激光测厚技术专利申请分析

摘要：文章通过对激光测厚领域的国内外专利申请量、国家/地区申请量分布进行统计分析，揭示了激光测厚领域的专利技术现状，总结了激光测厚的核心原理种类，针对不同的工作原理进行了典型技术问题的概述及解决所述技术问题的技术方案，为我国工业中激光测厚技术的发展提供参考。

关键词：激光厚度；专利分析；专利申请；激光三角法；激光测距 文献标识码：A

中图分类号：TN948 文章编号：1009-2374（2015）24-0005-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.003

激光测厚是一种能感受被测物体厚度并转换成可用输出信号（如模拟的电流电压信号或者数字信号）的技术。在众多生产领域中都需要对产品的厚度进行检测，尤其是板材厚度，例如锂离子电池极片、石英波片、玻璃、基板、膜等。它与射线法、微波法、超声法等相比具有安全可靠、测量精度高、测量范围大、无辐射危害等优点。激光测厚应用范围很广，可用于卡片、纸张、木板、钢板、传送带、橡胶片、电池极片、镀膜等材料的厚度检测。针对不同的测量对象，激光测厚所采用的测量原理不同，按照激光测厚的原理，可将其分为两大类别：光学原理的厚度测量和激光测距原理的厚度测量。随着测厚技术的不断发展，对于板材厚度的测量出现很多方法，如激光透射法、超声波测量等，不同的测量方法有着不同的技术特点和应用范围。如今，激光测厚等非接触式测量已被用于板材的厚度测量，激光测量方法属于非接触式，可以在线测量，实时性能好。

本文将针对激光测厚领域的专利申请状况进行统计分析，了解该领域的国内外研究现状，为掌握行业关键技术、寻找技术空白点提供帮助。利用国家知识产权局网站的专利检索与服务系统，对国内外激光测厚领域的专利申请进行了全面检索，检索截止时间为2014年4月16日，由于专利申请的公开具有滞后性，滞后时间可能达到18个月，通过PCT程序提出的申请，其进入国家阶段的周期还可延长到30个月，因此，2012～2014年的相关专利申请量实际数据应该比目前公开的数据多。

1 激光测厚技术专利申请状况

图1显示了激光测厚领域国内外专利申请量的年度分布情况，可以看出，国外的申请量比较不稳定，只有在1999～2013年处于整体上升的状态。另外，每年的申请量只有几件至二十几件，数量较少，整体来看，随着科学技术的不断进步和企业规模的不断扩大，申请量有了一定程度的提高，由于专利的滞后性，2011年、2012年、2013年的显示数量不能作为分析的数据依据，因此不做参考。对于中国的申请情况，1993年之前几乎没有激光测厚领域的申请，直到2005年，申请量达到了5件以上，稍有提高，2005～2008年处于稳定的状态，2008年之后迅速发展，说明该领域的技术研发开始了大量的投入，企业、研究所等单位对知识产权保护意识有了很大程度的提高。

图1 申请量年度分布

图2 申请量的国家/地区分布

图2显示了激光测厚领域主要国家/地区的申请量分布情况，可以看出，申请量排名前三的依次是日本、中国和韩国，特别是日本，申请量明显高于其他国家/地区，说明日本在激光测厚领域的技术比较成熟和先进，因此，日本在激光测厚领域公开的相关文献具有更大的学习价值。另外，中国的申请量虽然排名第二，但其中包括大量的实用新型专利申请，在整体技术含量上与一些国家还存在一定差距。

2 激光测厚领域专利申请的主要技术类别

由于专利文献的前瞻性，通过对专利文献进行分析，不但能够获知某一技术领域的成熟度，还可以获得技术研发的指导方向。因此，对近年来激光测厚领域的专利文献进行深度分析，对于我国相关企业在该领域的专利布局具有重要的借鉴意义。针对不同的厚度测量对象，激光测厚所采用的测量原理不同，按照激光测厚的原理，可以将其分为两大类别：按照光学原理的激光测厚和按照激光测距原理的厚度测量。

2.1 光学原理的激光测厚

2.1.1 干涉厚度测量方法。传统的干涉方法测试膜层厚度的方法中，使用迈克尔逊干涉仪测试膜厚，无法直接测出干涉条纹移动的整数个数，从而无法测出膜层的绝对厚度，并且当薄膜的反射率较小时，会使干涉条纹的幅度很小，计算值的误差较大，从而使得测量精度具有一定的局限性。专利申请CN101907445A提供了一种全场薄膜厚度全场检测装置，以克服现有技术存在的不能反映整个膜层的厚度分布情况和使用要求高的

问题。

2.1.2 衍射厚度测量方法。该方法的优点为：高度精确、稳健、对多余反射带来的光噪声不敏感，并适于批量生产设置的厚度测量技术。

专利申请US2006262327A1提供了一种测量工件厚度的方法，该方法包括下列步骤：形成穿过工件的孔；使光束穿过所述孔在所述工件的远侧形成光衍射图样；捕获所述衍射图样；测量所捕获的衍射图样以确定工件的厚度。该衍射图样的测量值指示所述工件的厚度，使得合格的衍射图样测量结果可与合格范围内的工件厚度相适应。

图3 衍射厚度测量

2.1.3 透射厚度测量方法。该方法的检测原理为：利用激光的透射原理间接反馈平面片材的高度值信号，通过一系列公式计算出半导体片材的表面缺陷及厚度。专利申请CN103543162A提供了一种半导体片材的表面缺陷及厚度检测方法。

2.1.4 反射厚度测量方法。对于高温、红热等比较特殊的环境，常用反射法进行管壁等的厚度测量。专利申请CN101726253A提供了一种石英管壁的厚度测量

系统。

2.1.5 椭圆偏振厚度测量方法。椭圆偏振测厚仪利用光的偏振特性，即：一束椭圆偏振的光在镀膜的上下表面两次反射后，它的偏振状态会转过一定的角度，此转过角度的具体值与镀膜和衬底的折射率，以及镀膜厚度相关，由此特性可在已知衬底折射率的情况下得出所测量镀膜的厚度及折射率，消光法椭偏是对应不同样品制造出一束特定的椭圆偏振光，使光束在样品上反射后形成线偏振光，检测此椭圆偏振光的长轴角度以及形成的线偏振光的偏振方向，根据这两个角度及已知的衬底的折射率即可得出测量镀膜的厚度及折射率。专利申请CN2804796Y提供了一种自动椭圆偏振测厚仪。

2.1.6 激光三角法厚度测量。传统的激光三角法测厚的原理是基于由上下两条独立光路组成的双光路激光三角法，但是双光路激光三角法测厚系统中上下两个独立的测量系统难以同步，使得被测物振动对测量的影响限制了该测厚方法精度的进一步提高。专利申请CN102679892A提供了一种单镜头激光三角法厚度测量仪。本申请提供的测厚仪上下光路中被测物表面激光光斑通过同一片透镜成像在单个图像探测器上，被测物上下振动时，图像探测器同时抓取上下光斑图像并送入图像处理器实时处理，保证了上下光路中图像采集和处理的同步性，很好地解决了双光路激光三角法上下两个独立测量系统难以同步的问题，较好地消除了被测物振动对测量的影响。

图4 激光三角法厚度测量

2.2 激光测距原理的厚度测量

激光测距原理的测厚仪是利用通过两个激光位移传感器的激光对射，被测体放置在对射区域内，根据测量两个激光位移传感器至被测板体上表面和下表面的距离，计算出被测板体的厚度。这类方法被广泛应用于板材的厚度测量，尤其对于锂电池极板的厚度测量。现行的激光在线测量系统一般分为C形和口字型两种，测量原理为：利用两个激光传感器进行差动测量：δ=L-（L1+L2），其中，L为两个传感器间的固定距离；L1为上传感器到极片上表面的距离；L2为下传感器到极片下表面的距离，计算机将采集到的两个信号L1和L2按上述公式进行数据分析后得到厚度δ。

专利申请CN102519372A提供了一种能扩大被测板材厚度扫描的覆盖面，并对被测板材整体平整度进行测量的激光测厚装置及其工作方法。

图5 板材激光测厚

3 结语

我国在激光测厚领域起步较晚，但随着国内研发水平和专利意识的不断提高，我国激光测厚领域的专利申请量逐年增长，近几年的增长速度较快，显示出我国企业在该领域的巨大发展潜力。国外对于该领域的研究中以日本最为突出，随着国内外企业规模的不断扩大，今后我国激光测厚技术在知识产权领域将会面临更大的考验，对此应该加强知识产权保护意识，国内企业之间应该强强联手，共同发展壮大。

参考文献

[1] 连军.激光测厚仪在锂电池极片生产中的应用[J].电源技术（研究与设计），2012，（2）.

[2] 杜方迅，徐刚，汤晓波.透射式激光测厚传感器的研制[J].传感器技术，2002，（10）.

作者简介：张广霞（1987-），女，山东济南人，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心光电部计量室专利审查员，研究实习员，硕士。

（责任编辑：周 琼）