自由立体多视角3D显示通过将多幅视差图显示在狭窄的观察区域来表达物体的3D光场信息,在有限数据量的前提下对3D光场信息作近似,被认为是接近商业化的裸眼3D技术。传统的基于几何光学的自由立体技术受制于有限的光场调控能力,无法避免视觉疲劳、串扰等问题。课题组提出现有的向量光场3D显示,通过纳米光栅逐像素调控出射光线方向,能够实现低串扰、无视觉疲劳的3D显示。然而二台阶纳米光栅衍射效率低(理论值为40%)。为此,本文提出利用激光直写技术与灰度光刻技术制备多台阶二元光学元件,并将其应用于向量光场3D显示,极大提高了显示系统的光利用率。本论文的主要研究工作如下:(1)介绍了衍射光学元件和谐衍射元件的设计方法,研究了衍射光学元件和谐衍射元件的衍射效率、色散特性;深入分析了微纳加工周期误差、位相高度误差、环带过渡区域倾角误差等工艺误差对器件衍射效率的影响。(2)提出基于多台阶菲涅尔波带片阵列的向量光场3D显示。利用多层套刻曝光工艺发展像素化4台阶波带片制备工艺。实验测得4台阶衍射波带片衍射效率达到60%(理论值80.5%)。将多个4台阶波带片像素化并重组形成视场调制板,与振幅掩膜版贴合实现静态3D显示,单个视角分辨率为200×200,视场角为12°。(3)分析谐衍射透镜设计与制备方法,提出基于谐衍射闪耀光栅的向量光场3D显示设计方法。利用灰度光刻工艺发展基于谐衍射闪耀光栅的视场调控板制备工艺,与手机液晶面板贴合实现彩色动态3D显示。单个视角分辨率为568×320,视场角为12°。实验测得谐衍射透镜衍射效率达到82%(理论值99.9%)。