基于專利分析的光譜共焦傳感器技術發展態勢研究

吳 丹，黃 菲，陳紫君，容伯軒

(武漢知識產權保護中心，湖北 武漢 430021)

0 引言

光譜共焦傳感器是用來測量物體的厚度、平面度、微觀形貌、微小瑕疵、翹曲度等的，適用于各種不同要求的高精密測量場合，如鏡面反射，透明材質、多層厚度材質的高精密測量[1]。光譜共焦技術來自共焦顯微術，共焦顯微術的概念最早由美國學者Minsky提出，隨后誕生了激光掃描顯微鏡。激光共焦掃描顯微鏡將被測物體沿著光軸移動或者將透鏡沿著光軸移動[2]，利用返回光譜的峰值波長位置測量位移，其具備了軸向按層解析功能并且精度可以達到納米級別，但是這一方案的精度會受到機械傳動裝置的精度影響，并且機械裝置移動速度慢導致測量效率不會很高。為了解決這一問題，有學者提出使用復色寬光譜光源，利用色散透鏡的軸向色散，將需要移動的距離轉化為固定的軸向色散距離，從而避免機械裝置的移動帶來的誤差，因此無需軸向掃描，在獲得較高精度的同時也提高了測量效果。

國外研究可以追溯到1976年，當時Courtney Pratt[3]就提出了顯微物鏡的色差可以用于面形的檢測。之后，Molesini等[4]利用特殊設計的色散物鏡搭建了第一臺光譜共焦表面輪廓儀。Wilson[5]、Sheppard[6]進一步說明了光譜共焦技術的檢測原理，并分析了影響光譜共焦檢測系統分辨率的各個因素，將光譜共焦測量原理應用到了三維表面形貌的檢測。國內光譜共焦測量領域起步較晚，其內容基本分為色散物鏡的設計以及光譜共焦測量系統的實驗及應用。中科院長春光機所朱萬彬[7]等利用一個單透鏡和一個雙膠合透鏡組合，設計的色散物鏡在486～656nm波段內得到了1.173mm的軸向色差。王晶等[8]分析了光譜共焦傳感器用于表面粗糙度的工作原理，通過實驗測量了圓形圖案的表面粗糙度并計算其輪廓的算術平均偏差。目前，線光譜共焦傳感器市場相對較小，每年出貨量約為上千臺，長期被德國、芬蘭等少數幾家海外企業壟斷[9]。 總體來看，光譜共焦測量技術的相關研究在國內發展迅速，其需求也越來越廣泛，但目前與國外相比仍存在一定差距。因此，對光譜共焦測量技術及其應用進行深入研究具有重要意義。

本文對光譜共焦傳感器技術的全球專利進行檢索和分析，對專利申請趨勢、專利申請類型、技術功效趨勢分析、專利申請目標國等進行分析，并基于分析結果提出相關建議。

1 方法與數據來源

本項目采用的專利文獻數據主要來自于incopat專利檢索系統、智慧芽專利檢索系統。專利數據取自中國專利數據庫和外文專利數據庫，數據總量共2 728件，檢索日期截至2021年9月30日。由于發明專利公開的時限性，2020年、2021年提出申請的部分專利文獻還沒有公開，因此該年的數據不完整，實際專利申請文獻數據可能略大于本課題檢索到的數據。同時，由于專利申請(專利)的法律狀態發生變化時，專利公報的公布及檢索數據存在滯后性的原因，本文提供的法律狀態信息僅供參考[10]。

2 結果與分析

2.1 光譜共焦傳感器技術專利申請趨勢

從圖1可以看出，光譜共焦傳感器專利申請總體態勢可分為3個階段，隨著時間的推移，各個階段所申請專利的側重點也不同。

(1)萌芽期(2002年前)。這一階段申請量較少但已經開始逐年提升，從起始階段到2002年近50件專利。主要申請者為鎂光、STIL、VISX等本領域入局較早、在傳統光學測試設備領域實力強的企業，專利布局集中于傳統的點測量技術、普通光譜共焦傳感器相關的光譜儀、測量設備等基礎性技術領域。申請的大多是實際應用專利，具有較大的經濟價值，

(2)技術成長期(2003-2014年)。在本階段，隨著三角式結構的可測量三維輪廓的光譜共焦傳感器的出現，本領域技術人員和上下游相關產業的從業人員意識到了光譜共焦傳感器產業的前景，因而在此階段，專利申請人數量和專利數量雖然在個別年份略有波動，但總體而言都開始穩步增長。此階段，米銥、普雷茨特等一批傳統的傳感器生產商，著眼發展相關技術。此外，光學器件技術領域也不斷出現突破，發展光譜共焦傳感器的基礎技術已有專利出現，現行相關標準技術的雛形也在這一時期出現。

(3)快速發展期(2015年至今)。在本階段，光譜共焦傳感器產業專利數量從2015年開始出現快速增長趨勢，近年來專利申請量保持在150件/年的較高水平(由于近兩年的專利未完全公開，在圖1中顯現下降趨勢，但按往年同期數量模型比對預測近兩年本領域專利申請保持穩定增長)。這一階段光譜共焦傳感器的外延和內涵均以空前速度發展，隨著手機曲面屏、半導體制造等各類適用于光譜共焦傳感器的技術場景不斷出現和越來越多的技術人員對該細分領域的重視，本領域專利申請量和申請人數量均不斷創新高。而相關企業在這一階段的專利發展策略也出現分化：既有像以普雷茨特為代表的申請人以光譜共焦傳感器件為主，涉及核心技術較多，在全球進行了系統布局；也有以蔡司等為代表的顯微鏡、光學元件等跨界企業，專注于涉及自身產品的顯微觀察設備技術，在相關交叉領域進行大量布局。

圖1 光譜共焦傳感器產業專利申請趨勢

2.2 光譜共焦傳感器技術專利類型分布

經過檢索發現，光譜共焦傳感器申請的專利主要為發明專利，占總申請量的89.08%，實用新型和外觀專利則相對較少。在光譜共焦傳感器領域絕大多數都是發明的原因在于本領域屬于較新領域，許多架構和理論仍在發展中，技術門檻較高，產出方案的創造性較強；光譜共焦傳感器中絕大多數的技術分支都只能申請發明專利，不能申請實用新型專利，而現階段也并沒有專用于光譜共焦傳感器的配套設備、用具等方面的應用專利布局，因此實用新型專利申請量非常少。

圖2 光譜共焦傳感器技術專利類型分布

2.3 申請人排名

如圖3 所示，光譜共焦傳感器領域相關申請中排名前十的申請人按申請量由多至少排序依次為普雷茨特、哈工大學、三豐公司、中科院、佳能公司、博世公司、華中科技大學、蔡司公司、清華大學、歐姆龍和浙江大學。其中表現最為突出的是普雷茨特公司，其在本領域占據了絕對領先地位，該公司從2003年開始申請本領域專利，近10年研發活動非常活躍，且擁有一支較為龐大的研發團隊。該公司的發明團隊擁有95位發明人，其專利申請量、授權量和基礎專利數量均全球領先，技術實力雄厚，研發水平較高，有較強的知識產權保護意識。可見，近20年申請量排名前十的技術申請人大部分為外國公司和中國高校院所，國內企業在光譜共焦傳感器技術領域研發力度較弱但近年來逐年加強。

圖3 光譜共焦傳感器主要申請人申請總量分布

本領域排名前十的申請量占光譜共焦傳感器領域專利申請總量的37.06%，可見光譜共焦傳感器相關技術集中度較高，與光譜共焦傳感器領域相關的技術主要掌握在上述主要公司手中。這種現象說明光譜共焦傳感器相關技術門檻較高，沒有相關研發經驗和技術儲備的小公司很難進入該領域。上述現象也符合目前光譜共焦傳感器的市場分布：普雷茨特、歐姆龍等均是光譜共焦傳感器領域的市場主要占有者；蔡司、佳能等是光學器件的國際巨頭，其在光譜共焦傳感器的交叉領域內有較多上游器件專利布局；哈工大、中科院、浙江大學和華中科技大學是國內相關領域的主要研發科研機構，其在光譜共焦傳感器的光學測量技術領域具有豐富的技術儲備積累，這些單位申請量最多。

由于發明專利從申請到公布最長可達18個月，而光譜共焦傳感器行業不論是行業發展變化速度還是知識產權布局規劃實施的速度十分迅速，因此不排除上述列表中主要公司或不在列表內的其他本領域企業短期內大量申請，使排名發生變動(如三豐公司就是近期大量申請使排名大幅提升)。要第一時間了解本領域申請人或專利技術的變化情況，需建立相關領域專利的動態數據庫并定期維護更新，并對主要競爭對手的專利申請、許可、轉讓等信息進行跟蹤。

2.4 光譜共焦傳感器技術功效趨勢

圖4顯示光譜共焦傳感器領域專利技術功效趨勢，光譜共焦傳感器領域中精確度提高、復雜性降低以及速度提高這三個功效為申請專利的核心功效，而可測量度、效率提高以及成本降低則為申請專利的次要功效。從該圖分析可以得知該技術領域的研發方向，即主要研發實現精確度提高、復雜性降低，速度提高、可測量度與效率提高，以及成本降低的功效；該技術領域的精確度提高、復雜性降低這兩個技術功效的申請趨勢基本一致，對可測量度提升的研究從2019年以來成為本領域的熱點方向。從整體時間和近期申請量來看，這三種功效的專利申請，均為近年本領域專利申請增長的主要方向。

圖4 光譜共焦傳感器技術功效趨勢

2.5 專利申請目標國

目前光譜共焦傳感器技術的主要專利目標國(地區/組織)為中國、日本、美國、德國、WIPO(世界知識產權組織)和EPO(歐洲專利局)，主要專利來源地為中國、日本、美國、德國和韓國[11]。

圖5 光譜共焦傳感器專利目標國分布情況

中國光譜共焦傳感器技術專利申請數量處于國際領先水平，但除去外國主要申請人在中國的技術布局，中國本土申請人的專利申請仍存在著不少隱患：一是新申請量占比較低，國內申請人的光譜共焦傳感器產業發明專利中近5年專利占申請總量的35.5%，離行業平均水平還有一定距離；二是專利有效率(有效量/申請量)和存活率(有效量/授權量)都有待提高，目前國內申請人的專利有效率僅為38.16%，較平均有效率和存活率指標有較大差距；三是部分單位專利意識較淡薄，專利申請量較低。這些企業既包括THINKFOCUS這樣的大型重點單位，也包括部分新建小型企業，許多核心技術并未進行專利保護，需引起關注。

2.6 產業標準仍在制定發展中，細分領域處于近壟斷狀態，訴訟活動較少

由于本方案屬于共聚焦傳感器下的細分領域，相關產業和關鍵技術還在不斷發展和完善，尚無針對光譜共焦傳感器的細分標準。在上位的共聚焦傳感器及其他細分領域的共聚焦傳感器方面，目前有以下標準：ISO 21073:2019 Microscopes - Confocal microscopes - Optical data of fluorescence confocal microscopes for biological imaging。且該標準下并無公司聲明擁有標準必要專利。目前相關領域無完全符合的國家/行業/地方標準存在，在共聚焦傳感器的其他應用領域，擁有少量標準。在美國有數件涉及Align Technology Inc.、General Nanotechnology等本領域小規模公司的專利侵權訴訟出現。

3 結論與建議

3.1 專利技術層面

光譜共焦傳感器細分領域市場規模小、近于壟斷的特殊性，會面對來自國外主要競爭對手成熟專利布局的“圍堵”和技術重合度較高的國內競爭對手，因此，建議在研究普雷茨特、歐姆龍、海伯森等主要競爭對手的專利后針對性布局專利。通過利用失效專利、跟蹤主要競爭對手的新增專利申請，密切關注國內外相關技術的最新發展，對信號處理方法進行專門研究和優化專利布局，提升技術實力。

3.2 專利戰略層面

本領域企業選擇交叉許可戰略、專利協作戰略、專利引進戰略和專利標準結合戰略，尋求與部分國內公司或高校院所合作，獲得相應應用光譜共焦傳感器的測量裝置專利方案的技術許可。在本地基礎較薄弱的傳感器架構、設備方面，與部分外國廠商簽訂知識產權協議或者與國內企業組建光譜共焦傳感器及相應通信技術專利池，積極從開源技術或公有技術中尋找相應替代方案進行外圍專利布局等，在專利標準和細分領域的“專利牢籠”固化前盡快提升自身技術實力，增加知識產權積累，打破本領域“卡脖子”限制。

3.3 專利保護應急和預警機制建設層面

重點關注行業基礎專利、標準必要專利、競爭對手主要專利；對涵蓋現有通用光譜共焦傳感器技術的保護范圍較大的基礎專利，企業要參考該專利的引證專利和同領域失效專利內容進行回避設計和回避布局；對訴訟相關重點專利，企業要注意收集本領域訴訟相關文件，評估知識產權風險；對競爭對手主要價值專利，可篩選技術內容重疊部分進行規避設計，無法規避的內容考慮進行外圍布局。