裸眼3D：起步于双眼显示，挑战高画质大范围观看
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。
3d立体电影第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。
按照不同的对象采用不同的方式
虽然裸眼式包括许多种类，但这些种类只是开发对象不同，基本构造等可以说是相同的。这是因为，无论是双眼、还是超多视点，基本构造都是通过在液晶面板上设置多透镜（Lenticular Lens）及格栅等来分离图像的，其基本思路是相同的。
那么，为什么又会出现多种方式呢？这是因为根据开发重点是放在显示的清晰度上、还是放在平滑的3维显示上等不同的开发目标而导致的。笔者认为目前还无法断定是两视点更好还是超多视点更胜一筹。人体工程学也没有明确地给出答案。尽管经常听到“立体显示器累眼”的批评，但为了消除这种现象，是增加立体影像信息好呢，还是需要重视画质，这个问题目前也还没有明确的答案。
在开发实例中，采用双眼显示及多视点显示、或者采用光线空间再现的居多（图3）。如果更详细地进行划分，则双眼显示包括：配合头部的运动、影像的显示也随着同步移动的头部跟踪（Head Tracking）方式，HDDP方式，扫描式背光板（Scan Backlight）方式等。多
视点显示方面有阶梯格栅（Step Barrier）方式以及倾斜透镜方式的开发先例。光线空间再现也有多种方式，目前不同的企业及研究机构都冠以各自的名称进行开发。关于这些方式的工作原理，将在后面予以介绍。
图3：裸眼式立体视觉显示器的开发实例
采用双眼显示、多视点显示以及光线空间再现技术，相关开发进行得非常火热。
首先提升市场需求
让我们来看看近年来裸眼立体显示器的开发动向。与裸眼立体视觉相关的研究，旨在平滑显示立体视觉影像。多视点、高密度指向性显示等通过增加视点数来实现更自然立体视觉效果的显示器，是目前的开发趋势。依笔者近10年来从事多视点式立体显示器市场开拓的经验来看，笔者感到到需求至关重要。以前，将开发出的多视点式显示器拿给用户看时，经常会听到“这是什么？画质真差”的疑问声。
为什么会出现这样的现象呢？事实上，目前对裸眼立体视觉的需求并不大。如果电影等会在电视上播发的话，也许会产生需求，但目前的实际情况是需求很少。在没有需求的时候拿出开发品让人评断的话，那么消费者自然会首先拿来与2维影像的画质进行比较。给看着2维影像的人看立体影像，结果只会是被指责画质差。
从这个意义上来说，提升市场的需求至关重要。近期电影界在3D电影方面的举措变成了起爆剂，各厂商都在加紧开发3维显示器商品。所以有内容才是最重要的。笔者到目前为止大约15年时间都在从事3维显示器业务，毎年都听着“今后是3维时代”的论调进行开发。然而，现实社会并没有出现3D热潮是不争的事实。但是，这次则不同。产业界被电影界的举措而触发。有了内容，电子产品厂商自然会随之跟进，现实社会也出现了“3维时代终于来临”的舆论。
如此想来，裸眼式立体显示器不必一步到位地执着于技术难度较大的多视点方式，而应从双眼方式循序渐进地逐渐启动市场。尽管双眼方式存在着只能从正前方看到立体影像的问题，但如果将目标锁定在有需求的消费者身上，那么市场就会形成。
那么，企业设想的3维显示器应用都包括什么呢？如果不限于裸眼方式的话，那么应该包括电影、弹子机以及游戏之类的娱乐领域。在信息通信领域，辅助设计、互联网以及电视等会存在3维显示器的用途。在医疗领域也值得期待，例如，拍摄立体影像信息用于手术等。笔者认为，3维显示器还适用于检查眼睛功能的装置以及图像诊断等。此外，可能还适用于艺术及广告类领域。
无论是哪种用途，如果3维显示使得画质变差，那么，对于看惯了清晰画面的用户而言就会感到欠缺。笔者认为，显示清晰度与视野范围的平衡至关重要。确保最低限度的显示清晰度，并在此基础上尽量扩大可视范围的挑战十分重要。
双眼视差格栅（Parallax Barrier）方式
下面，将从技术上对裸眼式3维显示器作一介绍。首先，让我们来看拥有大量应用实例的双眼视差格栅方式的基本构造（图4）。与普通的液晶面板一样，液晶面板的背面配置有背照灯。在液晶面板上交互显示R（右眼用）及L（左眼用）图像。如果在该液晶面板上设置起遮光板作用的狭长切口（例如，纵向条状遮光板），则上述交互显示的右眼图像将会只到达右眼，左眼图像只到达左眼。对于位于画面正前
方的观看者而言，由于产生了双眼视差，结果便能获得立体视觉。
图4：双眼视差格栅方式的基本设计
在液晶面板上设置起遮光板作用的狭长切口（图中的视差格栅）。通过狭长切口，R（右眼图像）只到
达右眼，L（左眼图像）只到达左眼。
双眼视差格栅方式的3维显示器的设计流程如下。考虑在液晶面板的像素及其上面配置
视差格栅，设液晶面板的间距为P，视差格栅的间距为Q，液晶面板像素与格栅开口部的距离为G。另外，设从视差格栅的观看距离为D，眼间距离为E。
此时，从图4中的A点线可以看出，形成了相似三角形。在该相似三角形中，
E：P＝D：G
的比例式成立。下面，让我们来观察图4中的B点线形成的三角形。此时，在三角形内Q：D＝2P：（D＋G）
的比例式成立。满足该比例式，便意味着可通过在液晶面板上设置视差格栅来获得立体视觉。例如，从图4中①像素射出的光通过视差格栅后，则成为图4中的E实线。同样地，从图4中②像素射出的光成为C实线，从图4中③像素射出的光成为D实线。
事实上，必需解决串扰（Crosstalk）问题。为了使观看者能够清晰地观看图像，我们希望分离图4中的①②③。然而，实际上由于光会扩散，因此，有时未完全分离而产生串扰，最终表现为叠影。
这是立体显示器性能上的问题。虽然开发人员为了减少串扰而进行了设计，但又使得液晶面板与视差格栅的干涉条纹变得显著，从而出现了云纹（Moire）。仅仅分离图像，也会产生各种问题。
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