属纳米盘中的模式相比，该结构内增强的同相偶极子模式使得共振峰位置发生蓝移。图15（h）和15（i）所示分别为具有不同半径和周期的串联纳米盘阵
周期性纳米孔阵列通过异常的光传输特性实现了滤光效果，然而在彩色显示器中，一般需要多个基本单元才能引起相邻结构之间产生SPP 干涉，因此会增大像素尺寸。周期性排列或单个金属纳米盘可以通过激发 LSPR 效应产生颜色，因此像素大小可以减小到波长尺度。并且，纳米盘和纳米孔的近场相互作用可以产生小于半波长的像素大小。比如，通过在多孔背反射镜上方放置一个 Au-Ag 纳米盘阵列，如图16（a）所示，实现了 250 nm 的像素，这些像素可以反射不同的颜色，从而将空间分辨率提高到100000 DPI (Dots Per Inch, DPI)。图16（b）所示为使用不同磁盘尺寸和间隙大小实现的调色板。从图中可以看出，当结构周期不变时，通过调节磁盘和间隙尺寸就可以获得很多不同的颜色。通过改变圆盘半径并保持结构周期为 125 nm 时实现了Lena 图像，结果如图16（c）所示。
也可以利用低成本的纳米压印技术设计并制备了纳米盘-纳米孔阵列，其结构模型如图16（d）所示。金属 Al 纳米孔中激发的等离激元偶极模与限制在金属 Al 纳米盘中的局域等离激元模相互作用，从而增加了特定波长处的吸收，进而会显示相应的颜色。当纳米孔与纳米盘相互靠近时，会出现两个新的模式，即“bonding”模式和“anti-bonding”模式，如图16（e）所示。“Bonding”（“anti-bonding”）模式的特征是纳米盘和纳米孔中存在异相（同相）电荷振荡。对于不同的介质高度，由这两种模式所引起的反射光谱共振谷的位置也不同，如图16（f）所示，因此会产生不同的颜色。基于这种结构实现结构色的制备过程主要包括以下 4 个步骤：（Ⅰ）利用电子束光刻和干法刻蚀工艺制备Si 压印模板，压印模板与最后形成的周期性结构正好互补；（Ⅱ）将压印胶表面的压印模板脱模后会生成周期性排列的纳米结构阵列。由于压印胶聚合物与空气之间的折射率对比度非常低，因此脱模后的图案的颜色非常微弱，因此尝试在压印胶聚合物表面沉积一层金属；（Ⅲ）沉积 20 nm 厚金属Al 薄膜；（Ⅳ）最后，为了避免 FP 共振对结构色产生干扰，结构表面沉积了一层保护层，并获得了不同的颜色。基于低成本的纳米压印技术不仅可以实现亮度大纯度高的颜色，而且可以实现大规模生产。
用于提高超构表面结构色饱和度、亮度以及角度不敏感特性的另一个设计是基于完美光吸收的等离子体超构表面，它是由顶部 25 nm、底部100 nm 的 Ag 薄膜以及中间 45 nm 的SiO2介质组成，且顶部 Ag 薄膜上制备了周期为 P、半径为r 的三角形晶格圆孔阵列，其结构模型如图17（a）所示。改变圆孔晶格周期以及圆孔半径的大小可以获得对应不同颜色的反射光谱，如图17（b）所示。为了保证基于该设计的彩色打印技术在不同环境中的适用性和灵活性，可以通过旋涂PMMA薄膜使其免受化学降解（氧化、硫化）和机械损伤（划痕、指纹）等。旋涂 PMMA 后的反射光谱如图17（c）所示。额外的 PMMA 保护层使结构周围材料的有效折射率增加从而导致吸收共振波长发生红移。根据图17（d）所示的共振波长处的光场分布（未涂覆的超表面），在超表面结构中引入了由反对称电流产生的强磁偶极子共振，因此当介质间隔层厚度较小时仍然存在完美的光吸收现象。另外，基于磁偶极子共振效应的结构色共振峰会在宽角度范围内保持不变。图17（e）和17（f）为基于该原理制备的样品的光学图片。
瑞利在 19 世纪就提出了比光波长小得多的粒子的光散射理论，阐明了天空蓝色背后的物理机制。在20世纪初，Debye、Lorenz 和Mie 分别开展了关于处理任意半径和折射率球形物体散射的研究。现在通常将对这一问题的精确分析处理和解决方案称为“米氏（Mie）理论”，而且该理论经常被用作描述各种几何结构散射和吸收特性的通用术语。Mie 理论的精确性质使其适用于大多数光学材料，包括介电材料、金属、半导体、甚至磁性材料，同时涵盖了广泛的频率和尺寸范围。另外，与 SPP 结构相比，基于介质结构或金属-介质混合结构的 Mie 共振效应在提供强场约束和大散射截面的同时，损耗更小，因此可在超高分辨率下实现鲜艳的颜色。
基于介电纳米球或纳米线结构的Mie 共振发生在可见光范围内，因此它们的散射光响应会转化为独特的颜色。基于单个 Si 纳米线结构可以实现分散的颜色，并通过改变纳米线直径实现了调节颜色的能力。
为了提高超构表面结构色的空间分辨率，基于高折射率介电材料的 Mie 谐振器相继被研究出来，包括硅（Si）、单晶硅（c-Si）、非晶硅（α-Si）、锗（Ge）材料等。为进一步提高空间分辨率，这种谐振器通常被设计成亚波长结构，因为每个亚波长谐振器可以表现为一个专用的彩色像素，而且不受其相邻谐振器的影响。尽管 Si 和 Ge 材料在可见光范围内具有极高的折射率，但是由于这两种材料属于半导体材料，它们在可见光波段范围内会存在吸收，因此会降低结构色的透射或反射效率，从而会降低结构色的饱和度。
除了提高空间分辨率，基于超构表面设计结构色的另一个目标是提高颜色的饱和度并扩大颜色的色域范围。哈尔滨工业大学深圳校区的 W.Yang 及其合作者利用可见光波段内折射率比较高的 Si 材料实现了颜色纯度高、亮度大、空间分辨率大且色域范围比较广的结构色。该结构色滤光片的结构模型如图18（a）所示，它是由蓝宝石上的 Si 纳米盘组成。根据该结构在不同波长处的电磁场分布可以清楚地看到两个共振位置，分别对应于电偶极子（ED）共振和磁偶极子（MD）共振，如图18（b）所示。由于 Si 材料本身具有极高的折射率使得结构色反射光谱边带位置处存在高阶模式，从而使边带反射光谱的反射率增大，如图18（c）所示，因此会降低颜色的纯度。为了抑制边带反射光谱波长处的衍射效率提高结构色的纯度，他们在 Si 纳米盘表面覆盖了一层折射率匹配层（PMMA 或 DMSO），用于降低空气与 Si 之间折射率对比度。这里，折射率匹配层材料的折射率在 1.45～1.53 之间。研究结果表明，覆盖折射率匹配层之后结构色反射光谱的边带反射率被很好地抑制且共振线宽更窄，因此会提高结构色的纯度，结果如图18（d）所示。图18（e）所示为所制备的样品在 CIE 1931 色坐标图中的位置，其中蓝色三角形代表没有覆盖折射率匹配层时样品在 CIE1931 图中的位置，黑色五角星对应覆盖折射率匹配层后样品在 CIE 1931 图中的坐标。从图中可以看出，增加折射率匹配层后的色域面积已由空气时的78%（sRGB）增大到181.8%（sRGB）、135.6%（Adobe RGB）、97.2%（Rec.2020）。另外，对于蓝色滤光片，单个周期为 400 nm 的结构就可以实现颜色显示，因此可以实现高达 100000 DPI的空间分辨率，这也接近了人眼在显示领域的分辨极限。
图18：基于 Si 超构表面结构色滤光片的结构模型
虽然Si材料在可见光波段的折射率比较高，但是材料本身的损耗使得对于任何超构表面结构色所对应反射或透射光谱的峰值衍射效率都不能达到 100%。为了消除这个影响，另一类在可见光波段具有高折射率且无损耗的介质材料引起了研究人员的极大兴趣。其中，比较典型的材料为TiO2 。图19（a）所示为基于TiO2材料设计的超构表面结构色滤光片的结构模型，它由玻璃衬底上周期性排列的TiO2纳米柱组成。当TiO2纳米柱阵列高度为 200 nm 左右时就会有共振线宽很窄的光谱输出，如图19（b）所示。另外，从图中可以看出，反射光谱的峰值衍射效率接近 100%，这也意味着将会获得饱和度极高的颜色。另外，该结构色滤光片反射光谱的共振峰位置在入射角为 0～60°范围内几乎不发生改变，如图19（c）所示。
基于微纳结构共振效应的结构色能够提供突破衍射极限的显示分辨率，将传统颜料～1000 DPI的打印分辨率提高至～100,000 DPI。传统全彩打印一般通过控制原色颜料的混合比例实现像素的调色，然而，由于显色原理的不同，这种混色方式并不直接适用于结构色的全彩显示。虽然许多工作已经通过改变结构的设计、材料、尺寸等参数，构建了广泛的色域，但是如何使用多色纳米结构在单个像素中实现调色依然是亟待解决的问题。
除了等离子体材料，介电材料由于吸收损耗低，制造工艺成熟，同时支持精细可调的电磁多极共振，同样适用于纳米级的全彩打印。ValentinFlauraud及其合作者给出了亮场照明下不同几何尺寸的硅、铝、银等离子体纳米盘在反射、透射、添加铝膜背向反射层时的颜色比较。
色调宽泛、细腻变化的结构色为替代传统颜料提供了可能，但想要实现更加贴近艺术作品的生动效果，还需要对颜色的明暗做出区分。可以通过调控振幅强度实现对结构色的亮度调谐。
调控超构表面的振幅分布能够实现全彩显示。如果特定设计超构表面的结构单元，使之在调制振幅强度的同时也对相位分布进行编码，则能够在实现近场全彩显示的同时实现远场的全息成像。设计实现单层超构表面光谱响应和空间响应的复用，能够进一步提高信息容量，加强信息安全。
利用 Panchartnam-Berry 相位原理，通过排布各向异性纳米柱的方位角，可以获得全息模式下逐像素操控的相位分布。在圆偏光照明下，这种空间相位分布不会影响彩色图像（振幅）的显示。改进的并行算法，利用超构表面的滤色特性，按照彩色图像的区域划分，能够独立编码任意形状的波长复用全息图。利用这一算法实现了彩色显示模式下光谱调制和全息投影模式下空间调制的解耦，避免了相位信息的丢失，提高了图像质量。
相比于介电材料，等离子体超构表面的共振光谱更为锋利，有助于生成高纯度的颜色和多波长、低串扰的全息投影。一种银基等离子体浅光栅的显示/全息功能复用超构表面，通过调整像素中 R、G、B 基础色光栅结构的混合比例，以及浅光栅结构和银镜结构的占比，能够实现色调和亮度的调节，绘制颜色丰富的彩色图像。此外，设计解密算法和对应的全息图，能够在相干光的照射下，从红绿蓝三个波长信道的全息图中整合还原出加密的二维码信息。这种结构制造简单，易于低成本、大面积、大规模地生产，可以作为一种新型的防伪技术路线。
光场有着很多不同的自由度，比如振幅、相位、偏振状态等等。调控这些自由度能够实现许多光学功能，比如信息的记录、处理和存储。其中，光束偏振态在空间中的分布可以作为一种信息加密手段。一种硅纳米块半波片结构，将彩色图像编码在波长相关的矢量光束（在垂直于传播方向的横向平面上具有不均匀的偏振态分布）中，当超构表面被多波长的线偏光垂直照射时，硅半波片能将对应波长的线偏光的振动面旋转 2θ（θ 为纳米块的长边与振动面间的夹角），响应波长与方位角不同的硅半波片阵列使得对应波长的线偏光振动面在不同位置发生不同角度的转动。根据马吕斯定律，经过超构表面调制的矢量光束再次经过偏振片后，在不同位置呈现不同的亮度。因此，纳米块的不同尺寸用以控制颜色的分布，纳米块的不同方位用以角控制颜色的亮度。以这一方式编码的彩色图像必须经由偏振片解码，否则不能还原。这一工作在加密，防伪和高密度信息存储中有着潜在的应用价值。
此外，偏振显示作为一种光学加密手段，可以用于日常生活的安全与防伪中。一种单向倾斜的锗纳米柱阵列结构，这种倾斜使得不同偏振方向下纳米柱阵列的孔隙率不同，因而，结构的有效折射率不同，进而表现出不同的颜色。特别设计不同图案区域纳米柱的倾斜朝向，可以使图案在特定偏振态的照射下显示，而在肉眼观察下隐藏为均匀的颜色。这种基于超薄共振的结构具有角度不敏感性，可以作为偏振加密的图像打印在弯曲和褶皱的商用产品上。
有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）是一种有机电致发光器件，具备能耗低、亮度高、轻薄、柔性好等优势，已经作为一种主流的显示技术投入市场。目前，商用的 OLED全彩显示一般利用精细金属掩模板（Fine-Metal Mask, FMM）进行蒸镀工艺来制造 R、G、B 三原色 OLED。然而，要求的显示分辨率越高，像素数越多，FMM 的孔隙就需要制造得更加微细和精巧，实际工艺中难以实现。采用带有 R、G、B 滤色片的白光 OLED 能够有效提升显示分辨率，但滤色过程中造成的光学损耗大幅减低了器件的能效。因此，一种全新的 OLED 架构，在 FP 腔端面的反射镜处引入了银纳米柱超构表面。通过调整纳米柱阵列的高度和周期，实现反射界面处相位的调控，进而在不改变 FP 腔物理长度的前提下从白光发射器中提取出不同的共振波长，得到不同颜色的发光单元。调整超构表面反射镜的结构参数，能够获得覆盖整个可见光谱范围的发射光谱。
Meta-OLED具有两倍于白光过滤彩色 OLED 的发光效率和优越的颜色纯度。另外，由于纳米柱阵列就能提供足够强度的间隙共振，Meta-OLED 能够实现大于 10,000 PPI的超高分辨率。这种高效率、高纯度、高分辨的新型OLED 有望成为下一代微型显示器的领军技术。
光伏（Photovoltaic, PV）器件能够将光能转换为电能并存储，作为一种可持续的绿色新能源得到了长足的发展。目前，光伏器件已经广泛地装配在室外环境中，大幅提高了太阳光能的利用效率，然而，光伏器件的应用潜力还未充分挖掘。由于染料滤色片的吸收引起了大量光能浪费，设计了一种双功能的光伏/结构滤色片设备，能够在反射特定颜色的同时，将吸收光转换为电力，实现发光过程中能量的回收、存储和再利用。这一设备能够在30°入射角范围内维持颜色基本不变，同时可以实现最高 1.55% 的能量转换效率。这一双功能光伏/结构滤色片设备的提出为节能电子产品的进一步开发开辟了新的道路。
除此之外，结构色滤色片还有许多其他的实际应用场景，比如色弱矫正隐形眼镜、超微光彩色图像重建、宽带编码随机（Broadband Encoding Stochastic, BEST）
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