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基于柱透镜光栅技术的裸眼3D显示屏具有亮度损失小,实现立体显示效果较容易,可以同时提供多人观看等优点。但柱透镜技术也存在串扰严重,立体显示景深不强等缺点。为此研究一种新型裸眼3D显示器面板结构,主要由自由曲面柱透镜光栅阵列、液晶图像显示屏、侧面发光光纤定向背光源组成。其中,背光源由平凸柱透镜阵列、侧面发光光纤阵列、透镜耦合器、白光LED光源组成。论文主要设计了两个用于新型裸眼3D显示器中的自由曲面透镜,旨在解决传统柱透镜式裸眼3D显示串扰较大的问题。自由曲面柱透镜设计。自由曲面柱透镜光栅阵列的入射面为等间距排列的与显示器子像素数量相同的凹形自由曲面光栅结构,出射面为斜置的凸形自由曲面光栅结构。根据裸眼3D显示原理和几何光学原理推导了光栅单元自由曲面设计公式和光栅参数计算公式。通过MATLAB编程计算和Solid Works软件建模得到光栅阵列模型。用Trace Pro软件对所设计的光栅阵列模型进行光线追迹仿真,结果表明:参数优化后的6视点斜置柱透镜双面光栅3D显示在最佳视角的图像串扰度为0.068%,与传统6视点斜置柱透镜光栅的最佳视角图像串扰度相比降低了2个数量级,并且在观看距离2000mm~3000mm范围内图像串扰度基本不变。自由曲面透镜耦合器设计。侧面发光光纤阵列接近理想线光源阵列,将其放在平凸柱透镜阵列的焦平面处,可发出小发散角的光束,能够很好的解决传统LED背光源发散角太大的不足。所设计的自由曲面透镜耦合器就是将LED光源与侧面发光光纤阵列实现光能量耦合的器件。自由曲面透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯光型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5mm的20×20根POF光纤束端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。论文最后对自由曲面透镜耦合器进行实验测试,结果表明,所设计的耦合器可使POF光纤束端面照度均匀性达到90%以上,与模拟仿真结果基本一致。