自动立体三维显示也被称为裸眼三维(3D)显示,是新一代显示技术,观看者无需佩戴任何助视设备即可观看到3D图像信息,营造一种身临其境的氛围,获得更具冲击力的视觉体验。随着5G通信技术、网络技术、多媒体技术、人机交互技术和游戏娱乐产业的不断发展,以裸眼3D显示为载体的成像技术越来越受到人们的关注。本文以裸眼3D显示视点更加密集和分辨率无损失为研究目标,基于几何光学设计和空间光学调制设计,采用数值计算仿真方法和实验原理验证方法,重点对基于“眼空间”概念和动态光栅屏控制的密集视点、分辨率无损新型裸眼3D显示系统进行了样机设计和实验测试,验证了视差型平面显示技术可以重建图像的部分光场3D信息。不同应用场景的光场3D显示采用不同的技术路线,对悬浮式沙盘和车载显示系统的光场3D显示方案进行了总体设计和技术优化。在全息3D显示方面,提出了基于表面等离子体激元的全息波前光调控超透镜器件模型,对其结构设计和性能表现进行了软件仿真。本文针对现有裸眼3D显示技术中存在的分辨率损失、空间视点利用率不足等问题提出改善方案,并为之提供理论指导和技术支持。本论文的主要研究工作和创新点包括:1、新型裸眼3D显示技术理论模型构建。围绕如何提高裸眼3D显示的分辨率和如何增加视点数量两个基本需求,提出了新型裸眼3D显示设计思路。针对当前裸眼3D显示技术存在的观看位置和人数限制问题,引入“眼空间”概念,建立密集视点几何光学物理模型,仿真计算“眼空间”光强分布。通过发明一种液晶光栅屏幕,提出了光栅寻址驱动矩阵电路设计,实现光栅快门瞳孔的动态开关控制,以解决分辨率损失问题。通过建立数学模型和仿真计算,从原理上探讨了方案的可行性,并为后续的实验验证提供了理论指导。2、动态光栅裸眼3D显示系统搭建和实验结果分析。完成了基于“眼空间”和动态光栅屏幕的实验设计,给出了实验相关的硬件要求。分析了衍射效应对实验的影响,降低左右眼视图串扰度,平衡图像显示亮度均匀性。根据显示模式和扫描方式的不同,兼顾片源处理与动态光栅时空复用,利用控制信号提取和光栅瞳孔寻址电路设计以达到视角和景深优化。新型设计理念克服了当前裸眼3D显示技术的多种限制:包括观看位置、人数,还有显示亮度、景深、分辨率和带宽。3、光场裸眼3D显示应用场景方案总体设计。除了视差型动态光栅光场3D平面显示系统,本文还优化了悬浮沙盘和车载系统光场3D显示方案。该方案能够进一步提高三维显示的分辨率,在环绕方向增加视点数量,呈现出悬浮立体效果。车载多媒体显示系统通过虚拟张量显示技术把光场3D图像投影到立体空间,结合选择性亚像素映射技术,提高显示系统的分辨率,同时提供车载空间不同位置的运动视差。4、基于全息裸眼3D显示的表面等离子体超透镜。利用特定波长范围的光激发金属或石墨烯表面等离激元(SPP)共振,在材料与介质接触面产生倏逝波,通过调控材料色散和结构色散,实现相位补偿,达到消除色差聚焦的目的。又利用异常光透射(EOT)和改变基底介质有效折射率,实现主动控制的远场超聚焦。这种基于表面等离子体的超透镜在全息3D显示超分辨率成像方面有积极意义。