手机镜头设计

手機用微型定焦鏡頭The micro fixed focal lens in mobile phone作者：Porter Lin 2005/12等級：普通第一章前言照相手機自從2003年下半年CMOS跨入30萬畫素後，隨即吸引相關上、下游產業間一股追求風潮，目前照相手機之畫素競賽，由CIF到VGA等級在CCD機種停滯約1年半時間，VGA到百萬畫素(Mega)約等待15個月；但是從百萬畫素(Mega)到2百萬畫素卻只花了9個月時間，2百萬畫素到3百萬畫也只花了不到9個月時間(Samsung於2004年Q3正式推出3x光學變焦、300萬畫素的SPH-S2300)。

類似地，CMOS機種從VGA直接進入，走入百萬畫素只花了約9個月時間，而2百萬畫素產品預期也將只需9個月時間。

根據最新報告指出，畫素未來發展2004年絕大多數市場仍是VGA的天下(佔有66%)，CIF等級則約有13%、1.3Mega等級則只有19%(且大多數為日韓市場)。

不過在2005年，1.3Mega開始躍居主流，VGA則退居第二；直至2006年，百萬畫素照相手機仍穩居市場主流地位，2.0Mega機種漸升為第二(27%)，3.0Mega 以上則佔5%。

相機模組如圖1-1所示，構成要素包含了感測器、鏡頭、鏡頭支架、軟硬板，由於現在手機要求之輕薄短小，如今在加入相機功能後，持續在已狹小的空間中塞入相機模組，不僅考驗手機廠商，更是考驗零組件廠商。

圖1-1 手機相機模組在相機零組件中，感測器、鏡頭與機械裝置算是最重要的三部份，尤其愈往高畫素發展時，與其搭配之感測器與掌握光線入射的鏡片面積也將同步放大，而如何在面積同步放大的不利條件下，同時掌握手機微小化之要求並保持高畫素、高影像品質，自然成為廠商逐鹿市場的學問。

於此同時，整合各種零組件於一身之模組組裝技術，在越往高畫素發展同時，也同樣身兼重任。

感測器廠商藉由調整感測器內之光電二極體(Photodiode)間距與外型、放入多顆電晶體和暫存器電路之特殊設計，期待能夠達到縮小體積但卻提高畫素的要求，當然這些細微化動作仍有賴晶圓廠以更先進的0.15、0.13微米或是奈米製程來解決。

下一代感測器預計將把畫素縮小到2.2微米，同時為補償畫素亮度的下降，一些模組製造商正為CMOS感測器的每個畫素上建構以薄膜為主的顯微鏡頭(Micro Lens)。

顯微鏡頭有助於把光引導到每個光電探測器上。

此外，為了提高感測器的聚光能力，目前也流行在晶圓廠後製程上下工夫(即Color Filter)。

鏡片由於跟後端感測器成像有很大關聯，因此廠商鏡片之各項規格也會跟隨感測器之種類不同而有不一樣的設計，而業界間對於「鏡片尺寸」之慣用定義，甚至也依隨感測器之圖像大小(pixel size)而定。

以CIF等級為例，其鏡片尺寸最進步者已來到1/7"、1/9"，而組成鏡頭模組後之形狀大小則可要求6(長)x 6(寬)x 3.5 mm(高)；VGA等級因目前應用最多，因此市場上有1/4"、1/5"、1/6"、1/7"之分，鏡頭模組大小則散佈於8 x 8 x 6 (mm)、8x8x5(mm)、7 x 7 x 4.5 (mm)間；1.3 M款式有1/3"、1/3.5"、1/4"之分，鏡頭模組大小則有9 x 9 x 6.5 (mm)、8 x 8 x 6 (mm)；2.0 M等級目前屬於最新產品，因此尺寸也稍大，目前業界有1/2.7"、1/3"供客戶選擇，鏡頭模組大小則以11 x 11x 7 (mm)為最多。

鏡片材質又有塑膠或玻璃之分別，塑膠材質成本較低，製作出來的重量也較輕，不過成像品質較玻璃差，而且在極度精小尺寸要求下，塑膠射出成型的製程要求也會遇到問題；玻璃鏡片雖然成本較貴，重量也較重，但有良好成像效果，而且在尺寸精細度可要求(如鏡片直徑與厚度)得更高。

鏡頭廠商過去因照相手機多定位為玩具用品，而且像素與外型要求標準不高，因此多以塑膠鏡片為材質，但在照相手機逐漸邁向高規格情況下(尺寸與影像品質)，廠商除了開始步入玻璃與塑膠搭配組合之使用型態外，也會採用塑膠與玻璃混合材料當作鏡片使用。

例如在100萬畫素以上的產品中，一些鏡頭製造商正在使用3個塑膠元件轉向混合採用塑膠與玻璃元件，不過混合元件將使成本上升。

此外，為了考慮鏡片與鏡頭模組厚度，使用「非球面」之鏡片為重要趨勢；其中塑膠鏡片因本身尺寸縮減幅度有限，因此在應用於照相手機中多半只能使用非球面鏡片，也因此「非球面」塑膠材質鏡片之製作即成為廠商另一項重要競爭項目；在玻璃鏡片方面，由於玻璃鏡片尺寸精密度可製作至很小，因此球面與非球面鏡片皆可安裝於照相手機內。

最後，下一代鏡頭還將整合更好的自動聚焦、數位變焦和更高解析度的視訊擷取功能。

由於更昂貴的鏡頭和製造成本，這些增強措施已經使CMOS感測器模組之物料成本翻上幾番，由VGA等級產品的5.50美元變成百萬畫素單元的10.10美元。

鏡頭模組中除了鏡片外，比較重要之項目又以濾光膜為代表，濾光膜有IR-CUT和OLPF之分。

IR-CUT為紅外線濾光膜，主要為因應導入外界光線色彩，並使取像顏色不符合人眼之需，而在鏡片玻璃製程添加IR-CUT Coating或是選擇IR-CUT玻璃之手段；OLPF為光度低通道過濾器，主要著眼點在於鏡頭取像頻率超越後端感測器像素擷取頻率時，會產生信號失真，因而干擾畫質；解決方式即為在鏡頭後端與感測器前端中間加入OLPF降底鏡頭取像頻率，以彌補感測器取像頻率之不足，並充分發揮感測器品質。

由於IR-CUT若使用外添薄膜玻璃於鏡頭的做法，將無形增加模組厚度與增加光線折射，並且目前在鏡片製程中可靠添加相關材料而製作出薄膜效果(也可稱為Coating)，因此多數廠商已省略外添做法，而改採整合鏡片製程之步驟。

OLPF 原則上是愈往高畫質發展才有需求，因此除了在一般CCD感測器產品中皆可見外，CMOS產品則需在百萬像素以上才可發現。

國內從事OLPF製作之廠商有晶華石英、精碟、鈺晶、漢昌、韋晶、鈺祥。

此外，在鏡頭模組組裝時，鏡片到濾光膜之光軸之偏心、傾斜與晃動控制為廠商提昇良率之重點，並且，照相手機是使用最為頻繁之消費電子產品，因此廠商多會要求產品出貨前，須通過高度1.5～1.6公尺、連摔15～16次的撞擊測試；也因此，深藏於照相手機模組中之鏡片或是鏡頭，如何因應撞擊測試，也是廠商是否勝出的重要指標。

例如Panasonic為了吸收碰撞時產生的能量，用橡膠外殼覆蓋了相機部位，並覆蓋了樹脂外架。

其他公司也採用了質量較輕的高強度鎂製外架等對策。

也由於有撞擊測試，需要馬達或電磁鐵帶動之變焦鏡頭(zoom)，在手機相機之發展上仍落後數位相機1～2年。

此外，相對於撞擊，鏡頭組之溫度、熱衝擊等耐久度測試，也是考驗廠商能力之重要指標。

最後，有鑑於照相手機模組製程又有分CSP與COB差異，並且這兩種製程對如何維持殘渣掉落之清潔度要求不一，因此鏡頭模組供應商也會對兩種製程，有不同之控制與因應之道。

圖1-2 COB Package圖1-3The different type of CSP package圖1-4 Flip Chip package模組組裝目前分為COB(Chip on Board)與CSP(Chip Scale Package)與傳統的Flip Chip技術3種。

當然國內少數業者也有開發COCC等新一代封裝技術，但是在該項技術尚不成熟的原因下，仍以COB與CSP為業界主流。

但是過去在CIF、VGA等級曾經叱吒風雲過的CSP封裝方式，因為其模組上緣有玻璃阻擋，致使其透光率不佳而會造成畫質模糊不清遺憾；尤有甚者，高畫質光線折損所造成影響更是嚴重；此外，CSP製程不似COB製程，所有程序可在自家工廠一氣呵成；相反地，由於CSP牽扯晶圓封裝，因此往往需分兩段由不同工廠完成(前段為晶圓級封裝程序、後段為鏡頭接合與SMT軟硬板銲接)，也使CSP價格成本無法與COB競爭。

由於COB擁有品質與價格之競爭優勢，因此逐漸演變成業界主流，而也因為業界主流標準成型，原有台灣眾多CSP產業鏈生態也就被迫不得不作許多轉變。

COB為高畫素(1.3Mega)相機模組之製程主流，但是受限於部分廠商仍需仰賴CSP作為出貨手段(因COB轉換不順)，同時也為了快速應付市場，因此CSP 遂扮演高階畫素在市場time-to-market壓力下之應急製程；也由於CSP能夠快速應付市場所需，但受限於品質上之不確定性，因此CSP目前常成為高畫素但低階市場(如大陸)之對應製程產品。

由於COB成為主流製程，因此使得原本只支援CSP製程的感測器廠商紛紛投入對COB的支援(如Omnivision)；此外，由於CSP仍具有一定市場侵蝕力，因此部分過去只支援COB之感測器業者，為了擴大競爭力，也紛紛號稱加入對CSP之支援(如Micron)。

原本台灣支援CSP之眾多模組業者，因為COB成為製程主流，遂紛紛投入COB之陣營。

但受限於大幅投資COB的金額過於龐大，除了部分廠商肯花大錢籌措COB封裝廠外，大多數業者多採用分段採購方式；例如前半段COB感測器封裝，IR-Cut、模組托盤交由傳統封裝業者完成，拿到半成品後，在由自家in-house 完成鏡頭、軟硬板、測試等後段組裝工作。

經過一年市場汰換，共有三種業者投入相機模組競爭，一類為原有相機之系統組裝業者；第二類為封裝業者；第三類業者為其他各類有興趣投入之周邊業者。

三類業者各有其優劣點，但總括而言，共有8項因素決定是否能最後勝出，這8種因子分別為：‧鏡頭設計能力‧多樣之感測器搭配能力‧相機之光學處理能力‧各類軟板支援能力‧組裝經驗‧軟體設計能力‧系統測試能力‧適應各種手機平台之模組設計能力照相手機市場在經過這幾年的放大，使得上、中游的業者也跟著吃香，只是在相機模組設計能力不斷要求的情況下，為能滿足手機用鏡頭微型化的需求本文除了從Sensor 端開始介紹，將會介紹2P結構的VGA鏡頭設計方法。

第二章Sensor 規格2-1 認識 CCD 與 CMOS Sensor所謂的CCD就是Charged Coupled Device的縮寫，中文稱為「電荷耦合元件」，CCD（Charge Coupled Device ，感光耦合元件）為可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素〈megapixel〉 為單位。

數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的解析度，也代表著這台數位相機的 CCD 上有多少感光元件。

CCD 主要材質為矽晶半導體，基本原理類似計算機上的太陽能電池，透過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。