光场显示器旨在通过重建三维场景在不同方向发出的几何光线来渲染三维场景的视觉感知，从而为人的视觉系统提供自然舒适的视觉体验，解决传统平面立体三维显示器中的聚散调节冲突问题。近年来，多种光场显示方法被尝试应用到头戴式显示技术中。本文对头戴式光场显示器的最新发展进行全面概述。

精确的注册是光学透视式头戴增强现实显示系统的核心技术, 而光学透视式头戴显示设备的精准量化标定是精准注册的基础。为了实现对标定结果精准程度的衡量, 结合光学透视式头戴显示设备的显示特性, 提出了一套量化虚实匹配程度的用户评价方法。与传统方法相比, 方法对不同用户的视觉反馈信息进行量化分析, 克服了在标定结果评价上无法量化虚实配准效果的困难。进一步以导引插线的增强现实场景直观地评价了用户可接受的虚实匹配场景精细程度。实验结果定量地给出了用户对标定结果精度的评价, 给增强现实场景设计提供了参考。

设计了一套结合鱼眼摄像头和头戴显示器的新型全景显示系统。采用鱼眼正交投影法建立合适的数学模型, 基于该数学模型合理展开虚拟半球的UV, 将鱼眼图像映射到虚拟半球上, 同时使用双目虚拟摄像头采集已经矫正畸变的图像, 并将其显示在头戴显示器中, 达到头戴显示器全景显示的效果。通过实际测试验证了该方案的可行性。

针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时，二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成像问题，提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理，用微型LCD结合激光直接将图像成像到视网膜上，成像面独立于眼睛的调节，其目的是眼睛在调节过程中，图像总是清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理，根据系统参数选择合适的初始结构，设计了光学系统，根据系统整体结构对混合现实的需要，加入半透半反结构，通过ZEMAX软件对系统进行优化。最后对系统功能做了验证，结果表明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。

为解决传统头戴式显示器大视场、大出瞳距与小型、轻量化之间的矛盾，设计了折/衍混合自由曲面式头戴显示器的光学系统。利用衍射元件的特殊色散特性校正系统色差；选取最佳的自由曲面面型组合校正系统的像散、彗差和畸变；由光学塑料(PMMA)注塑成型的自由曲面棱镜形成离轴结构，使光学系统结构紧凑、便于装调。设计得到的光学系统出瞳距离为17.4 mm，出瞳直径为4 mm，对角线视场为55°，光学系统的点斑RMS半径小于30 μm，各视场光学调制传递函数在30 lp/mm时大于0.1，系统畸变小于10%。实际分析结果表明，该系统具有良好的成像质量，系统像差特性满足目镜系统的成像要求，可以满足虚拟现实各领域的实际需求。