衍射光学元件已广泛应用于光学传感、光通信、计算成像、激光光束整形、生物医学、光学数据存储等领域。首先，总结归纳了基于标量衍射理论衍射光学元件在各个阶段的发展脉络，衍射光学元件的发展可分为菲涅耳波带片、全息图及相息图、二元光学元件及衍射光学元件四个阶段，针对各阶段衍射元件分别分析其设计原理、结构特点、加工难度、衍射效率及在现实中应用可能性。其次，对基于矢量衍射理论衍射光学元件进行概述。最后，对当前衍射光学元件在传统和新型成像系统及非成像系统中的应用进行总结，整理出当前衍射光学元件发展中存在问题并根据对应问题给出未来发展趋势的预测，能够对今后衍射光学元件的研究有一定指导意义。

提出了一种全息三维(3D)显示光学系统滤波窗的优化设计方法。首先,基于标量衍射理论,用复振幅编码方法获得相息图,研究了相息图再现光场在光学系统焦平面上的频谱分布。然后,导出了重建物光场在光学系统焦平面上的频谱中心位置和频率分布公式,并进行了实验验证。最后,提出了一种基于纯相位型空间光调制器全息显示系统滤波窗的优化设计方法。理论仿真及光学实验结果表明,该优化方法可获得优化编码的相息图,且能设计高质量的全息3D显示系统,从而获得高质量的全息再现像。

介绍了一种基于相息图原理的用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法, 并在此基础上, 以雪花图形和分划板图形为例, 完成了全息元件实验样件的制作及全息再现实验, 这种实时再现的图像可以用于智能显示。在已知记录介质折射率的情况下, 通过控制纯相位型计算全息图记录介质表面微结构的宽度和高度来调制光波, 得到所需图像。采用逐步迭代的傅里叶变换算法来获取纯相位型计算全息图的相位结构, 为了降低相位型计算全息图的制作难度, 提出量化数学模型, 并对所设计的相位结构进行量化处理, 给出了纯相位型计算全息图的4台阶浮雕型相位结构。全息元件的尺寸设定为6 mm×6 mm, 工作波长为650 nm, 衍射结构的最小特征尺寸为8 μm。理论计算和模拟再现像的结果表明, 在未考虑加工误差的条件下, 所提供的这种用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法是可行的。此方法可推广用于其它任意特定图案的纯相位型计算全息图的设计, 也可用于设计具有光束整形功能的衍射光学元件, 如离轴照明的光束的整形匀光器件等。用于智能显示时, 用平行光照射制作的实验样件, 只得到的单一的衍射图像, 不存在其他衍射级次的图像, 在考虑采用台阶量化结构和存在加工误差的情况下, 衍射效率仍然很高。若改变设计的全息图相位的正负, 并用平行光以特定的角度照射制作此相位型计算全息图, 可用于全息瞄准。

为提高硬X射线聚焦元件的聚焦性能，利用LIGA(Lithographie， Galvanoformung， Abformung)技术，制备了深度为60 μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质硬X射线组合Kinoform透镜(CKL)，并获得了良好的面形。制备的CKL以宽度为几个微米的细窄线条为主要结构，包括曲面和直角面形，线条最窄宽度为2 μm。为保证CKL良好的曲面及直角结构，样品制备分为三部分: 过渡掩模板的制备，LIGA掩模板的制备，以及最终样品的硬X射线曝光制备。在LIGA掩模板制备过程中，采用制备有纳米柱阵列的硅衬底有效解决了光刻胶脱胶的问题。在最终样品制备过程中，选用分子量较高的PMMA片作衬底，提高了PMMA刚度，有效缓解了细窄线条的倒塌黏连问题，保证了CKL的良好面形。在北京同步辐射光源(BSRF)成像站测试了CKL透镜的性能，结果显示其对于8 keV的X射线，聚焦焦斑的半高全宽(FWHM)为440 nm。

针对目前三维物体计算全息算法数据量大、计算速度慢及共轭像影响再现效果问题, 提出一种全息体视图计算方法。根据人眼双目视差立体视觉原理, 由摄像机获取三维物体不同角度的二维序列视差图像, 通过计算全息算法得到多视角全息图, 合成三维物体全息体视图。在迭代傅里叶变换算法的基础上, 采用预设初始相位并增加反馈因子的方法, 提高相息图的计算效率。基于液晶空间光调制器构建光学系统, 对计算的全息体视图进行了光学再现。结果表明: 该方法有效地排除了共轭像的干扰, 相息图的迭代计算效率提高30%以上, 再现图像与目标图像的结构相似度大于0.85。

全息图的快速生成是当前计算机制全息的重点与难点, 为提高全息图的生成速度, 提出一种基于Cuda并行计算的全息图快速生成方案。首先利用OpenGL的深度缓存对空间物体进行离散取样, 获得空间离散物点集, 再对传统的查表算法进行优化处理, 大大减小查找表的空间大小, 离线制作查找表, 存入GPU纹理内存, 合理设计并行计算方案, 将Cuda并行计算的方法应用于全息图的快速生成。实验表明该方法有效可行, 并行计算可将全息图的生成速度提高40倍左右, 同时, OpenGL的使用给交互式全息图的计算机生成提供一种研究思路。

在传统迭代傅里叶变换算法的基础上, 提出了一种计算三维物体相息图的新方法.基于层析法将三维物体的多个分层物面作为衍射再现图像, 在一个输入面(相息图)和多个输出面(再现像)之间进行迭代.通过在傅里叶迭代运算中引入距离相位因子, 表示物体不同物面的深度, 体现了物体的三维特征.实验结果证明了本文算法良好的收敛特性和再现性能.最后, 分析了物面数量和间距对全息再现质量的影响, 利用液晶空间光调制器采用时分复用的方法还原了三维物体的多个物面.

本文提出了一种利用纯相位型液晶空间光调制器(LC-SLM)实现相息图三维显示的方法。该方法以LC-SLM为显示器件,通过相息图的衍射进行三维像的重构。详细研究了相息图的计算及其与LC-SLM 参数间的关系,并对再现像像质进行了讨论。为提高显示的空间分辨率,采用分时复用技术,对三维物体进行分组取样,并计算每一分组的相息图,形成分组相息图序列,再现时依次将相息图输入到LC-SLM,利用人眼的视觉残留效应以达到连续扫描三维成像的目的。实验结果表明,该方法实现了三维物体的再现,为三维显示提供了一种有效的方法。

讨论了相息图白光再现的可行性，得到采用在相息图和观察者之间加入狭缝的方法可实现相息图的白光再现的结论.提出了一种通过对彩虹全息图进行复数滤波来制作相息图的方法.根据彩虹全息图中物光的频谱宽度设计有限脉冲响应数字滤波器.对该滤波器进行移频，得到与通带位置物光的频谱位置一致的复系数带通滤波器.对全息图进行空域滤波，去除共轭像和零级,求出调制后物光的位相分布，制作场景相息图.实验观察到了经过此方法制作的相息图在白光下的再现像，表明本文的理论分析正确，所提出的方法可行.

数字全息图在微电路检测、粒度分析、透明场测量等小孔径、小视场对象测量和细胞观测等显微测量方面有着广泛的应用前景。根据离轴数字全息图的频谱特点，提出采用复数滤波器，利用计算机及相关算法对离轴数字全息图进行滤波，消除其零级及共轭像，同时可以得到全息图的相位分布。讨论了复数滤波器的设计方法，给出了实验结果。为数字全息图的压缩、再现和相息图制作提供了方便。