中科院/北航Laser Photonics Rev：消色差超表面全息新突破，5000×5000分辨率全彩3D成像，视角达68°

解决的问题：传统全息技术在全彩三维成像中面临色散导致的色差问题，不同波长光的衍射距离和成像位置差异显著，导致图像模糊、色彩失真。同时，现有方法需依赖复杂光学系统或特定波长补偿，限制了全息显示的灵活性和普适性，亟需一种无需外部调整的消色差全彩全息方案。

提出的方法：提出基于消色差菲涅尔近场衍射算法的全彩三维超表面全息技术。通过将三维物体离散为点光源集合，利用菲涅尔近场衍射原理约束成像尺寸与波长无关，结合几何相位超表面的偏振调控特性，实现对红、绿、蓝（RGB）光的统一相位调制，无需光学系统调整即可消除轴向和横向色差。

实现的效果：实验制备了5000×5000分辨率的硅基超表面，在3–20mm深度范围内实现消色差全息成像。单色光（473–671nm）及白光照明下，均可清晰重建“N”和“V”字母的三维图像，视角达68°。深度为3mm和20mm时，不同波长成像位置一致，验证了近场衍射的消色差特性，且结构缺陷仅导致局部成像不完整，不影响颜色一致性。

创新点：提出消色差菲涅尔近场衍射算法，利用近场衍射特性使成像尺寸与波长无关，消除横向色差，近场深度约束抑制轴向色差；结合几何相位超表面实现全波段统一调控，无需复杂光学调整，突破传统全息视角限制，实现 5000×5000 高分辨率、68° 宽视角的全彩三维成像。

研究成果以题为 “Full Color 3D Meta-Holography Based on Achromatic Fresnel Near-Field Diffraction Algorithm” 发表于《Laser & Photonics Reviews》上。中国科学院上海技术物理研究所Ruo-Nan Ji为论文第一作者，中国科学院上海技术物理研究所Shao-Wei Wang和北京航空航天大学Di Wang、Qiong-Hua Wang为论文共同通讯作者。

摘要：超表面由亚波长单元组成，可对波前进行前所未有的控制，为全息技术发展带来新机遇。如何实现消色差全彩超表面全息一直是该领域的紧迫问题。本文提出基于消色差菲涅尔近场衍射算法的全彩三维超表面全息技术，突破传统超表面全息固有的色差限制。该特性允许实现消色差全息，无需对光学系统或超表面进行任何调整。利用基于潘查拉特纳 - 贝里（Pancharatnam-Berry）几何相位的超表面，实验演示了分辨率为 5000×5000、深度 17 mm、视角 68° 的消色差全息。该技术显著增加了设计和应用的自由度，有望应用于全息透镜等其他全息光学器件，避免复杂的消色差设计过程。

结论：本研究利用消色差菲涅尔近场衍射算法实现 5000×5000 全彩三维超表面全息，有效解决传统彩色超表面全息的固有色差挑战。通过消除色串扰和色差，确保全息图像在不同光照条件下的清晰度和深度精度。消色差菲涅尔算法的简洁性和有效性显著提升了全息成像器件在设计和应用中的灵活性，无需复杂或昂贵的修改。此外，该消色差方法与其他基于超表面的全息元件结合，有望简化超表面设计中的复杂消色差过程。

图1：全彩三维超表面全息的概念图。

图2：超表面全息图的计算策略。

图3：三维超表面全息的实验配置与实现。

图4：全彩三维超表面全息的仿真结果。

图5：全彩三维超表面全息的实验结果。

图6：不同z空间中的三维超表面全息重建结果。

文章信息：

R.-N. Ji, X.-R. Zheng, Y.-L. Li, X. Xie, F.-C. Lin, C. Liu, Y.-W. Zheng, P.-Q. Yu, X.-R. Li, K. Song, Z.-F. Li, W. Lu, S. Zhang, S.-W. Wang, D. Wang, Q.-H. Wang, Full Color 3D Meta-Holography Based on Achromatic Fresnel Near-Field Diffraction Algorithm. Laser Photonics Rev 2025, e00398.

https://doi.org/10.1002/lpor.202500398