微光学器件在光学设计、光通讯、立体显示等众多领域都有广泛的应用,而且其应用领域仍在不断扩展。微光学器件的设计、制作和应用研究一直是人们的研究热点。激光直写技术作为一种重要的微加工技术,具有精度高、三维加工能力强、无需掩膜一次成型等优势。本文以激光直写技术为基础对微透镜阵列、变焦微透镜、角锥阵列等三种微光学器件的设计、制作和应用进行了研究。主要包括微光学器件的设计制作以及在立体显示中的应用两个主要方面。在微光学器件的设计和制作过程中,针对当前微透镜阵列制作领域存在的问题,首先提出了一种将灰度光刻与光刻熔融技术相结合的方法,实现了大F/#折射型微透镜阵列的制作,然后将离焦激光直写技术与灰度光刻技术相结合,进一步拓展了F/#的范围,实现了F/12的折射型微透镜阵列,接着设计并实现了基于双层谐衍射结构的大口径、大数值孔径的衍射型微透镜阵列。利用上述三种方法我们成功拓宽了微透镜阵列的参数范围。最后利用电铸拼版、UV复制等技术实现了大幅面(18cm×12.6cm)微透镜阵列的制作。针对目前衍射型变焦微透镜的设计和制作领域存在的问题。提出了一种基于谐衍射结构的液晶变焦菲涅耳透镜,实现了三级离散变焦,达到了较高的衍射效率和成像质量。同时,我们设计了一种基于纳米压印技术的液晶变焦菲涅耳透镜的制作方法,实现了高衍射效率液晶变焦菲涅耳透镜的快速制作。针对目前角锥阵列的制作领域存在的问题。我们设计并制作了一种逆向反射效率高、结构深度浅的新型角锥阵列结构。基于激光直写、电铸拼版、UV复制等技术我们成功制作了幅面为12cm×12cm的高质量角锥阵列,获得了良好的逆向反射效果。在微光学器件的应用研究方面,我们主要针对基于微光学器件的自动立体显示技术进行了研究。针对目前在自动立体显示领域尚未形成一个较为通用和完整的自动立体显示理论的问题。我们首先从几何光学角度分析了各种自动立体显示技术的通用规律。然后从物理光学角度出发,给出了一个基于聚焦误差的通用模型。最后将光场理论应用于自动立体显示,建立了各种自动立体显示技术在光场理论中的统一描述。并在前人的基础上,初步阐述了一个基于光场的自动立体显示理论。较为清晰地解释了自动立体显示技术中三维信息的记录和输出过程。定量地分析了自动立体显示技术中的Aliasing artifacts问题,阐述了自动立体显示技术中的采样定理。利用光场信息提取模型成功解释了观察者偏离最佳观察位置时所接收到的信息结构的问题。在上述工作的基础上对基于微透镜阵列的自动立体显示技术进行了实验研究。首先利用数字成像原理实现了自动立体显示信息的数字记录,然后提出了一种基于光场提取模型的膺视像纠正算法,并利用该算法和共轭相机模型两种方法解决了自动立体显示中的膺视像问题。基于光场原理设计了自动立体显示信息的模拟再现程序,通过该程序可实现三维场景的逐层扫描和分析,并验证自动立体显示信息的正确性。最后,提出了一个自动立体显示装置的设计流程。利用该流程成功设计了两套立体显示装置,实现了大幅面三维场景的全视差彩色立体显示和平板周视立体显示,获得了较为显著的立体效果。