裸眼3D液晶透鏡技術專利分析

蔣路帆，郭 娟

（國家知識產權局專利局 專利審查協作北京中心，北京 100190）

裸眼3D作為立體顯示領域最具發展潛力的技術分支，代表了立體顯示技術未來的發展方向。液晶透鏡（Liquid Crystal Lens）技術能夠通過電場控制液晶分子的動作來實現透鏡效果，既能克服其他裸眼立體顯示技術中的亮度低、透鏡焦距固定等問題，又能實現在顯示屏幕中2D/3D圖像的共融顯示。如果該技術能夠大規模地應用于終端顯示設備，則必將給3D行業帶來巨大變革[1-2]。目前，雖然液晶透鏡技術尚未大規模產品化，但國內外市場主體圍繞該技術的專利布局已經展開，因此從專利的角度對該技術的申請態勢、技術發展趨勢以及主要申請人進行分析，將對企業的技術研發、專利布局提供有價值的專利情報。更多內容詳見《產業專利分析報告（第5冊）》[3]。

1 專利申請趨勢

本文的分析樣本檢索于中國專利文摘數據庫（CPRSABS）和德溫特世界專利索引（DWPI）數據庫，時間范圍為2010年6月30日之前公開的專利文獻。數據表明，與液晶透鏡技術相關的全球專利共有181項。1976年，液晶透鏡領域出現了第1篇專利申請——US4385805A，發明人Donald J.Channin首次提出了利用電極、液晶材料制成具有透鏡功能的光學元件，并利用對電極施加電壓來控制該透鏡元件的工作。雖然該技術并非為裸眼3D而研發，但其為裸眼立體顯示技術帶來了新的思路。遺憾的是，該發明受讓人美國廣播唱片公司（RCA）并未將其改進并形成產品。此后相當長的一段時間內，液晶透鏡技術的申請量都非常低，其發展也陷入沉寂。2000年開始，隨著顯示設備的平板化，液晶透鏡技術迎來了申請高峰。可以預見，隨著技術點的突破、市場需求提高以及市場化能力的進一步提升，該技術的發展活躍程度仍有很大的提升空間。液晶透鏡技術專利申請趨勢如圖1所示。

2 技術分析

液晶透鏡技術的原理是，對液晶單元施加電壓來改變液晶單元的光學效果，使其發出的光產生折射。因此可將其應用于裸眼3D顯示設備中，通過調整光的折射方向，使左眼圖像的光折射到人的左眼，右眼圖像的光折射到右眼，從而產生3D效果。該技術從產生至今，經歷了幾個重要發展階段，針對該技術的發展脈絡和技術功效分析，可為技術參與者和潛在的技術參與者的研發提供重要參考。

2.1 技術發展脈絡

本文重要專利的選取考慮因素為同族數、引證頻次和該專利在技術發展中所起的作用，基礎性專利通過與企業技術研發人員討論確定。在標引出重要專利和基礎性專利的基礎上，根據液晶透鏡的技術效果改進歷程，按時間順序梳理出如圖2所示的液晶透鏡技術發展脈絡圖。

圖2 液晶透鏡技術脈絡圖

1976年，發明人Donald J.Channin首次在專利US4385805A中提出利用電極、液晶材料制成具有透鏡功能的光學元件，并對電極施加電壓來控制該透鏡元件的工作。在此之前，裸眼立體顯示所采用的透鏡技術大多是柱狀透鏡和微透鏡，存在成本高而且不能對透鏡進行控制等缺陷。液晶透鏡技術的出現使得對透鏡的可調可控成為可能，進而為在裸眼顯示中實現2D/3D共融顯示、指向性顯示等技術難題提供了解決方案。然而該專利技術產生時僅處于實驗室階段，液晶厚度過大、要求的電壓過高等一系列技術瓶頸一直未能攻克。

微透鏡技術的發展對液晶透鏡技術起了巨大的推動作用。1997年，日本專利JP1998239676A提出在液晶中使用網狀的高分子網絡，改善液晶分子的性能，使得這種液晶透鏡便于修改為微型透鏡陣列，從而使其成為裸眼3D的前沿解決方案。

2003年，福羅里達大學的專利US7408601B1中提出引入TN-LC材料作為液晶材料來實現透鏡功能，使得微透鏡不再依賴極化光，且使得控制電壓降到了20 V以下，為該技術的產品化做了良好鋪墊。

2004年，日本旭硝子公司在專利US2007146625A中提出，通過形成在菲涅耳透鏡的凹凸狀表面的第一透明電極；形成在一個透明襯底的第二透明電極；分別對液晶層施加M個（M為大于等于3的整數）規定的電壓，使得該透鏡具有可變的焦距。該技術給出了一種新的液晶微透鏡結構，解決了液晶微透鏡厚度大、響應速度慢的問題。

2007年，LG公司提出的專利申請US2009190049A中指出將液晶層至于第一基底和第二基底之間，通過向多個第一電極施加不同的電壓，而實現透鏡不同的折射功能。該技術可實現動態變焦，代表了液晶透鏡未來的發展方向。

2.2 技術-功效分析

技術-功效圖表明，電極技術是研發人員關注的熱點。通過液晶透鏡電極的位置、數量等方面的改進，能夠增強光學效果與減小液晶透鏡厚度。此外，對電壓的研發改進能夠在提高顯示質量和實現透鏡的變焦功能上起到良好的效果。改善液晶透鏡的變焦效果是近年的研發熱點，最近的專利技術研發大多圍繞電極和電壓之間的技術關聯性來開展。進一步結合申請人的信息進行分析發現，關注制造工業技術改進的為少數面板制造廠商，例如LG、友達光電等。

注意到，通過電極和基板的改進來降低成本，在技術上并非死角，因此在這方面存在一定的技術空白區。另一方面，目前的專利技術很少涉及對像素的后處理，而通過對圖像的處理來提升顯示質量是值得研發的技術，因為相對而言，圖像處理算法技術的研發投入小，產出難度低，因此這一技術藍海區域值得關注。

技術功效圖中的2D/3D共融技術的專利分布相對較少，原因在于其受制于變焦技術的發展。從本質上說，2D/3D共融顯示依賴于變焦技術，變焦的靈活性和可控性直接影響2D/3D共融顯示的效果。

此外，對于裸眼3D的可視角度這一共性的技術問題，目前液晶透鏡技術也不能提供解決方案。

值得一提的是，圖3中所示的整體結構的改進包括液晶單元、電壓、電極的參數設置和排列方式等，以及多個技術的共同改進，這些專利在技術標引時均納入對整體結構的改進。由于對整體結構的改進所帶來的功效是多方面的，關于整體結構的專利可做進一步分析。

圖3 液晶透鏡技術-功效圖

3 申請人分析

液晶透鏡技術尚處于技術萌芽期向發展期的過渡階段，技術集中度不高，但重要專利的集中度相對較高，前10位申請人的重要專利數量占重要專利總量的比例超過了50%。針對主要申請人進行分析將對預測該技術的合作與競爭關系，以及專利實力的變化有重要意義。

3.1 申請人排名

圖4給出了液晶透鏡技術全球主要申請人申請量排名情況。LG公司在該技術上的研發較早，其技術在行業內具有較強的影響度。中國籍申請人中，超多維和中華映管分列第2和第5位，反應出裸眼3D顯示的這一前沿技術中，中國申請人在技術研發上走在了國際前列，具備一定的技術儲備和競爭能力。

圖4 全球液晶透鏡立體顯示技術申請人申請量排名

3.2 申請人-技術分析

圖5給出了各個主要申請人在各功效方面的申請量分布。減少液晶透鏡厚度、提高顯示質量、2D/3D共融以及增強光學效果等功效是各主要申請人關注的熱點，而在提高反應速度方面的專利產出相對較少。

圖5 主要申請人-功效圖

此外，在改善變焦功能方面，近年來上海交通大學和鴻富錦公司均有兩件專利涉及。愛普生和奧林巴斯在增強光學效果上也有零星的專利申請，但不直接涉及裸眼3D技術。

LG公司在液晶透鏡的大部分功效點上都有專利分布，尤其是在提高顯示的質量以及盡力減少液晶透鏡的厚度等方面。專利申請的年代分布情況表明，該公司的研發持續性較好，可以預見，在未來幾年內LG將繼續鞏固該技術上的專利實力。

超多維是中國內地專業提供立體顯示技術整體解決方案的高科技公司，《產業專利分析報告（第5冊）》中數據表明，該公司在下一代立體顯示技術上具有持續的研發能力和技術儲備[3]。超多維的專利申請集中在中國，其在液晶透鏡技術領域的全球專利申請量排名第2，僅次于LG公司。此外，該公司專利申請涵蓋產業鏈的關鍵技術，其在圖形圖像處理、光學設計顯示設備和工藝制造方面都有專利產出。作為國內裸眼3D的領軍企業，未來數年內超多維將繼續對國外公司在液晶透鏡技術的專利地位造成沖擊。

三星、飛利浦雖然在液晶透鏡方面進行過技術研發，但行業信息表明，二者均放緩了在裸眼3D技術上的研發步伐，在該領域的專利實力不會明顯提升。

4 小結

本文分析了液晶透鏡的專利申請態勢、技術發展脈絡、技術功效、申請人排名與申請人關注的功效。專利信息反映出：

1）液晶透鏡技術正處于技術萌芽期向發展期的過渡階段，具有較強的發展潛力。

2）電極、電壓等技術是專利布局的重點，而改善液晶透鏡的變焦效果是近幾年的研發熱點。

3）通過電極和基板的改進來降低成本、通過對圖像的處理來提升顯示質量等方面存在一定的技術空白區。

4）中國申請人在該技術上具備一定的技術儲備和競爭能力。LG公司在液晶透鏡的大部分功效點上都有專利分布，且其研發持續性較好，應對其未來的專利申請予以密切關注。

[1]文湘秦，談正，曾杰軍.視頻序列的棱鏡陣列裸眼可視立體顯示[J].電視技術，2002，26（6）：69-71.

[2]張曉媛.裸眼立體顯示技術的研究[D].天津：天津理工大學，2007.

[3]楊鐵軍.產業專利分析報告：第5冊[M].北京：知識產權出版社，2012.