超表面是一种能够精确调控光波相位、振幅、偏振、频率等参量的亚波长级周期性平面结构材料,能够用于设计制造例如超透镜、全息、纳米印刷、涡旋光发生器、分束器等高分辨率、高保真度、轻薄紧凑、高集成度的光学器件。近年来,基于超表面的图像显示技术以其广泛和直观的应用逐渐成为该领域的研究热点,早期对超表面图像显示技术的研究主要集中在替代全息和纳米印刷等传统显示技术中,旨在提高图像显示的质量和使器件的轻量化。复用技术的应用使得超表面能够同时实现多重光参量的操控,并赋予超表面图像显示以更大的信息密度、更高的显示质量、更宽的显示范围和更多的显示方式。然而,常见的复用技术受限于复杂的设计和光路以及较低的安全性,很难得到大规模的应用。根据以上背景,本论文针对超表面图像显示领域,基于转角简并性和多胞元结构,提出了一种多通道彩色图像显示技术,在此基础上结合VC加密算法,实现了一种图像加密技术。本论文的主要研究内容如下:1.理论分析介绍了光波与电介质纳米砖相互作用的机理,对超表面单元结构调控光波相位和强度的原理进行了推导,并仿真验证了米氏共振对反射率的影响。通过分析纳米砖的长短轴透过率和相位调制量,可以将各向异性纳米砖设计为各种波片和起偏器的结构,当纳米砖被优化为半波片的形式时,其交叉偏振转化效率最高,此时相位调制效率最高,强度调制范围也最广。介绍了米氏共振原理,并用CST Studio Suite验证了在入射光为共振波长下的纳米砖内部发生磁共振或电共振时形成的高反射率。2.对所需光谱响应的纳米砖结构进行了仿真优化和分析。根据加法混色所需的红绿基色进行纳米砖的仿真优化,利用电磁仿真软件CST Studio Suite,以氧化铝（Al2O3）为基底,硅（Si）为纳米砖建立模型,并将纳米砖的长和宽作为参数进行扫描,分析处理扫描结果中的反射交叉偏振转化效率,以在工作波段反射交叉偏振转化效率高和串扰小为目标选取最优结构。同时,对所选取结构的电磁场分布、尺寸误差、耦合效应进行了仿真分析。3.理论分析了基于马吕斯定律的转角简并性原理,并设计了多胞元结构的排布。从马吕斯定律出发,多个入射光偏振角度对应相同的出射光强度,得出纳米砖对光波调制的多个自由度,可以赋予超表面同时进行强度和相位调制的能力。设计了平衡出射光红绿色能量的多胞元排布,使得红绿光分布均匀,效率更高。4.基于理论与分析设计出三通道彩色图像显示器件与图像加密器件,并进行实验验证。对全息图像进行畸变矫正和能量补偿预处理,并通过强度调制曲线和模拟退火算法计算纳米砖阵列的转角分布。设计加工出三通道彩色图像显示器件,搭建光路,对其图像显示能力进行验证分析。应用VC加密算法,设计图像加密器件,采用相同的光路对其加密能力进行验证。综上,本论文介绍了超表面调制相位与强度的原理,结合转角简并性和多胞元结构,设计了三通道彩色图像显示器件,并实验验证了其图像显示能力,再结合VC加密算法,设计加工了图像加密器件,证明了其用于信息加密的安全性。