3D显示能够提供具有深度感的立体视觉信息,可以广泛应用于娱乐、军事、医疗等领域。目前,主流的3D显示技术中视角调控方式多基于几何光学,比如视差屏障技术、柱透镜阵列技术、微透镜技术等。由于几何光学对光线的调控能力有限,得到的3D图像具有视距受限、分辨率低、串扰大、视觉疲劳感强等缺陷。基于衍射光学的像素型纳米光栅能够实现高精度和高自由度的视角调控,为3D显示提供了新的技术手段。本文系统性地研究了像素型纳米光栅的衍射光场调控机制,分析了其视角调制特性,并实验论证了其在3D中的视角调控效果;在动态与彩色3D显示方面,与LCD技术相结合,研究了动态与彩色视角调控的分离与融合,并搭建了3D显示样机。具体研究内容和创新成果如下:(1)研究了3D显示中像素型纳米光栅的衍射光场调制机理。理论分析了像素型纳米光栅的衍射远场分布情况,并分析了像素尺寸、光源发散角以及光源带宽对像素型纳米光栅的衍射远场分布的影响,为3D显示器件的研制提供了理论指导。(2)提出了位相与振幅分离式的视角调制方法,分析了3D显示中位相和振幅图像的编码方式。通过变周期、变取向的衍射光栅像素的编码,来调制衍射光场的分布,实现会聚式的多视点光场分布;通过液晶显示屏对不同视角的像素开关,实现图像的振幅刷新,两者合成形成多视点3D显示基本构架。为了实现高精度、高效率位相调制板的制备,本文提出了“四变量输出的光栅光刻系统”,理论计算了该系统的调制精度。在该系统中,通过平移衍射光栅,可实现输出结构周期(Λ)的连续调制;通过旋转衍射光栅,来实现干涉条纹取向角(φ)的连续调制,结合2D平台的移动(x和y方向),能实现四变量纳米光栅结构(Λ,φ,x,y)的输出,为三维显示的位相调制板的研制提供了实验平台支撑。实验研究了像素型纳米光栅的制备流程,得到了变周期、变取向的像素型纳米光栅结构的制备,并通过测量DFB激光器发出的激光光谱间接地测定了四变量输出光栅光刻系统的调制精度,实验得到的光栅周期变化可达0.5 nm。(3)实现了具有会聚视点的3D显示效果实验验证。在3D显示实验中,采用四变量输出的光栅光刻系统制备了3D显示中的位相调制板,结合相对应振幅面板,实现了9视角水平视差和64视角全视差的三维显示效果,得到的视场角分别为40°和50°,单幅视角图像分辨率为800×600;同时测试的单个会聚视点在水平和垂直方向的FWHM值分别为1.5°和1.2°,与理论分析相一致。提出了基于超视角理论的辐辏调节矛盾的解决方案,实验中实现了3D显示中单眼多焦面调节效果,焦面景深从-1 cm到3 cm可连续调节,得到的单眼调焦距离与双眼集合距离相一致。(4)提出了先图像调制后位相调制的动态3D显示技术。结合720P TFT-LCD(5.5 inch)的图像调制,与像素型纳米光栅的位相调制匹配,实验得到了视角间隔为4°,单幅图像分辨率为640×360的动态3D显示效果,再现出的图像清晰、无鬼影,同时图像刷新率满足人眼视觉暂留效应;测试的单个视角的FWHM为1°,与理论模拟值相一致。提出了白光照射下的彩色3D显示实现方式,分析了白光照明情况下,像素型纳米光栅对RGB三色光的调节作用,结合彩色滤光片的像素分布,实现了RGB三色光的方向性光调制。实验完成了16视角的真彩色3D显示样机的搭建,分别得到了16个RGB三色光的会聚视点,视点角度间隔均为3°,与理论设计值相同;此外,实验中观察到了16个不同视角图像,单幅彩色图像分辨率为640×360,3D图像视差连续、无鬼影、色彩还原度高,视场角为50°,同时,单视角的FWHM测量值与理论模拟值相一致。