摘要：文章通過(guò)對(duì)激光測(cè)厚領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量、國(guó)家/地區(qū)申請(qǐng)量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，揭示了激光測(cè)厚領(lǐng)域的專利技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)了激光測(cè)厚的核心原理種類，針對(duì)不同的工作原理進(jìn)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(guó)工業(yè)中激光測(cè)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(qǐng)；激光三角法；激光測(cè)距 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

激光測(cè)厚是一種能感受被測(cè)物體厚度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（如模擬的電流電壓信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)）的技術(shù)。在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中都需要對(duì)產(chǎn)品的厚度進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn)。激光測(cè)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(cè)。針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，激光測(cè)厚所采用的測(cè)量原理不同，按照激光測(cè)厚的原理，可將其分為兩大類別：光學(xué)原理的厚度測(cè)量和激光測(cè)距原理的厚度測(cè)量。隨著測(cè)厚技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于板材厚度的測(cè)量出現(xiàn)很多方法，如激光透射法、超聲波測(cè)量等，不同的測(cè)量方法有著不同的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。如今，激光測(cè)厚等非接觸式測(cè)量已被用于板材的厚度測(cè)量，激光測(cè)量方法屬于非接觸式，可以在線測(cè)量，實(shí)時(shí)性能好。

本文將針對(duì)激光測(cè)厚領(lǐng)域的專利申請(qǐng)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，了解該領(lǐng)域的國(guó)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(diǎn)提供幫助。利用國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)國(guó)內(nèi)外激光測(cè)厚領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行了全面檢索，檢索截止時(shí)間為2014年4月16日，由于專利申請(qǐng)的公開具有滯后性，滯后時(shí)間可能達(dá)到18個(gè)月，通過(guò)PCT程序提出的申請(qǐng)，其進(jìn)入國(guó)家階段的周期還可延長(zhǎng)到30個(gè)月，因此，2012～2014年的相關(guān)專利申請(qǐng)量實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)該比目前公開的數(shù)據(jù)多。

1 激光測(cè)厚技術(shù)專利申請(qǐng)狀況

圖1顯示了激光測(cè)厚領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量的年度分布情況，可以看出，國(guó)外的申請(qǐng)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(qǐng)量只有幾件至二十幾件，數(shù)量較少，整體來(lái)看，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，申請(qǐng)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(duì)于中國(guó)的申請(qǐng)情況，1993年之前幾乎沒有激光測(cè)厚領(lǐng)域的申請(qǐng)，直到2005年，申請(qǐng)量達(dá)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(shuō)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(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)有了很大程度的提高。

圖1 申請(qǐng)量年度分布

圖2 申請(qǐng)量的國(guó)家/地區(qū)分布

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

2 激光測(cè)厚領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的主要技術(shù)類別

由于專利文獻(xiàn)的前瞻性，通過(guò)對(duì)專利文獻(xiàn)進(jìn)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(dǎo)方向。因此，對(duì)近年來(lái)激光測(cè)厚領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)進(jìn)行深度分析，對(duì)于我國(guó)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(duì)不同的厚度測(cè)量對(duì)象，激光測(cè)厚所采用的測(cè)量原理不同，按照激光測(cè)厚的原理，可以將其分為兩大類別：按照光學(xué)原理的激光測(cè)厚和按照激光測(cè)距原理的厚度測(cè)量。

2.1 光學(xué)原理的激光測(cè)厚

2.1.1 干涉厚度測(cè)量方法。傳統(tǒng)的干涉方法測(cè)試膜層厚度的方法中，使用邁克爾遜干涉儀測(cè)試膜厚，無(wú)法直接測(cè)出干涉條紋移動(dòng)的整數(shù)個(gè)數(shù)，從而無(wú)法測(cè)出膜層的絕對(duì)厚度，并且當(dāng)薄膜的反射率較小時(shí)，會(huì)使干涉條紋的幅度很小，計(jì)算值的誤差較大，從而使得測(cè)量精度具有一定的局限性。專利申請(qǐng)CN101907445A提供了一種全場(chǎng)薄膜厚度全場(chǎng)檢測(cè)裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不能反映整個(gè)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(cè)量方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)為：高度精確、穩(wěn)健、對(duì)多余反射帶來(lái)的光噪聲不敏感，并適于批量生產(chǎn)設(shè)置的厚度測(cè)量技術(shù)。

專利申請(qǐng)US2006262327A1提供了一種測(cè)量工件厚度的方法，該方法包括下列步驟：形成穿過(guò)工件的孔；使光束穿過(guò)所述孔在所述工件的遠(yuǎn)側(cè)形成光衍射圖樣；捕獲所述衍射圖樣；測(cè)量所捕獲的衍射圖樣以確定工件的厚度。該衍射圖樣的測(cè)量值指示所述工件的厚度，使得合格的衍射圖樣測(cè)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(cè)量

2.1.3 透射厚度測(cè)量方法。該方法的檢測(cè)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(hào)，通過(guò)一系列公式計(jì)算出半導(dǎo)體片材的表面缺陷及厚度。專利申請(qǐng)CN103543162A提供了一種半導(dǎo)體片材的表面缺陷及厚度檢測(cè)方法。

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

系統(tǒng)。

2.1.5 橢圓偏振厚度測(cè)量方法。橢圓偏振測(cè)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(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，此轉(zhuǎn)過(guò)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(cè)量鍍膜的厚度及折射率，消光法橢偏是對(duì)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(cè)此橢圓偏振光的長(zhǎng)軸角度以及形成的線偏振光的偏振方向，根據(jù)這兩個(gè)角度及已知的襯底的折射率即可得出測(cè)量鍍膜的厚度及折射率。專利申請(qǐng)CN2804796Y提供了一種自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀。

2.1.6 激光三角法厚度測(cè)量。傳統(tǒng)的激光三角法測(cè)厚的原理是基于由上下兩條獨(dú)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(cè)厚系統(tǒng)中上下兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)難以同步，使得被測(cè)物振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響限制了該測(cè)厚方法精度的進(jìn)一步提高。專利申請(qǐng)CN102679892A提供了一種單鏡頭激光三角法厚度測(cè)量?jī)x。本申請(qǐng)?zhí)峁┑臏y(cè)厚儀上下光路中被測(cè)物表面激光光斑通過(guò)同一片透鏡成像在單個(gè)圖像探測(cè)器上，被測(cè)物上下振動(dòng)時(shí)，圖像探測(cè)器同時(shí)抓取上下光斑圖像并送入圖像處理器實(shí)時(shí)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(gè)獨(dú)立測(cè)量系統(tǒng)難以同步的問題，較好地消除了被測(cè)物振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。

圖4 激光三角法厚度測(cè)量

2.2 激光測(cè)距原理的厚度測(cè)量

激光測(cè)距原理的測(cè)厚儀是利用通過(guò)兩個(gè)激光位移傳感器的激光對(duì)射，被測(cè)體放置在對(duì)射區(qū)域內(nèi)，根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)激光位移傳感器至被測(cè)板體上表面和下表面的距離，計(jì)算出被測(cè)板體的厚度。這類方法被廣泛應(yīng)用于板材的厚度測(cè)量，尤其對(duì)于鋰電池極板的厚度測(cè)量?，F(xiàn)行的激光在線測(cè)量系統(tǒng)一般分為C形和口字型兩種，測(cè)量原理為：利用兩個(gè)激光傳感器進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量：δ=L-（L1+L2），其中，L為兩個(gè)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(jì)算機(jī)將采集到的兩個(gè)信號(hào)L1和L2按上述公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后得到厚度δ。

專利申請(qǐng)CN102519372A提供了一種能擴(kuò)大被測(cè)板材厚度掃描的覆蓋面，并對(duì)被測(cè)板材整體平整度進(jìn)行測(cè)量的激光測(cè)厚裝置及其工作方法。

圖5 板材激光測(cè)厚

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在激光測(cè)厚領(lǐng)域起步較晚，但隨著國(guó)內(nèi)研發(fā)水平和專利意識(shí)的不斷提高，我國(guó)激光測(cè)厚領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量逐年增長(zhǎng)，近幾年的增長(zhǎng)速度較快，顯示出我國(guó)企業(yè)在該領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?。?guó)外對(duì)于該領(lǐng)域的研究中以日本最為突出，隨著國(guó)內(nèi)外企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，今后我國(guó)激光測(cè)厚技術(shù)在知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域?qū)?huì)面臨更大的考驗(yàn)，對(duì)此應(yīng)該加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)之間應(yīng)該強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，共同發(fā)展壯大。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：張廣霞（1987-），女，山東濟(jì)南人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心光電部計(jì)量室專利審查員，研究實(shí)習(xí)員，碩士。

（責(zé)任編輯：周 瓊）