自动立体显示技术的专利状况分析

2012-06-07孙佳琛

电视技术 2012年2期

孙佳琛

（国家知识产权局专利局，北京 100088）

随着3D技术的迅猛发展，自动立体显示技术以其不需要借助辅助视具就可以通过裸眼直接观看到立体显示效果的优势，引发了新一轮的立体显示技术发展的热潮。目前，自动立体显示的专利申请一直处于上升期，数量持续增长，专利所包含的技术内容也在动态发展变化之中，本文就自动立体显示技术有关的专利进行统计分析，介绍该领域专利技术的现状，分析今后专利技术的发展趋势。

1 自动立体显示技术概述

自动立体显示指由人眼直接观看的立体显示技术，也称为自由立体显示或者裸眼立体显示，它包括光栅3D显示和真3D显示。光栅作为分光元件，其目的是对光线的传播路径进行一定方式的控制，使观看者的左右眼看到不同的视差图像以产生立体效果[1]。光栅可以是视差栅栏或者柱面透镜，视差栅栏利用栅栏的遮挡，由奇偶像素列组成的两幅图像形成具有水平视差的立体图像对；柱面透镜利用透镜单元的折射，引导光线进入特定的观察区，产生了对应左右眼的立体图像。真3D显示主要包括体三维显示和全息显示，体三维显示利用旋转屏幕、层叠液晶屏幕等，将2D图像合成为具有真实立体感的3D图像；全息显示利用连续的激光束干涉方式记录3D图像，根据衍射原理重建3D图像。

目前，自动立体显示专利中多数都采用了视差栅栏或者柱透镜光栅的显示方式。真3D显示技术由于受成本和传输的限制[2]，现阶段的专利数量较为有限，其专利申请人主要集中在科研机构和高校。

2 自动立体显示专利的总体分析

2.1 在中国申请的专利数量逐年变化情况

根据自动立体显示的主要技术特征，选用自动、自由、裸眼、三维、3D、立体、光栅、透镜、栅栏、屏障、障栅、狭缝、柱面、棱镜、凹凸等关键词，将检索时间限定在2001年以后[3]，在中国专利数据库中获得已经公开的专利申请1100余件，统计其申请数量随年代的变化情况结果如图1所示。

从图1可以看到，自动立体显示领域的专利申请量总体上呈现逐年上升的趋势，尤其从2006年开始，增长速度明显加快，当年申请160件，比上一年增长约1.5倍，可见当年的自动立体显示技术正处于迅速发展时期，随后基本上每年的申请量也都在此基础上增长显著，2009年的申请量197件达到了历年来的峰值。

2.2 专利申请类型变化

对自动立体显示领域的专利类型进行统计，在2001至2005年这5年之间的专利366件，其中发明专利256件，占70%左右；实用新型110件，占30%左右。2005年至今的专利782件，其中发明专利592件，占76%左右；实用新型专利190件，占24%左右。专利类型和数量的变化如图2所示。可见，随着该领域技术的蓬勃发展，具有更高创新水平的发明专利数量和所占比重的上升趋势显著。

2.3 在中国申请专利的申请人国别分布状况

对提交专利的申请人所属国家进行统计可见，在我国申请专利保护的申请人以国内申请人为主，其专利数量约为660件，占全部专利的55%，其次分别是日本、美国、荷兰、韩国、德国等，其分布百分比情况如图3所示。这与我国在近几年对自动立体显示技术的需求迅猛增加密不可分，对技术的需求强有力地推动着我国申请人注重技术创新，注重保护发明创造，增强企业的核心竞争力。

2.4 全球范围内的专利分布情况

统计在全球范围内的自动立体显示专利的分布情况如图4所示，其中日本专利所占比率最大，占到整个该领域专利的28%。而事实上，日本的3D电视技术发展水平和自动立体显示器的市场活跃程度也居于世界领先地位，其次是美国、欧洲、韩国、中国等，可见中国专利所占的比率与技术发达国家相比仍存在一定差距。并且，值得我国专利申请人注意的是，综合图3示出的在中国申请专利的申请人国别分布情况和图4的全球范围专利分布情况，可知目前该领域有大部分的国外专利还没有进入我国。

3 自动立体显示专利的技术现状

通过分析自动立体显示领域的专利文献，可见近年来专利数目增长较多、技术发展较快的几个技术领域如表1所示，表1中的专利数量是利用这些领域的关键词检索进行的大致统计。下面通过结合典型案例，介绍这些专利技术领域的现状。

表1 几个发展较快的技术领域的专利数量

3.1 设置光栅的结构参数

光栅的结构参数包括光栅的宽度、周期等，通过对其优化设置可以提供更宽的立体视角和显示亮度。

该领域近期的专利技术，在早些年的设置固定结构参数的基础上，开始关注可调整光栅参数或者局部调整光栅参数的技术，例如卡西欧公司提出的公开号为JP2011053277A的专利中具有一个距离信息获取单元，推导显示单元与观看者间的距离信息，以及一个狭缝宽度控制单元，根据距离信息控制视差屏障的狭缝宽度，为不同观察位置的用户提供更宽的可视范围。

同时，飞利浦提出的EP1673652A1实现了对不同像素光学透射的控制，其中显示驱动器控制每个像素的透射特性，利用亮度校正值来调整显示面板中的每个像素的驱动信号。

各种非周期排列或形状不规则的光栅也被提出，例如台湾财团法人工业技术研究院提出的中国专利公开号为CN102043253A的专利中，包括构造光栅族群的方式，每个族群具有相同的宽度缝隙，每个族群包括多个相同宽度的缝隙，像素的宽度以及缝隙的宽度满足特定的关系；NEC的JP2008134617A采用了由多个荚状透镜形成的透镜阵列，在荚状透镜和反射液晶显示面板间设置各向异性散射板，该结构能最小化反射显示从而提高图像质量。

3.2 提高光栅立体显示的分辨力

光栅立体显示在空间上同时显示左右眼的图像，导致了空间分辨力的降低[4]，近年来公开的很多专利文献针对该问题提出了利用时分方式改善分辨力的方法，例如三星的KR20060135450A中的时间顺序显示方法，交替布置具有两个不同偏振方向的偏振单元和切换栅栏单元，通过至少一个偏振单元来透射穿过偏振转换装置的光束。

同时利用空间和时间分割视差图像的方法也被提出，索尼的CN101900886A中的视差障栅具有可变性，它包括多个不同的障栅图案，每个障栅图案具有各自的透光和遮光部，针对不同的显示图像周期性地切换障栅图像。

最近还出现了采用定向背光单元改善光栅分辨力的显示器，例如CN101518095A、JP2009053345A都涉及该技术，包括在照明的多个不同的角分布之间切换，以选择性地向显示面板提供光。

3.3 2D/3D模式可切换的显示

由于3D电视片源限制，以及观看后产生的视觉疲劳等原因，2D/3D兼容的显示器更能满足用户的需求。飞利浦的CN1751259A介绍了以连续方式在两个焦点强度之间切换焦距的可切换透镜状阵列。夏普的EP0833183A通过切换液晶层对视差障栅的有效和无效性进行切换。

在此基础上，夏普的CN1685277A还增加了显示器在2D模式下的可切换视角，其中视差障栅和切换单元的有效区的宽度大于显示图像生成单元的有效区的宽度。

3.4 多个视差图像的合成

多视点一直是3D显示领域的重要技术，目前这方面的专利主要集中在多个视差图像的合成方法。例如，东芝的CN1619359A详细介绍了一种生成立体显示图像的方法，输入三原色信息构成的像素数据、视点图像，根据构成显示二维图像的像素的彩色像素点排列信息合成各视点图像的三原色信息的一部分。

同时东芝还提出了CN101491108A，基于经变换的显示单元特性和观察值参数，控制对每个视点图像执行与像素位置相对应的图像处理以合成显示图像。

3.5 区分有效和无效立体显示区域

光栅在产生立体图像的过程中，不但产生了利于人眼观看的有效区域，同时也产生了不利于人眼观看的幻视图像区域。针对该问题，多篇可以使观看者区分所在区域的专利被提出。

例如，夏普公司的CN1487332A通过调整视差阵列的间距，使观看者能够判断是正在观看有效区还是幻视区，方便用户找到合适的观看位置；北京超多维公司的CN201293876Y提出，观看者能够根据两眼看到的指示装置的颜色确定出自身是否处于非有效区域范围内。

3.6 水平和垂直方向均可实现立体效果

对于手机等移动终端，其小型化的立体显示器具有更加灵活多样的效果，最近也出现了多篇关于这一内容的专利。一些专利提出了水平、垂直方向可互换的显示屏幕，例如三星的KR20070048355A、索尼的CN101945297A都公开了按照显示屏幕的定向位置来改变光栅的操作。

4 各主要申请人的专利特点

据统计，自动立体显示领域的专利申请人中，拥有专利较多的国外申请人包括：飞利浦、三星、夏普、东芝、索尼等，这些申请人集中在日本、荷兰、韩国等国；美国的专利申请数量虽然较大，但其申请人分布相对分散；国内的申请人包括两大主体，企业方面以北京超多维科技有限公司、天津三维显示技术公司等保护的专利多，高校等科研单位方面以四川大学、浙江大学等高校的专利数量占优。这些主要专利申请人在中国申请的专利数量如图5所示，下面针对不同申请人近年来的专利技术进行分析。

4.1 国外申请人的专利特点

1）飞利浦：在全球范围内拥有自动立体显示专利约145件，其中在中国的专利67件，占到46%，这表明其较为重视中国的3D市场。从申请年代看，其2006年申请量最多，达到26件，之后以每年8件左右的数量提交申请。飞利浦的专利集中在几个方面：提供3D显示的完整系统，包括创建3D深度图的计算器，根据观看者位置控制立体图像的计算；检测观看者的位置；克服自动立体显示中的视觉疲劳等。飞利浦的专利基本不涉及视差障栅技术，而是集中在柱透镜光栅显示的改善；最近它还针对减少串扰影响，提出了具有亮度不均匀性减小功能的透镜阵列。同时，飞利浦的专利应用领域多，并非只申请3D电视显示的专利，还包括3D图像的绘制建模，利用真3D技术在医疗设备中的体积图像产生方法等。可见飞利浦在中国的3D市场覆盖面广泛，技术的市场化能力强。

2）三星：在全球范围内拥有专利160件左右，该专利数量处于世界领先位置，但是其中的中国专利约为50件，仅占30%左右，可见其大部分技术还没有申请中国专利权。从年代看，三星2006、2007年每年提出了约12件专利，其他年份每年5件左右。近两年来，它有多项专利集中在2D/3D的切换显示、OSD与立体图像的同屏技术；早年提出了多份针对视差障栅改进的专利，而最近几年，它的专利更多关注于提高棱镜光栅的显示质量。

3）索尼、夏普、东芝等日本企业：

索尼最近提出了使用表面分段系统和时分系统组合的、具有更高清晰度的柱透镜立体显示设备；同时，有多篇专利围绕手机等个人便携设备中的立体显示，如跟踪眼睛以正确的角度向用户投影适当的图像，并于2010年提出了采用双凸透镜系统的手机，可在纵向取向状态和横向取向状态之间转换。

夏普与以上这些公司最大的不同在于，其一直专注于视差障栅技术并提出了大量的专利，近些年其提出了应用于视差屏障中的光固化树脂贴合面，改善显示效果；同时它也关注2D/3D的切换显示；并在对视差图像合成为多视点图像方面也有多份专利；其最新的专利中提出了车载立体显示系统，可见其投入市场中的3D显示产品并不只在电视显示器行业。

东芝的专利申请集中在2004年以后，尤其是2009年数量较多，当年提出了多份专利，包括：能够定时切换显示的透镜阵列，交替显示飞出/深入不同方向的显示器；控制对每个视点图像，执行与像素位置对应的图像处理的专利；还有多项专利针对光栅透镜进行结构改进。

日本企业不仅自身的研发和市场运作能力强，同时也非常注重在专利方面的合作。他们联合提出了多份关于自由立体显示系统的共同申请，例如索尼、三洋、奥林巴斯、夏普联合提出的显示系统中，具有图像合成装置，将由图像输入装置输入的多个主图像和由编码装置获得的编码图像在各个图像的相应区域被分区的状态下加以合成，这种合作的技术研发和专利保护模式值得我国申请人借鉴。

4.2 国内申请人的专利特点

1）超多维科技有限公司、天津三维显示技术公司等企业：北京超多维科技有限公司和深圳超多维光电子有限公司作为国内专利数量较多的企业，他们的申请自2007年开始且增长显著，其专利涉及的技术面宽、技术创新水平高，技术发展方向与国外企业的技术进展基本保持一致，专利技术集中在2D/3D可切换的自动立体显示装置，狭缝、透镜光栅的结构，全分辨力光栅，可跟踪观看者位置调整显示的系统等。天津三维显示技术公司近年来也提出了多项具有创新性的专利，其中包括多项关于光栅制作的专利，和LED大尺寸自动立体显示系统等。

2）四川大学、浙江大学等科研机构：虽然作为科研单位，但他们提出的专利实用性强，具有很好的市场化前景。四川大学的专利技术中包括，按照像素寻址方式进行视差图像的实时合成、三维显示器的子像素排列方法和非平面视差光栅三维显示屏等。浙江大学的专利技术实现了包括横向视差、纵向视差在内的全视差三维显示，基于LED的彩色全景视场三维显示，可以实现真3D显示的功能。这些科研单位的专利应用价值高，为我国在该领域的技术发展提供了重要的专利支持。

3）长虹、海信和创维等电视生产企业[5]：这些企业拥有多项自主知识产权技术，例如长虹拥有在3D模式下显示用户界面，和在3D电视上兼容多种3D播放模式的专利；海信的专利中通过判断2D/3D视频信号，可以实现相应的3D视频显示；创维利用视差障栅3D显示系统，完成了3D可视范围的调节等。

综上，虽然我国企业和科研机构的专利数量与国外相比相对较少，但是从目前的专利技术发展方向来看，基本保持一致，大都是针对光栅结构、2D/3D显示切换等技术方向进行改进。可见，我国申请人在技术上的研发实力强，而且开始逐渐重视对技术的保护，已经拥有多项关于自动立体显示的重要的专利技术。