全息显示技术能够完整的记录和重建三维物体的波前,因而成为显示领域研究的热点。传统的光学全息技术由于记录介质不可刷新性的限制,只能记录和重建三维真实场景的静态图像,且成像过程中存在孪生像。随着计算机技术和光电技术的发展,计算全息三维显示受到了人们广泛的关注与深入的研究,其采用可刷新的空间光调制器替代全息介质,能够逼真的再现出真实或虚拟的彩色动态三维场景,并且可以根据需要选择实像或虚像显示,理论上可以最大限度的满足人眼产生立体视觉的所有要求。但受目前空间光调制器件的限制,彩色计算全息三维技术所能呈现的场景质量远远没有达到人们的需求,而且还面临着计算全息图速度慢、系统复杂以及成本过高等问题。本论文首先阐述了彩色计算全息技术的进展情况,提出了一种快速有效的彩色复合编码算法,并利用单个空间光调制器实现了高质量彩色动态三维全息显示,同时利用该算法设计的全息图在氧化石墨烯材料上实现了彩色三维显示。另一方面为了突破现有空间光调制器件的限制,利用拓扑绝缘材料在可见光波段的相位调制特性,实现了超薄的计算全息显示,有效地扩大了系统的空间带宽积;基于氧化石墨烯材料提出了彩色曲面计算全息显示方案,可以有效增大彩色再现像的视场角。具体研究内容包括:1.对彩色计算全息显示技术的数理基础进行了深入研究。基于波动光学的基本理论系统地研究了计算全息编码方法,并探究分析了彩色计算全息显示中颜色叠加匹配的原理。2.提出了一种基于复合编码算法的彩色计算全息显示方法。基于多波长复合全息编码算法,利用单个空间光调制器实现了动态、高分辨率的三维彩色全息显示,减小了系统的体积,同时大大降低了系统成本。该复用编码算法利用解析的方法得到彩色全息图,避免了传统的迭代优化算法,大幅缩减了全息图计算时间。同时将该复合编码算法用于氧化石墨烯全息片彩色三维显示的设计,并取得了良好的再现效果。3.基于Sb₂Te₃拓扑绝缘体材料首次设计并实现了厚度在纳米量级的全息片。首先用原子层沉积的方法在硅衬底上制备了厚度为60 nm的Sb₂Te₃薄膜,然后通过多焦点阵列激光直写系统实现了像素尺寸为2μm的全息片刻写,有效的提高了全息片所能显示的信息密度。理论仿真与光学重建实验结果表明Sb₂Te₃材料在可见光波段具有良好的光调制特性。4.基于氧化石墨烯材料设计了彩色曲面计算全息显示方案。研究了曲面全息图的计算方法,分析了曲面全息图的弯曲度对再现物体视场角以及可视区域的影响,在此基础上给出了曲面全息片的设计参数,并进行了数值模拟实验。基于柔性基底制备了氧化石墨烯薄膜,给出了曲面全息片的加工方法,提出了切实可行的彩色曲面计算全息显示方案。