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。