计算全息技术能够方便地实现任意物体的三维显示,是一种理想的虚拟现实技术。但是最终全息图的能量利用率、偏振响应、全息成像的清晰度、衍射角、视场角等参量受到了编码计算全息图的设备或者材料的限制。超表面结构是一种新型的二维人造材料,能够通过改变结构的取向或者尺寸来控制电磁波的振幅和相位。超表面结构亚波长尺度范围内的电磁波调控能力以及相对方便的加工使得其成为了计算全息图的一种理想编码材料。自超表面全息技术提出以来,已经有许多关于该技术的报道,包括宽带全息成像、彩色显示、偏振切换以及动态显示等等。然而,超表面全息样品加工费用昂贵、彩色全息成像质量差、全息成像视场受限以及全息像测量光路复杂等等问题仍然制约着超表面全息技术的进一步发展,使得超表面全息的实用化难以实现。本文主要是针对超表面全息技术存在的上述问题进行研究。论文研究内容主要包括:1.利用矩形纳米孔阵列编码纯相位全息图,实现了可见光及近红外的宽波段超表面全息显示。仿真分析了加工矩形孔的长度、宽带、转角以及加工面型误差的影响,表明了PB相位(几何相位)编码的纯相位全息图具备容忍10%加工误差的特征,为超表面全息样品加工方式的选择提供了新的自由度。2.基于超表面结构深度亚波长尺度范围内的电磁波调控能力,提出了离轴照明提升深度亚波长超表面全息图可用信息容量的方法。二维全息显示方面,如果把全息图编码的传输波区域信息作为基础可用信息容量,离轴照明能够提升可用信息容量至4倍;如果把非畸变区的信息容量当作基础可用信息容量,实验证明离轴照明能够提升可用信息容量至11.5倍。三维全息显示方面,实验上以两幅全息图叠加的方式验证了离轴照明提升可用信息容量的可行性。3.提出了离轴照明实现彩色全息显示的方法。探究了全息图频谱移动与离轴照明角度之间的关系,然后使用频谱分区域的技术实现了彩色全息图的设计。该技术相对于像素分区域的彩色全息技术,能够提升成像的信噪比,实验获得了信噪比126.3的彩色全息成像。4.利用超表面结构的偏振响应性质,提出了反透射全空间可视的超表面全息成像技术。通过研究超表面结构对于入射左右旋圆偏振态的响应性质以及全息成像随全息图相位变化的规律,设计了在反射空间和透射空间独立调控的超表面全息技术。并进一步使用离轴照明的方法,获得了彩色全息显示的效果。5.提出了偏振态复用的超表面全息技术和偏振无关超表面全息技术。偏振态复用超表面全息技术同时实现了偏振彩色与偏振加密的功能。偏振无关超表面全息技术无论何种偏振态的激光入射到样品上,透射区域总能得到一致的全息成像,解决了超表面全息样品对于入射光束的偏振依赖问题。