镜片模仁制作与测量技术

 镜片模仁制作与测量技术

广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂
随着手机的多功能化，在手机中加入照相功能，已经是目前中、高阶手机所必备的，而画素也由QCIF的质量一直倍增到100、200万画素，甚至三星电子（Samsung）还推出了500万画素的照相手机，在手机不断诉求轻薄短小的要求下，期望达到高摄影质量、轻薄短小要求，在镜头中加入非球面镜片就成了必须性的做法。

■2007年镜头组市场需求超过4亿组

　全球手机市场在1997年市场规模不到2亿支，但是到了2004年，就已经超过6亿支的市场规模，可以发现，全球对于手机的需求量不断的在攀升，而根据美国Gartner情报搜集公司的预估，在2009年，全球手机的需求量将超过10亿支的规模。

　手机市场竞争的火热，在如此庞大的手机市场里，从2002年左右开始，手机就已开始加入照相的功能，在Techno System Research的统计预估里，在2002年具有照相功能的手机，占全体手机市场不到10％，但是，2年后的2004年比例已经超过30％，而预估2007年，将有一半以上的手机都具有照相功能。

　在参照Gartner的统计数字后，也就是说在2007年全球8亿支的手机里，有超过4亿支的手机都具有照相功能，换个角度来看，也就是说，在2007年时，全球在手机的部分就有超过4亿组的镜头组需求市场，在量化后，其实可以了解这个市场是相当的庞大。

　以目前的适用习惯来看，由于因为目前带宽或传输组件的原因，讯号传输的机制与能力尚有相当不成熟之处，目前消费者大多还是很少在利用手机照相后，将影像数据利用手机传输出去。假使未来，这些问题陆续获得解决后，相信消费者对于手机照相功能的使用度将快速增加，相对的，对于手机照相质量的要求也随之增加。

■2亿支手机具有非球面玻璃镜片

　目前因为镜头成本的考虑，200万画素以下的照相手机镜头组，大多都使用非球面塑料镜片及球面玻璃镜片，而200万以上的照相手机，因为需要顾虑到成像的质量与机身的轻薄及自动对焦及光学变焦问题，而必须在镜头组中加入非球面玻璃镜片的设计。

　从统计数据中可以看到，在2003年100万画素（CIF、VGA）以下的照相手机，占了整体的手机市场约80％，但是在未来的发展，因为市场的竞争变化之下，100万画素以下的照相手机市场占有率逐年的往下降，到2008年的时候便降低到10％左右，而200万画素以上的照相手机，从2004年开始陆续的出现在市场上，以日本市场来说，200万画素以上的照相手机已经是一个相当普及的照相手机配备。

　由于CMOS Image Sensor制程的进步，部分业者也陆续推出300万画素CMOS Image Sensor，所以在2006年时，预估300万画素以上的照相手机，也将在市场上占有7∼8％的比例，预估在2008年市场上将会有20％左右的300万画素以上照相手机。也就是说，在2008年时，将会有4亿组以上的手机镜头组市场，而在这4亿组规模的镜头市场中，将会有35％（2亿支）的手机上镜头模块具有非球面玻璃镜片，这也是目前台湾与中国大陆的镜片与镜头组业者所看到的一块大饼。

　在另一个市场中，根据工研院的统计，2002年数字相机全球市场规模将近3,000万台，3年后市场规模成长了一倍以上，预估超过6,000万台，而2008年市场更将超过8,000万台。在这几年中，除了数量激增外，照相质量也被要求愈来愈高，2002年，200万画素（含200万画素）以下的数字相机，约占整体市场50％左右，而在2005年，300万画素以上的数字相机，已占全体市场比例超过90％，2006年以后，市场上几乎都是是300万画素以上的机种。

　在更细分高画素数相机之下，可以看到，2007年500万画素的数字相机已经超过20％，在加上400万画素的数字相机，已经占整体市场的一半。而这些高画数素的数字相机，也都需要用到大量的非球面玻璃镜片。

■新式镜片达到光学系统的高性能化与小型化

　轻巧、高画质、低价，已经成为数字相机不可或缺的要素，不过，基本上对于物体取像的原理却没有任何改变，换句话说数字相机事实上是传统相机的另一种应用形式的延伸。

　一般相机镜头是由多群镜片群所组合而成，例如6群7片等镜片群所构成。为了使鲜锐的影像成像，必须尽量消除影像渗透、歪斜，色彩渗透等收差，基本上光学变焦镜头最少必须具备两组镜片群，一般是两组以上的镜片群各自独立在光轴上移动达成光学变焦目的。

　长久以来光学人员都知道「萤石镜片」与「非球面镜片」对光学系统的高性能化与小型化贡献很大。因此有些业者的相机镜头采用具备萤石镜片与非球面镜片特性的「积层型绕射光学组件」，进而获得与传统折射光学组件相异的特性，而画质性能却等同甚至凌驾折射光学组件，同时还达成轻巧小型等目的。

　传统光学为补正造成画质劣化的色收差，必须使用数量众多的凹、凸镜片，结果造成Zoom Lens或是望远镜头的体积相当庞大笨重。

■轻巧小型推动取相组件细微化

　最近几年随着数字相机取像组件的高画素化、积体微小化，使得画素间距（pitch）变得非常微细，整体分辨率有可能超越传统相机。

　轻巧小型的数字相机取相组件，对角尺寸只有1/1.8英吋甚至于1/2.7英吋，相较之下传统35mm相机的底片对角尺寸高达43.3mm，因此数字相机的镜头焦距比传统相机小，此外数字相机若欲获得传统相机同等级的画质时，它的取像组件会变得极端微细。

　一般论及高性能玻璃镜片，立刻会浮现高分辨率的既定观念，然而利用光学LPF去除高频波的数字相机，并不需要特殊的分辨率，单靠分辨率并无法充分发挥数字相机的光学系统特性，如何在影像清晰度与分辨率之间取得平衡，才是数字相机摄影镜头高性能化的设计重点。

　小型数字相机主要诉求是轻巧携带方便，因此如何同时获得小型、高性能成为相机镜头的设计重点，如果只是单纯追求镜头高性能化，通常只要增加镜片数量就可以，不过如此一来却无法确保轻巧小型另一项目标，如果任意减少片数量的话，必须放宽对性能具有重大影响的各镜片群的power（焦距的逆数）其结果经常造成镜头体积变大等问题，因此必须针对造成光学系统外形变大的部位，进行重点性的小型化改善，具体方法是改用模造成形的凹凸形状非球面玻璃镜片。

■非球面镜片逐渐走向机械制程

　数字相机光学系统的取像组件间距非常狭窄而焦点深度又很浅，加上光学性能涵盖高频领域，因此制作上的困难度相当高，量产时除了需提高组件制作精度外，组立工程上各重点部位则需作高精度的调整作业，这些问题在光学系统设计时间都需纳入考虑，藉此使制作误差的影响降至最低限度。

　为达成数字相机小型化目的，通常会强化各镜片群的能力，如此一来却造成光学系统的敏感度增加，即使是微小的制作误差，都有可能因为偏芯造成对最终的光学性能产生不良影响，因此必须藉助设计技巧与经验减低上述问题。

　种种因素的考虑，例如画素愈来愈高，镜头要求愈来愈短，就因应产生对于非球面玻璃镜片的需求，以目前镜片的成本来说，非球面玻璃镜片的成本是最高的，但还是有市场高度的需求潜力，而且是逐步在成长当中，以非球面玻璃镜片的制程技术来说，如果是用传统研磨的方式，要制作出非球面的玻璃镜片，难度是相当的高，可能要培养一个制程师傅，经历10∼20年的功力，才有可能制作出一个比较精密的非球面玻璃镜片，但是如果以玻璃模造制程来说的话，一个技术人员的养成大概只需要3∼5年就可制作出一个相当精准的非球面玻璃镜片，而且也可以达到高生产性的目标。

■模造非球面玻璃镜片制程优点

　非球面镜片可以达到相当良好的成像质量，一般来说，球面镜片需要比较多的镜片组才有办法减一些影像畸变（Distortion）、彗星像差（Coma）等等的像差，但是如果是利用非球面镜片，镜头的镜片数就可以大幅的降低。

　再来是可以降低一些制程的时间，以一个传统研磨来看，生产一个镜片可能需要耗费数个小时到一天的时间，才有可能制作出一个非球面的玻璃镜片，但是，如果以模造的方式去生产的话，以Φ6直径为例，不到一分钟就可以生产出一个非球面玻璃镜片，所以利用模造方式的量产性是相当高的，也就是因为具有高量产性，所以才能达到降低成本的目标。

　在质量稳定性方面，如果以人工生产的话，只能寄托于生产人工的技术稳定性来生产较好质量的非球面玻璃镜片，但是如果以机械式的方式生产，镜片质量的稳定性比较容易获得控制。人工生产另外还有一个问题就是，假使老师傅离职之后，或许非球面玻璃镜片就会因此生产不出来，但如以机械方式生产非球面玻璃镜片，因为设备、参数都是存在的，而不至于因为人员的变动，对产线生产或量率带来大规模的影响。

　而在人事成本的方面，因为大陆的人工成本相对较为低廉，所以目前台湾的玻璃研磨厂几乎都已经在大陆设厂生产，只存留研发部门。不过，可以发现的是，现在大陆的人力成本也有慢慢增加的趋势，所以，这些工厂已经开始有逐渐转移到缅甸或越南等国家。但是，如果是以机械设备生产，对于人工的依赖性相对减少，相对的人力成本的影响也就比较低。

■玻璃镜片与塑料镜片的比较

　在塑料非球面镜片问世时，曾有出现「玻璃镜片一定会消失」的声音，但是经过10几年后，玻璃球面镜片仍旧存在，原因是因为玻璃球面镜片具有一些塑料镜片无法达到的优点，包括，高抗变形性、高抗高温性，高抗湿性、硬度高拥有较佳表面抗刮性、折射率的范围较大（1.4∼1.9），而塑料的折射率仅有1.4∼1.6左右，在穿透率的部分，如果在玻璃上镀上薄膜之后，穿透率可以达到99.5％以上。

　而这些优点却刚好是塑料镜片无法达到的，由于材质的关系，塑料无法长时间处于高温及潮湿的环境，例如，目前塑料镜片材料还是难以克服摄氏100度以上的环境，而玻璃的熔点本来就高，所以，在高温性的条件下，玻璃镜片是有相当的优势性。

　当然，模造非球面玻璃也有一些问题点，除了前述的人工及高原材料成本外，如果要制作大尺寸的镜片，直径就很难超过于100mm。但是，利用塑料射出的方式生产塑料镜片，便有可能达到这样的目标。

■利用非球面镜片达到短小轻薄

　由于非球面镜片可以降低Distortion、Coma等的像差，所以不需要利用太多的镜片对影像进行修正，因此可以缩短镜头的长度。如果在最大口径68.5镜头中所有的镜片都是使用球面镜片的话，以Auto Zoom Lens为例，镜头长度就达到87mm，而重量则为495g，但是，如果在这个镜头的设计中加入一片非球面镜片后，那么长度就可以缩短到59.5mm，而重量则可以大幅度的减轻到290g。

　在过去传统相机或早前的300万画素数字相机，机身都是相当的大和笨重，但是，因为大量导入了非球面玻璃镜片的因素，今天的500万画素相机的体积便可以轻巧的放在口袋里面。另一方面，如果在高阶机种里，如果完全使用塑料镜片，其实也是有相当的困难度，因为光学的质量没有办法达到要求，所以大多还是选择非球面的玻璃镜片。

■非球面透镜材质与制作方式

　非球面透镜依材质可以区分为塑料透镜、玻璃透镜及复合透镜。就制作的方法上，塑料透镜可以利用精密车削法及射出成形法来制作。在少量生产或制作Prototype的情况下，镜头组业者并不会考虑开模生产，所以，一般在这样的情况下，都是以精密车削法来生产或制作出所需的塑料非球面透镜。

　如果是大量生产时，就会利用射出成形来制作，而模仁材料的部分大多是使用高硬度钢材，或在高硬度钢上披覆镍层。如果，钢材没有披覆镍层就必须利用研磨的方式制作模仁，但是目前比较少业者采用这样的方式。以台湾来说，大多都是使用车削的方式制作非球面镜片，因为利用车削的方式，生产速度较快，而且生产出来镜片的精准度较佳。

　玻璃透镜的制作，分为精密研磨法和磨造成形法。精密研磨法是必须利用超精密加工机或非球面研磨机来制作，最后再经过非球面抛光制程，但此做法的缺点是在量产性相当低，而且对于技术人员的要求比较高。

　如果要求高量产性的话，就必须采用模造成形法，目前常用的模仁的材质有碳化钨和碳化硅，由于利用碳化钨和碳化硅来制作模仁材料，需要在模仁表面上涂上一层离形膜，以提高模仁的寿命。所以，目前日本有些研究部门已经开始利用陶瓷材料来制作模仁，以便降低玻璃材料黏着在模仁表面的机会。

　复合透镜的制作是利用球面玻璃透镜＋树指，但是随着非球面玻璃镜片生产能力的强化，进而降低成本之后，预估在未来复合透镜的产量将会愈来愈少。因为，复合透镜是需要经过球面玻璃透镜的研磨再加上一层树指，所以复合透镜单价也是相当的高，而且量产性也不比塑料镜片高，因此分析产量将会逐年减少。

■离形膜的技术将会影响到模仁的使用寿命

　非球面玻璃镜片生产的技术包括了：镀膜技术、精密量测技术、精密模仁制程技术、精密模具设计技术、镜片误差补偿技术、非球面玻璃镜片模造技术。精密模具设计技术部分：虽然非球面玻璃镜片的模具不像塑料射出的模具那样复杂，但是，精度的要求却比塑料射出模具高出许多，也就是说，非球面玻璃镜片生产模具的设计或许不是关键，但是模具的加工却是最主要的关键点。

　模仁加工技术方面：对于非球面玻璃镜片的精密度有着相当重要的关系，因为模仁做的不好，所生产出来的玻璃镜片的精度绝对不佳。也就是说，生产出来的玻璃镜片精密度有80％的影响是来自于模仁。目前制造玻璃的模仁，表面上是需要披覆一层膜层，膜层质量的良劣将会直接影响到模仁的寿命，如果模仁寿命不长，将会直接增加到镜片的生产成本。

　玻璃模仁与塑料模仁的合金膜层在制程上有些差异，塑料模仁在尚未进行超精密加工之前，就会披覆上合金膜层，塑料射出用模仁的膜层厚度大约在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状之后再披覆合金膜层，合金膜层的厚度大多都是小于1微米以下，如果合金膜层的厚度太厚时，将会影响到已加工完成的曲面形状精度。

　目前，模造温度在500℃以上的话，大多是使用贵金属膜，利用溅镀的方式将贵金属的靶材镀在模仁的表面，贵金属膜层优点是，有较佳的耐热性，而可选用的靶材也较多，包括Pt（白金）、Ir（铱）、Re（铼）、Rh（铑）等材质，而膜层的寿命也比较长，不过，溅镀贵金属的制程较为复杂，在膜层损伤时，需要重新研磨模仁曲面部分，而靶材的成本也是较昂贵。

■生产非球面玻璃用模仁的关键技术

　其实模仁加工的重点在于加工机的选择及参数的选用。目前，如果以车削方式制作塑料射出用模仁，只要加工机达到一定的精度，就可以做到相当好的质量的模仁，但是如果是制作非球面玻璃的生产模仁，那么加工机的选用就会变的相对的重要，如果加工机选择错误的话，那么生产出来的模仁精度就会显得不理想。

　而工具技术方面也是影响到模仁精密的要素，例如，所选用砂轮的粒度及结合度等等这些都是必须要一一的考虑。模仁的材料目前大多为碳化钨和碳化硅，如果碳化钨、碳化硅的致密性不很高的话，那么所生产研削出来的表面粗度就会不好，那么去做离形膜镀膜时，就会影响膜的披覆性。

　一般来说，研磨非球面玻璃模仁的时间要比塑料透镜模仁长2∼3倍，所以，在温度或环境控制不佳的情况下，很难做出高质量的镜片模仁。目前，非球面模仁加工方式共有垂直轴、斜轴研磨方式、水平轴+B轴研磨方式以及单晶钻石切削。

　垂直轴、斜轴研磨方式，是较被常用的的一种磨削方式，在R值比较大的时候，可以利用垂直轴做研削。但是，当非球面玻璃应用在手机上时，每一个手机镜片的直径及曲率都相当小，这样的情况下就必须使用斜轴研磨方式，才有可能研磨出所需的模仁形状。

　而使用水平轴＋B轴研磨方式来生产模仁，可以达到相当高的精度，而单晶钻石切削多应用在塑料透镜的模仁。

■镜片量测能力是相当重要的一个关键

　在镜片误差补偿技术方面，也是影响镜片生产成本的因素之一，技术经验较佳的业者，在镜片生产出来之后，只要做一次镜片误差补偿就可以达到要求，但是如果技术经验较弱，或许在镜片生产出来之后，做了2、3次的镜片误差补偿都还无法达到镜片的精确性。

　是否有精密量测能力，是对于镜片开发及生产时相当重要的一个关键，因为目前镜片的角度愈来愈大，当镜片是一个大角度的时候，要如何去量测出真实的精度是相当重要的。

■镜片偏心量检测的困难

　设计光学系统最困扰的问题是，增加镜头画质的同时，镜片的外径也随着变大，造成镜片外径变大主要原因，是为了要完全补正角度偏差，所以必须增加镜片的口径。由于这种镜头的设计难度相当高，所以除非改用非球面镜片，否则几乎不可能达成目标。虽然非球面镜片可以获得镜头轻巧小型化的效益，不过非球面镜片本身的制作非常困难。

　不论是设计或是制作都会面临「偏心」问题，以往镜片的偏心取决于镜片单体的取心加工精度，及镜筒内径加工精度造成的嵌合组装精度。基于提高加工设备精度，以及精度管理上经济量产性等考虑，一般认为镜片框架的基准轴与镜片的光轴，两者的平行偏芯量加工精度极限大约是10μm左右，因此必须利用更精准的量测设备以调整光轴，已经成为组装相机镜头时不可或缺的工具。

　基本上必须具备可以高精度检测偏芯量、可以微量移动镜片，及可精确固定微调后的镜片。常用的偏芯量检测方法可以分成反射式以及穿透式。

■反射式检测方法

　反射式检测方法是针对镜片框架的基准轴，求出该镜面的绝对偏芯量。为了补正镜片框架的基准直径中心与镜片R1接触面的机械轴加工误差，加上检测时必须个别旋转被测物，所以镜片R2与镜片框架的基准轴之间的相对位置，基本上是取决镜片框架的加工精度。此外为获得高精度R1与R2相对位置，所以必须分别量测度R1与R2。

■穿透式检测方法

　穿透式检测方法是观测光线穿透待测光学组件R1与R2之后的任意面，因此理论上可以有效检测两镜片的相对光轴偏移量。在过去，镜片的大小并非规格上的重要议题，但是随着照相产品设备愈来愈要求轻薄短小的外观下，镜片的直径和厚度也就相对的被要求的更小，而相对的因为镜片的直径和厚度变小，可容许的偏心误差就会变的更严谨。

■双面量测的优点

　以今天的量测设备而言，几乎都是进行镜片的单面量测，而开发人员在需要对镜片进行正反面偏心量测的情况下，只能在量测正面之后，将镜片翻面再继续对背面进行量测，不过，相当多的误差就会出现在镜片翻面的过程中，或许原先正反两面的偏心值都是在可容许的误差之内，但因为镜片翻面的变化，造成得到错误的量测结果，这是相当可惜的事。

　然而，双面量测的最大优点，是可以去除掉因为镜片翻面变化所造成的测量误差，利用设备上下两部分的光学量测机构，可以在不移动镜片的情况下，进行正反面的测量。

■结语

　相机的光学系统随着计算机的高速化、普及化快速进步，由于光学设计本身就是基本理论基础，加上一连串的探索与错误尝试的累积，因此高速计算机已经成为设计者不可或缺的谋生工具，而设计结果的具体化则不断衍生新技术，例如新t世代玻璃、高折射率非球面镜面制作技术、绕射光学技术、镜筒技术、高精度调整技术等等。相机的光学设计理论历史相久远，随着数字相机图像处理技术的进步，电子技术与光学技术的融合成为今后必须克服的课题。（本文由弘邦光学刘世璋经理口述内容及提供相关资料、日本KUNOH Mr.Kenichi Muratani口述）