自動立體顯示技術的專利狀況分析

孫佳琛

（國家知識產權局 專利局，北京 100088）

隨著3D技術的迅猛發(fā)展，自動立體顯示技術以其不需要借助輔助視具就可以通過裸眼直接觀看到立體顯示效果的優(yōu)勢，引發(fā)了新一輪的立體顯示技術發(fā)展的熱潮。目前，自動立體顯示的專利申請一直處于上升期，數量持續(xù)增長，專利所包含的技術內容也在動態(tài)發(fā)展變化之中，本文就自動立體顯示技術有關的專利進行統(tǒng)計分析，介紹該領域專利技術的現狀，分析今后專利技術的發(fā)展趨勢。

1 自動立體顯示技術概述

自動立體顯示指由人眼直接觀看的立體顯示技術，也稱為自由立體顯示或者裸眼立體顯示，它包括光柵3D顯示和真3D顯示。光柵作為分光元件，其目的是對光線的傳播路徑進行一定方式的控制，使觀看者的左右眼看到不同的視差圖像以產生立體效果[1]。光柵可以是視差柵欄或者柱面透鏡，視差柵欄利用柵欄的遮擋，由奇偶像素列組成的兩幅圖像形成具有水平視差的立體圖像對；柱面透鏡利用透鏡單元的折射，引導光線進入特定的觀察區(qū)，產生了對應左右眼的立體圖像。真3D顯示主要包括體三維顯示和全息顯示，體三維顯示利用旋轉屏幕、層疊液晶屏幕等，將2D圖像合成為具有真實立體感的3D圖像；全息顯示利用連續(xù)的激光束干涉方式記錄3D圖像，根據衍射原理重建3D圖像。

目前，自動立體顯示專利中多數都采用了視差柵欄或者柱透鏡光柵的顯示方式。真3D顯示技術由于受成本和傳輸的限制[2]，現階段的專利數量較為有限，其專利申請人主要集中在科研機構和高校。

2 自動立體顯示專利的總體分析

2.1 在中國申請的專利數量逐年變化情況

根據自動立體顯示的主要技術特征，選用自動、自由、裸眼、三維、3D、立體、光柵、透鏡、柵欄、屏障、障柵、狹縫、柱面、棱鏡、凹凸等關鍵詞，將檢索時間限定在2001年以后[3]，在中國專利數據庫中獲得已經公開的專利申請1100余件，統(tǒng)計其申請數量隨年代的變化情況結果如圖1所示。

從圖1可以看到，自動立體顯示領域的專利申請量總體上呈現逐年上升的趨勢，尤其從2006年開始，增長速度明顯加快，當年申請160件，比上一年增長約1.5倍，可見當年的自動立體顯示技術正處于迅速發(fā)展時期，隨后基本上每年的申請量也都在此基礎上增長顯著，2009年的申請量197件達到了歷年來的峰值。

2.2 專利申請類型變化

對自動立體顯示領域的專利類型進行統(tǒng)計，在2001至2005年這5年之間的專利366件，其中發(fā)明專利256件，占70%左右；實用新型110件，占30%左右。2005年至今的專利782件，其中發(fā)明專利592件，占76%左右；實用新型專利190件，占24%左右。專利類型和數量的變化如圖2所示?？梢?，隨著該領域技術的蓬勃發(fā)展，具有更高創(chuàng)新水平的發(fā)明專利數量和所占比重的上升趨勢顯著。

2.3 在中國申請專利的申請人國別分布狀況

對提交專利的申請人所屬國家進行統(tǒng)計可見，在我國申請專利保護的申請人以國內申請人為主，其專利數量約為660件，占全部專利的55%，其次分別是日本、美國、荷蘭、韓國、德國等，其分布百分比情況如圖3所示。這與我國在近幾年對自動立體顯示技術的需求迅猛增加密不可分，對技術的需求強有力地推動著我國申請人注重技術創(chuàng)新，注重保護發(fā)明創(chuàng)造，增強企業(yè)的核心競爭力。

2.4 全球范圍內的專利分布情況

統(tǒng)計在全球范圍內的自動立體顯示專利的分布情況如圖4所示，其中日本專利所占比率最大，占到整個該領域專利的28%。而事實上，日本的3D電視技術發(fā)展水平和自動立體顯示器的市場活躍程度也居于世界領先地位，其次是美國、歐洲、韓國、中國等，可見中國專利所占的比率與技術發(fā)達國家相比仍存在一定差距。并且，值得我國專利申請人注意的是，綜合圖3示出的在中國申請專利的申請人國別分布情況和圖4的全球范圍專利分布情況，可知目前該領域有大部分的國外專利還沒有進入我國。

3 自動立體顯示專利的技術現狀

通過分析自動立體顯示領域的專利文獻，可見近年來專利數目增長較多、技術發(fā)展較快的幾個技術領域如表1所示，表1中的專利數量是利用這些領域的關鍵詞檢索進行的大致統(tǒng)計。下面通過結合典型案例，介紹這些專利技術領域的現狀。

表1 幾個發(fā)展較快的技術領域的專利數量

3.1 設置光柵的結構參數

光柵的結構參數包括光柵的寬度、周期等，通過對其優(yōu)化設置可以提供更寬的立體視角和顯示亮度。

該領域近期的專利技術，在早些年的設置固定結構參數的基礎上，開始關注可調整光柵參數或者局部調整光柵參數的技術，例如卡西歐公司提出的公開號為JP2011053277A的專利中具有一個距離信息獲取單元，推導顯示單元與觀看者間的距離信息，以及一個狹縫寬度控制單元，根據距離信息控制視差屏障的狹縫寬度，為不同觀察位置的用戶提供更寬的可視范圍。

同時，飛利浦提出的EP1673652A1實現了對不同像素光學透射的控制，其中顯示驅動器控制每個像素的透射特性，利用亮度校正值來調整顯示面板中的每個像素的驅動信號。

各種非周期排列或形狀不規(guī)則的光柵也被提出，例如臺灣財團法人工業(yè)技術研究院提出的中國專利公開號為CN102043253A的專利中，包括構造光柵族群的方式，每個族群具有相同的寬度縫隙，每個族群包括多個相同寬度的縫隙，像素的寬度以及縫隙的寬度滿足特定的關系；NEC的JP2008134617A采用了由多個莢狀透鏡形成的透鏡陣列，在莢狀透鏡和反射液晶顯示面板間設置各向異性散射板，該結構能最小化反射顯示從而提高圖像質量。

3.2 提高光柵立體顯示的分辨力

光柵立體顯示在空間上同時顯示左右眼的圖像，導致了空間分辨力的降低[4]，近年來公開的很多專利文獻針對該問題提出了利用時分方式改善分辨力的方法，例如三星的KR20060135450A中的時間順序顯示方法，交替布置具有兩個不同偏振方向的偏振單元和切換柵欄單元，通過至少一個偏振單元來透射穿過偏振轉換裝置的光束。

同時利用空間和時間分割視差圖像的方法也被提出，索尼的CN101900886A中的視差障柵具有可變性，它包括多個不同的障柵圖案，每個障柵圖案具有各自的透光和遮光部，針對不同的顯示圖像周期性地切換障柵圖像。

最近還出現了采用定向背光單元改善光柵分辨力的顯示器，例如CN101518095A、JP2009053345A都涉及該技術，包括在照明的多個不同的角分布之間切換，以選擇性地向顯示面板提供光。

3.3 2D/3D模式可切換的顯示

由于3D電視片源限制，以及觀看后產生的視覺疲勞等原因，2D/3D兼容的顯示器更能滿足用戶的需求。飛利浦的CN1751259A介紹了以連續(xù)方式在兩個焦點強度之間切換焦距的可切換透鏡狀陣列。夏普的EP0833183A通過切換液晶層對視差障柵的有效和無效性進行切換。

在此基礎上，夏普的CN1685277A還增加了顯示器在2D模式下的可切換視角，其中視差障柵和切換單元的有效區(qū)的寬度大于顯示圖像生成單元的有效區(qū)的寬度。

3.4 多個視差圖像的合成

多視點一直是3D顯示領域的重要技術，目前這方面的專利主要集中在多個視差圖像的合成方法。例如，東芝的CN1619359A詳細介紹了一種生成立體顯示圖像的方法，輸入三原色信息構成的像素數據、視點圖像，根據構成顯示二維圖像的像素的彩色像素點排列信息合成各視點圖像的三原色信息的一部分。

同時東芝還提出了CN101491108A，基于經變換的顯示單元特性和觀察值參數，控制對每個視點圖像執(zhí)行與像素位置相對應的圖像處理以合成顯示圖像。

3.5 區(qū)分有效和無效立體顯示區(qū)域

光柵在產生立體圖像的過程中，不但產生了利于人眼觀看的有效區(qū)域，同時也產生了不利于人眼觀看的幻視圖像區(qū)域。針對該問題，多篇可以使觀看者區(qū)分所在區(qū)域的專利被提出。

例如，夏普公司的CN1487332A通過調整視差陣列的間距，使觀看者能夠判斷是正在觀看有效區(qū)還是幻視區(qū)，方便用戶找到合適的觀看位置；北京超多維公司的CN201293876Y提出，觀看者能夠根據兩眼看到的指示裝置的顏色確定出自身是否處于非有效區(qū)域范圍內。

3.6 水平和垂直方向均可實現立體效果

對于手機等移動終端，其小型化的立體顯示器具有更加靈活多樣的效果，最近也出現了多篇關于這一內容的專利。一些專利提出了水平、垂直方向可互換的顯示屏幕，例如三星的KR20070048355A、索尼的CN101945297A都公開了按照顯示屏幕的定向位置來改變光柵的操作。

4 各主要申請人的專利特點

據統(tǒng)計，自動立體顯示領域的專利申請人中，擁有專利較多的國外申請人包括：飛利浦、三星、夏普、東芝、索尼等，這些申請人集中在日本、荷蘭、韓國等國；美國的專利申請數量雖然較大，但其申請人分布相對分散；國內的申請人包括兩大主體，企業(yè)方面以北京超多維科技有限公司、天津三維顯示技術公司等保護的專利多，高校等科研單位方面以四川大學、浙江大學等高校的專利數量占優(yōu)。這些主要專利申請人在中國申請的專利數量如圖5所示，下面針對不同申請人近年來的專利技術進行分析。

4.1 國外申請人的專利特點

1）飛利浦：在全球范圍內擁有自動立體顯示專利約145件，其中在中國的專利67件，占到46%，這表明其較為重視中國的3D市場。從申請年代看，其2006年申請量最多，達到26件，之后以每年8件左右的數量提交申請。飛利浦的專利集中在幾個方面：提供3D顯示的完整系統(tǒng)，包括創(chuàng)建3D深度圖的計算器，根據觀看者位置控制立體圖像的計算；檢測觀看者的位置；克服自動立體顯示中的視覺疲勞等。飛利浦的專利基本不涉及視差障柵技術，而是集中在柱透鏡光柵顯示的改善；最近它還針對減少串擾影響，提出了具有亮度不均勻性減小功能的透鏡陣列。同時，飛利浦的專利應用領域多，并非只申請3D電視顯示的專利，還包括3D圖像的繪制建模，利用真3D技術在醫(yī)療設備中的體積圖像產生方法等。可見飛利浦在中國的3D市場覆蓋面廣泛，技術的市場化能力強。

2）三星：在全球范圍內擁有專利160件左右，該專利數量處于世界領先位置，但是其中的中國專利約為50件，僅占30%左右，可見其大部分技術還沒有申請中國專利權。從年代看，三星2006、2007年每年提出了約12件專利，其他年份每年5件左右。近兩年來，它有多項專利集中在2D/3D的切換顯示、OSD與立體圖像的同屏技術；早年提出了多份針對視差障柵改進的專利，而最近幾年，它的專利更多關注于提高棱鏡光柵的顯示質量。

3）索尼、夏普、東芝等日本企業(yè)：

索尼最近提出了使用表面分段系統(tǒng)和時分系統(tǒng)組合的、具有更高清晰度的柱透鏡立體顯示設備；同時，有多篇專利圍繞手機等個人便攜設備中的立體顯示，如跟蹤眼睛以正確的角度向用戶投影適當的圖像，并于2010年提出了采用雙凸透鏡系統(tǒng)的手機，可在縱向取向狀態(tài)和橫向取向狀態(tài)之間轉換。

夏普與以上這些公司最大的不同在于，其一直專注于視差障柵技術并提出了大量的專利，近些年其提出了應用于視差屏障中的光固化樹脂貼合面，改善顯示效果；同時它也關注2D/3D的切換顯示；并在對視差圖像合成為多視點圖像方面也有多份專利；其最新的專利中提出了車載立體顯示系統(tǒng)，可見其投入市場中的3D顯示產品并不只在電視顯示器行業(yè)。

東芝的專利申請集中在2004年以后，尤其是2009年數量較多，當年提出了多份專利，包括：能夠定時切換顯示的透鏡陣列，交替顯示飛出/深入不同方向的顯示器；控制對每個視點圖像，執(zhí)行與像素位置對應的圖像處理的專利；還有多項專利針對光柵透鏡進行結構改進。

日本企業(yè)不僅自身的研發(fā)和市場運作能力強，同時也非常注重在專利方面的合作。他們聯合提出了多份關于自由立體顯示系統(tǒng)的共同申請，例如索尼、三洋、奧林巴斯、夏普聯合提出的顯示系統(tǒng)中，具有圖像合成裝置，將由圖像輸入裝置輸入的多個主圖像和由編碼裝置獲得的編碼圖像在各個圖像的相應區(qū)域被分區(qū)的狀態(tài)下加以合成，這種合作的技術研發(fā)和專利保護模式值得我國申請人借鑒。

4.2 國內申請人的專利特點

1）超多維科技有限公司、天津三維顯示技術公司等企業(yè)：北京超多維科技有限公司和深圳超多維光電子有限公司作為國內專利數量較多的企業(yè)，他們的申請自2007年開始且增長顯著，其專利涉及的技術面寬、技術創(chuàng)新水平高，技術發(fā)展方向與國外企業(yè)的技術進展基本保持一致，專利技術集中在2D/3D可切換的自動立體顯示裝置，狹縫、透鏡光柵的結構，全分辨力光柵，可跟蹤觀看者位置調整顯示的系統(tǒng)等。天津三維顯示技術公司近年來也提出了多項具有創(chuàng)新性的專利，其中包括多項關于光柵制作的專利，和LED大尺寸自動立體顯示系統(tǒng)等。

2）四川大學、浙江大學等科研機構：雖然作為科研單位，但他們提出的專利實用性強，具有很好的市場化前景。四川大學的專利技術中包括，按照像素尋址方式進行視差圖像的實時合成、三維顯示器的子像素排列方法和非平面視差光柵三維顯示屏等。浙江大學的專利技術實現了包括橫向視差、縱向視差在內的全視差三維顯示，基于LED的彩色全景視場三維顯示，可以實現真3D顯示的功能。這些科研單位的專利應用價值高，為我國在該領域的技術發(fā)展提供了重要的專利支持。

3）長虹、海信和創(chuàng)維等電視生產企業(yè)[5]：這些企業(yè)擁有多項自主知識產權技術，例如長虹擁有在3D模式下顯示用戶界面，和在3D電視上兼容多種3D播放模式的專利；海信的專利中通過判斷2D/3D視頻信號，可以實現相應的3D視頻顯示；創(chuàng)維利用視差障柵3D顯示系統(tǒng)，完成了3D可視范圍的調節(jié)等。

綜上，雖然我國企業(yè)和科研機構的專利數量與國外相比相對較少，但是從目前的專利技術發(fā)展方向來看，基本保持一致，大都是針對光柵結構、2D/3D顯示切換等技術方向進行改進?？梢姡覈暾埲嗽诩夹g上的研發(fā)實力強，而且開始逐漸重視對技術的保護，已經擁有多項關于自動立體顯示的重要的專利技術。

5 自動立體顯示專利的發(fā)展趨勢

綜上所述，自動立體顯示涉及的技術非常寬泛，專利申請的數量多，專利技術的分枝廣，下面簡要分析自動立體顯示領域今后的專利發(fā)展方向，包括以下3個方面：

1）觀看舒適化：針對視差障柵和柱透鏡光柵顯示方式，進一步提高觀看的亮度、分辨力和改善觀看視角的限制，提高可視視點的數量、幫助觀看者找到最佳的立體觀看位置；同時改善2D/3D可切換顯示器在顯示2D圖像時的質量，實現2D和3D顯示之間更好的切換。

2）應用多元化：各大廠商都開始針對手機、汽車、醫(yī)療設備、全景屏幕等設備的3D顯示提出自己的專利，通過雙凸透鏡屏幕、可橫向縱向改變、可多個角度觀看、大型全景顯示、真3D顯示等方式提高自動立體顯示的多元化應用發(fā)展。

3）技術細節(jié)化：從單項專利的技術創(chuàng)新性上看，在技術經歷了多年的發(fā)展后，目前的專利涉及的整個顯示系統(tǒng)的少，而大都是針對某個技術細節(jié)、針對特定的觀看參數、圍繞特殊的應用場合等作出技術上的創(chuàng)新性改進。

目前，各個專利申請人提出的專利都沒有局限在某個技術背景下，而是在自動立體顯示技術所涉及的多個技術點上都進行相應的技術研發(fā)和專利申請，使得該領域的專利發(fā)展趨勢顯著，推動了3D技術廣闊的發(fā)展前景。

[1]王瓊華.3D顯示技術與器件[M].北京：科學出版社，2011.

[2]張兆楊，安平，張之江，等.發(fā)展3DTV需解決的技術及其應用趨勢[J].電視技術，2010，34（6）：4-6.

[3]中國知識產權研究會.各行業(yè)專利技術現狀及其發(fā)展趨勢報告(2009-2010)[M].北京：知識產權出版社，2010.

[4]OLIVER S，PETER K，THOMAS S.3D video communication[S].[S.l.]：John Wiley＆Sons Ltd.，2005：23.

[5]董文輝，寧金輝，覃毅力，等.立體電視調研情況分析[J].廣播與電視技術，2008（12）：33-36.