新型显示技术是当前新一轮技术变革的重要发展方向,作为人机交互显示的主要实现方式,具有增强现实功能的近眼显示系统是国内外研究的热点课题。近眼显示系统在军事、工业制造、医疗卫生、教育、导航和娱乐游戏等方面都有着广泛的应用前景和极大的社会价值,越来越成为未来人们日常生产生活中不可或缺的信息交流工具。现阶段近眼显示系统主要基于二维平面显示面板设计,三维观感依赖于双目视差图像合成,其弊端是会造成调焦与辐辏的矛盾(VergenceAccommodation Conflict,VAC),用户长时间佩戴易出现视觉疲劳、眩晕、恶心等不舒适感,在文化、娱乐等大众消费领域的使用效果亟待改进,更不能满足医疗、军事等高端应用领域的需求。因此开发新型符合人眼生理认知习惯的三维近眼显示系统,已经成为下一代增强现实设备的重要研究方向。复振幅调制技术能够同时调控光波前的振幅与位相信息,实现物体任意调焦深度的三维图像重建,因此将其引入至近眼显示系统设计中,可有效消除调焦-辐辏的矛盾问题,提升用户的佩戴体验。本文研究了基于复振幅调制技术的三维近眼显示基本理论,提出了两种三维近眼显示系统的设计方法,研制了相应的系统样机,测试了设计方法的有效性,并在此基础上提出了彩色三维近眼显示系统的设计方法。论文主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)分析讨论了三维近眼显示系统现阶段存在的主要问题,研究了基于复振幅调制技术的三维近眼显示基本理论,深入探究了使用双振幅全息图和双位相全息图的波前调控理论与实现方法。(2)提出了基于复振幅调制的三维近眼显示方法。将复振幅调制技术引入至近眼显示系统中,设计开发了使用双空间光调制器的三维近眼显示系统。搭建了相关光学实验装置,测试了所提设计方法在连续多层深度图像调制输出以及动态三维图像实时重建方面的性能。通过验证系统信号多调焦深度显示的能力,分析了所提方法在消除调焦-辐辏矛盾问题上的有效性。(3)提出了结构简化的紧凑型三维近眼显示方法。结合光栅滤波器和频域相干叠加技术,设计了结构简单紧凑、使用单空间光调制器的三维近眼显示系统。利用全息干涉加工技术制作了满足参数要求的余弦振幅型光栅。通过结构建模和三维打印技术,研制了该三维近眼显示系统的样机,其尺寸为133.8mm×40.4mm×35.4mm,并附加一个长度为47.7mm的观察窗,模组总重为196.3g,场景视场角31.7°,在输出图像分辨率为512×1024时,系统刷新帧率达到143fps。搭建了光学测试系统,调试了样机连续深度三维图像信号的输出性能,并校验了实时动态显示效果以及交互性显示的具体算法参数指标。分析了所提方法在消除视觉疲劳方面的有效性。(4)提出了彩色三维近眼显示系统的设计方法,结合复振幅调制和时分复用技术实现彩色三维深度图像重建。利用Zemax光学软件和Matlab编程,模拟仿真了系统光学显示模组的成像质量,并验证了彩色复振幅调制重建的正确性,同时在Solidworks软件中设计了消色差的彩色三维近眼显示样机模型。通过光学实验完成了同步控制器的校准工作,并根据校准参数搭建了时分复用彩色全息的光学系统,验证了其彩色显示效果。目前该样机已进入实际加工制作阶段。本论文针对传统近眼显示中的调焦-辐辏矛盾问题开展了一系列研究工作。基于复振幅调制技术,提出了三种新型三维近眼显示系统的设计方案,并研制了相应的系统样机,成功实现了符合人眼观察习惯的三维近眼显示设计目标,为当前增强现实应用的研究进一步奠定了基础。