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高畫素照相帶動非球面玻璃鏡片需求玻璃鏡片模仁製作與量測技術

隨著手機的多功能化，在手機中加入照相功能，已經是目前中、高階手機所必備的，而畫素也由QCIF的品質一直倍增到100、200萬畫素，甚至三星電子（Samsung）還推出了500萬畫素的照相手機，在手機不斷訴求輕薄短小的要求下，期望達到高攝影品質、輕薄短小要求，在鏡頭中加入非球面鏡片就成了必須性的做法。

■2007年鏡頭組市場需求超過4億組

全球手機市場在1997年市場規模不到2億支，但是到了2004年，就已經超過6億支的市場規模，可以發現，全球對於手機的需求量不斷的在攀升，而根據美國Gartner情報蒐集公司的預估，在2009年，全球手機的需求量將超過10億支的規模。

手機市場競爭的火熱，在如此龐大的手機市場裡，從2002年左右開始，手機就已開始加入照相的功能，在Techno System Research的統計預估裡，在2002年具有照相功能的手機，佔全體手機市場不到10％，但是，2年後的2004年比例已經超過30％，而預估2007年，將有一半以上的手機都具有照相功能。

在參照Gartner的統計數字後，也就是說在2007年全球8億支的手機裡，有超過4億支的手機都具有照相功能，換個角度來看，也就是說，在2007年時，全球在手機的部分就有超過4億組的鏡頭組需求市場，在量化後，其實可以了解這個市場是相當的龐大。

以目前的適用習慣來看，由於因為目前頻寬或傳輸元件的原因，訊號傳輸的機制與能力尚有相當不成熟之處，目前消費者大多還是很少在利用手機照相後，將影像資料利用手機傳輸出去。假使未來，這些問題陸續獲得解決後，相信消費者對於手機照相功能的使用度將快速增加，相對的，對於手機照相品質的要求也隨之增加。

■2億支手機具有非球面玻璃鏡片

目前因為鏡頭成本的考量，200萬畫素以下的照相手機鏡頭組，大多都使用非球面塑膠鏡片及球面玻璃鏡片，而200萬以上的照相手機，因為需要顧慮到成像的品質與機身的輕薄及自動對焦及光學變焦問題，而必須在鏡頭組中加入非球面玻璃鏡片的設計。

從統計資料中可以看到，在2003年100萬畫素（CIF、VGA）以下的照相手機，佔了整體的手機市場約80％，但是在未來的發展，因為市場的競爭變化之下，100萬畫素以下的照相手機市場佔有率逐年的往下降，到2008年的時候便降低到10％左右，而200萬畫素以上的照相手機，從2004年開始陸續的出現在市場上，以日本市場來說，200萬畫素以上的照相手機已經是一個相當普及的照相手機配備。

由於CMOS Image Sensor製程的進步，部分業者也陸續推出300萬畫素CMOS Image Sensor，所以在2006年時，預估300萬畫素以上的照相手機，也將在市場上佔有7∼8％的比例，預估在2008年市場上將會有20％左右的300萬畫素以上照相手機。也就是說，在2008年時，將會有4億組以上的手機鏡頭組市場，而在這4億組規模的鏡頭市場中，將會有35％（2億支）的手機上鏡頭模組具有非球面玻璃鏡片，這也是目前台灣與中國大陸的鏡片與鏡頭組業者所看到的一塊大餅。

在另一個市場中，根據工研院的統計，2002年數位相機全球市場規模將近3,000萬台，3年後市場規模成長了一倍以上，預估超過6,000萬台，而2008年市場更將超過8,000萬台。在這幾年中，除了數量激增外，照相品質也被要求愈來愈高，2002年，200萬畫素（含200萬畫素）以下的數位相機，約佔整體市場50％左右，而在2005年，300萬畫素以上的數位相機，已佔全體市場比例超過90％，2006年以後，市場上幾乎都是是300萬畫素以上的機種。

在更細分高畫素數相機之下，可以看到，2007年500萬畫素的數位相機已經超過20％，在加上400萬畫素的數位相機，已經佔整體市場的一半。而這些高畫數素的數位相機，也都需要用到大量的非球面玻璃鏡片。

■新式鏡片達到光學系統的高性能化與小型化

輕巧、高畫質、低價，已經成為數位相機不可或缺的要素，不過，基本上對於物體取像的原理卻沒有任何改變，換句話說數位相機事實上是傳統相機的另一種應用形式的延伸。

一般相機鏡頭是由多群鏡片群所組合而成，例如6群7片等鏡片群所構成。為了使鮮銳的影像成像，必須盡量消除影像滲透、歪斜，色彩滲透等收差，基本上光學變焦鏡頭最少必須具備兩組鏡片群，一般是兩組以上的鏡片群各自獨立在光軸上移動達成光學變焦目的。

長久以來光學人員都知道「螢石鏡片」與「非球面鏡片」對光學系統的高性能化與小型化貢獻很大。因此有些業者的相機鏡頭採用具備螢石鏡片與非球面鏡片特性的「積層型繞射光學元件」，進而獲得與傳統折射光學元件相異的特性，而畫質性能卻等同甚至凌駕折射光學元件，同時還達成輕巧小型等目的。

傳統光學為補正造成畫質劣化的色收差，必須使用數量眾多的凹、凸鏡片，結果造成Zoom Lens或是望遠鏡頭的體積相當龐大笨重。

■輕巧小型推動取相元件細微化

最近幾年隨著數位相機取像元件的高畫素化、積體微小化，使得畫素間距（pitch）變得非常微細，整體解析度有可能超越傳統相機。

輕巧小型的數位相機取相元件，對角尺寸只有1/1.8英吋甚至於1/2.7英吋，相較之下傳統35mm相機的底片對角尺寸高達43.3mm，因此數位相機的鏡頭焦距比傳統相機小，此外數位相機若欲獲得傳統相機同等級的畫質時，它的取像元件會變得極端微細。

一般論及高性能玻璃鏡片，立刻會浮現高解析度的既定觀念，然而利用光學LPF去除高頻波的數位相機，並不需要特殊的解析度，單靠解析度並無法充分發揮數位相機的光學系統特性，如何在影像清晰度與解析度之間取得平衡，才是數位相機攝影鏡頭高性能化的設計重點。

小型數位相機主要訴求是輕巧攜帶方便，因此如何同時獲得小型、高性能成為相機鏡頭的設計重點，如果只是單純追求鏡頭高性能化，通常只要增加鏡片數量就可以，不過如此一來卻無法確保輕巧小型另一項目標，如果任意減少片數量的話，必須放寬對性能具有重大影響的各鏡片群的power（焦距的逆數）其結果經常造成鏡頭體積變大等問題，因此必須針對造成光學系統外形變大的部位，進行重點性的小型化改善，具體方法是改用模造成形的凹凸形狀非球面玻璃鏡片。

■非球面鏡片逐漸走向機械製程

數位相機光學系統的取像元件間距非常狹窄而焦點深度又很淺，加上光學性能涵蓋高頻領域，因此製作上的困難度相當高，量產時除了需提高元件製作精度外，組立工程上各重點部位則需作高精度的調整作業，這些問題在光學系統設計階段都需納入考量，藉此使製作誤差的影響降至最低限度。

為達成數位相機小型化目的，通常會強化各鏡片群的能力，如此一來卻造成光學系統的敏感度增加，即使是微小的製作誤差，都有可能因為偏芯造成對最終的光學性能產生不良影響，因此必須藉助設計技巧與經驗減低上述問題。

種種因素的考量，例如畫素愈來愈高，鏡頭要求愈來愈短，就因應產生對於非球面玻璃鏡片的需求，以目前鏡片的成本來說，非球面玻璃鏡片的成本是最高的，但還是有市場高度的需求潛力，而且是逐步在成長當中，以非球面玻璃鏡片的製程技術來說，如果是用傳統研磨的方式，要製作出非球面的玻璃鏡片，難度是相當的高，可能要培養一個製程師傅，經歷10∼20年的功力，才有可能製作出一個比較精密的非球面玻璃鏡片，但是如果以玻璃模造製程來說的話，一個技術人員的養成大概只需要3∼5年就可製作出一個相當精準的非球面玻璃鏡片，而且也可以達到高生產性的目標。

■模造非球面玻璃鏡片製程優點

非球面鏡片可以達到相當良好的成像品質，一般來說，球面鏡片需要比較多的鏡片組才有辦法減一些影像畸變（Distortion）、彗星像差（Coma）等等的像差，但是如果是利用非球面鏡片，鏡頭的鏡片數就可以大幅的降低。

再來是可以降低一些製程的時間，以一個傳統研磨來看，生產一個鏡片可能需要耗費數個小時到一天的時間，才有可能製作出一個非球面的玻璃鏡片，但是，如果以模造的方式去生產的話，以Φ6直徑為例，不到一分鐘就可以生產出一個非球面玻璃鏡片，所以利用模造方式的量產性是相當高的，也就是因為具有高量產性，所以才能達到降低成本的目標。

在品質穩定性方面，如果以人工生產的話，只能寄託於生產人工的技術穩定性來生產較好品質的非球面玻璃鏡片，但是如果以機械式的方式生產，鏡片品質的穩定性比較容易獲得控制。人工生產另外還有一個問題就是，假使老師傅離職之後，或許非球面玻璃鏡片就會因此生產不出來，但如以機械方式生產非球面玻璃鏡片，因為設備、參數都是存在的，而不至於因為人員的變動，對產線生產或量率帶來大規模的影響。

而在人事成本的方面，因為大陸的人工成本相對較為低廉，所以目前台灣的玻璃研磨廠幾乎都已經在大陸設廠生產，只存留研發部門。不過，可以發現的是，現在大陸的人力成本也有慢慢增加的趨勢，所以，這些工廠已經開始有逐漸轉移到緬甸或越南等國家。但是，如果是以機械設備生產，對於人工的依賴性相對減少，相對的人力成本的影響也就比較低。

■玻璃鏡片與塑膠鏡片的比較

在塑膠非球面鏡片問世時，曾有出現「玻璃鏡片一定會消失」的聲音，但是經過10幾年後，玻璃球面鏡片仍舊存在，原因是因為玻璃球面鏡片具有一些塑膠鏡片無法達到的優點，包括，高抗變形性、高抗高溫性，高抗濕性、硬度高擁有較佳表面抗刮性、折射率的範圍較大(1.4∼1.9)，而塑膠的折射率僅有1.4∼1.6左右，在穿透率的部分，如果在玻璃上鍍上薄膜之後，穿透率可以達到99.5％以上。

而這些優點卻剛好是塑膠鏡片無法達到的，由於材質的關係，塑膠無法長時間處於高溫及潮濕的環境，例如，目前塑膠鏡片材料還是難以克服攝氏100度以上的環境，而玻璃的熔點本來就高，所以，在高溫性的條件下，玻璃鏡片是有相當的優勢性。

當然，模造非球面玻璃也有一些問題點，除了前述的人工及高原材料成本外，如果要製作大尺寸的鏡片，直徑就很難超過於100mm。但是，利用塑膠射出的方式生產塑膠鏡片，便有可能達到這樣的目標。

■利用非球面鏡片達到短小輕薄

由於非球面鏡片可以降低Distortion、Coma等的像差，所以不需要利用太多的鏡片對影像進行修正，因此可以縮短鏡頭的長度。如果在最大口徑68.5鏡頭中所有的鏡片都是使用球面鏡片的話，以Auto Zoom Lens為例，鏡頭長度就達到87mm，而重量則為495g，但是，如果在這個鏡頭的設計中加入一片非球面鏡片後，那麼長度就可以縮短到59.5mm，而重量則可以大幅度的減輕到290g。

在過去傳統相機或早前的300萬畫素數位相機，機身都是相當的大和笨重，但是，因為大量導入了非球面玻璃鏡片的因素，今天的500萬畫素相機的體積便可以輕巧的放在口袋裡面。另一方面，如果在高階機種裡，如果完全使用塑膠鏡片，其實也是有相當的困難度，因為光學的品質沒有辦法達到要求，所以大多還是選擇非球面的玻璃鏡片。

■非球面透鏡材質與製作方式

非球面透鏡依材質可以區分為塑膠透鏡、玻璃透鏡及複合透鏡。就製作的方法上，塑膠透鏡可以利用精密車削法及射出成形法來製作。在少量生產或製作Prototype的情況下，鏡頭組業者並不會考慮開模生產，所以，一般在這樣的情況下，都是以精密車削法來生產或製作出所需的塑膠非球面透鏡。

如果是大量生產時，就會利用射出成形來製作，而模仁材料的部分大多是使用高硬度鋼材，或在高硬度鋼上披覆鎳層。如果，鋼材沒有披覆鎳層就必須利用研磨的方式製作模仁，但是目前比較少業者採用這樣的方式。以台灣來說，大多都是使用車削的方式製作非球面鏡片，因為利用車削的方式，生產速度較快，而且生產出來鏡片的精準度較佳。

玻璃透鏡的製作，分為精密研磨法和磨造成形法。精密研磨法是必須利用超精密加工機或非球面研磨機來製作，最後再經過非球面拋光製程，但此做法的缺點是在量產性相當低，而且對於技術人員的要求比較高。

如果要求高量產性的話，就必須採用模造成形法，目前常用的模仁的材質有碳化鎢和碳化矽，由於利用碳化鎢和碳化矽來製作模仁材料，需要在模仁表面上塗上一層離形膜，以提高模仁的壽命。所以，目前日本有些研究部門已經開始利用陶瓷材料來製作模仁，以便降低玻璃材料黏著在模仁表面的機會。

複合透鏡的製作是利用球面玻璃透鏡＋樹指，但是隨著非球面玻璃鏡片生產能力的強化，進而降低成本之後，預估在未來複合透鏡的產量將會愈來愈少。因為，複合透鏡是需要經過球面玻璃透鏡的研磨再加上一層樹指，所以複合透鏡單價也是相當的高，而且量產性也不比塑膠鏡片高，因此研判產量將會逐年減少。

■離形膜的技術將會影響到模仁的使用壽命

非球面玻璃鏡片生產的技術包括了：鍍膜技術、精密量測技術、精密模仁製程技術、精密模具設計技術、鏡片誤差補償技術、非球面玻璃鏡片模造技術。精密模具設計技術部分：雖然非球面玻璃鏡片的模具不像塑膠射出的模具那樣複雜，但是，精度的要求卻比塑膠射出模具高出許多，也就是說，非球面玻璃鏡片生產模具的設計或許不是關鍵，但是模具的加工卻是最主要的關鍵點。

模仁加工技術方面：對於非球面玻璃鏡片的精密度有著相當重要的關係，因為模仁做的不好，所生產出來的玻璃鏡片的精度絕對不佳。也就是說，生產出來的玻璃鏡片精密度有80％的影響是來自於模仁。目前製造玻璃的模仁，表面上是需要披覆一層膜層，膜層品質的良劣將會直接影響到模仁的壽命，如果模仁壽命不長，將會直接增加到鏡片的生產成本。

玻璃模仁與塑膠模仁的合金膜層在製程上有些差異，塑膠模仁在尚未進行超精密加工之前，就會披覆上合金膜層，塑膠射出用模仁的膜層厚度大約在200∼300微米左右。而玻璃模造用模仁是先利用超精密加工，完成所需的模仁曲面形狀之後再披覆合金膜層，合金膜層的厚度大多都是小於1微米以下，如果合金膜層的厚度太厚時，將會影響到已加工完成的曲面形狀精度。

目前，模造溫度在500℃以上的話，大多是使用貴金屬膜，利用濺鍍的方式將貴金屬的靶材鍍在模仁的表面，貴金屬膜層優點是，有較佳的耐熱性，而可選用的靶材也較多，包括Pt（白金）、Ir（銥）、Re（錸）、Rh（銠）等材質，而膜層的壽命也比較長，不過，濺鍍貴金屬的製程較為複雜，在膜層損傷時，需要重新研磨模仁曲面部分，而靶材的成本也是較昂貴。

■生產非球面玻璃用模仁的關鍵技術

其實模仁加工的重點在於加工機的選擇及參數的選用。目前，如果以車削方式製作塑膠射出用模仁，只要加工機達到一定的精度，就可以做到相當好的品質的模仁，但是如果是製作非球面玻璃的生產模仁，那麼加工機的選用就會變的相對的重要，如果加工機選擇錯誤的話，那麼生產出來的模仁精度就會顯得不理想。

而工具技術方面也是影響到模仁精密的要素，例如，所選用砂輪的粒度及結合度等等這些都是必須要一一的考量。模仁的材料目前大多為碳化鎢和碳化矽，如果碳化鎢、碳化矽的緻密性不很高的話，那麼所生產研削出來的表面粗度就會不好，那麼去做離形膜鍍膜時，就會影響膜的披覆性。

一般來說，研磨非球面玻璃模仁的時間要比塑膠透鏡模仁長2∼3倍，所以，在溫度或環境控制不佳的情況下，很難做出高品質的鏡片模仁。目前，非球面模仁加工方式共有垂直軸、斜軸研磨方式、水平軸+B軸研磨方式以及單晶鑽石切削。

垂直軸、斜軸研磨方式，是較被常用的的一種磨削方式，在R值比較大的時候，可以利用垂直軸做研削。但是，當非球面玻璃應用在手機上時，每一個手機鏡片的直徑及曲率都相當小，這樣的情況下就必須使用斜軸研磨方式，才有可能研磨出所需的模仁形狀。

而使用水平軸＋B軸研磨方式來生產模仁，可以達到相當高的精度，而單晶鑽石切削多應用在塑膠透鏡的模仁。

■鏡片量測能力是相當重要的一個關鍵

在鏡片誤差補償技術方面，也是影響鏡片生產成本的因素之一，技術經驗較佳的業者，在鏡片生產出來之後，只要做一次鏡片誤差補償就可以達到要求，但是如果技術經驗較弱，或許在鏡片生產出來之後，做了2、3次的鏡片誤差補償都還無法達到鏡片的精確性。

是否有精密量測能力，是對於鏡片開發及生產時相當重要的一個關鍵，因為目前鏡片的角度愈來愈大，當鏡片是一個大角度的時候，要如何去量測出真實的精度是相當重要的。

■鏡片偏心量檢測的困難

設計光學系統最困擾的問題是，增加鏡頭畫質的同時，鏡片的外徑也隨著變大，造成鏡片外徑變大主要原因，是為了要完全補正角度偏差，所以必須增加鏡片的口徑。由於這種鏡頭的設計難度相當高，所以除非改用非球面鏡片，否則幾乎不可能達成目標。雖然非球面鏡片可以獲得鏡頭輕巧小型化的效益，不過非球面鏡片本身的製作非常困難。

不論是設計或是製作都會面臨「偏心」問題，以往鏡片的偏心取決於鏡片單體的取心加工精度，及鏡筒內徑加工精度造成的嵌合組裝精度。基於提高加工設備精度，以及精度管理上經濟量產性等考量，一般認為鏡片框架的基準軸與鏡片的光軸，兩者的平行偏芯量加工精度極限大約是10μm左右，因此必須利用更精準的量測設備以調整光軸，已經成為組裝相機鏡頭時不可或缺的工具。

基本上必須具備可以高精度檢測偏芯量、可以微量移動鏡片，及可精確固定微調後的鏡片。常用的偏芯量檢測方法可以分成反射式以及穿透式。

■反射式檢測方法

反射式檢測方法是針對鏡片框架的基準軸，求出該鏡面的絕對偏芯量。為了補正鏡片框架的基準直徑中心與鏡片R1接觸面的機械軸加工誤差，加上檢測時必須個別旋轉被測物，所以鏡片R2與鏡片框架的基準軸之間的相對位置，基本上是取決鏡片框架的加工精度。此外為獲得高精度R1與R2相對位置，所以必須分別量測度R1與R2。

■穿透式檢測方法

穿透式檢測方法是觀測光線穿透待測光學元件R1與R2之後的任意面，因此理論上可以有效檢測兩鏡片的相對光軸偏移量。在過去，鏡片的大小並非規格上的重要議題，但是隨著照相產品設備愈來愈要求輕薄短小的外觀下，鏡片的直徑和厚度也就相對的被要求的更小，而相對的因為鏡片的直徑和厚度變小，可容許的偏心誤差就會變的更嚴謹。

■雙面量測的優點

以今天的量測設備而言，幾乎都是進行鏡片的單面量測，而開發人員在需要對鏡片進行正反面偏心量測的情況下，只能在量測正面之後，將鏡片翻面再繼續對背面進行量測，不過，相當多的誤差就會出現在鏡片翻面的過程中，或許原先正反兩面的偏心值都是在可容許的誤差之內，但因為鏡片翻面的變化，造成得到錯誤的量測結果，這是相當可惜的事。

然而，雙面量測的最大優點，是可以去除掉因為鏡片翻面變化所造成的測量誤差，利用設備上下兩部分的光學量測機構，可以在不移動鏡片的情況下，進行正反面的測量。

資料來源 DigiTimes

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