基于专利分析的光谱共焦传感器技术发展态势研究

吴 丹，黄 菲，陈紫君，容伯轩

(武汉知识产权保护中心，湖北 武汉 430021)

0 引言

光谱共焦传感器是用来测量物体的厚度、平面度、微观形貌、微小瑕疵、翘曲度等的，适用于各种不同要求的高精密测量场合，如镜面反射，透明材质、多层厚度材质的高精密测量[1]。光谱共焦技术来自共焦显微术，共焦显微术的概念最早由美国学者Minsky提出，随后诞生了激光扫描显微镜。激光共焦扫描显微镜将被测物体沿着光轴移动或者将透镜沿着光轴移动[2]，利用返回光谱的峰值波长位置测量位移，其具备了轴向按层解析功能并且精度可以达到纳米级别，但是这一方案的精度会受到机械传动装置的精度影响，并且机械装置移动速度慢导致测量效率不会很高。为了解决这一问题，有学者提出使用复色宽光谱光源，利用色散透镜的轴向色散，将需要移动的距离转化为固定的轴向色散距离，从而避免机械装置的移动带来的误差，因此无需轴向扫描，在获得较高精度的同时也提高了测量效果。

国外研究可以追溯到1976年，当时Courtney Pratt[3]就提出了显微物镜的色差可以用于面形的检测。之后，Molesini等[4]利用特殊设计的色散物镜搭建了第一台光谱共焦表面轮廓仪。Wilson[5]、Sheppard[6]进一步说明了光谱共焦技术的检测原理，并分析了影响光谱共焦检测系统分辨率的各个因素，将光谱共焦测量原理应用到了三维表面形貌的检测。国内光谱共焦测量领域起步较晚，其内容基本分为色散物镜的设计以及光谱共焦测量系统的实验及应用。中科院长春光机所朱万彬[7]等利用一个单透镜和一个双胶合透镜组合，设计的色散物镜在486～656nm波段内得到了1.173mm的轴向色差。王晶等[8]分析了光谱共焦传感器用于表面粗糙度的工作原理，通过实验测量了圆形图案的表面粗糙度并计算其轮廓的算术平均偏差。目前，线光谱共焦传感器市场相对较小，每年出货量约为上千台，长期被德国、芬兰等少数几家海外企业垄断[9]。 总体来看，光谱共焦测量技术的相关研究在国内发展迅速，其需求也越来越广泛，但目前与国外相比仍存在一定差距。因此，对光谱共焦测量技术及其应用进行深入研究具有重要意义。

本文对光谱共焦传感器技术的全球专利进行检索和分析，对专利申请趋势、专利申请类型、技术功效趋势分析、专利申请目标国等进行分析，并基于分析结果提出相关建议。

1 方法与数据来源

本项目采用的专利文献数据主要来自于incopat专利检索系统、智慧芽专利检索系统。专利数据取自中国专利数据库和外文专利数据库，数据总量共2 728件，检索日期截至2021年9月30日。由于发明专利公开的时限性，2020年、2021年提出申请的部分专利文献还没有公开，因此该年的数据不完整，实际专利申请文献数据可能略大于本课题检索到的数据。同时，由于专利申请(专利)的法律状态发生变化时，专利公报的公布及检索数据存在滞后性的原因，本文提供的法律状态信息仅供参考[10]。

2 结果与分析

2.1 光谱共焦传感器技术专利申请趋势

从图1可以看出，光谱共焦传感器专利申请总体态势可分为3个阶段，随着时间的推移，各个阶段所申请专利的侧重点也不同。

(1)萌芽期(2002年前)。这一阶段申请量较少但已经开始逐年提升，从起始阶段到2002年近50件专利。主要申请者为镁光、STIL、VISX等本领域入局较早、在传统光学测试设备领域实力强的企业，专利布局集中于传统的点测量技术、普通光谱共焦传感器相关的光谱仪、测量设备等基础性技术领域。申请的大多是实际应用专利，具有较大的经济价值，

(2)技术成长期(2003-2014年)。在本阶段，随着三角式结构的可测量三维轮廓的光谱共焦传感器的出现，本领域技术人员和上下游相关产业的从业人员意识到了光谱共焦传感器产业的前景，因而在此阶段，专利申请人数量和专利数量虽然在个别年份略有波动，但总体而言都开始稳步增长。此阶段，米铱、普雷茨特等一批传统的传感器生产商，着眼发展相关技术。此外，光学器件技术领域也不断出现突破，发展光谱共焦传感器的基础技术已有专利出现，现行相关标准技术的雏形也在这一时期出现。

(3)快速发展期(2015年至今)。在本阶段，光谱共焦传感器产业专利数量从2015年开始出现快速增长趋势，近年来专利申请量保持在150件/年的较高水平(由于近两年的专利未完全公开，在图1中显现下降趋势，但按往年同期数量模型比对预测近两年本领域专利申请保持稳定增长)。这一阶段光谱共焦传感器的外延和内涵均以空前速度发展，随着手机曲面屏、半导体制造等各类适用于光谱共焦传感器的技术场景不断出现和越来越多的技术人员对该细分领域的重视，本领域专利申请量和申请人数量均不断创新高。而相关企业在这一阶段的专利发展策略也出现分化：既有像以普雷茨特为代表的申请人以光谱共焦传感器件为主，涉及核心技术较多，在全球进行了系统布局；也有以蔡司等为代表的显微镜、光学元件等跨界企业，专注于涉及自身产品的显微观察设备技术，在相关交叉领域进行大量布局。

图1 光谱共焦传感器产业专利申请趋势

2.2 光谱共焦传感器技术专利类型分布

经过检索发现，光谱共焦传感器申请的专利主要为发明专利，占总申请量的89.08%，实用新型和外观专利则相对较少。在光谱共焦传感器领域绝大多数都是发明的原因在于本领域属于较新领域，许多架构和理论仍在发展中，技术门槛较高，产出方案的创造性较强；光谱共焦传感器中绝大多数的技术分支都只能申请发明专利，不能申请实用新型专利，而现阶段也并没有专用于光谱共焦传感器的配套设备、用具等方面的应用专利布局，因此实用新型专利申请量非常少。

图2 光谱共焦传感器技术专利类型分布

2.3 申请人排名

如图3 所示，光谱共焦传感器领域相关申请中排名前十的申请人按申请量由多至少排序依次为普雷茨特、哈工大学、三丰公司、中科院、佳能公司、博世公司、华中科技大学、蔡司公司、清华大学、欧姆龙和浙江大学。其中表现最为突出的是普雷茨特公司，其在本领域占据了绝对领先地位，该公司从2003年开始申请本领域专利，近10年研发活动非常活跃，且拥有一支较为庞大的研发团队。该公司的发明团队拥有95位发明人，其专利申请量、授权量和基础专利数量均全球领先，技术实力雄厚，研发水平较高，有较强的知识产权保护意识。可见，近20年申请量排名前十的技术申请人大部分为外国公司和中国高校院所，国内企业在光谱共焦传感器技术领域研发力度较弱但近年来逐年加强。

图3 光谱共焦传感器主要申请人申请总量分布

本领域排名前十的申请量占光谱共焦传感器领域专利申请总量的37.06%，可见光谱共焦传感器相关技术集中度较高，与光谱共焦传感器领域相关的技术主要掌握在上述主要公司手中。这种现象说明光谱共焦传感器相关技术门槛较高，没有相关研发经验和技术储备的小公司很难进入该领域。上述现象也符合目前光谱共焦传感器的市场分布：普雷茨特、欧姆龙等均是光谱共焦传感器领域的市场主要占有者；蔡司、佳能等是光学器件的国际巨头，其在光谱共焦传感器的交叉领域内有较多上游器件专利布局；哈工大、中科院、浙江大学和华中科技大学是国内相关领域的主要研发科研机构，其在光谱共焦传感器的光学测量技术领域具有丰富的技术储备积累，这些单位申请量最多。

由于发明专利从申请到公布最长可达18个月，而光谱共焦传感器行业不论是行业发展变化速度还是知识产权布局规划实施的速度十分迅速，因此不排除上述列表中主要公司或不在列表内的其他本领域企业短期内大量申请，使排名发生变动(如三丰公司就是近期大量申请使排名大幅提升)。要第一时间了解本领域申请人或专利技术的变化情况，需建立相关领域专利的动态数据库并定期维护更新，并对主要竞争对手的专利申请、许可、转让等信息进行跟踪。

2.4 光谱共焦传感器技术功效趋势

图4显示光谱共焦传感器领域专利技术功效趋势，光谱共焦传感器领域中精确度提高、复杂性降低以及速度提高这三个功效为申请专利的核心功效，而可测量度、效率提高以及成本降低则为申请专利的次要功效。从该图分析可以得知该技术领域的研发方向，即主要研发实现精确度提高、复杂性降低，速度提高、可测量度与效率提高，以及成本降低的功效；该技术领域的精确度提高、复杂性降低这两个技术功效的申请趋势基本一致，对可测量度提升的研究从2019年以来成为本领域的热点方向。从整体时间和近期申请量来看，这三种功效的专利申请，均为近年本领域专利申请增长的主要方向。

图4 光谱共焦传感器技术功效趋势

2.5 专利申请目标国

目前光谱共焦传感器技术的主要专利目标国(地区/组织)为中国、日本、美国、德国、WIPO(世界知识产权组织)和EPO(欧洲专利局)，主要专利来源地为中国、日本、美国、德国和韩国[11]。

图5 光谱共焦传感器专利目标国分布情况

中国光谱共焦传感器技术专利申请数量处于国际领先水平，但除去外国主要申请人在中国的技术布局，中国本土申请人的专利申请仍存在着不少隐患：一是新申请量占比较低，国内申请人的光谱共焦传感器产业发明专利中近5年专利占申请总量的35.5%，离行业平均水平还有一定距离；二是专利有效率(有效量/申请量)和存活率(有效量/授权量)都有待提高，目前国内申请人的专利有效率仅为38.16%，较平均有效率和存活率指标有较大差距；三是部分单位专利意识较淡薄，专利申请量较低。这些企业既包括THINKFOCUS这样的大型重点单位，也包括部分新建小型企业，许多核心技术并未进行专利保护，需引起关注。

2.6 产业标准仍在制定发展中，细分领域处于近垄断状态，诉讼活动较少

由于本方案属于共聚焦传感器下的细分领域，相关产业和关键技术还在不断发展和完善，尚无针对光谱共焦传感器的细分标准。在上位的共聚焦传感器及其他细分领域的共聚焦传感器方面，目前有以下标准：ISO 21073:2019 Microscopes - Confocal microscopes - Optical data of fluorescence confocal microscopes for biological imaging。且该标准下并无公司声明拥有标准必要专利。目前相关领域无完全符合的国家/行业/地方标准存在，在共聚焦传感器的其他应用领域，拥有少量标准。在美国有数件涉及Align Technology Inc.、General Nanotechnology等本领域小规模公司的专利侵权诉讼出现。

3 结论与建议

3.1 专利技术层面

光谱共焦传感器细分领域市场规模小、近于垄断的特殊性，会面对来自国外主要竞争对手成熟专利布局的“围堵”和技术重合度较高的国内竞争对手，因此，建议在研究普雷茨特、欧姆龙、海伯森等主要竞争对手的专利后针对性布局专利。通过利用失效专利、跟踪主要竞争对手的新增专利申请，密切关注国内外相关技术的最新发展，对信号处理方法进行专门研究和优化专利布局，提升技术实力。

3.2 专利战略层面

本领域企业选择交叉许可战略、专利协作战略、专利引进战略和专利标准结合战略，寻求与部分国内公司或高校院所合作，获得相应应用光谱共焦传感器的测量装置专利方案的技术许可。在本地基础较薄弱的传感器架构、设备方面，与部分外国厂商签订知识产权协议或者与国内企业组建光谱共焦传感器及相应通信技术专利池，积极从开源技术或公有技术中寻找相应替代方案进行外围专利布局等，在专利标准和细分领域的“专利牢笼”固化前尽快提升自身技术实力，增加知识产权积累，打破本领域“卡脖子”限制。

3.3 专利保护应急和预警机制建设层面

重点关注行业基础专利、标准必要专利、竞争对手主要专利；对涵盖现有通用光谱共焦传感器技术的保护范围较大的基础专利，企业要参考该专利的引证专利和同领域失效专利内容进行回避设计和回避布局；对诉讼相关重点专利，企业要注意收集本领域诉讼相关文件，评估知识产权风险；对竞争对手主要价值专利，可筛选技术内容重叠部分进行规避设计，无法规避的内容考虑进行外围布局。