裸眼3D液晶透鏡技術(shù)專利分析

蔣路帆，郭 娟

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作北京中心，北京 100190）

裸眼3D作為立體顯示領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)分支，代表了立體顯示技術(shù)未來的發(fā)展方向。液晶透鏡（Liquid Crystal Lens）技術(shù)能夠通過電場控制液晶分子的動作來實現(xiàn)透鏡效果，既能克服其他裸眼立體顯示技術(shù)中的亮度低、透鏡焦距固定等問題，又能實現(xiàn)在顯示屏幕中2D/3D圖像的共融顯示。如果該技術(shù)能夠大規(guī)模地應(yīng)用于終端顯示設(shè)備，則必將給3D行業(yè)帶來巨大變革[1-2]。目前，雖然液晶透鏡技術(shù)尚未大規(guī)模產(chǎn)品化，但國內(nèi)外市場主體圍繞該技術(shù)的專利布局已經(jīng)展開，因此從專利的角度對該技術(shù)的申請態(tài)勢、技術(shù)發(fā)展趨勢以及主要申請人進行分析，將對企業(yè)的技術(shù)研發(fā)、專利布局提供有價值的專利情報。更多內(nèi)容詳見《產(chǎn)業(yè)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(shù)據(jù)庫（CPRSABS）和德溫特世界專利索引（DWPI）數(shù)據(jù)庫，時間范圍為2010年6月30日之前公開的專利文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)表明，與液晶透鏡技術(shù)相關(guān)的全球?qū)＠灿?81項。1976年，液晶透鏡領(lǐng)域出現(xiàn)了第1篇專利申請——US4385805A，發(fā)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(xué)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(shù)并非為裸眼3D而研發(fā)，但其為裸眼立體顯示技術(shù)帶來了新的思路。遺憾的是，該發(fā)明受讓人美國廣播唱片公司（RCA）并未將其改進并形成產(chǎn)品。此后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，液晶透鏡技術(shù)的申請量都非常低，其發(fā)展也陷入沉寂。2000年開始，隨著顯示設(shè)備的平板化，液晶透鏡技術(shù)迎來了申請高峰?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)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(shù)的發(fā)展活躍程度仍有很大的提升空間。液晶透鏡技術(shù)專利申請趨勢如圖1所示。

2 技術(shù)分析

液晶透鏡技術(shù)的原理是，對液晶單元施加電壓來改變液晶單元的光學(xué)效果，使其發(fā)出的光產(chǎn)生折射。因此可將其應(yīng)用于裸眼3D顯示設(shè)備中，通過調(diào)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(chǎn)生3D效果。該技術(shù)從產(chǎn)生至今，經(jīng)歷了幾個重要發(fā)展階段，針對該技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和技術(shù)功效分析，可為技術(shù)參與者和潛在的技術(shù)參與者的研發(fā)提供重要參考。

2.1 技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

本文重要專利的選取考慮因素為同族數(shù)、引證頻次和該專利在技術(shù)發(fā)展中所起的作用，基礎(chǔ)性專利通過與企業(yè)技術(shù)研發(fā)人員討論確定。在標(biāo)引出重要專利和基礎(chǔ)性專利的基礎(chǔ)上，根據(jù)液晶透鏡的技術(shù)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(shù)發(fā)展脈絡(luò)圖。

圖2 液晶透鏡技術(shù)脈絡(luò)圖

1976年，發(fā)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(xué)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(shù)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(shù)的出現(xiàn)使得對透鏡的可調(diào)可控成為可能，進而為在裸眼顯示中實現(xiàn)2D/3D共融顯示、指向性顯示等技術(shù)難題提供了解決方案。然而該專利技術(shù)產(chǎn)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(shù)瓶頸一直未能攻克。

微透鏡技術(shù)的發(fā)展對液晶透鏡技術(shù)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(wǎng)狀的高分子網(wǎng)絡(luò)，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(dá)大學(xué)的專利US7408601B1中提出引入TN-LC材料作為液晶材料來實現(xiàn)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(shù)的產(chǎn)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?fàn)畋砻娴牡谝煌该麟姌O；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(shù)）規(guī)定的電壓，使得該透鏡具有可變的焦距。該技術(shù)給出了一種新的液晶微透鏡結(jié)構(gòu)，解決了液晶微透鏡厚度大、響應(yīng)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(xiàn)透鏡不同的折射功能。該技術(shù)可實現(xiàn)動態(tài)變焦，代表了液晶透鏡未來的發(fā)展方向。

2.2 技術(shù)-功效分析

技術(shù)-功效圖表明，電極技術(shù)是研發(fā)人員關(guān)注的熱點。通過液晶透鏡電極的位置、數(shù)量等方面的改進，能夠增強光學(xué)效果與減小液晶透鏡厚度。此外，對電壓的研發(fā)改進能夠在提高顯示質(zhì)量和實現(xiàn)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(fā)熱點，最近的專利技術(shù)研發(fā)大多圍繞電極和電壓之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)性來開展。進一步結(jié)合申請人的信息進行分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)注制造工業(yè)技術(shù)改進的為少數(shù)面板制造廠商，例如LG、友達(dá)光電等。

注意到，通過電極和基板的改進來降低成本，在技術(shù)上并非死角，因此在這方面存在一定的技術(shù)空白區(qū)。另一方面，目前的專利技術(shù)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(zhì)量是值得研發(fā)的技術(shù)，因為相對而言，圖像處理算法技術(shù)的研發(fā)投入小，產(chǎn)出難度低，因此這一技術(shù)藍(lán)海區(qū)域值得關(guān)注。

技術(shù)功效圖中的2D/3D共融技術(shù)的專利分布相對較少，原因在于其受制于變焦技術(shù)的發(fā)展。從本質(zhì)上說，2D/3D共融顯示依賴于變焦技術(shù)，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(shù)問題，目前液晶透鏡技術(shù)也不能提供解決方案。

值得一提的是，圖3中所示的整體結(jié)構(gòu)的改進包括液晶單元、電壓、電極的參數(shù)設(shè)置和排列方式等，以及多個技術(shù)的共同改進，這些專利在技術(shù)標(biāo)引時均納入對整體結(jié)構(gòu)的改進。由于對整體結(jié)構(gòu)的改進所帶來的功效是多方面的，關(guān)于整體結(jié)構(gòu)的專利可做進一步分析。

圖3 液晶透鏡技術(shù)-功效圖

3 申請人分析

液晶透鏡技術(shù)尚處于技術(shù)萌芽期向發(fā)展期的過渡階段，技術(shù)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(shù)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(yù)測該技術(shù)的合作與競爭關(guān)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(shù)全球主要申請人申請量排名情況。LG公司在該技術(shù)上的研發(fā)較早，其技術(shù)在行業(yè)內(nèi)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(yīng)出裸眼3D顯示的這一前沿技術(shù)中，中國申請人在技術(shù)研發(fā)上走在了國際前列，具備一定的技術(shù)儲備和競爭能力。

圖4 全球液晶透鏡立體顯示技術(shù)申請人申請量排名

3.2 申請人-技術(shù)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(zhì)量、2D/3D共融以及增強光學(xué)效果等功效是各主要申請人關(guān)注的熱點，而在提高反應(yīng)速度方面的專利產(chǎn)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(xué)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(xué)效果上也有零星的專利申請，但不直接涉及裸眼3D技術(shù)。

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(zhì)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(fā)持續(xù)性較好，可以預(yù)見，在未來幾年內(nèi)LG將繼續(xù)鞏固該技術(shù)上的專利實力。

超多維是中國內(nèi)地專業(yè)提供立體顯示技術(shù)整體解決方案的高科技公司，《產(chǎn)業(yè)專利分析報告（第5冊）》中數(shù)據(jù)表明，該公司在下一代立體顯示技術(shù)上具有持續(xù)的研發(fā)能力和技術(shù)儲備[3]。超多維的專利申請集中在中國，其在液晶透鏡技術(shù)領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埩颗琶?，僅次于LG公司。此外，該公司專利申請涵蓋產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)，其在圖形圖像處理、光學(xué)設(shè)計顯示設(shè)備和工藝制造方面都有專利產(chǎn)出。作為國內(nèi)裸眼3D的領(lǐng)軍企業(yè)，未來數(shù)年內(nèi)超多維將繼續(xù)對國外公司在液晶透鏡技術(shù)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(shù)研發(fā)，但行業(yè)信息表明，二者均放緩了在裸眼3D技術(shù)上的研發(fā)步伐，在該領(lǐng)域的專利實力不會明顯提升。

4 小結(jié)

本文分析了液晶透鏡的專利申請態(tài)勢、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、技術(shù)功效、申請人排名與申請人關(guān)注的功效。專利信息反映出：

1）液晶透鏡技術(shù)正處于技術(shù)萌芽期向發(fā)展期的過渡階段，具有較強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2）電極、電壓等技術(shù)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(fā)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(zhì)量等方面存在一定的技術(shù)空白區(qū)。

4）中國申請人在該技術(shù)上具備一定的技術(shù)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(fā)持續(xù)性較好，應(yīng)對其未來的專利申請予以密切關(guān)注。

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

[2]張曉媛.裸眼立體顯示技術(shù)的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2007.

[3]楊鐵軍.產(chǎn)業(yè)專利分析報告：第5冊[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2012.