光物理学

“うわー、それは素晴らしいです”ロンドンの王立協会で昨年の夏の科学展への少なくとも一人の訪問者の反応でした。 彼らの熱意は、主に以前の社会の350周年のお祝いの一環として展示会を開いていた女王の存在によるものではありませんでした。 むしろ、彼らの興奮は、オックスフォードのシャープ研究所からのショーで最新の液晶ディスプレイにダウンしていました。 視聴者は、特別な眼鏡を必要とせずに、ラップトップ上で3Dで動画を見ることができました。 彼らは明らかに彼らの肩から下降鳥で、セントマークス広場、ヴェネツィアで供給されているハトを見ることができるか、彼らはインタラクティブなコン

ロイヤル-ソサエティで展示されているメガネフリーの3Dディスプレイは、携帯電話や46インチの薄型テレビから携帯電話の個人用電子ゲーム、iPadやその他のタブレットデバイスまで、あらゆるもので動画を見ることができる液晶ディスプレイによってもたらされた革命の最新の例に過ぎなかった。 しかし、現代の液晶ディスプレイの誕生をマークした重要な特許が提出されてからわずか40年であると考えるのは驚くべきことです。 有機発光ダイオード（Oled）、プラズマおよび”電子インク”はまた現代表示の性質を変えているが、それは3D表示技術の最前線に今ある液晶の驚くべき特性で

3Dでのイメージング

メガネなしで3Dで画像を見ることは本当に驚異的な経験ですが、最初にこれが他の3Dイメージング技術とどのように適合 立体視、ホログラフィック、容積測定の三つの主要な技術がありますが、画面が液晶、プラズマ、Oledを使用しているかどうかにかかわらず、すべて同じ原則で動作します。 彼らはそれぞれ、リアリズム、複雑さ、サイズ、コストの面で長所と短所を持っていますが、嵐によってハイストリートを取って3Dテレビの大部分で使用されている最も商業的に実行可能な方法は、私たちの目のそれぞれに画像の異なる視点を示すことを含みます。 この”立体”技術は、各目が異なる視点を見て、脳が周囲の3D知覚を作成するために一緒に二つの画像を”融合”現実世界を模倣しています（図1a）。

左目と右目に別々に画像を表示するという作業は、長年にわたって様々な独創的な方法で取り組んできました。 1950年代まで映画館で試行され、多くの人々がよく知っているアプローチは、それぞれ左右の目に赤と青の色のレンズを別々にした眼鏡を着用することです。 ここでの考え方は、画像が赤、緑、青のチャンネルに分割され、左目は赤の画像のみを見て、右目は緑と青の画像のみを見ているということです。

より最近のシステムでは、色付きのレンズは廃止され、代わりに各眼に光を交互に透過させて遮断する眼鏡が使用されています。 言い換えれば、レンズは「光学シャッター」として機能し、ある瞬間に一方の目は静止画を見ることができますが、他方の目は見ることができません。 映画L1、R1、L2、R2、L3、R3などの連続する静止画像にラベルを付けると、左目は「Lシーン」のみを見、右目は「Rシーン」のみを見ます。 これらのガラスは場面自体は普通120のHzか240のHzの頻度で更新されるが電子工学のさまざまなビットがそれらを働かせるように要求する。 （別のアプローチ–スポーツを見るためにパブで見つかった投影スクリーンと共通–LとRのシーンは、異なる偏光で表示されるために、ユーザーが異なる偏光を持つレン)

この立体的なアプローチを使用して生成された画像は、驚くべきリアリズムで画面から飛び出すことができます。 ただし、立体画像は、意図した3D位置に関係なく、その中のすべてのオブジェクトが焦点を合わせているため、完璧ではありません。 現実の世界では、対照的に、3D画像の異なる深さは、異なる位置に焦点を当てています。 フォーカスを正しく処理する3D画像を作成するための一つの技術は、ホログラフィーです（図1b）。 ホログラムは、物体からのコヒーレントな反射光が同じ波長のコヒーレントな参照ビームと重なったときに作成された干渉パターンを感光材料に記録することによって作成される。 パターンは感光性材料の吸収、屈折率または厚さの変更として貯えられ、目的のコピーは読み出しレーザーとパターンを照らすことによって作り直すことが 3Dホログラムは、本質的に、各画像が異なる画像平面を表す高解像度の2D画像のスタックを有するようなものである。

3Dホログラムの大きな利点は、シーンの前の近くのオブジェクトを見ることから後ろのオブジェクトに変更するには、視聴者の目の焦点を調整す 残念なことに、現実的なホログラフィック画像を生成するのに十分な精度で光波面を作成して制御するには、今日の市販のLcdに見られるよりも数千倍も高いピクセル密度を持つディスプレイと、必要なデータ量を処理するための驚異的な量のコンピュータ処理能力が必要です。 従ってイメージが優秀であるが、ホログラフィック表示が商業現実になる前にそれ以上の技術的な革新はまだ要求されます。対照的に

立体視検査は、私たちの脳が画像の異なる視点を持つ左右の目から深さを推測するのが得意であるという事実に依存しています。 実際には、これは、立体視ディスプレイは、”通常の”ディスプレイが2D画像を作成するために必要なデータの2倍の量だけを使用して3D画像を作成

3Dディスプレイを作るための第三のアプローチは、平面に配置された従来の2Dピクセルを廃止し、代わりに3D、体積ピクセル、または”ボクセル”を使 このようなボクセルを作成する一つの方法は、回転するスクリーンで輝くプロジェクターを使用することです（図1c）。 スクリーンとプロジェクターを合わせることによって、ライトは掃除する円柱容積内のあらゆる位置でスクリーンを離れて反映することができる。 体積ディスプレイは強い3D印象を作り出すことができますが、一つの暗礁は、ディスプレイの体積に投影された光がこの空間全体に自由に伝播 これにより、アイテムを透明にすることができ、他の人の後ろに隠されていると思われるオブジェクトは、前のものを”きらめく”傾向があります。 容積測定の表示はまたかなり扱いにくいがちである。

メガネフリー立体視

これまでメガネベースの立体3Dディスプレイについて説明しましたが、誰もが望んでいるのはメガネを完全に廃止することです。 これはおそらくあらゆる主要な表示会社によって追求され、新しい消費者製品が今現れ始めている研究の活動的な区域である。 例えば、任天堂はすでにメガネフリーのニンテンドー3DSゲームコンソールをリリースしているが、3D携帯電話はシャープから入手可能である。

このようなメガネなしのディスプレイはすべて立体視に基づいており、課題はそれぞれの目に異なる画像が向けられるようにすることです。 これを達成するには3つの主要な方法があり、それぞれには使用するものに応じて独自の長所と短所があります。 最も一般的なアプローチは、ユーザーが画面の前で固定された位置に座る必要がある場所であり、これは、例えば、任天堂3DS、シャープのLYNX3D SH-03C携帯電話やFujifilmのw3 3Dカメラの背面にあるディスプレイで使用されている。 次のアプローチは、ユーザーの視聴位置を追跡するディスプレイであり、現在市販されているこれを使用した製品は現在ありませんが、近年、業界の展示会で 最後のタックは、すでにいくつかのメガネフリーの3Dテレビに見られる”マルチビュー”ですが、放送規格を変更せずにマルチビュー3dを生成することは容易ではないため、まだ市場に大きな進出をしていません。

“固定位置”メソッドは、ユーザーがディスプレイを正面から見て、ディスプレイ自体に対して視線が90°になるようにすることを前提としています（図1a）。 画像は小さなストライプL、R、L、R、L、Rに分離され、すべてのL画像が左眼に送信され、すべてのR画像が”視差バリア”と呼ばれる物理デバイスによって右眼に送信されます(図2)。 約70年前から知られているこの技術は、もちろん、写真や絵画など、LCDディスプレイだけでなく、左右の画像を左右の画像ストライプにインターレースして視差バリアと連携させることができれば、任意の画像に適用することができます。

パララックスバリアの欠点は、各眼はピクセルの半分しか見ることができないため、”間違った”方向、すなわちLストライプから右眼またはRストライプから左眼に向かって移動する光がバリアによって吸収されることである。 これにより、ディスプレイからの強度が約半分にカットされ、解像度が低下します。 実用的には、これは、ディスプレイが従来の2Dモードで使用されているときに、視差バリアを除去する必要があることを意味する。 シャープの3D携帯電話などのほとんどの3Dディスプレイでは、これは電気的にオンまたはオフにすることができる液晶層から障壁を作ることに

もちろん、パララックスバリアを省略し、代わりに透明なレンズを使用して、LとRの光を適切な目に向ける方がはるかに効率的です。 確かに、研究者はすでにそれを行うことができる液晶を使用して高品質の円筒レンズを開発しています。 原理は簡単です：液晶の屈折率は電圧によって変化するので、これらの材料から作られたレンズは、電圧が印加されると”オン”、電圧が除去されると”オフ” これらの円筒形液晶レンズは、視差バリアの代わりに光を正しい方向に向ける（図3）。 この技術は、将来的にはメガネフリーの3Dディスプレイの効率を倍増させる可能性があり、多くの企業が積極的に研究を行っていることが知られて

パララックス技術の欠点の一つは、ユーザーが画面に対して特定の位置に座る必要があることです。 対照的に、”追跡された視聴位置”技術は、ユーザーの頭の位置を追跡することによって、3D画面を眼鏡なしで任意の角度から見ることを可能にする。 これは、例えば、ユーザーの顔と目の位置を識別するために、前方に面したwebカメラでラップトップをフィッティングすることによって達成することがで 確かに、この技術は、顔が自動的に焦点の中心になることを保証するために、ハイストリートで販売されている多くのデジタルカメラではすでに一般 メガネなしの3D視聴に必要なのは、左右の画像が見られる角度を変えることができる自動的に調整可能な視差バリアです。 カメラは、視差バリアが適切な角度で左右の視点を指示しながら、その後、ユーザの位置を識別することができます。

この調整は、画像処理チップに書き込まれた顔追跡アルゴリズムを使用して行うことができ、非常に効率的に動作するため、あまり処理能力が必要 カメラは、ユーザーが画面からどのくらい離れて座っているかを監視し、それに応じて画像を調整することもできます。 実際には、観察者は、理想的な視距離から最大３ ０ｃｍまで移動することができるが、それらの左右の移動は、通常から約±３ ０°に制限される。 複数のユーザーを収容することは原則として可能ですが、システムの複雑さは大幅に増加します。 視聴者が自由に動き回ることに加えて、追跡視聴位置システムの他の利点は、画像がコンピュータで生成されたシーンからのものである場合、視点をユー たとえば、視聴者は文字通りオブジェクトの側面（立方体など）を見回して、以前は目に見えなかった面を視界に入れることができます。

メガネフリー3Dマルチビューを生成するための第三の方法については、その目標は、視聴位置と複数の視聴者の広い範囲で動作することです。 これを行うには、ディスプレイは二つの視点だけでなく、通常は八つ以上を出力します。 ユーザーは、視点1と3、または2と4などを見るために目を配置することができるので、3D効果は広い範囲の角度から達成することができます。 例えば、八つのビューを持つマルチビューシステムは、2Dシステムよりも八倍の解像度を必要とし、八つのビューを合成したり、利用可能なテレビ帯域幅で送信したりするためにいくつかの工夫が必要である。 それにもかかわらず、この技術はおそらくフィリップスと東芝の両方がすでに市場にマルチビューテレビを発売して、メガネフリーの3Dテレビのため

早送り

先ほど説明したように、シャープはすでに、切り替え可能なパララックスバリアとして機能する携帯電話の液晶画面を設計し、構築しています。 立体入力データを提供する従来の液晶ディスプレイと並行して使用され、このシステムは、高品質のメガネフリーの3D画像を提供します。 しかし、電子メディア業界は、3Dディスプレイが単なるニッチな製品ではなく、現代の生活の不可欠な部分である未来のビジョンを持っています。 つまり、3D映画を表示するホームシネマシステム、没入型3D環境で再生されるコンピュータゲーム、および深さで提示されている休日の写真を意味します。

したがって、さまざまな3D生成方法がさまざまな用途に利用可能になることが期待でき、それぞれの方法の中で、光学技術の向上や、3D相互作用を可能にするような新しい関連技術が期待できる。 このようなデバイスはすべて、液晶の特定の電気光学特性を利用する可能性が非常に高いです。 昨年の夏の王立協会の展示会で展示されている製品は、今年すでに市場に出ていますが、始まりに過ぎません。