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      1. 玻璃鏡片模仁制作與量測技術

        玻璃鏡片模仁制作與量測技術

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

         

            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的質量一直倍增到5000、6000萬畫素,甚至三星電子(Samsung)還推出了超高畫素的照相手機,在手機不斷訴求輕薄短小的要求下,期望達到高攝影質量、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。

        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,已經成為數字相機不可或缺的要素,不過,基本上對于物體取像的原理卻沒有任何改變,換句話說數字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67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采用具備螢石鏡片與非球面鏡片特性的「積層型繞射光學組件」,進而獲得與傳統折射光學組件相異的特性,而畫質性能卻等同甚至凌駕折射光學組件,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。

        輕巧小型推動取相組件細微化

         最近幾年隨著數字相機取像組件的高畫素化、積體微小化,使得畫素間距(pitch)變得非常微細,整體分辨率有可能超越傳統相機。

         輕巧小型的數字相機取相組件,對角尺寸只有1/1.8英吋甚至于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,因此數字相機的鏡頭焦距比傳統相機小,此外數字相機若欲獲得傳統相機同等級的畫質時,它的取像組件會變得極端微細。

         一般論及高性能玻璃鏡片,立刻會浮現高分辨率的既定觀念,然而利用光學LPF去除高頻波的數字相機,并不需要特殊的分辨率,單靠分辨率并無法充分發揮數字相機的光學系統特性,如何在影像清晰度與分辨率之間取得平衡,才是數字相機攝影鏡頭高性能化的設計重點。

         小型數字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制程

         數字相機光學系統的取像組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,因此制作上的困難度相當高,量產時除了需提高組件制作精度外,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時間都需納入考慮,藉此使制作誤差的影響降至最低限度。

         為達成數字相機小型化目的,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,即使是微小的制作誤差,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。

         種種因素的考慮,例如畫素愈來愈高,鏡頭要求愈來愈短,就因應產生對于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制程技術來說,如果是用傳統研磨的方式,要制作出非球面的玻璃鏡片,難度是相當的高,可能要培養一個制程師傅,經歷1020年的功力,才有可能制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制程來說的話,一個技術人員的養成大概只需要35年就可制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制程優點

         非球面鏡片可以達到相當良好的成像質量,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制程的時間,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,才有可能制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。



         在質量穩定性方面,如果以人工生產的話,只能寄托于生產人工的技術穩定性來生產較好質量的非球面玻璃鏡片,但是如果以機械式的方式生產,鏡片質量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,假使老師傅離職之后,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,而不至于因為人員的變動,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,所以目前臺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,對于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。

        玻璃鏡片與塑料鏡片的比較

         在塑料非球面鏡片問世時,曾有出現「玻璃鏡片一定會消失」的聲音,但是經過10幾年后,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料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、折射率的范圍較大(1.41.9),而塑料的折射率僅有1.41.6左右,在穿透率的部分,如果在玻璃上鍍上薄膜之后,穿透率可以達到99.5%以上。



         而這些優點卻剛好是塑料鏡片無法達到的,由于材質的關系,塑料無法長時間處于高溫及潮濕的環境,例如,目前塑料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,如果要制作大尺寸的鏡片,直徑就很難超過于100mm。但是,利用塑料射出的方式生產塑料鏡片,便有可能達到這樣的目標。

        利用非球面鏡片達到短小輕薄

         由于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后,那么長度就可以縮短到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300萬畫素數字相機,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里面。另一方面,如果在高階機種里,如果完全使用塑料鏡片,其實也是有相當的困難度,因為光學的質量沒有辦法達到要求,所以大多還是選擇非球面的玻璃鏡片。

        非球面透鏡材質與制作方式

         非球面透鏡依材質可以區分為塑料透鏡、玻璃透鏡及復合透鏡。就制作的方法上,塑料透鏡可以利用精密車削法及射出成形法來制作。在少量生產或制作Prototype的情況下,鏡頭組業者并不會考慮開模生產,所以,一般在這樣的情況下,都是以精密車削法來生產或制作出所需的塑料非球面透鏡。

         如果是大量生產時,就會利用射出成形來制作,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制作模仁,但是目前比較少業者采用這樣的方式。以臺灣來說,大多都是使用車削的方式制作非球面鏡片,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。



         玻璃透鏡的制作,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制作,最后再經過非球面拋光制程,但此做法的缺點是在量產性相當低,而且對于技術人員的要求比較高。

         如果要求高量產性的話,就必須采用模造成形法,目前常用的模仁的材質有碳化鎢和碳化硅,由于利用碳化鎢和碳化硅來制作模仁材料,需要在模仁表面上涂上一層離形膜,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制作模仁,以便降低玻璃材料黏著在模仁表面的機會。

         復合透鏡的制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,進而降低成本之后,預估在未來復合透鏡的產量將會愈來愈少。因為,復合透鏡是需要經過球面玻璃透鏡的研磨再加上一層樹指,所以復合透鏡單價也是相當的高,而且量產性也不比塑料鏡片高,因此分析產量將會逐年減少。

        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、精密模仁制程技術、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料射出的模具那樣復雜,但是,精度的要求卻比塑料射出模具高出許多,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:對于非球面玻璃鏡片的精密度有著相當重要的關系,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%的影響是來自于模仁。目前制造玻璃的模仁,表面上是需要披覆一層膜層,膜層質量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。

         玻璃模仁與塑料模仁的合金膜層在制程上有些差異,塑料模仁在尚未進行超精密加工之前,就會披覆上合金膜層,塑料射出用模仁的膜層厚度大約在200300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后再披覆合金膜層,合金膜層的厚度大多都是小于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,濺鍍貴金屬的制程較為復雜,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于加工機的選擇及參數的選用。目前,如果以車削方式制作塑料射出用模仁,只要加工機達到一定的精度,就可以做到相當好的質量的模仁,但是如果是制作非球面玻璃的生產模仁,那么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,那么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慮。模仁的材料目前大多為碳化鎢和碳化硅,如果碳化鎢、碳化硅的致密性不很高的話,那么所生產研削出來的表面粗度就會不好,那么去做離形膜鍍膜時,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料透鏡模仁長23倍,所以,在溫度或環境控制不佳的情況下,很難做出高質量的鏡片模仁。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鉆石切削。

         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,而單晶鉆石切削多應用在塑料透鏡的模仁。

        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,在鏡片生產出來之后,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后,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,是對于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。由于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制作非常困難。



         不論是設計或是制作都會面臨「偏心」問題,以往鏡片的偏心取決于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?;谔岣呒庸ぴO備精度,以及精度管理上經濟量產性等考慮,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,及可精確固定微調后的鏡片。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R1R2相對位置,所以必須分別量測度R1R2。

        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組件R1R2之后的任意面,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,鏡片的大小并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,只能在量測正面之后,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。

        結語

         相機的光學系統隨著計算機的高速化、普及化快速進步,由于光學設計本身就是基本理論基礎,加上一連串的探索與錯誤嘗試的累積,因此高速計算機已經成為設計者不可或缺的謀生工具,而設計結果的具體化則不斷衍生新技術,例如新t世代玻璃、高折射率非球面鏡面制作技術、繞射光學技術、鏡筒技術、高精度調整技術等等。相機的光學設計理論歷史相久遠,隨著數字相機圖像處理技術的進步,電子技術與光學技術的融合成為今后必須克服的課題。(本文由弘邦光學劉世璋經理口述內容及提供相關資料、日本KUNOH Mr.Kenichi Muratani口述)

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