全息视频显示技术将是3D可视化的最终工具。当前研究的主要挑战是核心器件——空间光调制器(SLM)的技术突破。理想的SLM应该是一个具有可见光波长特征的像素单元、复振幅调制能力和高分辨率的主动器件。目前所发展的硅基液晶(LCOS)技术嫁接了液晶(LC)与CMOS技术的优势,通过将全息衍射和液晶光电物理相结合,非常适合用于构建概念性全息成像系统,也有可能成为最终用于全息视频显示的相位调制器件的开发基础。目前全息视频显示技术的发展方向主要集中在两个方面：一方面利用当前能得到的较理想的SLM器件,进行相应的全息成像系统原理、算法和架构等进行研究。与其它的SLM(如声光调制器、数字微镜器件)类似,LCOS仅能够单独调制振幅或相位,而且其像素单元尺寸与期望的光波长尺度值相差一个量级。但是在标量衍射理论指导下,研究其局限性对全息成像系统性能的影响,进一步探究实现复振幅调制的方法,并给出以LCOS为核心的彩色全息成像以及多平面成像系统的设计方案,都将为全息视频显示技术进一步的发展奠定基础。另一方面,从器件提升的角度,探求合适的SLM技术满足全息视频显示的衍射角、分辨率以及衍射效率等需求。用于2D显示和全息视频显示的SLM器件之间存在性能上的差距,主要的问题在于当前器件仅能提供很小的衍射角和低分辨率,开发相应的技术解决这些问题面临诸多挑战。以衍射角为例,期望将SLM器件的像素单元尺寸降低到光波长尺度,但是这种情况下又会导致衍射效率变得异常低而不太实用,二者是相互矛盾的。然而,应当注意到的是LC技术具有丰富的资源和多功能特性。针对新的应用,众多研究者都尝试通过扩展LC的潜力来满足性能上的新要求。近期,随着表面等离子技术的发展,基于金属纳米结构的特异介质表面(Metasurface)也提供了一种独特的光场调控手段。为了满足全息视频显示的需求,以LCOS为核心技术,将以上物理、工程多领域结合起来,以麦克斯韦方程为理论基础,建立计算模拟、实验与测试的综合平台,从而争取SLM技术的突破将具有重要的意义。本论文以实现全息视频显示为中心,采用光学和计算相结合的方法,围绕LCOS成像系统和器件两方面的内容展开研究。本论文的主要工作和研究成果集中在以下几个方面：(1)改进了传统的基于LCOS的全息成像系统。传统的系统通常采用准直光照明,基于菲涅尔重构几何和傅里叶重构几何的系统架构存在不同之处。本文提出的改进系统利用会聚球面光照明,与传统的系统相比,简化了系统配置。此外,通过分析全息重构的传播物理,本文提出统一的系统架构实现基于菲涅尔重构几何和傅里叶重构几何的全息成像,同时可以有效地消除多级衍射光和多级再现像对全息重构的影响。(2)现有的SLM器件不能够同时实现对入射光场的振幅和相位的独立调制。在双相位复数表示的基础上,论文提出了基于相位调制SLM显示复菲涅尔全息图的方法,该方法通过双4f系统合成两幅相位菲涅尔全息图,并在傅里叶变换平面设置可编程的相位光栅,偏移双相位菲涅尔全息图的位置,最终在输出平面实现两者的迭加。该方法充分利用LCOS器件的相位调制和可编程特性,利于实现复振幅的应用。(3)给出了基于三色光源(激光或LED)的彩色全息成像系统的设计方案。论文探讨了彩色全息成像的基本原理,针对不同波长光源直接造成衍射成像大小差异的问题,通过调整原始三色图像大小的方法,消除色差对彩色全息成像的影响。此外,论文对采用时分复用、空分复用、空间划分和空间叠加四种方法构建的彩色全息成像系统进行了分析比较。实验结果表明,综合考虑重构质量和系统实现复杂度的因素,时分复用和空间划分两种方法具有优势。(4)在阐述现有基于菲涅尔重构几何的全息多平面重构方法的基础上,论文提出将可编程的菲涅尔相位透镜引入傅里叶全息图,重构平面设定在菲涅尔相位透镜的后焦面,通过动态改变菲涅尔相位透镜的焦距,实现多平面重构。针对不同的重构距离,现有的多平面重构方法需要多次迭代计算全息图,而本论文的方法仅需要单次迭代计算,节省了全息图的计算时间。(5)论文基于TechWiz和FDTD Solutions两款商业软件构建了液晶器件的模拟平台。针对不同像素尺寸对LCOS器件衍射效率的影响,研究了基于LCOS的液晶二元光栅的衍射光学性质。论文探讨了数字闪耀光栅在提高基于LCOS的全息重构衍射效率方面的应用。针对其利用宏像素结构构成数字闪耀光栅周期单元导致的衍射角与全息图分辨率降低的弊端,建立了新的LCOS器件模型,提出将梯度Metasurface引入到现有的LCOS像素结构设计中,利用其亚波长尺度上对光场的调控,可以有效地优化全息重构衍射效率。