针对新型虚拟LED显示屏提出一种基于平滑滤波器的虚拟显示模型和控制方法，该方法与传统方法相比能在降低数据带宽的条件下提高虚拟显示的灰度等级。分析了户外发光二极管显示屏(LED)的显示原理，指出提高LED显示器分辨率和灰度是提升其显示效果最直接的方法。介绍了传统虚拟显示的实现及控制原理和存在的问题，然后针对目前的虚拟LED显示屏提出一种虚拟显示的建模及控制方法，再用模拟和实验验证该方法的可行性及效果，最后与传统的虚拟显示建模及控制方法做对比。实验结果表明，使用本文提出的建模和控制方法呈现的图像清晰，图像细节不流失，准确地还原了图像原来真实的情况。本文提出的虚拟显示建模和控制方法能够准确还原图像信息，可以用于新型的虚拟LED显示屏。

为了实现高分辨率集成成像三维显示，设计了一种基于数码相机实拍的集成成像高分辨率图像采集系统，给出3D图像的深度范围；对实、虚显示模式的图像分辨率进行分析研究。基于集成成像原理用数码相机进行高分辨率的图像采集，由微透镜阵列节距、焦距、物距等参数计算出显示分辨率与显示深度，结合计算机进行图像处理，通过高精度打印图像并与微透镜阵列粘合的方法进行实验验证，给出拍摄参数和显示参数并与传统视差显示模式和集成成像的聚焦显示模式进行比较。在参数匹配较好的情况下，集成成像实、虚显示模式的图像分辨率优于聚焦显示模式和传统视差显示模式，并可采用较宽节距的微透镜阵列，验证了集成成像实、虚显示模式下可实现高分辨率的三维显示。通过集成成像高分辨率图像采集，并以实模式、虚模式显示模式，可获得高分辨率的集成成像三维显示。

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题, 本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜。目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型, 其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低。通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差。实验结果显示：研制的目镜其光瞳大小为6 mm, 视场大小为55°; 在30 lp/mm处, 轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2, 轴外视场的MTF值高于0.1, 目镜的最大畸变量为-5.37%。棱镜的检测和试验结果表明：与自由曲面棱镜相比, 采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度, 避免图像重影现象, 成像更为清晰, 虚拟成像的目视效果得到了明显改善。

研究了塑料透镜在3D 虚拟显示头盔光学系统中的应用，设计了适用于眼镜式虚拟微显示器的全塑料(聚甲基丙烯酸甲脂－PMMA)光学系统。引入反射镜来折叠光路以缩短系统长度，引入衍射面，利用其负色散性和波面任意整形特性来消除系统色差及改善波前像差。该系统重量仅为9.8 g。目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.31 mm 和8.8 μm，最大畸变<7%。系统最小角分辨力为0.8 mrad，全视场为32°。