对真实世界三维信息的完整记录与复现，是人类视觉感知与信息交互追求的终极目标之一。全息显示技术，因其能再现物体光波的全部信息，从而提供包含连续视差、真实深度的三维影像，被视为下一代显示技术的核心方向。它不仅致力于彻底颠覆从平面到立体、从观察到交互的视觉体验，更在科学研究、医疗诊断、高端制造与文化传承等领域展现出变革性潜力。

自上世纪中叶，丹尼斯·加博尔提出全息术概念[1]，并随后由利思和乌帕特尼克斯引入激光记录技术[2]以来，全息显示历经了从光学全息到数字计算全息的范式转移。其发展主线始终围绕着如何更高效、更逼真地生成、调控与重构复杂光场，而空间光调制器与超表面这两类关键调控器件的演进，正是推动全息显示从实验室走向应用的两大技术支柱。

基于空间光调制器的全息显示：数字化的核心载体

空间光调制器（SLM）作为当前数字全息显示的核心引擎，实现了将计算生成的数字全息图动态加载并转换为光学波前的能力。其意义在于，通过电控方式精确调控光波的相位或振幅，摆脱了传统光学全息对物理实物的依赖，使动态、可编程的三维显示成为可能。基于SLM的全息显示图像，如图1所示。

 

图1 基于SLM的全息显示图像（LBTEK）

 

主流SLM技术主要包括液晶空间光调制器（LCOS）与数字微镜器件（DMD）。LCOS通过电压改变液晶分子排列，从而调制光的相位，广泛应用于相位型全息。DMD则通过微镜阵列的快速二进制偏转来调制光强，虽本质为振幅调制，但结合时间复用或复杂的编码算法，也能有效合成相位信息，在高亮度和高刷新率场景中优势显著。计算全息图的生成算法（如Gerchberg-Saxton迭代算法、深度学习优化算法）与SLM硬件性能（如空间带宽积、刷新率、像素尺寸）共同决定了最终成像的质量、视场角和景深[3-5]。

基于SLM的全息显示已走出实验室，在多个领域获得初步应用：在科研与教育领域，它被用于高精度三维粒子图像测速、光学镊子操控以及复杂光场演示；在医疗领域，全息显微镜能实现对生物样本的无标记三维断层成像；在工业设计与增强现实领域，全息显示提供了直观的真三维原型审核与信息叠加方案。然而，SLM技术也面临固有挑战：其有限的像素尺寸（通常为几微米）和像素间隔导致衍射角度受限，制约了视场角；而有限的像素总数（空间带宽积）则限制了重构像的尺寸与分辨率。此外，如何消除孪生像、零级光斑噪声，以及实现大尺寸、低成本的全彩动态显示，仍是亟待攻克的技术难题。

 

基于超表面的全息显示：通向单片集成的光场操控革命

 

为突破传统SLM在尺寸、效率与集成度上的瓶颈，超表面（一种由亚波长尺度人工原子按特定序构排列而成的二维平面光学器件）为全息显示带来了革命性的新途径。其核心意义在于，通过对纳米结构进行精确几何设计，可在亚波长厚度内实现对光波前（包括相位、振幅、偏振）的任意、高效调控，将传统庞大光学系统浓缩至一片微纳尺度的芯片之上。

超表面全息的工作原理在于，其每个纳米单元作为一个光学“相位像素”，通过改变其形状、尺寸或取向，能够引入 0 到 2π 的相位突变。通过将计算全息图映射到这些纳米单元的排布上，即可在光通过时重构出预设的三维光场。相较于SLM，超表面具备超高分辨率（像素尺寸可低至数百纳米）、超高光学效率、超薄超紧凑以及可片上集成等颠覆性优势。更重要的是，它支持宽带与多维度（如偏振、波长复用）信息复用，可在单一器件上实现动态响应（通过相变材料、液晶覆盖或微纳机电调控）或多通道独立全息显示[6-8]。基于超表面的全息显示系统示意图，如图2所示。

 

图2 基于超表面的全息显示系统示意图

 

基于超表面的全息显示正从基础研究快速走向前沿应用探索。在超紧凑显示与成像领域，它可集成于眼镜或手机摄像头模组，实现AR/VR设备的光学引擎微型化；在光学防伪与信息加密领域，其偏振或角度依赖的全息图像为高级防伪提供了物理不可克隆的解决方案；在超分辨率显微与光场调控领域，它能够生成特殊结构光场（如涡旋光），用于高密度光存储或细胞操控。当前，该技术的主要挑战集中于大规模纳米加工的成本与一致性、动态可调超表面的高效驱动机制，以及全彩大视场全息图的设计与合成算法。然而，随着纳米制造工艺的进步和智能优化算法的引入，这些障碍正被逐步克服。

从依赖宏观光学元件与笨重激光系统的传统全息，到以SLM为核心实现动态可编程的数字全息，再到借助超表面迈向极致集成与智能调控，全息显示技术的发展脉络清晰地指向一个目标：随时随地、自然逼真地呈现三维信息。SLM作为现阶段的中坚力量，推动了全息技术的实用化与商业化；而超表面则代表了未来的突破方向，预示着全息显示器件可能像集成电路一样被批量制造与集成。两者的演进并非替代，而是互补与融合。未来，我们或将见证“SLM实现大尺度动态场景，超表面负责轻量化终端集成”的混合系统，并结合人工智能算法实现实时、自适应、高保真的全息内容生成。全息显示的终极应用，远不止于娱乐与展示，它更将深刻重塑远程协作、医疗手术、科学可视化乃至人机交互的范式，为我们打开一扇通往真正三维信息时代的大门。

本文作者

孙硕 中国计量大学

 

参考文献

[1]Gabor D. A new microscopic principle[J]. Nature, 1948, 161(4098): 777-778.

[2]Leith E N, Upatnieks J. Reconstructed wavefronts and communication theory[J]. Journal of the Optical Society of America, 1962, 52(10): 1123.

[3]Li J, Smithwick Q, Chu D. Holobricks: modular coarse integral holographic displays[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11(1): 57.

[4]Li J, Li X, Huang X, et al. High space-bandwidth-product (SBP) hologram carriers toward photorealistic 3D holography[J]. Laser & Photonics Reviews, 2024, 18(7): 2301173.

[5]Wang D, Li Y L, Chu F, et al. Color liquid crystal grating based color holographic 3D display system with large viewing angle[J]. Light: Science & Applications, 2024, 13(1): 16.

[6]Zhang X, Ji X, Li X, et al. Spatial varying vectorial holography and polarization encryption based on birefringent metasurface[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 34(41): 2404196.

[7]Sun S, Li J, Li X, et al. Ferrofluid‐assisted dynamic metasurface 3D holography endowed with rapid, linear, and high‐contrast color modulation[J]. Laser & Photonics Reviews, 2025, 19(8): 2401417.

[8]Kim I, Ansari M A, Mehmood M Q, et al. Stimuli‐responsive dynamic metaholographic displays with designer liquid crystal modulators[J]. Advanced Materials, 2020, 32(50): 2004664.