激光測厚技術(shù)專利申請分析

摘要：文章通過對激光測厚領(lǐng)域的國內(nèi)外專利申請量、國家/地區(qū)申請量分布進行統(tǒng)計分析，揭示了激光測厚領(lǐng)域的專利技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)了激光測厚的核心原理種類，針對不同的工作原理進行了典型技術(shù)問題的概述及解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案，為我國工業(yè)中激光測厚技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：激光厚度；專利分析；專利申請；激光三角法；激光測距 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN948 文章編號：1009-2374（2015）24-0005-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.003

激光測厚是一種能感受被測物體厚度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（如模擬的電流電壓信號或者數(shù)字信號）的技術(shù)。在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中都需要對產(chǎn)品的厚度進行檢測，尤其是板材厚度，例如鋰離子電池極片、石英波片、玻璃、基板、膜等。它與射線法、微波法、超聲法等相比具有安全可靠、測量精度高、測量范圍大、無輻射危害等優(yōu)點。激光測厚應(yīng)用范圍很廣，可用于卡片、紙張、木板、鋼板、傳送帶、橡膠片、電池極片、鍍膜等材料的厚度檢測。針對不同的測量對象，激光測厚所采用的測量原理不同，按照激光測厚的原理，可將其分為兩大類別：光學原理的厚度測量和激光測距原理的厚度測量。隨著測厚技術(shù)的不斷發(fā)展，對于板材厚度的測量出現(xiàn)很多方法，如激光透射法、超聲波測量等，不同的測量方法有著不同的技術(shù)特點和應(yīng)用范圍。如今，激光測厚等非接觸式測量已被用于板材的厚度測量，激光測量方法屬于非接觸式，可以在線測量，實時性能好。

本文將針對激光測厚領(lǐng)域的專利申請狀況進行統(tǒng)計分析，了解該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，為掌握行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、尋找技術(shù)空白點提供幫助。利用國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)，對國內(nèi)外激光測厚領(lǐng)域的專利申請進行了全面檢索，檢索截止時間為2014年4月16日，由于專利申請的公開具有滯后性，滯后時間可能達到18個月，通過PCT程序提出的申請，其進入國家階段的周期還可延長到30個月，因此，2012～2014年的相關(guān)專利申請量實際數(shù)據(jù)應(yīng)該比目前公開的數(shù)據(jù)多。

1 激光測厚技術(shù)專利申請狀況

圖1顯示了激光測厚領(lǐng)域國內(nèi)外專利申請量的年度分布情況，可以看出，國外的申請量比較不穩(wěn)定，只有在1999～2013年處于整體上升的狀態(tài)。另外，每年的申請量只有幾件至二十幾件，數(shù)量較少，整體來看，隨著科學技術(shù)的不斷進步和企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，申請量有了一定程度的提高，由于專利的滯后性，2011年、2012年、2013年的顯示數(shù)量不能作為分析的數(shù)據(jù)依據(jù)，因此不做參考。對于中國的申請情況，1993年之前幾乎沒有激光測厚領(lǐng)域的申請，直到2005年，申請量達到了5件以上，稍有提高，2005～2008年處于穩(wěn)定的狀態(tài)，2008年之后迅速發(fā)展，說明該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)開始了大量的投入，企業(yè)、研究所等單位對知識產(chǎn)權(quán)保護意識有了很大程度的提高。

圖1 申請量年度分布

圖2 申請量的國家/地區(qū)分布

圖2顯示了激光測厚領(lǐng)域主要國家/地區(qū)的申請量分布情況，可以看出，申請量排名前三的依次是日本、中國和韓國，特別是日本，申請量明顯高于其他國家/地區(qū)，說明日本在激光測厚領(lǐng)域的技術(shù)比較成熟和先進，因此，日本在激光測厚領(lǐng)域公開的相關(guān)文獻具有更大的學習價值。另外，中國的申請量雖然排名第二，但其中包括大量的實用新型專利申請，在整體技術(shù)含量上與一些國家還存在一定差距。

2 激光測厚領(lǐng)域?qū)＠暾埖闹饕夹g(shù)類別

由于專利文獻的前瞻性，通過對專利文獻進行分析，不但能夠獲知某一技術(shù)領(lǐng)域的成熟度，還可以獲得技術(shù)研發(fā)的指導方向。因此，對近年來激光測厚領(lǐng)域的專利文獻進行深度分析，對于我國相關(guān)企業(yè)在該領(lǐng)域的專利布局具有重要的借鑒意義。針對不同的厚度測量對象，激光測厚所采用的測量原理不同，按照激光測厚的原理，可以將其分為兩大類別：按照光學原理的激光測厚和按照激光測距原理的厚度測量。

2.1 光學原理的激光測厚

2.1.1 干涉厚度測量方法。傳統(tǒng)的干涉方法測試膜層厚度的方法中，使用邁克爾遜干涉儀測試膜厚，無法直接測出干涉條紋移動的整數(shù)個數(shù)，從而無法測出膜層的絕對厚度，并且當薄膜的反射率較小時，會使干涉條紋的幅度很小，計算值的誤差較大，從而使得測量精度具有一定的局限性。專利申請CN101907445A提供了一種全場薄膜厚度全場檢測裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不能反映整個膜層的厚度分布情況和使用要求高的

問題。

2.1.2 衍射厚度測量方法。該方法的優(yōu)點為：高度精確、穩(wěn)健、對多余反射帶來的光噪聲不敏感，并適于批量生產(chǎn)設(shè)置的厚度測量技術(shù)。

專利申請US2006262327A1提供了一種測量工件厚度的方法，該方法包括下列步驟：形成穿過工件的孔；使光束穿過所述孔在所述工件的遠側(cè)形成光衍射圖樣；捕獲所述衍射圖樣；測量所捕獲的衍射圖樣以確定工件的厚度。該衍射圖樣的測量值指示所述工件的厚度，使得合格的衍射圖樣測量結(jié)果可與合格范圍內(nèi)的工件厚度相適應(yīng)。

圖3 衍射厚度測量

2.1.3 透射厚度測量方法。該方法的檢測原理為：利用激光的透射原理間接反饋平面片材的高度值信號，通過一系列公式計算出半導體片材的表面缺陷及厚度。專利申請CN103543162A提供了一種半導體片材的表面缺陷及厚度檢測方法。

2.1.4 反射厚度測量方法。對于高溫、紅熱等比較特殊的環(huán)境，常用反射法進行管壁等的厚度測量。專利申請CN101726253A提供了一種石英管壁的厚度測量

系統(tǒng)。

2.1.5 橢圓偏振厚度測量方法。橢圓偏振測厚儀利用光的偏振特性，即：一束橢圓偏振的光在鍍膜的上下表面兩次反射后，它的偏振狀態(tài)會轉(zhuǎn)過一定的角度，此轉(zhuǎn)過角度的具體值與鍍膜和襯底的折射率，以及鍍膜厚度相關(guān)，由此特性可在已知襯底折射率的情況下得出所測量鍍膜的厚度及折射率，消光法橢偏是對應(yīng)不同樣品制造出一束特定的橢圓偏振光，使光束在樣品上反射后形成線偏振光，檢測此橢圓偏振光的長軸角度以及形成的線偏振光的偏振方向，根據(jù)這兩個角度及已知的襯底的折射率即可得出測量鍍膜的厚度及折射率。專利申請CN2804796Y提供了一種自動橢圓偏振測厚儀。

2.1.6 激光三角法厚度測量。傳統(tǒng)的激光三角法測厚的原理是基于由上下兩條獨立光路組成的雙光路激光三角法，但是雙光路激光三角法測厚系統(tǒng)中上下兩個獨立的測量系統(tǒng)難以同步，使得被測物振動對測量的影響限制了該測厚方法精度的進一步提高。專利申請CN102679892A提供了一種單鏡頭激光三角法厚度測量儀。本申請?zhí)峁┑臏y厚儀上下光路中被測物表面激光光斑通過同一片透鏡成像在單個圖像探測器上，被測物上下振動時，圖像探測器同時抓取上下光斑圖像并送入圖像處理器實時處理，保證了上下光路中圖像采集和處理的同步性，很好地解決了雙光路激光三角法上下兩個獨立測量系統(tǒng)難以同步的問題，較好地消除了被測物振動對測量的影響。

圖4 激光三角法厚度測量

2.2 激光測距原理的厚度測量

激光測距原理的測厚儀是利用通過兩個激光位移傳感器的激光對射，被測體放置在對射區(qū)域內(nèi)，根據(jù)測量兩個激光位移傳感器至被測板體上表面和下表面的距離，計算出被測板體的厚度。這類方法被廣泛應(yīng)用于板材的厚度測量，尤其對于鋰電池極板的厚度測量?，F(xiàn)行的激光在線測量系統(tǒng)一般分為C形和口字型兩種，測量原理為：利用兩個激光傳感器進行差動測量：δ=L-（L1+L2），其中，L為兩個傳感器間的固定距離；L1為上傳感器到極片上表面的距離；L2為下傳感器到極片下表面的距離，計算機將采集到的兩個信號L1和L2按上述公式進行數(shù)據(jù)分析后得到厚度δ。

專利申請CN102519372A提供了一種能擴大被測板材厚度掃描的覆蓋面，并對被測板材整體平整度進行測量的激光測厚裝置及其工作方法。

圖5 板材激光測厚

3 結(jié)語

我國在激光測厚領(lǐng)域起步較晚，但隨著國內(nèi)研發(fā)水平和專利意識的不斷提高，我國激光測厚領(lǐng)域的專利申請量逐年增長，近幾年的增長速度較快，顯示出我國企業(yè)在該領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?。國外對于該領(lǐng)域的研究中以日本最為突出，隨著國內(nèi)外企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，今后我國激光測厚技術(shù)在知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域?qū)媾R更大的考驗，對此應(yīng)該加強知識產(chǎn)權(quán)保護意識，國內(nèi)企業(yè)之間應(yīng)該強強聯(lián)手，共同發(fā)展壯大。

參考文獻

[1] 連軍.激光測厚儀在鋰電池極片生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)（研究與設(shè)計），2012，（2）.

[2] 杜方迅，徐剛，湯曉波.透射式激光測厚傳感器的研制[J].傳感器技術(shù)，2002，（10）.

作者簡介：張廣霞（1987-），女，山東濟南人，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心光電部計量室專利審查員，研究實習員，碩士。

（責任編輯：周 瓊）