A concept of divergence angle of light beams (DALB) is proposed to analyze the depth of field (DOF) of a 3D light-field display system. The mathematical model between DOF and DALB is established, and the conclusion that DOF and DALB are inversely proportional is drawn. To reduce DALB and generate clear depth perception, a triple composite aspheric lens structure with a viewing angle of 100° is designed and experimentally demonstrated. The DALB-constrained 3D light-field display system significantly improves the clarity of 3D images and also performs well in imaging at a 3D scene with a DOF over 30 cm.

随着元宇宙产业的发展，光场显示技术因其可以将数字世界与物理世界完美融合，已经成为信息显示技术领域的研究热点，并呈现出视点数量更多、视点密度更大、渲染速度更快的发展趋势。然而，现有的光场显示技术面临着分辨率低、深度受限、视疲劳等多种挑战。本文从人眼立体视觉感知原理出发，对现有的双视点、多视点和超多视点光场显示技术的成像原理和典型方案进行整理和总结。同时，对现有基于单信源和多信源虚拟视点生成技术进行归纳对比，着重分析各项技术在虚拟视点生成质量和渲染速度等方面的可行性和实现效率，并对光场显示技术的未来发展方向进行了展望。

目前常用的三维显示技术，一般是通过人眼的双目视差和视觉暂留效应实现的三维效果。由于丢失了深度信息，会引起辐辏调节冲突，使观看者产生不适感。光场显示是通过复现物体表面光线的真三维显示技术，其拥有良好的用户体验，符合人们对于未来显示的需求。文章梳理了各种光场显示技术的原理和特点，分析了国内外光场显示技术的发展现状，整理了国内外的研究进展和代表性样机的性能，最后对我国光场显示的发展进行了展望。我国光场显示虽然起步稍晚，但经过多家科研机构的一致努力，已在国际上拥有一定的地位。

为提升光场图像的渲染效率，提出一种基于共轭透视相关相机的光场图像渲染算法并搭建了相应的光场显示系统。利用共轭透视相机实现了深度正确的光场图像的一步渲染，从而省去了图像编码过程。同时利用相邻共轭相机之间的透视相关性减少重复计算，加速了渲染过程。对比传统算法，该算法并行处理能力强，非常适合利用图形处理硬件进行加速处理。利用中央处理器和图形处理器混合编程技术搭建了获取光场图像的渲染管线。对比测试结果表明，算法对视点数目不敏感，尤其适合高密度视点的光场图像的渲染。而且所渲染的视点越多，效率提升越明显。该算法还可以有效地兼容计算机图形学中的纹理贴图、光照等技术实现逼真场景的渲染。为验证算法的正确性，搭建了一套光场显示系统，利用所渲染的光场图像实现了虚拟场景的3D显示，获得了良好的3D立体效果。

为提高矢量光场显示亮度和视角均匀性，提出了一种应用于圆偏振光场成像的超构光栅结构。利用严格耦合波分析，逐像素对超构光栅结构进行仿真，研究了入射光偏振状态、光栅结构、入射角度对-1级光衍射效率的影响规律。仿真结果表明，圆偏振光显示可以使得光栅衍射效率稳定高效，当光栅周期为500 nm时，与基于TE和TM设计的光栅结构相比，圆偏振光设计的光栅结构衍射效率提高了18.5%和2.6%；光栅高度和占空比对衍射效率具有明显的影响。综合考虑光栅制备难度、衍射效率和视角均匀性，设计了一种高度为0.6 μm，占空比为0.4的光栅阵列结构应用于圆偏振光场显示，系统衍射效率可以达到40%以上，具有较优的综合性能，对超构光栅设计制备和裸眼3D显示具有一定指导意义。

基于视点分段式体像素的桌面光场显示系统具有正面观看视区以及100°超大视角，能够显示具有全视差的高质量三维图像。但是，该系统还存在所构建的视点在空间分布不均匀的问题，观看视区中间区域视点分布密集，两边区域视点分布稀疏，使得显示的三维图像出现透视关系不正确以及视点间的串扰等问题，影响显示质量。本文通过对系统视点的构建过程进行分析，发现造成视点分布不均匀问题的原因是系统采用的柱透镜存在像差，导致出射光线无法会聚于一点，而是形成一个弥散斑。因而，为了均匀系统视点分布，本文提出了采用对透镜进行光学优化的方法以减小像差，并设计了一种非球面透镜。最终通过实验验证了方法的可行性，系统视点分布的均匀度由39.32%提升至98.39%，显示图像透视关系不正确以及视点间的串扰等问题得到了有效改善。

裸眼3D显示是“元宇宙”的入口，是可以重新定义人机交互方式的变革性技术。经过百余年发展，裸眼3D显示已取得显著进步，但仍然存在视场角小、分辨率下降严重、运动视差受限和视疲劳等问题。光场裸眼3D显示本质上是多视角光场调控技术和方法研究。最近研究表明，微纳光子器件（衍射光栅、衍射透镜、超表面等）对光的强度、相位、偏振等参量具有灵活而精确的调控能力，有望解决裸眼3D显示长期存在的难题。然而，数英寸至上百英寸显示幅面的微纳光子器件在设计与制备层面都面临巨大挑战。本文具体分析了基于几何光学的裸眼3D显示局限性，从器件设计和微纳制备两方面详细介绍了基于平面光学的裸眼3D显示最新研究进展。最后总结了裸眼3D显示的未来发展方向和潜在应用领域。

3D光场显示技术因具有较大的观看视角、密集的观看视点而被研究学者们关注。分辨率是3D光场显示技术的一个重要参数，提升分辨率的方法较为复杂，因此研究学者们开始关注视觉分辨率。为了提高3D光场显示的视觉分辨率，提出了一种基于深度学习获取预处理基元图像阵列（PEIA）的方法。在光场显示的成像过程中，透镜的像差会使成像平面上形成弥散斑。弥散斑之间的交叠区域可以被视为新的视觉像素，并被用作额外的信息载体。一个分辨率增强的卷积神经网络（CNN）被用来从高分辨率基元图像阵列（HEIA）中获取PEIA，将PEIA加载到LCD上，经过透镜阵列的光学变换和定向扩散膜的扩散作用，呈现出具有视觉分辨率增强的3D光场显示图像。在实验中，通过使用PEIA、透镜阵列以及定向扩散膜，展示了一个具有70°视角的光场显示，并提高了视觉分辨率。