基于專利分析的光譜共焦傳感器技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

吳 丹，黃 菲，陳紫君，容伯軒

(武漢知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心，湖北 武漢 430021)

0 引言

光譜共焦傳感器是用來測(cè)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(cè)量場(chǎng)合，如鏡面反射，透明材質(zhì)、多層厚度材質(zhì)的高精密測(cè)量[1]。光譜共焦技術(shù)來自共焦顯微術(shù)，共焦顯微術(shù)的概念最早由美國(guó)學(xué)者M(jìn)insky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(cè)物體沿著光軸移動(dòng)或者將透鏡沿著光軸移動(dòng)[2]，利用返回光譜的峰值波長(zhǎng)位置測(cè)量位移，其具備了軸向按層解析功能并且精度可以達(dá)到納米級(jí)別，但是這一方案的精度會(huì)受到機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度影響，并且機(jī)械裝置移動(dòng)速度慢導(dǎo)致測(cè)量效率不會(huì)很高。為了解決這一問題，有學(xué)者提出使用復(fù)色寬光譜光源，利用色散透鏡的軸向色散，將需要移動(dòng)的距離轉(zhuǎn)化為固定的軸向色散距離，從而避免機(jī)械裝置的移動(dòng)帶來的誤差，因此無需軸向掃描，在獲得較高精度的同時(shí)也提高了測(cè)量效果。

國(guó)外研究可以追溯到1976年，當(dāng)時(shí)Courtney Pratt[3]就提出了顯微物鏡的色差可以用于面形的檢測(cè)。之后，Molesini等[4]利用特殊設(shè)計(jì)的色散物鏡搭建了第一臺(tái)光譜共焦表面輪廓儀。Wilson[5]、Sheppard[6]進(jìn)一步說明了光譜共焦技術(shù)的檢測(cè)原理，并分析了影響光譜共焦檢測(cè)系統(tǒng)分辨率的各個(gè)因素，將光譜共焦測(cè)量原理應(yīng)用到了三維表面形貌的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)光譜共焦測(cè)量領(lǐng)域起步較晚，其內(nèi)容基本分為色散物鏡的設(shè)計(jì)以及光譜共焦測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所朱萬彬[7]等利用一個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡組合，設(shè)計(jì)的色散物鏡在486～656nm波段內(nèi)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(shí)驗(yàn)測(cè)量了圓形圖案的表面粗糙度并計(jì)算其輪廓的算術(shù)平均偏差。目前，線光譜共焦傳感器市場(chǎng)相對(duì)較小，每年出貨量約為上千臺(tái)，長(zhǎng)期被德國(guó)、芬蘭等少數(shù)幾家海外企業(yè)壟斷[9]。 總體來看，光譜共焦測(cè)量技術(shù)的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，其需求也越來越廣泛，但目前與國(guó)外相比仍存在一定差距。因此，對(duì)光譜共焦測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行深入研究具有重要意義。

本文對(duì)光譜共焦傳感器技術(shù)的全球?qū)＠M(jìn)行檢索和分析，對(duì)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、專利申請(qǐng)類型、技術(shù)功效趨勢(shì)分析、專利申請(qǐng)目標(biāo)國(guó)等進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果提出相關(guān)建議。

1 方法與數(shù)據(jù)來源

本項(xiàng)目采用的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)主要來自于incopat專利檢索系統(tǒng)、智慧芽專利檢索系統(tǒng)。專利數(shù)據(jù)取自中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)和外文專利數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)總量共2 728件，檢索日期截至2021年9月30日。由于發(fā)明專利公開的時(shí)限性，2020年、2021年提出申請(qǐng)的部分專利文獻(xiàn)還沒有公開，因此該年的數(shù)據(jù)不完整，實(shí)際專利申請(qǐng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可能略大于本課題檢索到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于專利申請(qǐng)(專利)的法律狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，專利公報(bào)的公布及檢索數(shù)據(jù)存在滯后性的原因，本文提供的法律狀態(tài)信息僅供參考[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜共焦傳感器技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從圖1可以看出，光譜共焦傳感器專利申請(qǐng)總體態(tài)勢(shì)可分為3個(gè)階段，隨著時(shí)間的推移，各個(gè)階段所申請(qǐng)專利的側(cè)重點(diǎn)也不同。

(1)萌芽期(2002年前)。這一階段申請(qǐng)量較少但已經(jīng)開始逐年提升，從起始階段到2002年近50件專利。主要申請(qǐng)者為鎂光、STIL、VISX等本領(lǐng)域入局較早、在傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域?qū)嵙?qiáng)的企業(yè)，專利布局集中于傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量技術(shù)、普通光譜共焦傳感器相關(guān)的光譜儀、測(cè)量設(shè)備等基礎(chǔ)性技術(shù)領(lǐng)域。申請(qǐng)的大多是實(shí)際應(yīng)用專利，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，

(2)技術(shù)成長(zhǎng)期(2003-2014年)。在本階段，隨著三角式結(jié)構(gòu)的可測(cè)量三維輪廓的光譜共焦傳感器的出現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員和上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員意識(shí)到了光譜共焦傳感器產(chǎn)業(yè)的前景，因而在此階段，專利申請(qǐng)人數(shù)量和專利數(shù)量雖然在個(gè)別年份略有波動(dòng)，但總體而言都開始穩(wěn)步增長(zhǎng)。此階段，米銥、普雷茨特等一批傳統(tǒng)的傳感器生產(chǎn)商，著眼發(fā)展相關(guān)技術(shù)。此外，光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域也不斷出現(xiàn)突破，發(fā)展光譜共焦傳感器的基礎(chǔ)技術(shù)已有專利出現(xiàn)，現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的雛形也在這一時(shí)期出現(xiàn)。

(3)快速發(fā)展期(2015年至今)。在本階段，光譜共焦傳感器產(chǎn)業(yè)專利數(shù)量從2015年開始出現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，近年來專利申請(qǐng)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(xiàn)下降趨勢(shì)，但按往年同期數(shù)量模型比對(duì)預(yù)測(cè)近兩年本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)保持穩(wěn)定增長(zhǎng))。這一階段光譜共焦傳感器的外延和內(nèi)涵均以空前速度發(fā)展，隨著手機(jī)曲面屏、半導(dǎo)體制造等各類適用于光譜共焦傳感器的技術(shù)場(chǎng)景不斷出現(xiàn)和越來越多的技術(shù)人員對(duì)該細(xì)分領(lǐng)域的重視，本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量和申請(qǐng)人數(shù)量均不斷創(chuàng)新高。而相關(guān)企業(yè)在這一階段的專利發(fā)展策略也出現(xiàn)分化：既有像以普雷茨特為代表的申請(qǐng)人以光譜共焦傳感器件為主，涉及核心技術(shù)較多，在全球進(jìn)行了系統(tǒng)布局；也有以蔡司等為代表的顯微鏡、光學(xué)元件等跨界企業(yè)，專注于涉及自身產(chǎn)品的顯微觀察設(shè)備技術(shù)，在相關(guān)交叉領(lǐng)域進(jìn)行大量布局。

圖1 光譜共焦傳感器產(chǎn)業(yè)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

2.2 光譜共焦傳感器技術(shù)專利類型分布

經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)，光譜共焦傳感器申請(qǐng)的專利主要為發(fā)明專利，占總申請(qǐng)量的89.08%，實(shí)用新型和外觀專利則相對(duì)較少。在光譜共焦傳感器領(lǐng)域絕大多數(shù)都是發(fā)明的原因在于本領(lǐng)域?qū)儆谳^新領(lǐng)域，許多架構(gòu)和理論仍在發(fā)展中，技術(shù)門檻較高，產(chǎn)出方案的創(chuàng)造性較強(qiáng)；光譜共焦傳感器中絕大多數(shù)的技術(shù)分支都只能申請(qǐng)發(fā)明專利，不能申請(qǐng)實(shí)用新型專利，而現(xiàn)階段也并沒有專用于光譜共焦傳感器的配套設(shè)備、用具等方面的應(yīng)用專利布局，因此實(shí)用新型專利申請(qǐng)量非常少。

圖2 光譜共焦傳感器技術(shù)專利類型分布

2.3 申請(qǐng)人排名

如圖3 所示，光譜共焦傳感器領(lǐng)域相關(guān)申請(qǐng)中排名前十的申請(qǐng)人按申請(qǐng)量由多至少排序依次為普雷茨特、哈工大學(xué)、三豐公司、中科院、佳能公司、博世公司、華中科技大學(xué)、蔡司公司、清華大學(xué)、歐姆龍和浙江大學(xué)。其中表現(xiàn)最為突出的是普雷茨特公司，其在本領(lǐng)域占據(jù)了絕對(duì)領(lǐng)先地位，該公司從2003年開始申請(qǐng)本領(lǐng)域?qū)＠?，?0年研發(fā)活動(dòng)非常活躍，且擁有一支較為龐大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。該公司的發(fā)明團(tuán)隊(duì)擁有95位發(fā)明人，其專利申請(qǐng)量、授權(quán)量和基礎(chǔ)專利數(shù)量均全球領(lǐng)先，技術(shù)實(shí)力雄厚，研發(fā)水平較高，有較強(qiáng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)?？梢?，近20年申請(qǐng)量排名前十的技術(shù)申請(qǐng)人大部分為外國(guó)公司和中國(guó)高校院所，國(guó)內(nèi)企業(yè)在光譜共焦傳感器技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)力度較弱但近年來逐年加強(qiáng)。

圖3 光譜共焦傳感器主要申請(qǐng)人申請(qǐng)總量分布

本領(lǐng)域排名前十的申請(qǐng)量占光譜共焦傳感器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的37.06%，可見光譜共焦傳感器相關(guān)技術(shù)集中度較高，與光譜共焦傳感器領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)主要掌握在上述主要公司手中。這種現(xiàn)象說明光譜共焦傳感器相關(guān)技術(shù)門檻較高，沒有相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)儲(chǔ)備的小公司很難進(jìn)入該領(lǐng)域。上述現(xiàn)象也符合目前光譜共焦傳感器的市場(chǎng)分布：普雷茨特、歐姆龍等均是光譜共焦傳感器領(lǐng)域的市場(chǎng)主要占有者；蔡司、佳能等是光學(xué)器件的國(guó)際巨頭，其在光譜共焦傳感器的交叉領(lǐng)域內(nèi)有較多上游器件專利布局；哈工大、中科院、浙江大學(xué)和華中科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的主要研發(fā)科研機(jī)構(gòu)，其在光譜共焦傳感器的光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)儲(chǔ)備積累，這些單位申請(qǐng)量最多。

由于發(fā)明專利從申請(qǐng)到公布最長(zhǎng)可達(dá)18個(gè)月，而光譜共焦傳感器行業(yè)不論是行業(yè)發(fā)展變化速度還是知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局規(guī)劃實(shí)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(nèi)的其他本領(lǐng)域企業(yè)短期內(nèi)大量申請(qǐng)，使排名發(fā)生變動(dòng)(如三豐公司就是近期大量申請(qǐng)使排名大幅提升)。要第一時(shí)間了解本領(lǐng)域申請(qǐng)人或?qū)＠夹g(shù)的變化情況，需建立相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)并定期維護(hù)更新，并對(duì)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的專利申請(qǐng)、許可、轉(zhuǎn)讓等信息進(jìn)行跟蹤。

2.4 光譜共焦傳感器技術(shù)功效趨勢(shì)

圖4顯示光譜共焦傳感器領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)功效趨勢(shì)，光譜共焦傳感器領(lǐng)域中精確度提高、復(fù)雜性降低以及速度提高這三個(gè)功效為申請(qǐng)專利的核心功效，而可測(cè)量度、效率提高以及成本降低則為申請(qǐng)專利的次要功效。從該圖分析可以得知該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)方向，即主要研發(fā)實(shí)現(xiàn)精確度提高、復(fù)雜性降低，速度提高、可測(cè)量度與效率提高，以及成本降低的功效；該技術(shù)領(lǐng)域的精確度提高、復(fù)雜性降低這兩個(gè)技術(shù)功效的申請(qǐng)趨勢(shì)基本一致，對(duì)可測(cè)量度提升的研究從2019年以來成為本領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。從整體時(shí)間和近期申請(qǐng)量來看，這三種功效的專利申請(qǐng)，均為近年本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)的主要方向。

圖4 光譜共焦傳感器技術(shù)功效趨勢(shì)

2.5 專利申請(qǐng)目標(biāo)國(guó)

目前光譜共焦傳感器技術(shù)的主要專利目標(biāo)國(guó)(地區(qū)/組織)為中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)、WIPO(世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織)和EPO(歐洲專利局)，主要專利來源地為中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)和韓國(guó)[11]。

圖5 光譜共焦傳感器專利目標(biāo)國(guó)分布情況

中國(guó)光譜共焦傳感器技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但除去外國(guó)主要申請(qǐng)人在中國(guó)的技術(shù)布局，中國(guó)本土申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)仍存在著不少隱患：一是新申請(qǐng)量占比較低，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的光譜共焦傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)明專利中近5年專利占申請(qǐng)總量的35.5%，離行業(yè)平均水平還有一定距離；二是專利有效率(有效量/申請(qǐng)量)和存活率(有效量/授權(quán)量)都有待提高，目前國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的專利有效率僅為38.16%，較平均有效率和存活率指標(biāo)有較大差距；三是部分單位專利意識(shí)較淡薄，專利申請(qǐng)量較低。這些企業(yè)既包括THINKFOCUS這樣的大型重點(diǎn)單位，也包括部分新建小型企業(yè)，許多核心技術(shù)并未進(jìn)行專利保護(hù)，需引起關(guān)注。

2.6 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍在制定發(fā)展中，細(xì)分領(lǐng)域處于近壟斷狀態(tài)，訴訟活動(dòng)較少

由于本方案屬于共聚焦傳感器下的細(xì)分領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)業(yè)和關(guān)鍵技術(shù)還在不斷發(fā)展和完善，尚無針對(duì)光譜共焦傳感器的細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)。在上位的共聚焦傳感器及其他細(xì)分領(lǐng)域的共聚焦傳感器方面，目前有以下標(biāo)準(zhǔn)：ISO 21073:2019 Microscopes - Confocal microscopes - Optical data of fluorescence confocal microscopes for biological imaging。且該標(biāo)準(zhǔn)下并無公司聲明擁有標(biāo)準(zhǔn)必要專利。目前相關(guān)領(lǐng)域無完全符合的國(guó)家/行業(yè)/地方標(biāo)準(zhǔn)存在，在共聚焦傳感器的其他應(yīng)用領(lǐng)域，擁有少量標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)有數(shù)件涉及Align Technology Inc.、General Nanotechnology等本領(lǐng)域小規(guī)模公司的專利侵權(quán)訴訟出現(xiàn)。

3 結(jié)論與建議

3.1 專利技術(shù)層面

光譜共焦傳感器細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模小、近于壟斷的特殊性，會(huì)面對(duì)來自國(guó)外主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手成熟專利布局的“圍堵”和技術(shù)重合度較高的國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因此，建議在研究普雷茨特、歐姆龍、海伯森等主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的專利后針對(duì)性布局專利。通過利用失效專利、跟蹤主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的新增專利申請(qǐng)，密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展，對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行專門研究和優(yōu)化專利布局，提升技術(shù)實(shí)力。

3.2 專利戰(zhàn)略層面

本領(lǐng)域企業(yè)選擇交叉許可戰(zhàn)略、專利協(xié)作戰(zhàn)略、專利引進(jìn)戰(zhàn)略和專利標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合戰(zhàn)略，尋求與部分國(guó)內(nèi)公司或高校院所合作，獲得相應(yīng)應(yīng)用光譜共焦傳感器的測(cè)量裝置專利方案的技術(shù)許可。在本地基礎(chǔ)較薄弱的傳感器架構(gòu)、設(shè)備方面，與部分外國(guó)廠商簽訂知識(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)議或者與國(guó)內(nèi)企業(yè)組建光譜共焦傳感器及相應(yīng)通信技術(shù)專利池，積極從開源技術(shù)或公有技術(shù)中尋找相應(yīng)替代方案進(jìn)行外圍專利布局等，在專利標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)分領(lǐng)域的“專利牢籠”固化前盡快提升自身技術(shù)實(shí)力，增加知識(shí)產(chǎn)權(quán)積累，打破本領(lǐng)域“卡脖子”限制。

3.3 專利保護(hù)應(yīng)急和預(yù)警機(jī)制建設(shè)層面

重點(diǎn)關(guān)注行業(yè)基礎(chǔ)專利、標(biāo)準(zhǔn)必要專利、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要專利；對(duì)涵蓋現(xiàn)有通用光譜共焦傳感器技術(shù)的保護(hù)范圍較大的基礎(chǔ)專利，企業(yè)要參考該專利的引證專利和同領(lǐng)域失效專利內(nèi)容進(jìn)行回避設(shè)計(jì)和回避布局；對(duì)訴訟相關(guān)重點(diǎn)專利，企業(yè)要注意收集本領(lǐng)域訴訟相關(guān)文件，評(píng)估知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要價(jià)值專利，可篩選技術(shù)內(nèi)容重疊部分進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)，無法規(guī)避的內(nèi)容考慮進(jìn)行外圍布局。