《Optics & Laser Technology》：Metasurface integration technology for light-field programming of micro-LEDs in on-chip displays
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曾一川|张嘉伟|邹振友|吴朝阳|周雄图|郭太良|张永爱福州大学物理与信息工程学院，福建省福州市350108，中国摘要对 更薄更轻的近眼显示器的追求从根本上受到传统外部光学系统庞大和复杂的限制。微型发光二极管（Micro-LEDs）为下一代显示器提供了理想的特性，如高亮度和高效性。
曾一川|张嘉伟|邹振友|吴朝阳|周雄图|郭太良|张永爱
福州大学物理与信息工程学院，福建省福州市350108，中国
摘要
对 更薄更轻的近眼显示器的追求从根本上受到传统外部光学系统庞大和复杂的限制。微型发光二极管（Micro-LEDs）为下一代显示器提供了理想的特性，如高亮度和高效性。然而，它们固有的朗伯发射特性需要使用复杂的外部光学系统来实现有用的成像。为了解决这一挑战，我们提出并展示了一种新型Micro-LED器件，该器件将单层超表面（metasurface）进行了单片集成。这种方法能够在光源级别直接操纵波前，实现了在源头直接成像的概念。单层超表面具有复合相位特性，可以线性叠加不同的相位以实现准直和光束转向。这种设计能够在发射点同时实现光束准直、宽角度转向和提升的光提取效率。仿真结果表明，集成后的器件将光束发散度（半高全宽，FWHM）压缩到11°以下，平均提升了超过25%的光提取效率，并能够在0°到60°的范围内实现精确的光束转向，指向误差小于5°。阵列级仿真进一步表明，通过跨各个像素协同设计超表面相位特性，所有像素的光可以直接汇聚到预定义的空间查看点，无需任何外部透镜或波导。这验证了片上直接成像的可行性。本工作为实现超薄、高性能的近眼显示器和动态可编程光场显示器提供了一种有前景的芯片级解决方案。
引言
近眼显示技术的最新进展正在推动增强现实（AR）和虚拟现实（VR）设备向小型化、更深层次的沉浸感和更好的实用性发展[1]、[2]、[3]、[4]。长期目标是创造出一种像日常眼镜一样舒适、适用于全天佩戴的设备，同时能够提供沉浸式的、宽视野的视觉体验。然而，这一目标的实现长期以来一直受到高光学性能、紧凑的物理体积和低系统复杂性之间的根本性权衡的阻碍。尽管传统的光学解决方案（如使用自由形表面或波导架构的解决方案）仍在不断发展，但它们对复杂的多元件透镜组件和精密机械结构的依赖往往导致设备体积庞大且成本高昂。因此，探索能够在光源级别根本简化或替代复杂光学模块的新技术路径对于推动近眼显示器进入下一代至关重要。
在候选光源中，微型发光二极管（Micro-LEDs）因其微米级像素尺寸、超高亮度、纳秒级响应时间和卓越的能源效率[5]、[6]、[7]、[8]、[9]而被广泛认为是下一代近眼显示器的理想选择。然而，Micro-LEDs的天然发射特性遵循朗伯分布，导致在半球内辐射模式高度发散。如果没有外部光学系统提供有效的准直和转向，这种高度发散的光无法聚焦到视网膜上形成清晰的图像[10]、[11]。因此，精确控制Micro-LEDs发出的光场，特别是同时实现光束准直和方向控制，是释放其在直接成像应用中潜力的关键前提。
传统的解决Micro-LEDs光束整形挑战的策略主要依赖于外部后处理技术。这些技术包括使用级联微透镜阵列进行准直[12]、[13]、[14]，或集成外部元件（如衍射光栅和波导）来引导光线[15]、[16]、[17]。然而，这些方法本质上只是对传统离散光学的附加组件，并未解决系统复杂性、体积和集成水平之间的固有权衡。最近出现的光学超表面提供了一种变革性的替代方案。作为由亚波长纳米结构组成的二维人工材料，超表面可以在超薄体积内任意且动态地控制光的相位、幅度和偏振。这一能力为实现高度集成的片上光学系统提供了基础物理基础[18]、[19]、[20]。关于将超表面与光源集成在一起的研究正在迅速发展，主要沿着两条路径进行[21]、[22]、[23]、[24]。一条路径探索将超表面与其他光学组件协同结合的混合系统[25]、[26]、[27]。例如，Khaidarov等人（2019年）[28]展示了一个用于预准直的共振腔与超表面结合进行光束转向的设计范式。同样，Huang等人（2022年）[29]使用银光栅进行准直，并结合超表面进行转向，以增强对量子点LED的控制。另一条路径专注于为特定功能设计的独立超表面[30]、[31]。例如，Chen等人（2024年）[32]开发的用于全彩Micro-LED显示器的宽带准直超表面，以提高功率效率；Shuai等人（2024年）[33]展示了用于稳定宽带转向的可见光谱宽带光束偏转器。此外，Sun等人（2024年）[34]实现了一种双层超表面，在同一平台上同时执行准直和转向，目标是裸眼3D显示器。尽管取得了这些进展，当前的演示通常仅限于单一功能，或者需要复杂的多层架构来实现多功能性。因此，它们仍然依赖于外部光学系统或复杂的耦合机制。关键的是，一个能够直接从每个Micro-LED像素内部合成所需成像波前的系统化和完全集成的解决方案仍然是一个未解决的挑战。
为了解决这些挑战，我们提出并展示了一种新型解决方案：将单层具有复合相位特性的超表面单片集成到各个Micro-LED像素上。这种设计的超表面能够同时执行多种功能，实现光束准直、方向转向和光提取增强。所实现的器件将像素的天然朗伯发射转换为高度准直（半高全宽<11°）且方向可控的光束。它能够在0°到60°范围内实现精确的光束转向，指向误差小于5°，同时将轴向光强度提高了一个数量级以上，并将光提取效率提高了25%以上。此外，通过协同设计显示阵列中各个像素集成的超表面相位特性，所有像素发出的光理论上可以指向指定的空间视点，例如眼睛瞳孔。表1总结了我们的方法与几种代表性Micro-LED光束操纵技术之间的性能对比。如表中所示，该方案在一个系统中实现了三个功能（准直、转向和效率增强），同时保持了超紧凑的系统厚度（约3.3 μm）、较大的转向范围（0°–60°）和平衡的整体性能，从根本上实现了在源头级别对光束形状和传播方向的同步和精确控制，而无需依赖任何外部共振腔或复杂的多层结构。
章节摘要
通过单片集成超表面的片上光场控制
使用单片集成超表面的片上光场操纵概念如图1所示。图1(b)展示了传统直视近眼显示系统中的典型光学路径：来自Micro-LED面板的高度发散光首先由准直透镜组准直，然后由转向元件（如棱镜或镜子）重新导向，最后由成像透镜组合聚焦进入人眼。
单元器的光学性能
图1(d)和(e)展示了传统Micro-LED与其集成超表面版本的结构对比；它们的详细几何参数列在支持信息S1中。除了集成版本顶部的单片单层超表面外，这两种设备在结构上是相同的。为了定量评估集成的影响，系统地计算并比较了两种类型的发射特性。
结论
为了解决近眼显示器中对于紧凑、高效和精确控制光源的迫切需求，本研究在器件和系统层面提出并验证了一个创新平台，该平台基于单片集成有单层超表面的Micro-LED像素。这种方法通过直接在光源级别设计功能，旨在根本性地减轻传统外部光学的体积和复杂性问题。
CRediT作者贡献声明
曾一川：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件。张嘉伟：方法论，调查，形式分析，概念化。邹振友：监督。吴朝阳：软件。周雄图：验证。郭太良：形式分析。张永爱：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国的国家重点研发计划（2022YFB3606603）、福建省自然科学基金（2025 J01462）、福建省光电信息科技创新实验室（2021ZZ130）、福建省科学技术人才培养计划（2024RC013）以及福州市科学技术人才培养计划（2024-R-010）的支持。
