裸眼3D技术专利概况及简要分析

裸眼3D技术专利概况及简要分析

许文忠

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

立体显示技术能够提供带有深度信息画面的多媒体技术，能给人逼真、立体的感受，随着现代技术的发展，3D显示器的种类越来越多，包含的立体技术也很广，主要有以下两种为主：一是佩戴辅助设备的立体显示技术，二是裸眼3D显示技术，此外，还有如手持显示设备和头盔式显示设备等。相对于佩戴辅助设备的立体显示技术，裸眼3D技术提供了更大的自由空间，是未来3D技术的必然归宿。

裸眼3D显示（glasses-free 3D display），或称为自由立体显示（autostereoscopic display），是指利用人的左右双眼视差特性，观看者无须佩戴眼镜等辅助装置，就可以通过屏幕等显示设备感知三维景深的一系列显示技术。夏普2000年推出了基础视差屏障式的裸眼3D显示设备，是裸眼3D发展的里程碑。2009年，美国的PureDepth公司研发了多层显示技术，该技术利用多层LCD的前后排列，通过分别显示前景与后景来形成相应的前后深度感。鉴于裸眼3D显示技术可以应用于娱乐、教育、医疗等众多方面，日本、韩国、台湾等众多的国家和地区都投入了大量精力进行研究，取得了许多成果。日本企业一直走在发展的前沿，松下电器早在2010年就率先推出了便携式一体型全高清3D摄像机，索尼也紧跟其后，推出了3D转播车，夏普公司则于2014年推出了裸眼3D显示器，借助杜比3D显示技术，该显示器具有高清晰度和自然观看的体验。韩国LG和台湾HTC在裸眼3D显示领域也发展迅速，首次展出了商业化的3D手机。国内，也有不少企业开始关注裸眼3D显示技术；京东方2014年声称已实现裸眼3D液晶面板的正式量产，不仅支持裸眼3D显示，还可兼容传统的2D显示；深圳超多维在2015年也展出了裸眼3D赛车游戏街机和裸眼3D游戏机。

裸眼3D已成为显示技术发展的趋势和热点，具有旺盛的生命力，终将成为显示技术共性平台的下一代显示技术。

体三维显示技术

不同于双目视差3D显示技术采用在同一平面内产生使双眼略有视差的图像从而欺骗大脑令使用者产生3D的感觉，体显示通常是将三维物体分割为点阵或一系列二维图像，再依次扫描，利用人眼的视觉暂留效应形成立体图像。体显示可供多个观看者同时从不同角度观看到同一显示图像的不同侧面,且兼顾了人眼的调节和会聚特性,不会引起视觉疲劳。它是真正能够实现动态效果的3D技术，它可以让你看到科幻电影中一般“悬浮”在半空中的三维透视图像。体三维显示技术目前大体可分为扫描体显示(Swept-Volume Display，或称旋转体三维显示)和固态体显示(Solid-Volume Display)两种。

旋转体三维显示，即用一个高速旋转的屏幕，反射或引导光线射向特定区域，不同特定区域被位于不同视点位置的观察者观察到，研究表明，人眼的视觉暂留时间约为50-100 ms，当旋转屏在原地高速旋转并显示一系列二维图像时，由于人眼的视觉暂留，大脑对亮度的高速变化的意识处理会被延时，从而使得不同特定区域的二维图像仿佛同时存在，并被大脑进一步融合感知，形成为一幅三维图像。

固态体积显示技术，是把两束激光（粒子）束照射到一个由特殊材料制造的透明图像空间上，经过折射，两束光相交到一点，激发图像空间材料发光，便产生了组成立体图像最小单位—体素，每个体素对应真实物体的一个实际的点，当这两束激光束快速移动时，在图像空间中就形成许许多多个交叉点，无数个体素点就构成了真三维的物体图像。由于体素是在充满均匀媒介物的成像空间中生成的，且自身具有物理景深，所以由此技术生成的图像均匀、逼真，整个图像具有真正的物理景深。

多层裸眼3D显示技术（Multi-Layer Display）最早由美国深视频图像有限公司（Pure Depth Ltd）在2001左右提出。早期的MLD技术用两个不同屏幕模拟深度，一个屏幕设置在另一屏幕的前方，两屏幕中间设置有透明间隔层。当系统在屏幕上分别显示前景与背景图像时，就能显示出任意角度的三维图像，并且没有任何分辨率损失。多层裸眼3D显示技术解决了左右眼汇聚的问题并解除了观看角度的限制，观看自由度高。

多层裸眼3D显示技术与常规的基于视差的裸眼3D显示技术（如基于视差屏或基于柱透镜的裸眼3D显示技术）相比——首先，在观看基于多层薄膜技术的裸眼3D显示时，由于不存在左右眼图像的汇聚问题，因此不会产生观看3D引发的眩晕、头疼以及眼疲劳等弊端（换句话说，基于多层的裸眼3D显示技术是一种真三维显示技术，因此，与我们在日常生活中观看实际物体类似不易产生疲劳感）；其次，多层裸眼3D显示技术在实现显示的同时并不伴随着分辨率损失；再次，多层裸眼3D显示技术可同时组合显示文字等二维影像和三维影像；最后，多层裸眼3D显示技术对观看视角没有限制。

全息三维显示技术

全息式裸眼3D显示技术通过以下步骤实现，第一步，拍摄过程：将被全息技术拍摄的物体在激光辐照下形成漫射式物光束，另一部分激光作为参考光束照射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的相位和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图；第二步，成像过程：利用衍射原理再现物光波信息，通过相干激光照射全息图，由于全息图中的每一部分都记录了物体上各点的光信息，因此它的每一部分都能再现原物的整个图像，并且通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，并且能互不干扰地分别显示出来，由于全息式立体显示的显示器无需安装在桌柜上或者悬挂于墙上，视像重现的激光束被投射于观看范围之内，观看者可以通过任何视角观看，无需佩戴立体眼镜，因此不会产生视觉疲劳。

然而传统全息技术需要制作全息干板，再现图像不清晰，操作繁琐，因此上述技术问题制约了全息立体显示的发展，伴随着数字全息技术的发展和CCD分辨率的提高，全息裸眼立体显示技术得到快速发展，针对该领域的研究越来越受到广泛关注，相关的专利申请也逐年增加。经过简单专利分析可以得出，从2000年开始，全息裸眼3D技术在我国受到研究人员的广泛关注，相应的申请量也大幅提升，且最近几年呈现逐年增加的态势，在2016年达到了最高申请量，其主要原因是伴随着数字全息技术的发展和CCD运算速度的提高解决了传统全息图制作过程繁琐、计算量大的缺陷，且伴随着CCD运算速度的提高，全息图像再现的时间也大大缩短，使全息裸眼3D技术得到了快速发展。国外关于该技术分支的申请量要远远高于国内申请总量，针对该技术分支在国外的申请要比国内早10年左右，且申请总量在2015年之前呈现平稳增加的态势，而从2016年至今的申请总量由于CCD成像分辨率的限制和该技术原理自身的缺陷，使得研究和改进遇到了瓶颈，导致申请总量有所下滑。在华申请中的国内申请主要集中于高校、京东方和深圳易思达科技集团有限公司，而国外申请人主要来自日本、韩国等公司，例如索尼，三星，大日本印刷株式会社、富士胶片株式会社等，他们的申请量占据了大部分，几乎垄断了全球的申请总量。且通过专利申请的质量我们也可以看出我国目前在该技术分支中的研究仅仅处于起步阶段，与日韩企业还存在较大差距。

伴随着科技的发展，人们对现实的追求不断进步，从以前的黑白显示到彩色显示，模拟显示到数字显示，低分辨率显示到高分辨率显示，平面显示到立体显示，显示技术实现的效果逐渐趋近于人眼最适观看效果，而裸眼3D显示技术不需要观看者佩戴任何助视设备即可获得三维效果，因此更符合人们的观察需求，是三维显示技术的发展主要方向。

通过对裸眼3D显示技术的课题研究，我们充分了解该领域的发展过程，掌握实现裸眼3D显示的几种方式及原理，通过对国内外的重要申请人的重要专利进行解析，了解国内外该技术的发展现状以及目前我国的发展水平，把握未来几年内技术研究热点和发展趋势，为以后该领域的审查工作提供思路，有助于该领域的专利审查工作的发展。