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【商显解析】「真视」的未来——全息显示专利技术简析

来源:未知 人气: 发布时间:2019-03-05
摘要:全息显示是最新一代的裸眼3D显示技术,其可以呈现出更加接近真实状态的影像,逐渐成为下一代显示技术的发展方向之一。

 

 

三维(3D)显示能够给观者带来更逼真的视觉体验,一直以来都是显示技术研究的热点。现有的主流3D显示技术,需要观者佩戴专用眼镜,实际体验不佳;而裸眼3D显示则无需附加装置,令观者能够直接看到立体的影像。

 

全息显示是最新一代的裸眼3D显示技术,其可以呈现出更加接近真实状态的影像,逐渐成为下一代显示技术的发展方向之一。本文将通过专利数据与技术情况的分析,对全息显示技术的发展历史与现状进行梳理。

 

技术简介

 

目前裸眼3D显示技术主要有光屏障式、柱状透镜式与指向光源式,核心原理都是将不同的图像通过一定方式分别转递给左右眼,利用人的视觉成像特点在人脑中形成3D图像。由于需要将图像像素或亮度分拆为不同的单元以分别传递给左右眼,目前的裸眼3D显示技术存在分辨率低、亮度低等明显不足,对于观看的距离与也有一定限制,并且由于图像分拆的单元有限,所呈现3D图像的景深等也不理想。

 

同时,由于这类3D显示技术是利用人眼的视差产生立体效果,观看时容易产生眼部的疲劳。

 

全息显示技术是利用光波的干涉和衍射,记录和呈现物体全部的三维信息。与利用视差产生立体效果的技术不同,全息显示技术是将物体的三维影像信息真实地转递给人眼,因而呈现的影像更接近实物,能够为观者带来更好的用户体验。

 

 ● 电影中所展现的全息显示技术

 

从技术发展来看,全息显示技术经历了两代。第一代全息投影显示技术,是将影像由不同方向或角度投射到特定屏幕,利用光波的干涉和衍射形成3D影像。该技术已经较为成熟,常应用于舞台演出、商品展示、博物馆展示等。

 

全息投影是光学全息影像,形成的立体影像是实像,由于完全透明的空气无法呈现该影像,所以目前必须采用薄膜、玻璃、烟雾或水雾等作为屏幕来呈现全息影像。因此,全息投影设备具有较大体积,使用空间条件受限。

 

第二代计算机全息显示技术,是通过计算机对影像光波的参数进行计算和模拟,再通过空间光调制器对输出的光波信号进行控制,将记录有全息信息的光波信号输出。该光波可直接传导至人眼,人眼在光波反向延长交汇处观看到三维立体的虚像。由于该技术可不需要屏幕呈现影像,使得全息显示技术的应用场景极大地拓展,被认为是最理想的裸眼3D显示技术方案。

 

专利申请量趋势分析

 

基于Incopat专利数据库,截止2018年12月20日共检索到全球范围内涉及全息显示技术的专利申请1886项。

 

 ● 全息显示技术全球专利申请量趋势

 

从上图可以看出,全息显示专利申请量呈现震荡上升的整体趋势,也反映出全息显示技术仍在探索发展的过程中。全息技术诞生于1947年,早期仅用于电子显微镜。20世纪60年代随着激光技术与彩虹全息技术的产生,全息显示技术被发明。

 

1969年,首项关于全息显示技术的专利申请诞生于美国,但在接下来15年内申请量都极少。得益于激光技术的快速发展,从1985年起,全息显示专利申请数量增长至年均超过20项。

 

20世纪90年代起,数字技术逐步与全息显示技术融合,在全息投影显示技术不断成熟的同时,还诞生了新一代的计算机全息显示技术。从1996年起相关专利申请量快速增加,1998年和2000年出现了两个峰值。随后专利申请量又回归平淡,仅在2007-2008年由于某些重点企业的集中布局,专利申请量短暂出现高峰。

 

随着全息显示技术的日趋完善以及应用的逐渐增多,从2011年起专利申请量开始快速增长,2016年已突破180项,由于专利申请公开的滞后,2017年数据尚不完善,但申请量有望进一步突破。

 

 ● 全息显示技术全球专利申请来源国家/地区分布

 

从来源国家/地区分布来看,美国、中国、日本、韩国、英国、德国和卢森堡七国是全息显示技术的主要研发地,但没有一个占比超过20%,反映出相关技术来源的分散性。美国是全息显示技术诞生地,自20世纪60年代就有相关专利申请,申请总量也处于领先地位。中国在全息显示技术方面专利申请起步较早,80年代末即已有专利申请出现,但整个90年代申请数量极少,2011年后才开始快速增多。

 

 

申请人分析

 

 ● 全息显示技术全球专利申请量排名

 

全球专利申请量排名前十位的申请人涉及领域较广,SEEREAL和LIGHT BLUE是专业的全息显示产品制造企业,三星、汤姆逊、飞利浦是电子产品制造企业,京东方和旭硝子是电子元配件制造企业,休斯是飞机制造企业,戴姆勒是汽车制造企业,而韩国电信院则属于科研机构。

 

德国的SEEREAL公司专利申请量遥遥领先,是全息显示领域最为重要的申请人。中国申请人在全息显示技术专利申请方面较为活跃,除京东方外,深圳亿思达、北京理工大学、北京微美云息专利申请量也比较多。

 

 ● 全息显示技术全球主要申请人专利申请量趋势变化

 

全球前十位专利申请人中,休斯飞机、旭硝子、汤姆逊和戴姆勒主要涉及第一代全息显示技术,2002年之后已没有新专利申请提交。三星是唯一专利申请覆盖了两代全息显示技术的申请人,并且近年来相关专利布局数量还在增多。其他申请人的专利申请都仅涉及新一代全息显示技术。

 

下面将选取全息显示领域较为重要的专利申请人进行介绍。

 

SEEREAL公司

 

德国的SEEREAL公司创立于2002年,是目前全球最领先的全息显示技术企业。SEEREAL公司致力于计算机全息显示技术,拥有整套的全息显示技术并对相关技术都进行了专利布局。

 

 ● SEEREAL公司全息显示装置部件所涉及的专利

 

采用计算机全息技术呈现全息影像时,由于全息影像信息量巨大,对数据计算的压力非常大。现有空间光调制器由于计算能力有限,只能降低全息显示的分辨率。

 

SEEREAL通过眼球追踪技术追踪眼球瞳孔位置,获得观者正在观看的位置信息,仅计算对两眼视窗区域有贡献的影像部分的全息信息,从而大大降低了数据计算量,使得显示分辨率得以提高。相关专利如CN104204926B、US9529430B2与

US20170038728A1。

 

三星电子

 

三星电子是全球知名的移动设备厂商,也是AMOLED显示组件的主要生产商,同时三星也在大力投入全息显示技术的研发与应用。三星通过对全息显示组件的改进,致力于全息显示设备的轻量化与小型化,使其更适于实际应用。

 

目前,三星公司研发的全息显示设备类型多样,包括全息眼镜(相关专利CN106842568A)、全息显示器/电视(相关专利US9477101B2与

KR1020160042760A)以及全息手机(相关专利US7110796B2)等。

 

 ● 三星电子全息显示器/电视相关专利示意图

 

LIGHT BLUE OPTICS

 

英国的Light Blue Optics公司主要研发具备触控功能的全息投影显示系统。其曾在CES2010上推出一款全息投影产品Light Touch,可以将任意平面经过投影变成一块具备触控功能的全息显示屏,用户可以利用该产品对多媒体内容和应用程序进行控制,特别适用于商场、消费场所和家庭消费电子产品,相关专利如US8514194B2与GB2466497B。

 

 ● Light Touch产品在餐厅的应用场景

 

深圳亿思达

 

亿思达成立于2004年,是3D显示整体解决方案提供商。亿思达在全息显示技术上申请专利20项,部分核心专利在美国、欧洲、日本和韩国进行了布局。其主要技术涉及基于人眼跟踪的全息显示。基于该专利技术,亿思达的子公司钛客科技于2014年发布了全球首款全息手机Takee 1。

 

 ● Takee 1全息手机

 

前景展望

 

2013年周杰伦台北演唱会,运用全息显示实现了邓丽君与周杰伦的「对唱」;2014年公告牌音乐奖颁奖典礼上,利用全息显示将迈克尔·杰克逊在舞台上「复活」;2015年央视春晚,在歌曲《蜀绣》中应用全息显示实现了绚丽的舞台效果。在众多博物馆、纪念馆中也已采用了全息显示的展示台或表演剧场。可见第一代全息投影显示技术已经获得了良好的实际应用,但是应用场景仍旧局限在较小范围。

 

 ● 利用全息显示技术再现的迈克尔·杰克逊

 

另一方面,适用场景更广泛的新一代全息显示技术的发展依然磕磕绊绊。全球首款全息手机Takee 1发布后并未上市销售,亿思达2015年之后在全息显示领域也再没有新的专利申请;高端摄像机制造商RED在2017年推出的Hydrogen One全息手机,其显示效果也差强人意。

 

但是,随着材料、电子、信息等技术的发展,计算机全息显示技术必将迎来快速发展,SEEREAL和三星电子都在新一代全息显示技术上投入了大量研发精力,京东方近三年也对全息显示进行了重点研发并进行了专利布局。在这些行业龙头企业的持续关注与不断投入之下,相信新一代全息显示技术的产品很快会进入市场并逐步成熟,并且极有可能成为未来主流的显示技术。

 

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作者:东旭集团知识产权副总监 彭飞

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