真視”的未來——全息顯示專利技術簡析

三維（3D）顯示能夠給觀者帶來更逼真的視覺體驗，一直以來都是顯示技術研究的熱點。現有的主流3D顯示技術，需要觀者佩戴專用眼鏡，實際體驗不佳；而裸眼3D顯示則無需附加裝置，令觀者能夠直接看到立體的影像。全息顯示是*新一代的裸眼3D顯示技術，其可以呈現出更加接近真實狀態的影像，逐漸成為下一代顯示技術的發展方向之一。本文將通過專利數據與技術情況的分析，對全息顯示技術的發展歷史與現狀進行梳理。

1、技術簡介

目前裸眼3D顯示技術主要有光屏障式、柱狀透鏡式與指向光源式，核心原理都是將不同的圖像通過一定方式分別轉遞給左右眼，利用人的視覺成像特點在人腦中形成3D圖像。由于需要將圖像像素或亮度分拆為不同的單元以分別傳遞給左右眼，目前的裸眼3D顯示技術存在分辨率低、亮度低等明顯不足，對于觀看的距離與也有一定限制，并且由于圖像分拆的單元有限，所呈現3D圖像的景深等也不理想。同時，由于這類3D顯示技術是利用人眼的視差產生立體效果，觀看時容易產生眼部的疲勞。

全息顯示技術是利用光波的干涉和衍射，記錄和呈現物體全部的三維信息。與利用視差產生立體效果的技術不同，全息顯示技術是將物體的三維影像信息真實地轉遞給人眼，因而呈現的影像更接近實物，能夠為觀者帶來更好的用戶體驗。

圖1. 電影中所展現的全息顯示技術

從技術發展來看，全息顯示技術經歷了兩代。第*代全息投影顯示技術，是將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。該技術已經較為成熟，常應用于舞臺演出、商品展示、博物館展示等。全息投影是光學全息影像，形成的立體影像是實像，由于完全透明的空氣無法呈現該影像，所以目前必須采用薄膜、玻璃、煙霧或水霧等作為屏幕來呈現全息影像。因此，全息投影設備具有較大體積，使用空間條件受限。

第二代計算機全息顯示技術，是通過計算機對影像光波的參數進行計算和模擬，再通過空間光調制器對輸出的光波信號進行控制，將記錄有全息信息的光波信號輸出。該光波可直接傳導至人眼，人眼在光波反向延長交匯處觀看到三維立體的虛像。由于該技術可不需要屏幕呈現影像，使得全息顯示技術的應用場景極大地拓展，被認為是最理想的裸眼3D顯示技術方案。

2、專利申請量趨勢分析

基于Incopat專利數據庫，截止2018年12月20日共檢索到全球范圍內涉及全息顯示技術的專利申請1886項。

圖2. 全息顯示技術全球專利申請量趨勢

從上圖可以看出，全息顯示專利申請量呈現震蕩上升的整體趨勢，也反映出全息顯示技術仍在探索發展的過程中。全息技術誕生于1947年，早期僅用于電子顯微鏡。20世紀60年代隨著激光技術與彩虹全息技術的產生，全息顯示技術被發明。1969年，首項關于全息顯示技術的專利申請誕生于美國，但在接下來15年內申請量都極少。得益于激光技術的快速發展，從1985年起，全息顯示專利申請數量增長至年均超過20項。20世紀90年代起，數字技術逐步與全息顯示技術融合，在全息投影顯示技術不斷成熟的同時，還誕生了新一代的計算機全息顯示技術。從1996年起相關專利申請量快速增加，1998年和2000年出現了兩個峰值。隨后專利申請量又回歸平淡，僅在2007-2008年由于某些重點企業的集中布局，專利申請量短暫出現高峰。隨著全息顯示技術的日趨完善以及應用的逐漸增多，從2011年起專利申請量開始快速增長，2016年已突破180項，由于專利申請公開的滯后，2017年數據尚不完善，但申請量有望進一步突破。

圖3. 全息顯示技術全球專利申請來源國家/地區分布

從來源國家/地區分布來看，美國、中國、日本、韓國、英國、德國和盧森堡七國是全息顯示技術的主要研發地，但沒有一個占比超過20%，反映出相關技術來源的分散性。美國是全息顯示技術誕生地，自20世紀60年代就有相關專利申請，申請總量也處于領先地位。中國在全息顯示技術方面專利申請起步較早，80年代末即已有專利申請出現，但整個90年代申請數量極少，2011年后才開始快速增多。

3、申請人分析

圖4. 全息顯示技術全球專利申請量排名

全球專利申請量排名前十位的申請人涉及領域較廣，SEEREAL和LIGHT BLUE是專業的全息顯示產品制造企業，三星、湯姆遜、飛利浦是電子產品制造企業，京東方和旭硝子是電子元配件制造企業，休斯是飛機制造企業，戴姆勒是汽車制造企業，而韓國電信院則屬于科研機構。德國的SEEREAL公司專利申請量遙遙領先，是全息顯示領域最為重要的申請人。中國申請人在全息顯示技術專利申請方面較為活躍，除京東方外，深圳億思達、北京理工大學、北京微美云息專利申請量也比較多。

圖5. 全息顯示技術全球主要申請人專利申請量趨勢變化

全球前十位專利申請人中，休斯飛機、旭硝子、湯姆遜和戴姆勒主要涉及第*代全息顯示技術，2002年之后已沒有新專利申請提交。三星是唯*專利申請覆蓋了兩代全息顯示技術的申請人，并且近年來相關專利布局數量還在增多。其他申請人的專利申請都僅涉及新一代全息顯示技術。

下面將選取全息顯示領域較為重要的專利申請人進行介紹。

SEEREAL公司

德國的SEEREAL公司創立于2002年，是目前全球最領先的全息顯示技術企業。SEEREAL公司致力于計算機全息顯示技術，擁有整套的全息顯示技術并對相關技術都進行了專利布局。

圖6. SEEREAL公司全息顯示裝置部件所涉及的專利

采用計算機全息技術呈現全息影像時，由于全息影像信息量巨大，對數據計算的壓力非常大?，F有空間光調制器由于計算能力有限，只能降低全息顯示的分辨率。SEEREAL通過眼球追蹤技術追蹤眼球瞳孔位置，獲得觀者正在觀看的位置信息，僅計算對兩眼視窗區域有貢獻的影像部分的全息信息，從而大大降低了數據計算量，使得顯示分辨率得以提高。相關專利如CN104204926B、US9529430B2與US20170038728A1。

三星電子

三星電子是全球知名的移動設備廠商，也是AMOLED顯示組件的主要生產商，同時三星也在大力投入全息顯示技術的研發與應用。三星通過對全息顯示組件的改進，致力于全息顯示設備的輕量化與小型化，使其更適于實際應用。目前三星公司研發的全息顯示設備類型多樣，包括全息眼鏡（相關專利CN106842568A）、全息顯示器/電視（相關專利US9477101B2與KR1020160042760A）以及全息手機（相關專利US7110796B2）等。

圖7. 三星電子全息顯示器/電視相關專利示意圖

LIGHT BLUE OPTICS

英國的Light Blue Optics公司主要研發具備觸控功能的全息投影顯示系統。其曾在CES2010上推出一款全息投影產品Light Touch，可以將任意平面經過投影變成一塊具備觸控功能的全息顯示屏，用戶可以利用該產品對多媒體內容和應用程序進行控制，特別適用于商場、消費場所和家庭消費電子產品，相關專利如US8514194B2與GB2466497B。

圖8. Light Touch產品在餐廳的應用場景

深圳億思達

億思達成立于2004年，是3D顯示整體解決方案提供商。億思達在全息顯示技術上申請專利20項，部分核心專利在美國、歐洲、日本和韓國進行了布局。其主要技術涉及基于人眼跟蹤的全息顯示。基于該專利技術，億思達的子公司鈦客科技于2014年發布了全球首款全息手機Takee 1。

圖9. Takee 1全息手機

4、前景展望

2013年周杰倫臺北演唱會，運用全息顯示實現了鄧麗君與周杰倫的“對唱”；2014年公告牌音樂獎頒獎典禮上，利用全息顯示將邁克爾·杰克遜在舞臺上“復活”；2015年央視春晚，在歌曲《蜀繡》中應用全息顯示實現了絢麗的舞臺效果。在眾多博物館、紀念館中也已采用了全息顯示的展示臺或表演劇場。可見第*代全息投影顯示技術已經獲得了良好的實際應用，但是應用場景仍舊局限在較小范圍。

圖10. 利用全息顯示技術再現的邁克爾·杰克遜

另一方面，適用場景更廣泛的新一代全息顯示技術的發展依然磕磕絆絆。全球首款全息手機Takee 1發布后并未上市銷售，億思達2015年之后在全息顯示領域也再沒有新的專利申請；高端攝像機制造商RED在2017年推出的Hydrogen One全息手機，其顯示效果也差強人意。

但是，隨著材料、電子、信息等技術的發展，計算機全息顯示技術必將迎來快速發展，SEEREAL和三星電子都在新一代全息顯示技術上投入了大量研發精力，京東方近三年也對全息顯示進行了重點研發并進行了專利布局。在這些行業龍頭企業的持續關注與不斷投入之下，相信新一代全息顯示技術的產品很快會進入市場并逐步成熟，并且極有可能成為未來主流的顯示技術。