欧阳姣

摘要：光学显微镜是生物医学研究领域不可或缺的研究工具。在生物学及医学研究中，细胞（可认为是相位样品）通常是透明的，使用传统光学显微镜观察这样的样品对比度很低。但是利用光穿过透明的样品时引起的相位的变化的信息，可以提高成像的对比度。本文以相衬显微镜的照明技术的相关专利为研究对象，对全球专利申请进行了统计和分析，包括申请量趋势、地理分布、主要申请人、专利技术等，并对专利技术发展路线进行了梳理。

关键词：相衬照明;显微镜;专利

中图分类号：TH742 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）09-0062-03

Abstract： Optical microscopy is an indispensable tool in biomedical research. In biological and medical research， the cells （which can be considered as phase samples） are usually transparent， and the contrast of such samples is very low when observed by traditional microscope. But the contrast of the image can be improved by using the information of the phase change caused by the light passing through thesample. This paper takes the patents of illumination system of phase contrast microscope as the research object， analyses the statistcs of the patent applications， including the application trend， geographical distribution， main applicants， patent technology， and sorts out the development route of patent technology.

Key words： phase contrast observation illumination system;microscope;patent

1 专利技术概述

自16世纪中叶第一台原始光学显微镜发明以来，其发展已历经四百余年。目前，光学显微镜已成为生物医学研究领域不可或缺的研究工具。但是，一般的显微镜只能观测微小物体的强度分布，对于透明物体的相位分布却无能为力。然而，被测物体的相位分布直接关联着被测物体的三维形貌，准确测量微小物体的相位分布具有重要意义。

在过去的在一个世纪，有许多研究者致力于研究提高光学显微成像技术的对比度。这些提高光学显微成像对比度的技术可以广泛地分成两类：外源对比度法和内源对比度法。外源对比度法是通过在成像样品中加入化合物（如：染料、荧光团等），由这些化合物在光照条件下发出荧光，来获得极高的成像对比度。此类方法有诸多优点，但也存在一定的缺点，就是此方法需要一个将染料或荧光团等物质添加到样品中的样品准备过程，且此样品准备过程可能会产生一些副效应，如光漂白和光毒性。内源对比度法是通过利用光穿过透明的样品时引起的相位的变化的信息，来提高成像的对比度。对比于外源对比度法，其具有非侵入性和无需样品标记或染色的特性，这类方法在实际应用中很有意义，可以允许人们观察没有处理过的“天然”的样品。相衬显微镜即是一种通过利用光穿过透明样品时引起的相位的变化的信息来提高成像对比度的方法。

相衬显微镜及其相应的照明、成像结构的发展历史较长，是相对而言比较成熟的技术。其涉及以下几个主要的技术分支。相位相衬显微术是指由于折射率的实际变化而影响探测光束相位变化，再将光束的相位变化转变成振幅变化，以表现为图像衬度不同。这种显微镜在仅仅是在一般的显微照明光路/成像光路中加入相板（見图1）。并且，其利用相匹配的环形光阑和相板才能得到好的相衬效果。因此，光阑和相板的不同结构和设置是此类相衬显微镜的改进点所在，通过光阑和相板的改进可以提高观察的衬度、清晰度等，最常见的是环形图案或者是类环形的图案。

微分干涉相衬显微技术是利用偏振光在单轴晶体传播过程中的分束与复合，从而产生微小程差，并在物镜后焦平面上发生干涉，通过检偏后可进行显微观察，观察到的图像呈现立体浮雕感。这种相衬显微技术将干涉测量引入原始的相衬显微镜，使定量测量成为可能，弥补了其仅能进行定性观察不能定量测量的缺陷。由于其引入了干涉光路，其所使用的光源和光路结构都更为复杂，如使用/或产生相干光源，偏振元件的引入，加入平行光路等。

图2为透射式（左）和落射式（右）诺曼斯基干涉相衬显微镜的光学系统的示意图。

除此之外，还有马赫泽德式干涉相衬显微镜（图3）。其相对于利用偏振的诺曼斯基干涉相衬显微镜而言，降低的成本，减弱了双像，提高了清晰度（如US2013162800A1），图3为马赫泽德式干涉相衬显微镜的光路示意图。

专利的申请量的变化与相衬显微镜的技术发展是相关联的。最早的相位相衬显微镜出现在20世纪30年代，其仅仅能够进行相位物体的观察，并不能用于位相物体的测量。在这一时期，针对相衬显微镜的技术改进主要在光阑图样、照明透镜、物镜等方面。从20世纪六七十年代开始，利用干涉原理的相衬显微镜开始出现，其涉及干涉光路的形成，偏振光的形成和偏振态的改变等，并且局部非对称的遮挡的光阑形式开始出现，令立体观察变得容易，这种原理性的改进直接导致本领域申请量上升。在这之后，专利申请量又维持在一个较低的状态。进入20世纪90年代以后，各国的申请主要还是针对微分干涉相差显微镜，但是，其采用不同的干涉光路，采用可调的光阑部件，可见相衬显微图像的获得的相关理论并没有出现太大的改进，但是，显微镜使用方式（扫描显微镜等）、调制方式（如液晶、空间光调制器、声光调制器等）、光源（如LED等）、优化方式（自动控制以优化照明、成像效果）等针对相衬显微镜所使用的各种器件的改进专利开始出现。可见，这得益与相关技术，如计算机技术、微结构制造技术的发展，申请人以此为契机改进完善和细化了相衬显微镜的相关技术[1-3]。

2 申请人

本领域申请人很多，本领域有四个主要的申请人，分别是德国的卡尔蔡司（ZEIS）、莱卡（LICA）以及日本的奥林巴斯（OLYU）和尼康（NIKR），其申请量占所有申请总量的12%、10%、10%和12%。其中，蔡司公司是最早制作相衬显微镜制造商，莱卡公司也是较早设计相衬显微镜的早期申请人，而尼康和奥林巴斯则是在19世纪70年代左右才开始设计相衬显微镜。

其中，这四个主要申请人近十几年来均对光阑图样、光瞳的调制等进行了改进，除此之外，卡尔蔡司涉及双光源成像、物镜（含相位板）的光学设计，奥林巴斯申请还涉及光路的控制、显微镜的多功能性等;莱卡公司专利申请涉及光源控制、扫描显微镜以及快速精确装配方面;尼康公司的申请涉及的方面较广，其还涉及镜筒、显微镜的聚焦以及显微镜的多功能及功能快速切换等。

但是，除了这几个主要申请人以外，还有大量的其他申请人，其他申请人的申请数量也非常可观。这种情况主要是由于显微镜的原理出现较早，且在近几十年均未见大的改进，而针对显微镜的早期申请多数已经超过专利保护年限。因此，虽然主要申請人在不断地完善自己的专利体系，但是，相衬显微镜最核心的原理技术部分对他们而言已经不再是明显的优势，随着时间以及显微镜器件的技术发展，专利造成的壁垒正在逐渐降低，其他的申请人得以更多地进入该领域。

在显微镜相衬照明、成像领域，国内申请量不大，每年均在10件以下，基本呈上升的趋势，但是由于申请量不大，其申请量波动比较明显。在这些申请中，本国申请占大多数（68%），其他占比重较大的是美国、德国，分别占15%，除此之外，还有部分日本申请（2件）和其他国家的申请（1件）。

3 结语

总体来说，虽然相衬显微镜是一个发展历史较长的仪器，但是，这一领域的主要申请人向中国提出申请的时间都相对较晚，莱卡以及奥林巴斯等公司在1993年之后才开始向中国申请相关的专利保护，而尼康公司直到2001年才有相关专利在中国公布。在显微镜相衬照明领域，中国最早的申请人是中国科学院上海光学精密机械研究所（1985年7月），除此之外，还有西安光学精密机械研究所、南京理工大学等高校，并有少量个人申请，专利申请量比较低。究其原因，主要还是因为相衬显微镜发展历史较长，针对已有的相衬显微镜原理，外国已经有较好的研究基础和加工制造基础，中国由于起步晚，产业链不健全，自行研发和制造成本高，因此，除了进行基础科研、前沿科研较多的高校之外，在相衬显微镜领域难以支持更好的自主创新。在这种情况下，由高校进行理论的开发和研究，并联合企业进行产业化并申请相关的专利可能是比较适合的方式。

参考文献：

[1] 孙业英.光学显微分析[M].2版.北京：清华大学出版社，2003.

[2] 王之江.光学技术手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

[3] 拉特纳，霍夫曼，舍恩.生物材料科学：医用材料导论（原著第2版）[M].顾忠伟，刘伟，俞耀庭，等，译校，北京：科学出版社，2011.