在历史的发展长河中,人们从未停止过对显示技术的探索和追求。从黑白显示技术到彩色显示技术,从CRT显示技术到液晶显示技术再到今天的OLED显示技术,人们对显示的需求在不断地提高。现如今,人们在工作、生产和研究过程中往往需要获取物体的三维信息来进行精准地判断和分析,然而当今主流的显示方式都是基于平面的二维显示,它丢失了真实世界物体的深度信息,给人们的工作和生产带来了极大的不便。因此,裸眼3D显示技术被认为是下一代显示技术的主要发展方向。为了实现这个目的,科学家们提出了各种各样的方案来完成3D图像的再现。然而,这些裸眼3D显示系统还存在着许多问题需要去克服和解决,例如3D图像的清晰度低、观看视角窄、显示深度小及视点间存在串扰等。为了实现高质量的3D图像显示,针对上述问题,本文对提升裸眼3D显示系统显示性能的关键技术进行了研究。论文的主要研究内容和创新点如下:(1)正面投影显示系统光学系统的分析及优化设计研究要点1:基于柱面透镜阵列的正面投影显示系统由于透镜像差的原因导致了视点之间严重的串扰,也降低了 3D图像的清晰度。为了解决这个问题,本文基于赛德尔初级像差理论提出了增大透镜单元曲率半径或减小单元口径来降低视点间串扰的方案,通过仿真和实验证明了提出的方案能够在观看视角为48°的范围内将最大串扰程度由90%降低到10%以下。这种方案虽然降低了系统的串扰,但同时也减小了系统的观看周期。为了解决这个矛盾,本文利用像差平衡算法优化设计了一种月凸型非球面柱镜阵列,仿真和实验数据证明提出的结构在不减小系统观看周期的前提下将观看视角为48°范围内的最大串扰程度由90%降低到10%以下。(2)光场显示系统光学系统的分析及优化设计研究要点2:基于LCD与定向扩散屏的光场显示系统存在3D图像亮度不均匀且清晰度低的问题。本文针对第一个问题利用光能传播理论分析了这类显示系统光能利用率与系统参数之间的关系,提出了一种具有偏心光瞳的菲涅尔透镜阵列,实验证明提出的结构改善了3D图像的亮度均匀性并且将观看视角由41.9°增大到了 59.7°。针对第二个问题,本文在上一步的基础上提出了基于非球面基底和等效面型的结构,为提升3D图像的清晰度奠定了基础。(3)集成成像显示系统光学系统的分析及优化设计研究要点3:集成成像显示系统存在视点信息少、观看视角窄的问题。通过增大透镜单元的尺寸虽然能够提升系统的视点信息和观看视角,但是透镜单元之间的间隙和颗粒感会严重影响系统的3D显示效果。同时,透镜单元尺寸的增大也带来了更加严重的成像像差,并且随着出屏距离和观看视角的增大,再现3D图像的清晰度将进一步恶化。为了解决上述问题,本文在集成成像的基础上提出了一种基于天塞型复合透镜阵列和全息功能屏的悬浮3D显示系统,基于提出的系统,实现了显示尺寸为23.6英寸、观看视角为45°,出屏深度大于20cm,视点数为7744个且具有高清晰度的全视差悬浮3D显示效果。(4)360°裸眼3D显示系统光学系统的分析及优化设计研究要点4:为了实现一个以LCD显示源为基础且具有高清晰度的360°裸眼3D显示系统,本文提出了一种基于三重复合型透镜阵列和全息功能屏的360°裸眼3D显示系统。在讨论中,本文首先分析了提出的显示系统在单透镜阵列情况下的像差特点及其对显示效果的影响;其次,根据显示系统环形视区的特点设计了一种三重复合型透镜阵列来抑制系统的像差,保证了观看视区范围内的MTF曲线值大于0.6。最后,基于设计的透镜阵列和全息功能屏实现了一个最大单侧径向观看视角为30°,视点数为7744个且具有高清晰度的3D显示效果。