人类周围的真实世界是三维的,我们在生活和工作等场景需要借助三维信息对事物进行充分地理解和精确地判断。然而,传统的平面显示器只能向观看者展示二维平面信息,丢失了深度信息,无法满足各行业对三维数据和深度信息可视化的要求。三维立体显示技术能为观众展示包含真实场景深度信息的三维图像,近年来该技术受到国内外研究人员的广泛关注。自由立体三维显示技术包括多视点3D显示和光场显示技术,观众无需佩戴辅助眼镜就能够观看到3D图像。其中光场显示技术能够逼真地模拟原三维场景的光场信息,被认为是自由立体三维显示技术的主要发展方向。但是现阶段的光场显示技术仍然存在一些问题需要解决,例如景深范围小和观看视角窄。本文针对上述问题,对大景深、大视角光场显示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)集成成像光场显示景深模型研究及提升方法研究要点1:集成成像的景深受采集过程和再现过程的共同影响,当被拍摄的物体处于聚焦平面之外时,其在记录单元所成的像是弥散斑的形式,本文通过分析透镜的光学特性、人眼能接受的弥散斑尺寸和人眼的正确透视距离推导集成成像采集过程中的景深模型。研究要点2:目前主流的分析再现景深模型的方法是在波动光学的基础上建立的,但是集成成像系统中透镜的孔径约为可见光波长的104倍,衍射效应的影响几乎可以忽略不计。本文研究并分析了错切现象,并基于该现象分析了再现景深的模型。平面显示器上的每一个子图像通过相对应的透镜之后会在像平面形成一个图像单元,我们通过显示系统获取到的3D图像是由这些图像单元组成的。当透镜的成像平面和重构平面的位置不统一时,透镜成像的特性和光线相交形成3D图像的过程会出现矛盾,这些单元图像便无法拼接成完整的3D图像,影响图像质量,降低景深范围。本文通过分析这个矛盾推导再现景深模型。研究要点3:提出了一种基于时分复用技术的集成成像显示方法,该方法可以消除错切现象,提升系统的景深。该方法由高亮背光、小孔阵列和液晶实现,小孔阵列相对于透镜阵列的优势在于其没有参考平面,对应不同深度场景的采集图像阵列在通过小孔阵列之后将在物体原来所处位置重建成3D图像。因此,通过快速刷新在液晶上显示的对应不同深度的采集图像阵列,再借助人眼的视觉暂留效应,观看者就能同时观看到多个深度平面的图像,系统景深便能得以提升。(2)基于集成成像和全息功能屏的光场显示技术研究要点4:在集成成像技术的基础上设计了一种大视角光场显示系统,其由LCD面板、透镜阵列和全息功能屏组成。该光场显示系统采用了大节距的复合透镜,能有效地提升观看视角。这里设计的复合透镜能抑制像差,提升图像质量。这里提出的全息功能屏能够调制从透镜阵列出射的光线,平滑光场信息,使图像连续。研究要点5:针对大视角光场显示系统,本文提出了一种基于离轴相机采集三维数据和合成图像生成的方法。离轴拍摄方式符合人类观看真实物体的方式,拍摄的公共区域更大,不会记录冗余的信息。合成图像编码算法中的像素映射关系是点对点过程,因此视点信息排布更加地精确。(3)基于非球面透镜和全息功能屏的大尺寸光场显示技术研究要点6:研究并设计了一个由LED面板、非球面透镜和全息功能屏的大尺寸、大视角光场显示系统。为了提升观看视角,本文设计了大节距的透镜阵列结构,同时为了抑制由于大视场角而带来的像差影响,本文设计并优化了非球面透镜,相较于球面透镜,这种结构的成像性能更加地优良。为了提升水平方向上的视点数目,使3D图像连续平滑,本文通过倾斜排布的非球面透镜结构调用了竖直方向上的像素来构建水平方向上的视点。结合全息功能屏调制光线的作用,实现了一个高质量的大尺寸、大视角光场显示系统。