孫佳琛

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 專利局，北京 100088）

隨著3D技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)立體顯示技術(shù)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(shì)，引發(fā)了新一輪的立體顯示技術(shù)發(fā)展的熱潮。目前，自動(dòng)立體顯示的專利申請(qǐng)一直處于上升期，數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，專利所包含的技術(shù)內(nèi)容也在動(dòng)態(tài)發(fā)展變化之中，本文就自動(dòng)立體顯示技術(shù)有關(guān)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，介紹該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的現(xiàn)狀，分析今后專利技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 自動(dòng)立體顯示技術(shù)概述

自動(dòng)立體顯示指由人眼直接觀看的立體顯示技術(shù)，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(duì)光線的傳播路徑進(jìn)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(chǎn)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(duì)；柱面透鏡利用透鏡單元的折射，引導(dǎo)光線進(jìn)入特定的觀察區(qū)，產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)屏幕、層疊液晶屏幕等，將2D圖像合成為具有真實(shí)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(jù)衍射原理重建3D圖像。

目前，自動(dòng)立體顯示專利中多數(shù)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(shù)由于受成本和傳輸?shù)南拗芠2]，現(xiàn)階段的專利數(shù)量較為有限，其專利申請(qǐng)人主要集中在科研機(jī)構(gòu)和高校。

2 自動(dòng)立體顯示專利的總體分析

2.1 在中國(guó)申請(qǐng)的專利數(shù)量逐年變化情況

根據(jù)自動(dòng)立體顯示的主要技術(shù)特征，選用自動(dòng)、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(guān)鍵詞，將檢索時(shí)間限定在2001年以后[3]，在中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得已經(jīng)公開的專利申請(qǐng)1100余件，統(tǒng)計(jì)其申請(qǐng)數(shù)量隨年代的變化情況結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看到，自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量總體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，尤其從2006年開始，增長(zhǎng)速度明顯加快，當(dāng)年申請(qǐng)160件，比上一年增長(zhǎng)約1.5倍，可見當(dāng)年的自動(dòng)立體顯示技術(shù)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，隨后基本上每年的申請(qǐng)量也都在此基礎(chǔ)上增長(zhǎng)顯著，2009年的申請(qǐng)量197件達(dá)到了歷年來的峰值。

2.2 專利申請(qǐng)類型變化

對(duì)自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域的專利類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(shí)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(shí)用新型專利190件，占24%左右。專利類型和數(shù)量的變化如圖2所示?？梢?，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的蓬勃發(fā)展，具有更高創(chuàng)新水平的發(fā)明專利數(shù)量和所占比重的上升趨勢(shì)顯著。

2.3 在中國(guó)申請(qǐng)專利的申請(qǐng)人國(guó)別分布狀況

對(duì)提交專利的申請(qǐng)人所屬國(guó)家進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可見，在我國(guó)申請(qǐng)專利保護(hù)的申請(qǐng)人以國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人為主，其專利數(shù)量約為660件，占全部專利的55%，其次分別是日本、美國(guó)、荷蘭、韓國(guó)、德國(guó)等，其分布百分比情況如圖3所示。這與我國(guó)在近幾年對(duì)自動(dòng)立體顯示技術(shù)的需求迅猛增加密不可分，對(duì)技術(shù)的需求強(qiáng)有力地推動(dòng)著我國(guó)申請(qǐng)人注重技術(shù)創(chuàng)新，注重保護(hù)發(fā)明創(chuàng)造，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4 全球范圍內(nèi)的專利分布情況

統(tǒng)計(jì)在全球范圍內(nèi)的自動(dòng)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(gè)該領(lǐng)域?qū)＠?8%。而事實(shí)上，日本的3D電視技術(shù)發(fā)展水平和自動(dòng)立體顯示器的市場(chǎng)活躍程度也居于世界領(lǐng)先地位，其次是美國(guó)、歐洲、韓國(guó)、中國(guó)等，可見中國(guó)專利所占的比率與技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距。并且，值得我國(guó)專利申請(qǐng)人注意的是，綜合圖3示出的在中國(guó)申請(qǐng)專利的申請(qǐng)人國(guó)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(lǐng)域有大部分的國(guó)外專利還沒有進(jìn)入我國(guó)。

3 自動(dòng)立體顯示專利的技術(shù)現(xiàn)狀

通過分析自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)，可見近年來專利數(shù)目增長(zhǎng)較多、技術(shù)發(fā)展較快的幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域如表1所示，表1中的專利數(shù)量是利用這些領(lǐng)域的關(guān)鍵詞檢索進(jìn)行的大致統(tǒng)計(jì)。下面通過結(jié)合典型案例，介紹這些專利技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀。

表1 幾個(gè)發(fā)展較快的技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)量

3.1 設(shè)置光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)

光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括光柵的寬度、周期等，通過對(duì)其優(yōu)化設(shè)置可以提供更寬的立體視角和顯示亮度。

該領(lǐng)域近期的專利技術(shù)，在早些年的設(shè)置固定結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，開始關(guān)注可調(diào)整光柵參數(shù)或者局部調(diào)整光柵參數(shù)的技術(shù)，例如卡西歐公司提出的公開號(hào)為JP2011053277A的專利中具有一個(gè)距離信息獲取單元，推導(dǎo)顯示單元與觀看者間的距離信息，以及一個(gè)狹縫寬度控制單元，根據(jù)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(shí)，飛利浦提出的EP1673652A1實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同像素光學(xué)透射的控制，其中顯示驅(qū)動(dòng)器控制每個(gè)像素的透射特性，利用亮度校正值來調(diào)整顯示面板中的每個(gè)像素的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

各種非周期排列或形狀不規(guī)則的光柵也被提出，例如臺(tái)灣財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院提出的中國(guó)專利公開號(hào)為CN102043253A的專利中，包括構(gòu)造光柵族群的方式，每個(gè)族群具有相同的寬度縫隙，每個(gè)族群包括多個(gè)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(guān)系；NEC的JP2008134617A采用了由多個(gè)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(shè)置各向異性散射板，該結(jié)構(gòu)能最小化反射顯示從而提高圖像質(zhì)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(shí)顯示左右眼的圖像，導(dǎo)致了空間分辨力的降低[4]，近年來公開的很多專利文獻(xiàn)針對(duì)該問題提出了利用時(shí)分方式改善分辨力的方法，例如三星的KR20060135450A中的時(shí)間順序顯示方法，交替布置具有兩個(gè)不同偏振方向的偏振單元和切換柵欄單元，通過至少一個(gè)偏振單元來透射穿過偏振轉(zhuǎn)換裝置的光束。

同時(shí)利用空間和時(shí)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(gè)不同的障柵圖案，每個(gè)障柵圖案具有各自的透光和遮光部，針對(duì)不同的顯示圖像周期性地切換障柵圖像。

最近還出現(xiàn)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(shù)，包括在照明的多個(gè)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(chǎn)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(gè)焦點(diǎn)強(qiáng)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(duì)視差障柵的有效和無效性進(jìn)行切換。

在此基礎(chǔ)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(gè)視差圖像的合成

多視點(diǎn)一直是3D顯示領(lǐng)域的重要技術(shù)，目前這方面的專利主要集中在多個(gè)視差圖像的合成方法。例如，東芝的CN1619359A詳細(xì)介紹了一種生成立體顯示圖像的方法，輸入三原色信息構(gòu)成的像素?cái)?shù)據(jù)、視點(diǎn)圖像，根據(jù)構(gòu)成顯示二維圖像的像素的彩色像素點(diǎn)排列信息合成各視點(diǎn)圖像的三原色信息的一部分。

同時(shí)東芝還提出了CN101491108A，基于經(jīng)變換的顯示單元特性和觀察值參數(shù)，控制對(duì)每個(gè)視點(diǎn)圖像執(zhí)行與像素位置相對(duì)應(yīng)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(chǎn)生立體圖像的過程中，不但產(chǎn)生了利于人眼觀看的有效區(qū)域，同時(shí)也產(chǎn)生了不利于人眼觀看的幻視圖像區(qū)域。針對(duì)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(diào)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(jù)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(nèi)。

3.6 水平和垂直方向均可實(shí)現(xiàn)立體效果

對(duì)于手機(jī)等移動(dòng)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(xiàn)了多篇關(guān)于這一內(nèi)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(qǐng)人的專利特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人中，擁有專利較多的國(guó)外申請(qǐng)人包括：飛利浦、三星、夏普、東芝、索尼等，這些申請(qǐng)人集中在日本、荷蘭、韓國(guó)等國(guó)；美國(guó)的專利申請(qǐng)數(shù)量雖然較大，但其申請(qǐng)人分布相對(duì)分散；國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)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(shù)公司等保護(hù)的專利多，高校等科研單位方面以四川大學(xué)、浙江大學(xué)等高校的專利數(shù)量占優(yōu)。這些主要專利申請(qǐng)人在中國(guó)申請(qǐng)的專利數(shù)量如圖5所示，下面針對(duì)不同申請(qǐng)人近年來的專利技術(shù)進(jìn)行分析。

4.1 國(guó)外申請(qǐng)人的專利特點(diǎn)

1）飛利浦：在全球范圍內(nèi)擁有自動(dòng)立體顯示專利約145件，其中在中國(guó)的專利67件，占到46%，這表明其較為重視中國(guó)的3D市場(chǎng)。從申請(qǐng)年代看，其2006年申請(qǐng)量最多，達(dá)到26件，之后以每年8件左右的數(shù)量提交申請(qǐng)。飛利浦的專利集中在幾個(gè)方面：提供3D顯示的完整系統(tǒng)，包括創(chuàng)建3D深度圖的計(jì)算器，根據(jù)觀看者位置控制立體圖像的計(jì)算；檢測(cè)觀看者的位置；克服自動(dòng)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(shù)，而是集中在柱透鏡光柵顯示的改善；最近它還針對(duì)減少串?dāng)_影響，提出了具有亮度不均勻性減小功能的透鏡陣列。同時(shí)，飛利浦的專利應(yīng)用領(lǐng)域多，并非只申請(qǐng)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(shù)在醫(yī)療設(shè)備中的體積圖像產(chǎn)生方法等?？梢婏w利浦在中國(guó)的3D市場(chǎng)覆蓋面廣泛，技術(shù)的市場(chǎng)化能力強(qiáng)。

2）三星：在全球范圍內(nèi)擁有專利160件左右，該專利數(shù)量處于世界領(lǐng)先位置，但是其中的中國(guó)專利約為50件，僅占30%左右，可見其大部分技術(shù)還沒有申請(qǐng)中國(guó)專利權(quán)。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(xiàng)專利集中在2D/3D的切換顯示、OSD與立體圖像的同屏技術(shù)；早年提出了多份針對(duì)視差障柵改進(jìn)的專利，而最近幾年，它的專利更多關(guān)注于提高棱鏡光柵的顯示質(zhì)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(shí)分系統(tǒng)組合的、具有更高清晰度的柱透鏡立體顯示設(shè)備；同時(shí)，有多篇專利圍繞手機(jī)等個(gè)人便攜設(shè)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(dāng)?shù)膱D像，并于2010年提出了采用雙凸透鏡系統(tǒng)的手機(jī)，可在縱向取向狀態(tài)和橫向取向狀態(tài)之間轉(zhuǎn)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(shù)并提出了大量的專利，近些年其提出了應(yīng)用于視差屏障中的光固化樹脂貼合面，改善顯示效果；同時(shí)它也關(guān)注2D/3D的切換顯示；并在對(duì)視差圖像合成為多視點(diǎn)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(chǎng)中的3D顯示產(chǎn)品并不只在電視顯示器行業(yè)。

東芝的專利申請(qǐng)集中在2004年以后，尤其是2009年數(shù)量較多，當(dāng)年提出了多份專利，包括：能夠定時(shí)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(duì)每個(gè)視點(diǎn)圖像，執(zhí)行與像素位置對(duì)應(yīng)的圖像處理的專利；還有多項(xiàng)專利針對(duì)光柵透鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

日本企業(yè)不僅自身的研發(fā)和市場(chǎng)運(yùn)作能力強(qiáng)，同時(shí)也非常注重在專利方面的合作。他們聯(lián)合提出了多份關(guān)于自由立體顯示系統(tǒng)的共同申請(qǐng)，例如索尼、三洋、奧林巴斯、夏普聯(lián)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(gè)主圖像和由編碼裝置獲得的編碼圖像在各個(gè)圖像的相應(yīng)區(qū)域被分區(qū)的狀態(tài)下加以合成，這種合作的技術(shù)研發(fā)和專利保護(hù)模式值得我國(guó)申請(qǐng)人借鑒。

4.2 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的專利特點(diǎn)

1）超多維科技有限公司、天津三維顯示技術(shù)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(guó)內(nèi)專利數(shù)量較多的企業(yè)，他們的申請(qǐng)自2007年開始且增長(zhǎng)顯著，其專利涉及的技術(shù)面寬、技術(shù)創(chuàng)新水平高，技術(shù)發(fā)展方向與國(guó)外企業(yè)的技術(shù)進(jìn)展基本保持一致，專利技術(shù)集中在2D/3D可切換的自動(dòng)立體顯示裝置，狹縫、透鏡光柵的結(jié)構(gòu)，全分辨力光柵，可跟蹤觀看者位置調(diào)整顯示的系統(tǒng)等。天津三維顯示技術(shù)公司近年來也提出了多項(xiàng)具有創(chuàng)新性的專利，其中包括多項(xiàng)關(guān)于光柵制作的專利，和LED大尺寸自動(dòng)立體顯示系統(tǒng)等。

2）四川大學(xué)、浙江大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)：雖然作為科研單位，但他們提出的專利實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的市場(chǎng)化前景。四川大學(xué)的專利技術(shù)中包括，按照像素尋址方式進(jìn)行視差圖像的實(shí)時(shí)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(xué)的專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包括橫向視差、縱向視差在內(nèi)的全視差三維顯示，基于LED的彩色全景視場(chǎng)三維顯示，可以實(shí)現(xiàn)真3D顯示的功能。這些科研單位的專利應(yīng)用價(jià)值高，為我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了重要的專利支持。

3）長(zhǎng)虹、海信和創(chuàng)維等電視生產(chǎn)企業(yè)[5]：這些企業(yè)擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，例如長(zhǎng)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(hào)，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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(diào)節(jié)等。

綜上，雖然我國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量與國(guó)外相比相對(duì)較少，但是從目前的專利技術(shù)發(fā)展方向來看，基本保持一致，大都是針對(duì)光柵結(jié)構(gòu)、2D/3D顯示切換等技術(shù)方向進(jìn)行改進(jìn)。可見，我國(guó)申請(qǐng)人在技術(shù)上的研發(fā)實(shí)力強(qiáng)，而且開始逐漸重視對(duì)技術(shù)的保護(hù)，已經(jīng)擁有多項(xiàng)關(guān)于自動(dòng)立體顯示的重要的專利技術(shù)。

5 自動(dòng)立體顯示專利的發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，自動(dòng)立體顯示涉及的技術(shù)非常寬泛，專利申請(qǐng)的數(shù)量多，專利技術(shù)的分枝廣，下面簡(jiǎn)要分析自動(dòng)立體顯示領(lǐng)域今后的專利發(fā)展方向，包括以下3個(gè)方面：

1）觀看舒適化：針對(duì)視差障柵和柱透鏡光柵顯示方式，進(jìn)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(diǎn)的數(shù)量、幫助觀看者找到最佳的立體觀看位置；同時(shí)改善2D/3D可切換顯示器在顯示2D圖像時(shí)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)2D和3D顯示之間更好的切換。

2）應(yīng)用多元化：各大廠商都開始針對(duì)手機(jī)、汽車、醫(yī)療設(shè)備、全景屏幕等設(shè)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(gè)角度觀看、大型全景顯示、真3D顯示等方式提高自動(dòng)立體顯示的多元化應(yīng)用發(fā)展。

3）技術(shù)細(xì)節(jié)化：從單項(xiàng)專利的技術(shù)創(chuàng)新性上看，在技術(shù)經(jīng)歷了多年的發(fā)展后，目前的專利涉及的整個(gè)顯示系統(tǒng)的少，而大都是針對(duì)某個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)、針對(duì)特定的觀看參數(shù)、圍繞特殊的應(yīng)用場(chǎng)合等作出技術(shù)上的創(chuàng)新性改進(jìn)。

目前，各個(gè)專利申請(qǐng)人提出的專利都沒有局限在某個(gè)技術(shù)背景下，而是在自動(dòng)立體顯示技術(shù)所涉及的多個(gè)技術(shù)點(diǎn)上都進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)，使得該領(lǐng)域的專利發(fā)展趨勢(shì)顯著，推動(dòng)了3D技術(shù)廣闊的發(fā)展前景。

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