近眼显示,也称头戴显示或可穿戴显示,是一种通过特殊设计的光学系统在使用者的正常视野中创建数字图像的技术。基于近眼显示技术的近眼显示器(也称头戴显示器)是实现虚拟现实及增强现实应用的重要手段之一,其能够让使用者感受到沉浸式的虚拟现实体验或虚实融合的增强现实体验,因此在军事、教育、医疗、娱乐、广告等领域有着巨大的应用潜力,以近眼显示为基础的硬件更是被视为下一代的移动智能终端。尽管关于近眼显示技术的研究已经持续了数十年,目前仍然没有一项成熟的技术能够让设备足够轻便简单,以符合“以人为本”的理念。符合人眼视觉特性的近眼显示方案应该具备体积小巧、重量轻便、大视角、高分辨率以及能提供无疲劳真三维显示效果等特征。本文对近眼显示技术的研究现状及所存在的问题进行调研并分析,在这基础上,重点在减少近眼显示系统的体积、提高图像清晰度、提升显示视角、增加深度线索方面开展了相关的研究工作。本文结合近年来出现的新技术,围绕了纯反射式的光学系统、数字光场、计算全息以及虚拟视网膜投影等技术展开了较为全面的研究与探讨,并利用这些技术分别搭建了 4种相应的近眼显示光学系统。论文的主要研究内容及创新性工作如下:(1)基于离轴三反结构的大视角近眼显示系统离轴式纯反射型结构是近眼显示系统实现的一种重要方法。当前,此类型结构具有无色差、光能利用率高、结构紧凑等特点。但是该结构存在显示视角窄小的弊端。针对该不足,本文提出了一种新的基于离轴三反的光学系统设计方法。与传统采用的实际面型不同,本文的方法采用理想的反射面作为设计的初始面型,排除了实际面型像差带来的优化干扰,而着重对镜片的空间位置进行优化。该方法可用于大视角纯反射型系统的设计。基于该方法,本文采用三个自由曲面反射镜实现了一个满足人体头部生理结构的纯反射型近眼显示系统,系统的对角线显示视角为40度。在60 cycles/mm的空间频率下,系统最大畸变小于5%,调制传递函数(MTF)值大于0.1。(2)基于数字光场的高像素利用率实时近眼显示系统当前,近眼显示应用数字光场技术可实现多深度显示效果,但是数字光场存在计算速度慢,分辨率低的问题。因此本文对数字光场近眼显示系统的内容生成及显示过程进行分析,提出基于数字光场的高像素利用率实时近眼显示方法。该方法根据人眼瞳孔的位置,并行反向投射光线,高速生成相应的数字光场近眼显示图像。结合GPU硬件实现光线追踪算法的加速,并搭建相应近眼数字光场系统,实现了场景的实时渲染和近眼显示。该方法能让人眼观测到尽量多的像素,能够实现较高的像素利用率。该系统能够实现单眼640×360分辨率,每秒近60帧的三维场景渲染及显示,其光场生成效率是普通光栅化方法的7倍。(3)基于计算全息的紧凑型大视角快速近眼显示系统计算全息技术能够真正还原物体的三维光场,将其应用于近眼显示可实现连续深度的显示效果。但是当前的计算全息近眼显示系统存在系统长度长、视角小、计算消耗大的问题。针对这些问题,本文提出了基于计算全息的紧凑型大视角快速近眼显示方法。该方法采用发散光做为照明光源,结合傅里叶光学变换系统,实现了紧凑型的计算全息近眼显示系统,该系统对角线视角超过60度,光学长度40mm。另外,在生成计算全息图过程中,本文所提算法考虑了人眼视窗特性,大大降低了传统生成算法中存在的数据冗余。仅使用1.5%的计算资源就能实现接近于传统传统计算全息图的再现效果。(4)基于虚拟视网膜投影的超轻便近眼显示系统现阶段,为了解决辐辏调节问题,大多数近眼显示方案普遍具有头部冗余器件过于沉重复杂的问题。因此,本文提出基于虚拟视网膜投影的超轻便近眼显示方法。虚拟视网膜投影能够在解决辐辏与调节的矛盾的同时,不消耗计算资源及牺牲分辨率,极大简化了显示系统的复杂性。另外,本文将光学投影器件与电子控制器件分离,将显示无关的部件转移到手持设备终端,进一步减小了显示系统尺寸。该系统对角线视角超过60度,重量不超过30克,并能够提供深度线索的近眼显示系统。本文对4种近眼显示光学系统进行了综合像质评价和性能比较,总结了每种解决方案的优缺点。根据研究结果预见,利用体全息光学元件实现虚拟视网膜显示的近眼显示系统是未来最可行的方案。