圖像傳感器技術的專利狀況分析——圖像傳感器技術的宏觀定量分析

楊隆鑫，左恬源，侯冠華

（國家知識產權局專利局 專利審查協作北京中心，北京 100190）

責任編輯:許 盈

圖像傳感器或稱感光器件，是組成數字攝像頭的重要組成部分。如今，隨著數碼技術、半導體技術以及網絡通信技術的迅猛發展，在廣播電視系統領域以及民用領域，數碼相機、數碼攝像機、數碼監控攝像頭已被廣泛使用。以民用數碼相機為例，在短短不到10年的時間里，感光器件就由幾十萬像素發展到千萬級像素，并以意想不到的速度代替傳統相機。這種情況在發達的歐美國家如此，在處于發展中國家的中國也是如此。在巨大市場需求的刺激下，數碼相機和數碼攝像機的關鍵零部件——圖像傳感器自然成為當前以及未來業界所關注的對象。

1 圖像傳感器技術介紹

圖像傳感器屬于光電產業里的光電元件類，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數碼攝像機、數碼相機以及其他電子光學設備之中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管（Video Camera Tube）。如今，圖像傳感器主要分為電子耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）圖像傳感器[1]和互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器[2]兩種。這兩種類型的圖像傳感器都能夠實現對圖像的采集以及光電信號轉換的功能。目前絕大多數數碼攝像機和數碼相機均采用了CCD或CMOS圖像傳感器[3]。

CCD圖像傳感器是一個基于模擬信號的電子感光設備，其表面在光的照射下，將有信號電荷產生。電荷信號可以被轉換成電壓，并按指定的時序將圖像信息輸出。數字圖像處理電路可以將這種信號進一步轉換成數字信號，以便得到數字影像。

而CMOS圖像傳感器是一類利用CMOS半導體的有源像素傳感器。每個光電傳感器附近都有相應的電路直接將光的能量轉換成電壓信號。與CCD不同的是，它并不涉及信號電荷。在外圍電路上可能也需要模擬—數字轉換器將它的輸出信號轉換成數字信號[4]。

2 圖像傳感器技術的專利分析

2.1 樣本構成

本文的專利數據庫主要采用中國專利文摘數據庫CPRS-ABS，該數據庫收錄了1985年至今中國所有的專利文摘信息，數據覆蓋全面，數據項豐富。主要采用關鍵詞及分類號對圖像傳感器相關的技術進行檢索。需要說明的是，由于部分專利申請在提交申請后需滿18個月才會被公開，因而截至目前，2011年的很多專利申請并未被公開，所以，本文提到的關于2011年的申請量是小于實際申請量的。

2.2 圖像傳感器技術專利申請情況的總體分析

采用上述檢索結果中進行閱讀篩選后，共獲得與圖像傳感器直接相關的已公開的專利申請1426件，其中關于感光耦合元件圖像傳感器CCD的專利申請有936件，關于互補式金屬氧化物半導體圖像傳感器CMOS的專利申請有490件。本文主要針對上述專利申請進行統計分析。

在這1426件關于圖像傳感器的專利申請中，發明專利申請共有1401件，實用新型專利申請共有25件。圖1示出了上述兩種不同專利類型申請的分布示意圖。從圖1中可以看出，在圖像傳感器技術領域，絕大部分專利體現在技術水平以及創新水平更高的發明專利申請上。在這些極少量的實用新型專利申請中，幾乎都來自國內申請人（包括大陸地區和臺灣地區）。這有可能一方面是因為國內在該技術領域創新水平還有待提升，另一方面是一部分國內申請人急于獲得專利授權，以至于以實用新型而不是發明的方式獲得專利保護，這樣的做法雖然以較小的經濟成本和時間成本獲得了專利，但專利的保護期限也因此縮短，由專利權的穩定性帶來的風險也更大。

圖2顯示了1997年以來以圖像傳感器技術為主題的專利申請量的趨勢變化。可以看出，圖像傳感器技術的專利申請在2001年開始呈上升態勢，自2004年開始，專利申請量的增長極為迅速。其實，從2002年至2007年全球圖像傳感器的市場規模也一直呈現出迅速增長的趨勢。其中，2005年圖像傳感器的全球市場規模高達2004年的2倍左右。

市場的需求刺激了技術研發的投入和專利保護的跑馬圈地。近10年來，照相手機在總體手機市場中所占比例不斷攀升，在2005年達45%，在2006年已經過一半，得益于照相手機的全面普及，還有數碼相機需求的飆漲，在這種形勢下，各大廠商紛紛增加產量，而2007年卻迎來了市場的寒冬。2007年，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器銷售下降7%，主要由于上半年照相手機庫存清理，市場需求增長放緩，以及工業和辦公設備應用中的銷售疲軟。CMOS圖像傳感器銷售下滑12%，CCD圖像傳感器增長為零。與此同時，專利申請量在2007年同比大幅減少。

到2008年下半年，由于歐美等多個國家出現了嚴重的次貸金融危機，全球需求出現嚴重萎縮，同年專利申請量達到近幾年的谷底。但到了2009年，世界各國政府紛紛出臺各種經濟提振政策，全球經濟開始出現復蘇。圖像傳感器作為圖像信息的重要采集器件，未來在生活、軍事、科學研究等各個領域有著廣闊的應用空間，因此，近年來專利申請量隨著經濟的回暖逐漸進入增長通道。

在圖2中，2011年所呈現的專利申請量相比2010年有所下降，因該數據是不完全統計的結果，考慮到2011年度的宏觀經濟和行業經濟趨勢，該年度的實際專利申請量應該還是較為可觀的。

在中國關于圖像傳感器技術的專利申請中，申請人來自日本、韓國、美國的專利申請占據了絕大部分。圖3所示為圖像傳感器專利申請人的國別比例。

日本作為消費電子產業大國，在半導體等技術領域有著雄厚的實力，也是數碼相機、數碼攝像機等電子產品的消費和生產大國，在圖像傳感器領域有著非常突出的技術優勢。韓國近年來非常重視消費電子產業，其在圖像傳感器技術上取得了很迅猛的發展。美國作為最早發明圖像傳感器的國家，其在該領域的研究起步早，相關產業發展成熟。

反觀中國，雖然近年來在國家和地方政府的創新扶持和專利資助政策的積極影響下，原創于中國大陸地區申請人的專利申請有了較大幅度的增長，但是由于我國的半導體產業基礎比較薄弱，加之大量的核心專利技術都掌握在國外申請人手中，我國企業或科研單位在圖像傳感器方面做出創新的難度仍然較大。

3 圖像傳感器技術領域主要專利申請人分析

3.1 中國作為目標市場的專利競爭情況分析

通過對各申請人在中國專利申請量排名的統計和梳理，發現在圖像傳感器領域中國的競爭力非常薄弱。在圖4中可以看出，專利申請量位列前11名的企業均來自日本和韓國，其中，索尼、松下、東芝、佳能、濱松光子學株式會社、夏普、三洋為日本企業，其他3家為來自韓國的企業。很明顯，日本企業在圖像傳感器的技術儲備和創新能力方面是非常突出的，并且在這些日系企業中，索尼公司的優勢表現得尤為明顯。索尼公司是世界上民用/專用視聽產品的先導之一，掌握著CCD圖像傳感器的諸多關鍵技術，目前該公司的CCD和CMOS產品在全球范圍內占據了1/3以上的整體份額，銷售量位居世界第1，在中國專利申請量上也是遙遙領先于松下、東芝、東部電子等公司。韓國在近年來半導體產業上發展迅猛，東部電子、東部亞南半導體等企業在晶圓代工方面已具規模，并在圖像傳感器技術方面也取得了顯著的進步。

這些日韓系企業均把中國作為非常重要的市場，密切加緊在中國的專利布局。這些企業必將成為中國企業在圖像傳感器技術領域難以回避的競爭對手，國內企業帶來很大的競爭壓力。不過從另一個角度來看，這些企業也同樣可視為中國企業的技術引進對象。

3.2 中國國內申請人分析

圖5對國內主要申請人的專利申請量進行了統計。可以看出，相比之下中芯國際在圖像傳感器技術上有著較顯著的領先優勢。

該公司也是中國內地規模最大、技術相對先進的集成電路芯片制造企業，世界產量排名領先的晶片代工企業。格科微電子、上海宏力半導體、北京思比科微電子也顯示了較強的研發實力。其中，上海宏力半導體在2011年之前鮮有專利申請，該公司絕大部分專利申請都集中在2011年，這導致在排名上很快后來者居上，位列國內申請人第3名。在國內申請人提交的專利申請中還呈現出一個特點，就是絕大部分專利申請都集中在CMOS方面。與CCD相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨半導體技術的提升而進步。中國的晶圓代工廠的CMOS生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。這可能是CMOS深受國內申請人青睞的一個原因。

4 小結

通過以上的專利分析，國內企業無論是在技術和產業上都與國外企業存在非常大的差距，這些來自發達國家尤其日韓美的企業優勢非常明顯。我國要在諸多強手中走出一條自主創新的發展之路，難度非同一般。不過韓國的異軍突起也為我國圖像傳感器的技術發展提供了一個成功的示范。

[1]寇玉民，盛宏，金祎，等.CCD圖像傳感器發展與應用[J].電視技術，2008，32（4）：38-39.

[2]柳笛，黎福海，榮宏，等.CMOS圖像傳感器優勢和最新產品[J].電視技術，2007，31（11）：29-30.

[3]樸慧京.簡介常用攝像器件[J].家電檢修技術，2008（5）：44.

[4]李然.廣播級攝像機CMOS與CCD的應用[J].影視制作，2010（8）：38-41.