3Dディスプレイ

3D ディスプレイは、視聴者に奥行きを伝えることができるディスプレイ デバイスです。多くの 3D ディスプレイは立体視ディスプレイであり、立体視によって基本的な 3D 効果を生み出しますが、目の疲れや視覚疲労を引き起こす可能性があります。ホログラフィックディスプレイやライト フィールド ディスプレイなどの新しい 3D ディスプレイは、立体視と表示されるコンテンツの正確な焦点距離を組み合わせることで、よりリアルな 3D 効果を生み出します。このようにして、新しい 3D ディスプレイは、従来の立体視ディスプレイよりも視覚疲労が少なくなります。

2021 年現在、最も一般的な 3D ディスプレイのタイプは立体ディスプレイであり、ほぼすべての仮想現実機器で使用されているタイプのディスプレイです。3D ディスプレイは、VR ヘッドセットのように目の近くに設置する場合もあれば、3D 対応のモバイル デバイスや3D 映画館のように目から離れたデバイスに搭載する場合もあります。

「3D ディスプレイ」という用語は、あらゆる角度から見ることができるコンテンツを生成する立体ディスプレイを指す場合もあります。

最初の3Dディスプレイは1832年にチャールズ・ホイートストン卿によって開発されました^。[1]これは奥行きを表現する基本的な機能を備えた立体ディスプレイでした。

立体ディスプレイは、一般的に「ステレオ ディスプレイ」、「ステレオ 3D ディスプレイ」、「立体 3D ディスプレイ」と呼ばれますが、誤って単に「3D ディスプレイ」と呼ばれることもあります。

立体ディスプレイの基本的な技術は、左目と右目に別々に表示されるオフセット画像を提示することです。これらの 2D オフセット画像の両方が脳内で結合され、 3D の奥行きが知覚されます。「3D」という用語は広く使用されていますが、デュアル 2D 画像の表示はライト フィールドの表示とは明らかに異なり、3 次元空間での画像の表示とも異なります。

完全な 3D を表示できるディスプレイとの最も顕著な違いは、観察者の頭の動きや目の調節の変化によって、観察者が見る映像が変わらないことです。たとえば、一部のホログラフィック ディスプレイには、このような制限はありません。

2 つの 2D 画像を「3D」と呼ぶのは、能力を誇張した表現です。正確な用語「立体視」は、何十年にもわたる疑問の余地のない誤用によって定着した一般的な誤称「3D」よりも扱いにくいものです。3D ディスプレイは、立体視であるというより低い基準も満たしているため、立体視ディスプレイとも呼ばれることがよくあります。

1830 年代にチャールズ・ホイートストン卿が説明した立体視の原理に基づいて、立体視技術は視聴者の左目と右目に異なる画像を提供します。以下は、これまでに開発されたいくつかの注目すべき立体視システムで採用されている技術的な詳細と方法論の一部です。

従来の立体写真は、2D 画像のペア、つまりステレオグラムから 3D の錯覚を作り出すものです。脳の奥行き知覚を高める最も簡単な方法は、両眼が両眼で自然に受け取る視点とまったく同じわずかな偏差で、同じ物体の2 つの視点を表す 2 つの異なる画像を視聴者の目に提供することです。

目の疲れや歪みを避けるには、2 つの 2D 画像をそれぞれ視聴者の両目に表示し、視聴者が見る無限遠にある物体が、視聴者の両目が交差したり、交差したりすることなく、まっすぐ前を向いているときにその目で認識されるようにすることが望ましい。画像に地平線や雲などの無限遠にある物体が含まれていない場合は、画像の間隔をそれに応じて狭くする必要がある。

サイドバイサイド方式は作成が非常に簡単ですが、光学補助なしでは見るのが困難または不快になる可能性があります。

ステレオスコープは、立体画像カード（3 次元画像の錯覚を作り出すために並べて印刷された 2 つの別々の画像を含むカード）を表示するための装置です。

透明なベースに印刷されたステレオ画像のペアは、透過光によって表示されます。透明な表示の利点の 1 つは、不透明なベースに印刷された画像よりも、より広く、よりリアルなダイナミック レンジを実現できることです。もう 1 つの利点は、後方から照明が当てられるため、画像をレンズにかなり近づけることができるため、 より広い視野を提供できることです。

フィルムベースの立体的透明フィルムを見る習慣は、少なくとも 1931 年にTru-Vue が手持ちのベークライトビューアーに通して撮影した35 mm フィルムストリップ上の立体画像のセットを販売し始めた頃に遡ります。1939 年には、この技術を改良して小型化したバージョンがView-Masterとして発表されました。このバージョンでは、7 組の小さなコダクロームカラー フィルム透明フィルムが入った厚紙のディスクが使用されています。

ユーザーは、通常、両目に 1 つずつ拡大レンズ付きの小型LCDまたはOLEDディスプレイが付いたヘルメットまたはメガネを着用します。この技術は、ステレオ映画、画像、またはゲームを表示するために使用できます。ヘッドマウント ディスプレイは、ヘッド トラッキング デバイスと組み合わせることもできます。これにより、ユーザーは頭を動かすことで仮想世界を「見回す」ことができ、別のコントローラーが不要になります。

コンピュータグラフィックスの急速な進歩と、ビデオやその他の機器の継続的な小型化により、これらのデバイスはより手頃な価格で利用できるようになり始めています。ヘッドマウント型またはウェアラブル型のメガネを使用して、現実世界のビューに重ねられたシースルー画像を表示し、いわゆる拡張現実を作成できます。これは、ビデオ画像を部分反射ミラーに反射することによって行われます。現実世界は、部分反射ミラーを通して見ることができます。

ホログラフィック導波路または「導波路ベースの光学」の最近の開発により、かさばる反射鏡を使用せずに立体画像を現実世界に重ね合わせることができるようになりました。^{[2] [3]}

ヘッドマウントプロジェクションディスプレイ（HMPD）はヘッドマウントディスプレイに似ていますが、画像は反射スクリーンに投影され表示されます。この技術がヘッドマウントディスプレイよりも優れている点は、焦点合わせや輻輳の問題を矯正用レンズで修正する必要がないことです。画像生成には、LCDやOLEDスクリーンの代わりにピコプロジェクターが使用されます。^{[4] [5]}

エクリプス方式では、反対側の目の画像がスクリーンに投影されるときに、シャッターがそれぞれの適切な目からの光を遮断します。ディスプレイは左と右の画像を交互に表示し、スクリーン上の画像と同期してメガネまたはビューアーのシャッターを開閉します。これが、1922年に短期間使用されたテレビューシステムの基礎となりました。 ^{[6] [7]}

エクリプス方式のバリエーションは、LCDシャッターグラスで使用されています。これは、交互フレームシーケンスの概念を使用して、映画館、テレビ、またはコンピューター画面上の画像と同期して光を通過させる液晶を含むグラスです。これは、nVidia、 XpanD 3D、および以前のIMAXシステムで使用されている方法です。この方法の欠点は、各視聴者が高価な電子グラスを着用する必要があり、ワイヤレス信号または接続されたワイヤを使用してディスプレイシステムと同期する必要があることです。シャッターグラスはほとんどの偏光グラスよりも重いですが、より軽いモデルは一部のサングラスや高級偏光グラスよりも重くありません。^[8]ただし、これらのシステムでは、投影された画像にシルバースクリーンは必要ありません。

液晶ライトバルブは、2 つの偏光フィルター間で光を回転させることによって機能します。これらの内部偏光子により、LCD シャッター グラスは、LCD、プラズマ、またはプロジェクター画像ソースの表示画像を暗くします。その結果、画像は暗く見え、通常の非 3D 表示よりもコントラストが低くなります。これは必ずしも使用上の問題ではありません。すでに非常に明るく、グレーがかった黒のレベルが低い一部のディスプレイでは、LCD シャッター グラスによって実際に画像品質が向上する場合があります。

アナグリフでは、2 つの画像が、赤とシアンの 2 つのフィルターを通して加法光設定で重ね合わされます。減法光設定では、2 つの画像が同じ補色で白い紙に印刷されます。両目に色付きフィルターが付いたメガネをかけると、フィルターの色を打ち消し、補色を黒にすることで、適切な画像が分離されます。一般にアナクロームと呼ばれる補正技術では、この技術に関連する特許取得済みのメガネで、わずかに透明度の高いシアン フィルターを使用します。このプロセスにより、典型的なアナグリフ画像が再構成され、視差が少なくなります。

アナグリフの通常の赤とシアンのフィルター システムの代替として、ColorCode 3-Dがあります。これは、赤チャンネルが損なわれることが多い NTSC テレビ規格と組み合わせてアナグリフ画像を表示するために発明された特許取得済みのアナグリフ システムです。ColorCode は画面上で黄色と濃い青の補色を使用し、メガネのレンズの色は琥珀色と濃い青です。

立体画像を提示するために、2 つの画像が異なる偏光フィルターを通して同じスクリーン上に重ね合わせて投影される。見る人は眼鏡をかけるが、その眼鏡にも異なる向きの偏光フィルターのペアが含まれている (円偏光の場合は時計回り/反時計回り、直線偏光の場合は 90 度の角度、通常は 45 度と 135 度^[9] )。各フィルターは同様に偏光された光だけを通過させ、異なる偏光された光を遮断するため、それぞれの目には異なる画像が見える。これは、両方の目に同じシーンを投影し、わずかに異なる視点から描写することで、3 次元効果を生み出すのに使用されている。さらに、両方のレンズの色が同じであるため、片方の目をより多く使用する利き目を持つ人は、2 つの色の分離によってこれまでは打ち消されていた色を正しく見ることができる。

円偏光は直線偏光に比べて、偏光が適切に機能するために視聴者が頭をまっすぐにしてスクリーンと一直線にする必要がないという利点があります。直線偏光では、メガネを横にするとフィルターがスクリーンのフィルターと一直線に合わなくなり、画像がフェードアウトして、それぞれの目に反対側のフレームが見えやすくなります。円偏光の場合、視聴者の頭が横に傾いていても、上下逆でも、スクリーンとどのように一直線に並んでいても偏光効果は機能します。フェードアウトやクロストークがなく、左目には意図された画像のみが表示され、その逆も同様です。

通常の映画スクリーンから反射された偏光は、通常、偏光の大部分を失います。そのため、偏光損失が無視できる高価な銀スクリーンまたはアルミニウム スクリーンを使用する必要があります。偏光の種類に関係なく、表示される画像は暗くなり、非 3D 画像に比べてコントラストが低下します。ランプからの光は通常、偏光のランダムな集合として放射されますが、偏光フィルターは光の一部のみを通過させます。その結果、画面の画像は暗くなります。この暗さは、プロジェクターの光源の明るさを上げることで補正できます。最初の偏光フィルターをランプと画像生成要素の間に挿入すると、画像要素に当たる光の強度は偏光フィルターがない場合と通常とで差がなく、画面に送信される画像全体のコントラストは影響を受けません。

ドルビー 3D は、右目に赤、緑、青の特定の波長を使用し、左目には赤、緑、青の異なる波長を使用します。特定の波長をフィルタリングする眼鏡を着用すると、3D 画像を視聴できます。この技術により、映画館で最も一般的な 3D 表示システムであるRealDなどの偏光システムに必要な高価な銀スクリーンが不要になります。ただし、偏光システムよりもはるかに高価な眼鏡が必要になります。これは、スペクトル コム フィルタリングまたは波長多重視覚化とも呼ばれます。

オメガ 3D/パナビジョン 3Dシステムもこの技術を使用していますが、スペクトルがより広く、櫛歯の数が多くなっています (オメガ/パナビジョン システムでは、片目に 5 本)。片目に多くのスペクトル バンドを使用することで、ドルビー システムで必要な画像の色処理が不要になります。可視スペクトルを両目に均等に分割すると、光エネルギーと色のバランスがほぼ 50:50 になるため、視聴者はよりリラックスした「感覚」を得ることができます。ドルビー システムと同様に、オメガ システムは白または銀のスクリーンで使用できます。ただし、ドルビー フィルターとは異なり、フィルム プロジェクターでもデジタル プロジェクターでも使用できます。ドルビー フィルターは、ドルビーが提供する色補正プロセッサを備えたデジタル システムでのみ使用されます。オメガ/パナビジョン システムでは、自社のメガネはドルビーが使用するメガネよりも製造コストが安いとも主張しています。^[10] 2012年6月、オメガ3D/パナビジョン3Dシステムは、パナビジョンに代わって販売していたDPVOシアトリカルによって、「世界経済と3D市場の厳しい状況」を理由に廃止されました。^[要出典] DPVOは事業を解散しましたが、オメガオプティカルは非劇場市場への3Dシステムの販売促進と販売を続けています。オメガオプティカルの3Dシステムには、投影フィルターと3Dメガネが含まれています。パッシブ立体3Dシステムに加えて、オメガオプティカルは強化アナグリフ3Dメガネを製造しています。オメガの赤/シアンアナグリフメガネは、複合金属酸化物薄膜コーティングと高品質のアニールガラス光学系を使用しています。

プルフリッヒ効果は、両眼の信号タイミングの相対的な差により、 視野内の物体の横方向の動きが視覚皮質によって奥行き成分を持つものとして解釈される心理物理学的 知覚です。

プリズムグラスを使用すると、交差ビューイングが容易になり、オーバー/アンダー ビューイングも可能になります。例としては、KMQ ビューアーが挙げられます。

この方法では、立体画像を見るのにメガネは必要ありません。レンチキュラーレンズと視差バリア技術では、2 つ (またはそれ以上) の画像を同じシートに細い交互の帯状に配置します。そして、2 つの画像の帯の 1 つをブロックするスクリーン (視差バリアの場合) を使用するか、同じ幅のレンズを使用して画像の帯を曲げ、画像全体を埋め尽くすように見せます (レンチキュラープリントの場合)。立体効果を生み出すには、片方の目で 2 つの画像のうち 1 つを見て、もう一方の目でもう 1 つの画像を見るように人を配置する必要があります。多眼式自動立体視の光学原理は 1 世紀以上前から知られています。^[11]

どちらの画像も、鋭角に光を反射する高ゲインの波形スクリーンに投影される。立体画像を見るためには、視聴者はスクリーンに対してほぼ垂直な非常に狭い角度内に座らなければならないため、観客の人数が制限される。レンチキュラーは、1940年から1948年にかけてロシアで多数の短編映画の劇場上映に使用され^[12]、1946年には長編映画「ロビンソン・クルゾー」でも使用された^[13]。

劇場での使用は限られているが、レンチキュラーは様々なノベルティアイテムに広く使用されており、アマチュアの3D写真撮影にも使用されている。^{[14] [15]}最近の用途としては、 2009年に発売された自動立体視ディスプレイを搭載した富士フイルムのFinePix Real 3Dが挙げられる。この技術の他の例としては、モニター、ノートパソコン、テレビ、携帯電話、ニンテンドー3DSなどのゲーム機の自動立体視LCDディスプレイが挙げられる。

ボリューム ディスプレイは、何らかの物理的なメカニズムを使用してボリューム内の光の点を表示します。このようなディスプレイでは、ピクセルの代わりにボクセルを使用します。ボリューム ディスプレイには、複数の表示平面が積み重ねられたマルチプレーン ディスプレイや、回転パネルがボリュームを掃引する回転パネル ディスプレイなどがあります。

装置の上空に光の点を投影する技術も開発されている。赤外線レーザーを宇宙空間の目的地に焦点を合わせると、可視光を発する小さなプラズマの泡が発生する。

ライト フィールド ディスプレイは、ディスプレイの表面に「ライト フィールド」を再現しようとします。各ピクセルに異なる色を表示する 2D ディスプレイとは対照的に、ライト フィールド ディスプレイは、光線が放射される各方向に対して各ピクセルに異なる色を表示します。このように、異なる位置の目はディスプレイ上で異なる画像を見ることになり、視差が生じて 3D 感覚が生まれます。ライト フィールド ディスプレイはガラス窓のようなもので、人々が見る光線はすべてガラスから (ガラスを通して) 来ているにもかかわらず、人々はガラスの後ろにある 3D オブジェクトを見ます。

ディスプレイの前のライトフィールドは、1) ディスプレイ上の各ポイントで異なる方向に異なる光線を放射することによって、2)ディスプレイの前に波面を再現することによって、2つの方法で作成できます。最初の方法を使用するディスプレイは、レイベースまたはライトフィールドディスプレイと呼ばれます。2番目の方法を使用するディスプレイは、波面ベースまたはホログラフィックディスプレイと呼ばれます。波面ベースのディスプレイは、ホログラムと同じように機能します。レイベースのディスプレイと比較して、波面ベースのディスプレイは、ライトフィールドを再構築するだけでなく、平面波の曲率と、さまざまな方向の波の位相差も再構築します。^[16]

インテグラルフォトグラフィーは、完全な視差情報を持つ光線ベースの方法の1つです。ただし、水平視差のみで開発された光線ベースの技術もあります。^[16]

ホログラフィック ディスプレイは、両眼視差、運動視差、調節、輻輳という4 つの目のメカニズムすべてを提供できるディスプレイ技術です。特別なメガネをかけなくても3Dオブジェクトを視聴でき、人間の目に視覚的な疲労を引き起こしません。

2013年、シリコンバレーの企業LEIA Incは、多方向バックライトを使用し、メガネを必要とせずに3Dコンテンツを見ることができる広いフルパララックスアングルビューを可能にする、モバイルデバイス（時計、スマートフォン、タブレット）に適したホログラフィックディスプレイの製造を開始しました。 ^[17]彼らの最初の製品は携帯電話（Red Hydrogen One）の一部であり、後に独自のAndroidタブレットに搭載されました。^[要出典]

インテグラル イメージングは​​、オートステレオスコピックまたはマルチスコピック3D ディスプレイであり、視聴者が特別なメガネを使用せずに 3D 画像を表示します。これは、画像の前にマイクロレンズのアレイ (レンチキュラー レンズに類似) を配置することで実現され、各レンズは視野角に応じて異なって見えます。したがって、どの方向から見ても同じように見える 2D 画像を表示するのではなく、3Dライト フィールドを再現し、視聴者が移動すると 視差が現れるステレオ画像を作成します。

「圧縮ライトフィールド」と呼ばれる新しいディスプレイ技術が開発されています。これらのプロトタイプディスプレイは、表示時に階層化されたLCDパネルと圧縮アルゴリズムを使用します。設計には、コンピューター断層撮影や非負行列分解、非負テンソル分解 などのアルゴリズムによって駆動されるデュアル^[18]およびマルチレイヤー[19 ^{] [20] [21]}デバイスが含まれます。

これらの表示技術はそれぞれ、見る人の場所、扱いにくいまたは見苦しい機器、高額な費用など、限界があるようです。アーティファクトのない 3D 画像の表示は依然として困難です。^[要出典]

• オートステレオグラム
• ウィグル立体視