为分析车床加工百微米级口径微柱透镜时遗留周期性刀纹产生的杂散光影响，构建了周期结构模型，分析了表面周期性纹理结构对衍射杂散光的影响。利用傅里叶光学理论建立了该结构的衍射理论模型，计算了在不同深度下的衍射光场强度分布规律，所获得的理论结果与商业光学软件VirtualLab的物理光学仿真和实验测试结果基本一致，实现了对理论模型的理论与实验验证，为进一步解决该类光学器件中周期性加工刀纹产生的衍射杂散光问题提供了理论依据，对微柱透镜的高精度加工具有指导意义。

主要研究并设计了消除自由立体前投影显示亮线的增透膜系。分析了显示亮线产生的原因，该亮线是由微柱透镜表面的反射造成的。选用Ta2O5和SiO2设计了13层高硬度和高透过率的增透膜。三者的热膨胀系数基本一致，避免了膜层的断裂。该膜系的SiO2膜层总厚度大于1μm，大大提高了增透膜的耐摩擦性。Ta2O5膜层总厚度只有33.1nm，大大减少了高温蒸发时间，避免了PMMA板材的高温变形。镀膜后透镜板在可见光波段透过率理论最高可达98%左右，消除了表面反射亮线，大大提高了柱镜板的透过率。

介绍了应用微柱透镜阵列的自由立体前投影显示的原理。推导出确定自由立体前投影屏幕中微柱透镜参数的公式, 详细给出了一种设计方法。根据此方法设计了一块采用微柱透镜阵列的自由立体前投影屏幕, 在Lighttools中对采用此屏幕的投影系统进行仿真模拟, 仿真结果显示有5个比较明显的视区, 视区间隔比较连续。搭建屏幕和投影系统进行实验验证, 实验结果与仿真结果一致, 串扰度为7.9%, 图像重合度为1.008, 在观察面处立体效果显著。实验结果验证了应用微柱透镜阵列的自由立体前投影显示的可行性。与背投影的自由立体显示技术相比, 自由立体前投影显示具有装调快、占用空间小、投影距离灵活可调的优点, 将是未来大屏幕自由立体显示的一个重要发展方向。

衍射聚焦器件轴向光强分布的焦深和焦移特性,直接决定着系统接收面的装配误差和获得最佳的能量利用率。当器件的口径和面型特征尺寸可与照射波长比拟时,必须考虑光波与衍射器件的电磁作用。利用严格电磁分析方法――时域有限差分法,对有限口径衍射微柱透镜的轴向光强分布进行了严格分析,并且与传统的标量分析方法进行详细比较。分析比较了TE和TM极化波入射情况下,不同面型分布(8台阶,16台阶量化面型和连续面型)的衍射微柱透镜焦深和焦移特性与透镜F数的关系。结果表明透镜轴向光强最大点向透镜面偏移,焦移量的严格计算结果要大于标量计算结果,表明透镜的快聚焦特性,而二者得到的焦深量基本一致,同时两种理论方法都表明透镜焦深和焦移随F数的增加而增加。

当衍射光学元件的特征尺寸可以与照射光波长比拟时,必须考虑光波矢量衍射特性.利用矢量分析方法--二维时域有限差分法(FDTD)对有限口径衍射微柱透镜的焦深和焦移特性进行严格矢量分析,与传统标量分析方法的结果进行了详细比较.分析给出TE波垂直入射情况下衍射微柱透镜焦深和焦移与透镜F数的关系,结果表明,微柱透镜的焦移量要大于标量分析结果,而二者得出的焦深量基本一致,这些结论对衍射微透镜的设计和实际应用有一定指导意义.同时分析了透镜面型量化对焦深和焦移的影响,讨论了矢量分析方法的数值色散、计算空间吸收边界的设置和FDTD计算区稳定电磁场向观察面的传播算法.