目前，无需使用眼镜即可观看立体影像的裸眼式3维显示器的研究开发势头正旺。本文将详细介绍裸眼式3维显示器的种类及工作原理。
     在开始介绍裸眼式3维显示器之前，首先让我们了解一下立体视觉的基本原理。立体视觉的生理性成因是什么，也就是说人是怎样感知立体影像的？。主要有五个成因（图1）。

  
图1：立体视觉的生理性成因
人对物体产生立体知觉的成因大致有5个：水晶体的调节、双眼的辐辏角、双眼视差、单眼的运动视差、取像效果。   
     第1是水晶体的调节。当人看近处的物体时水晶体会变厚，看远处的物体时则会变薄。通过对这一变化进行认知，人便获得了立体感。
     第2是双眼的辐辏角。当观看位于近处的物体时，眼球会发生倾斜，对于远处的物体，则是目光平行地观看。人能够通过这种眼球的角度（辐辏角）感知立体影像。
     第3是双眼视差。由于右眼与左眼相距约65mm，由此导致右眼与左眼看到的景象会有若干差异。
     第4是单眼的运动视差。人在看运动物体时，能够获得立体感。
     第5是取像效果。该效果基于人在观看非常大的画面时可获得立体感这一生理现象。
     在这五个成因中，效果最大的是双眼视差。因此，应用双眼视差的3维显示器开发势头正旺。
     接下来，让我们对立体影像显示方式进行分类。目前的立体影像显示方式大致可分为3类，即眼镜式、头戴显示器（Head Mount Display）式、以及本文将介绍的裸眼式（图2）。裸眼式又可分为在空间中分离图像的方式（空间分割方式）以及时间分割方式（交互显示方式）。如果将空间分割方式进一步分类，则又包括设定视点的方式、以及在不特别设定视点的情况下再现光线空间的方式（光线空间再现方式）。
  
图2：立体影像方式的种类
立体影像显示方式大体可分为裸眼式、眼镜式、头戴显示器（HMD）式3种。

     关于视点，大致可分为2视点和多视点方式。只能在正面观看的成为2视点方式，在2视点基础之上增加视点的方式称为多视点方式。后者的光线空间方式一般被称之为全景（Integral）方式。
     其中，多视点方式及全景方式存在运动视差，其特点是，如果横向移动头部，则可看到环绕的图像。多视点方式及全景方式看到的图像几乎相同。
     在多种多样的裸眼式立体视觉显示器中，最先开始开发的是2视点（双眼）方式。最先投放市场的也是双眼方式，因此可以说双眼方式一直领先其他方式一步。继双眼方式之后，多视点（多视点）方式、全景（光线空间再现）方式、以及视点数更多的超多视点方式相继被研发出来。


双眼多透镜方式
     设置多透镜来取代格栅，也能通过透镜的折射来分离图像。这一原理可通过图5来说明。在液晶面板上显示R（右眼用）及L（左眼用）图像，通过多透镜使像素在空间成像。

  
图5   双眼多透镜方式的基本设计
在液晶面板上配置多透镜。使液晶面板显示R（右眼用）及L（左眼用）图像，通过多透镜使像素在空间成像。   
     像双眼视差格栅方式一样，让我们用比例式来表示。相当于在相同的比例式中增加了透镜成像的算式。设液晶面板像素与多透镜的距离为G，从多透镜的观看距离为D，再加上多透镜的f值，则可表达为：
1/D＋1/G＝1/f
     适当地设计f值，就能清晰地分离图像。然而，必需考虑到液晶面板的黑色矩阵（Black Matrix）现象。液晶面板存在被称为黑色矩阵的、完全不透光的黑色区域。由于该区域同样通过多透镜成像，因此会反映到观看者的眼中。如果观看者横向移动头部，虽然有些地方图像清晰可见，但有的区域却是漆黑一片，看不到图像。
     出现这种现象时，会使观看者产生不适感，因此，在配置多透镜的情况下使成像的焦点不完全重合，借此虚化黑色区域的应用实例相当多。此外，近年来还开发出了不将多透镜垂直于像素配置，而是采用略微倾斜设置的方法。这种故意使像素相关的做法，可实现消除云纹的设计。
解决清晰度变差以及观看范围较窄的问题
     下面介绍一个双眼显示技术的开发事例。如果观察各厂商的举措会发现，双眼显示技术的一个开发方向是重视与2维显示的兼容性。也就是保证在2维显示时清晰度不会变差。
     例如，在视差格栅中设置开关功能。夏普已将此技术应用于产品中，其他厂商进行开发的例子也相当多。另外，还有一种方法是使液晶面板具有2倍的清晰度。这就是NEC液晶科技正在开发的名为HDDP构造的技术。此外，三菱电机正在开发一种在光源上设置指向性功能、以倍速顺次（Sequential）显示的技术。笔者所属的开发小组，正致力于开发一种采用阶梯格栅构造、以减轻清晰度变差的显示方法。在采取清晰度变差对策的同时，还有试图解决只能观看正前方影像的这一观看范围狭窄难题的技术。例如，通过检测观看者的位置来控制显示器的方法。三洋电机以及德国SeeReal Technologies等厂商一直在进行这方面的开发。
通过像素分割以及背照灯的指向性实现高画质


接下来让我们仔细分析上述所说的各种相关技术。首先是NEC液晶科技开发的HDDP构造。HDDP是Horizontally Double-Density Pixels的缩写。普通像素为正方形，相对于正方形，RGB采用纵向条状构造。而HDDP构造的特点是，RGB采用横向条状构造（图6）。另外，为了立体显示用，还要将横条进行分割，分配给右眼用像素及左眼用像素。横向上具有2倍的像素密度。显示普通2维图像时，向右眼用像素及左眼用像素输入相同的图像数据，进行立体显示时，则分别输入右眼用图像及左眼用图像。左右各自的图像采用多透镜进行左右分离，从而使人能够得到立体视觉
  

图6：通过HDDP构造实现的3维显示
在HDDP构造中，RGB的各子像素采用横向条状构造。另外，作为立体显示用，对横条进行分割，分配给右眼用像素及左眼用像素。在此基础上组装多透镜。这是NEC液晶科技开发的技术。   
     下面介绍三菱电机开发的扫描式背光板。其特点在于使得背照灯具有了指向性。背照灯的导光板配备了右眼用LED及左眼用LED。当右眼用LED发光时，通过棱镜片（Prism Sheet）控制光的指向性，使其只能被观看者的右眼看到（图7）。相反，当左眼用LED发光时，通过棱镜片使光分离到与上述不同的方向，使其只能被左眼看到。如果像这样使背照灯的亮灯动作交互地高速进行切换，并且与此同步地在液晶面板是显示相应图像，则可实现立体视觉。要想清晰地进行显示，则必需以2倍速显示影像。这样做虽然技术难度会提高，但画质则完全不会变差。（未完待续，特约作者：滨岸 五郎，索尼移动显示公司开发部）

  
图7：通过扫描式背光板实现的3维显示
预先在背照灯的光源中设置右眼用LED及左眼用LED。另外，使导光板上的棱镜片具备指向性，使得右眼用LED亮灯时，光只到达右眼，左眼用LED亮灯时，光只到达左眼。这是三菱电机开发的技术。   
注：本篇报道根据2010年1月25日由《日经电子》主办的研讨会“3维显示器的基础与应用”上的演讲编辑而成。演讲时作者的所属单位及职务为爱普生影像设备（Epson Imaging Device）面板生产统管部P开发设计部主管部长。


以方格状配置格栅，借此提高清晰度
     接下来，来看看笔者研发的阶梯格栅构造。一般的条状格栅由纵向的条带（Stripe）排列而成。图8中的白线四方形所围绕的部分构成1个像素的RGB。一般情况下，表示像素的四方形的横向宽度是纵向长度的2倍。也就是说，水平清晰度为1/2。

图8：通过阶梯格栅构造实现的3维显示
通过以方格状设置格栅，使3维显示时的图像变差现象变得不明显。这是爱普生影像设备以前开发出的技术。
     与此不同，阶梯格栅构造是以方格状配置格栅。相对于R和B，G使用旁边或者下方的格栅，1个像素形成1个三角形（图8中的白色虚线）。图像变差现象在水平及垂直方向上均匀分布。也可以说，在水平及垂直方向上画质变差到原来的1/√2 。相对而言，画质变差的程度较小。
     人眼对水平方向的清晰度非常敏感，而对垂直方向清晰度变差则不敏感。也就是说，保持水平清晰度能使画质看上去更清晰。从图8中的白色三角形可以看出，纵向长度为横向的2倍。换言之，就是使清晰度在水平方向上不变差，在垂直方向上变差1/2。
     我们近期经常进行2维显示模式、3维显示模式、以及混合模式（在显示2维图像的同时，局部显示3维图像），其清晰度变差现象几乎观察不到。实际上，2维图像的清晰度的确变差了，但通过人眼观看，几乎看不出变差。如果是文字显示，观看者会发现若干斜线，但在显示图像时则没有这些问题。由于可在2维图像中局部性地显示3维图像，因此我们认为这种技术很容易推广到多种应用领域。
检测观看者头部位置，切换左右影像
     让我们来看看与清晰度变差对策同时进行开发的、针对观看范围狭窄问题实施的对策。为了解决观看范围狭窄问题，主要有两个研究方向。一个是头部跟踪系统，另一个是近年来流行的多视点方式及全景方式。
     头部跟踪系统的最大特点是，可检测到观看者的位置，并使显示器进行跟踪。其他的特点包括：视点数方面既可实现双眼、也可实现多视点，可将清晰度变差的程度控制在最小限度，如果对构造进行优化，原理上可支持一名到多名观看者。这种方式，由于必需使显示系统运动，因此，系统会变得复杂。
     而多视点方式及全景方式则具有可再现运动视差的特点。另外，还具备可供多人同时观看的特点。当采用1枚显示器面板时，由于只需在面板上放置格栅或者多透镜即可实现立体视觉显示，因此，显示器构造非常简单。然而必需注意的是，如果增加视点数，虽然观看范围会扩大，但相应地清晰度会变差。
     如果将头部跟踪系统与多视点方式及全景方式进行对比，注重画质时，头部跟踪系统更占优势。尽管如此，目前开发头部跟踪系统的厂商几乎没有。笔者个人认为，无论从哪个角度看都具有较高画质的3维显示器是最终目标，所以可提高画质的头部跟踪方法应受到更多的关注。
     要想在头部跟踪系统上取得发展，传感技术不可或缺。目前，传感技术的进步显著，在数码相机上检测人物的脸部已轻而易举。所以在推进头部跟踪系统开发的过程中，这会起到非常有利的作用。
通过左右影像及格栅的移动扩大观看范围


作为头部跟踪系统的开发事例，下面介绍三洋电机采取的做法。三洋电机早就开发出了名为分割转换格栅（Shift Barrier）方式的头部跟踪系统。该系统呈阶段性地不断发展，到1997年该公司又开发出了可在观看者移动时移动左右（LR）图像的技术，1999年开发出了移动格栅的技术。通过这些举措，可以说成功地在横向上使观看范围大幅扩大。2001年发展出了分割控制技术，在前后方向上也扩大了观看范围。下面加以详细介绍。
     首先，是1997年开发出来的LR图像切换技术（图9）。例如，当观看者向左移动了相当于其眼间距离的65mm时，此人最初看到的右眼用图像及左眼用图像会发生互换。这种状态称为“逆视”，此时无法产生立体视觉。该问题的对策非常简单，只需切换LR图像即可。笔者研制的头部跟踪系统就采用了这种方法。

图9：可切换LR图像的头部跟踪系统实例
当观看者的位置横向偏移时，切换液晶面板上显示的左眼用及右眼用图像（LR图像），以保证持续产生立体视觉。这是三洋电机开发的技术。   
     当时开发的显示器具备横长型传感器，通过检测人的头部位置来显示与其位置相吻合的影像。位置检测的精度相当高，笔者曾将试制机带到日本九州大学供其用于手术。得到的评价是，在时间非常长的手术中，无需戴眼镜就能看清手术的状况。
     1999年，我们开发出了当观看者的位置发生横向偏移时、可横向移动格栅位置的转换格栅技术（图10）。当移动了65mm时只需切换图像即可，但如果只移动该距离的一半、例如32.5mm时，会发生什么情况？会发生观看者的右眼同时看到右眼图像和左眼图像的串扰现象。左眼也会出现相同的串扰状态。在这种情况下，只需略微移动格栅，串扰状态就能恢复到正常状态，从而实现立体视觉。

图10：通过移动格栅来消除串扰
如果观看者的横向移动距离小于眼间距离（65mm），则会产生同一只眼睛同时看到右眼图像和左眼图像的串扰现象。作为这一问题的应对措施，三洋电机开发出了移动格栅的技术。名为转换格栅方式。   
     这一过程的简单图解为图11所示。如果图11中立体视觉区的菱形位于观看者的两眼中央，则为正视区，可实现立体视觉。该菱形的旁边有逆视区。正视区与逆视区之间就是串扰区。在转换格栅方式下，为了改善这种串扰现象，通过移动格栅来移动可观看范围。然而，仅仅移动格栅的话，有可能进入逆视区，因此，LR图像的显示位置也要进行调整。这样一来，即使进行横向移动，也能在几乎任何位置实现立体视觉。
  
图11：转换格栅方式的效果
图中以图解方式展示了当观看者的脸部位置偏移时、通过转换格栅来扩展立体视觉区域的效果。
     1999年试制的3维显示器中配备的传感器方面，我们决定通过CCD摄像头来检测观看者的位置。遗憾的是，当时由于检测精度还很低，我们让观看者在头部中央贴了一个反射板。是从显示器中配备的LED发出红外线，根据反射板所反射的光来检测头部位置的。（未完待续，特约作者：滨岸 五郎，索尼移动显示公司开发部）


剩下的下次发