增强现实(AR)技术邻域是一个具有战略性的新兴领域。在领域内,AR技术被认为是有可能取代手机从而解放人类双手的下一代个人移动计算与通信技术,所以备受人们的关注。近期由于光电显示技术的进步和巨大市场需求的驱动,AR技术飞速发展。以谷歌的Google Glass和微软的Hololens为代表的AR产品已经为我们带来了许多前所未有的视觉体验。但是,现阶段的AR设备在显示技术上还存在AR图像的三维实体感不强、易引起晕眩、存在视觉疲劳等不良效应。如何克服这些不良效应是AR显示技术发展的重要课题。本文面向增强现实显示的技术需求,利用集成成像能够提供全视差、全彩色的真三维显示的优点,提出一种方向性背光照明集成成像技术,利用调制汇聚背光、准直背光等方向性照明提高了三维图像的景深、分辨率、视角等方面的性能,以增强AR显示的三维效果。主要内容如下:(1)对基于三维集成成像的增强现实技术原理进行了分析。解析了集成成像技术的信息记录和再现过程;系统的光学参数和观察参数之间的关系。利用光线追迹的方法模拟了集成成像系统的信息采集和图像合成过程,实现了基于光线追迹技术的基元图像合成方法。(2)基于时序调制汇聚背光照明的集成成像技术的研究。通过对比分析不同背光照明方式下集成成像的成像质量,提出了一种基于时序调制汇聚背光照明的集成成像技术,大幅提升了三维图像的质量。通过对汇聚背光照明下基元图像合成过程以及三维图像的显示过程的深入分析,提出了新的基于汇聚背光照明的基元图像的合成算法,减少了再现三维图像的畸变。采用时序调制汇聚背光照明的方式同时增大了三维再现图像的视角、分辨率、景深。通过对比实验验证了方法的有效性。(3)基于准直照明的倾斜柱透镜阵列的集成成像技术研究。通过分析倾斜柱透镜下基元图的记录和三维图像再现的映射关系,实现了一种基于准直照明的基元图像合成算法。搭建了基于准直照明倾斜柱透镜阵列的集成成像实验装置,通过实验验证了该方法的有效性,获取了较高质量的三维图像。(4)基于三维集成成像的增强现实显示实验研究。结合离轴半透半反射凹面镜和三维集成成像技术实现了增强现实三维显示,搭建了三维增强现实显示系统,实现了虚拟三维图像和真实物体的叠加显示。