光场三维显示技术是近几年才被提出的一种新型三维显示方法。这种技术试图记录和重构三维物体上各个点元朝向各个方向发出的光线,与全息显示类似,因此它不仅可以真实再现三维场景的空间特性,而且能够正确表现不同物体的相互遮挡关系,是一种更符合人们观看习惯的三维显示技术,已经成为近年来的研究热点。本论文以全光函数为基础,围绕着光场重构这一问题进行展开,阐述了光场三维显示的基本原理,着重介绍了三套分别采用普通定向散射屏、柱面定向散射屏以及平面偏折型定向散射屏实现360度水平光场三维显示系统的基本结构、重建原理,并详细分析了这三套系统的三维显示空间以及单一视点观看图像。这为光场三维显示实验样机的成功构建和后续性能评价提供了重要的理论依据。我们搭建了基于数字微镜阵列(DMD)的彩色高速投影样机,开发了具有特定散射特性的定向散射屏,解决了光场数据采集以及计算、投影图像的快速生成、海量数据的高效压缩与高速传输以及光场扫描的图像同步控制等关键问题,成功地先后构建了基于普通定向散射屏的360度光场三维显示系统以及基于平面偏折型定向散射屏的悬浮式360度光场三维显示系统。实验系统既证明了利用高速投影机和同步旋转的定向散射屏来进行360度光场三维显示的可行性,又为进行光场三维显示性能评价的深入研究提供了有效平台。构建的悬浮式360度光场三维显示,首次成功地将显示的三维场景完全悬浮在屏幕上方的空气中,这为今后观察者用手探入显示区域与三维场景进行实时交互奠定了基础。随着三维显示相关研究的深入,评价再现三维图像的显示性能将会成为下一步研究的主要方向。基于构建的实验平台,分析了光场三维显示的空间再现能力,提出了空间分辨率以及角分辨率的计算方法,并从信息量的角度,提出并分析了光场显示所具有的光线复用特性。我们还提出了表示精确度的函数用于评价光场重建的精确程度,为进一步地评价三维显示图像质量提供了理论指导。另外,我们在现有实验平台的基础上对显示系统性能进行了一定的改进与提升。我们提出了基于LED亮度调制的真彩色光场三维显示方法并进行了实验验证,在显示二值图像数量相同的情况下,显著地提高了重建灰度的量级。基于目前的数据传输系统,我们还初步研究了基于手势的三维交互方法,并通过原理实验进行验证。最后,展望了光场三维显示的发展前景。基于现有实验系统的不足,从显示器件、屏幕器件、垂直自由视点、图像实时生成及海量数据传输、三维显示图像评价体系以及视觉感知的生理心理学等诸多方面进行了分析,为今后光场三维显示的研究和发展提供了方向。