近眼显示是通过置于人眼非明视距离内的显示设备,向人眼渲染出光场信息,进而在眼前重建虚拟场景的技术。近眼显示技术正朝着更小、更轻、更薄的方向发展,同时对近眼显示器所渲染的内容也要求更加舒适、更加真实、更加流畅。然而,现有的近眼显示技术却面临着设备重量过重,体积过大及成像质量差等挑战。在虚拟现实和增强现实等具体的应用场景中,由成像质量差所引起的立体感不足,场景分辨率不高,眩晕感,视觉疲劳等问题,是当前技术发展急需解决的难题。本论文主要针对近眼显示中影响近目显示成像质量的三个主要因素——三维场景重建,系统景深和单目聚焦特性——来展开研究。整个研究内容采取将理论研究、模拟仿真和光学实验相结合的研究方法,以几何光学理论、傅里叶光学理论、傅里叶切片理论、人眼生理视觉理论和四维光场理论为基础,通过对近眼显示技术中四维光场的空域和频域带宽分析,研究了近眼显示器中关键参数与视网膜成像质量之间的关系,提高了近眼显示器的精确实时渲染四维光场能力,拓展了重建光场的景深范围和建立了调节误差与系统参数之间的关系。针对三维场景高精度快速重建问题,通过对四维光场的排列极平面图EPI和对应的频谱分析,提出基于傅里叶切片理论的密集视点获取算法。解决了重建虚拟视点中前景和后景信息混叠及边界错误问题,解决了由于像素重复遍历寻址而造成算法效率低下的问题。建立了基于图像深度信息的田字格式筛选和局域动态优先级策略,提出基于图像内容的快速边界修复算法,虚拟视点修复时间可有效减少3/4。针对近眼显示器中系统景深拓展问题,建立了混合现实显示复合光场模型,并提出基于光场匹配误差和系统光线分辨率最小化的结构参数优化算法SPPM。结果表明,所提出的优化算法可将复合光场景深范围拓展50%以上,不同参数下视网膜感知图像的SSIM波动范围保持在4%以内。针对近眼显示器中单目聚焦特性,建立了基于人眼视觉特性的近眼显示通用光学成像模型,并首次理论解释了调节误差来源于空间分辨率不均衡与视网膜模糊效应之间的冲突。提出基于空间损失率的近眼显示系统视网膜成像质量评估方法,建立了人眼调节响应误差与关键光学参数之间的匹配关系。预测结果与验证实验具有相同的变化趋势,且具有较高的预测精度。本文开展的研究工作,结合人眼视觉特征与近眼显示光学器件,为新一代近眼显示设备的研制提供依据。