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光學鏡頭是現代科技中不可或缺的一部分，尤其在目前的AI時代發展中發揮著關鍵作用，它們扮演著捕捉世界、收集資料並為AI系統提供視覺信息的角色。
首先，光學鏡頭作為攝像頭的核心組件，成為AI系統的視覺感知器官，AI在影像識別、物體追蹤、人臉辨識等方面的應用都依賴於高品質的影像資料，而現代的光學鏡頭可以提供高分辨率、高清晰度的影像，這對於AI算法的訓練和執行至關重要。
其次，光學鏡頭在自動化和智慧化系統中扮演著關鍵角色，自動駕駛汽車、智能監控系統、機器人技術等都需要光學鏡頭來實現視覺感知和環境理解。通過搭配機器學習和深度學習算法，光學鏡頭可以使這些系統更加智能、靈活和高效。
此外，光學鏡頭的智慧化和自動化還推動了科技的發展和創新，例如，具備自動對焦、自動曝光和光學穩定功能的智能鏡頭，可以為用戶提供更好的攝影和錄像體驗；應用於醫學影像、航空航天和地球觀測等領域的高精度光學鏡頭，則有助於實現更精準的數據收集和分析。
因此光學鏡頭的演進對科技、自動化和智慧化的影響擁有舉足輕重的地位。這篇文章將帶各位朋友們來認識光學鏡頭模組，走入該產業的源頭，認識歷史悠久的鏡頭發展，了解一顆光學鏡頭的組成與工藝。
鏡頭模組簡介
我們以生活中最普遍的手機為例，手機鏡頭模組是由光學元件、電子元件、其他機械零件組成，光學元件就是我們今天的主題，內容物就是塑膠透鏡、玻璃透鏡、光學機構件(鏡筒、遮光片)等元件所組成的「鏡頭組」; 電子元件就是影像處理器(如ISP、DSP)以及感測元件(如CMOS、CCD); 其他機械零件則是如音圈馬達、閃光燈模組、光圈模組等等。
三大鏡頭分類
鏡頭一般分成三種 : 玻璃鏡頭、塑膠鏡頭、玻塑混合鏡頭。顧名思義，玻璃鏡頭就是指內部鏡片都是玻璃鏡片，塑膠鏡頭就是全塑膠鏡片、玻塑混合就是玻璃鏡片組合塑膠鏡片。
那要怎麼選擇設計何種鏡頭呢? 玻璃鏡片比起塑膠鏡片有更好的光學性質，不論是透光率亦或是折射率等，再者玻璃材質比塑膠更具壽命，不易老化或是受到外部環境影響。
因此同樣效果的鏡頭，可能一片玻璃鏡片能抵兩片塑膠鏡片，如同樣是7片鏡片組成的鏡頭，7P鏡頭的效能恐怕是不如1G6P的 (P : 塑膠 G : 玻璃)。但玻璃鏡片的生產成本較高，不像塑膠鏡片利用模具射出成形的方法，一模可以做到16穴，甚或是24穴，且成形週期短暫，產量極大。玻璃鏡片多數用模造成型，生產週期較長、生產穴數也比塑膠模具少，且模造模具通常是碳化鎢，加工成本高，另外玻璃也能用研磨的方式製造，但加工時間與精度並沒有比較優勢。再者物理上玻璃鏡片的重量比塑膠更重，諸如手機這類3C需要輕量化的需求就無法滿足，所以全P鏡頭依然是手機市場的主流，當然主要還是端看運用的產品來做選擇。
全P鏡頭 : 手機、數位相機
全G鏡頭 : 手機、車載、無人機、數位相機、安控
G+P鏡頭 : 單眼相機、車載、高階儀器、望遠鏡、顯微鏡
結構組成
一顆鏡頭的結構組成我們分成鏡片組與機構件，鏡片組就是剛剛提到的塑膠鏡片與玻璃鏡片，而機構件就是包含鏡筒(Barrel)、間隔片(Spacer)、遮光片(Soma)、濾光片(IR)、鏡頭前蓋(Retainer)甚或是鏡座(Holder)。當然並非所有鏡頭都有以上的元件，我們只是把所有羅列出來而已。
鏡筒(Barrel) : 鏡頭的外部結構部分，用來支撐和保護鏡頭內部的光學元件。
間隔片(Spacer) : 組裝於堆疊的鏡片之間，用來保護鏡片以及調整鏡片組配的間距。
遮光片(Soma) : 遮光片的主要功能是遮擋從側面或其他非直接方向進入鏡頭的光線，這些光線會在鏡頭內部反射，產生眩光（Flare）和鬼影（Ghosting）。這些現象會降低圖像的對比度，使得照片看起來暗淡或有不必要的光斑。遮光片可以有效地減少這些不良影響，提升圖像的清晰度和對比度。
濾光片(IR) : 主要用於控制紅外光的進入，以確保成像質量和色彩還原的準確性，由於紅外光的波長較長，容易穿透一些可見光無法穿透的材料，這會導致成像模糊或細節缺失，且紅外光會在鏡頭內部產生反射，導致眩光和鬼影現象，這些現象會影響照片的質量。因此濾光片可以過濾掉這些不需要的紅外光，從而提高圖像的清晰度和細節。
鏡頭前蓋(Retainer) : 大部分前蓋都是設計在可能會外露的鏡頭上，因此會有一個前蓋把鏡頭前端蓋住，但諸多手機或是筆電鏡頭都是將前蓋的功能一併設計在鏡筒上，形成一體式鏡筒。
鏡座(Holder) : 讓鏡片組與鏡筒可以鎖付或是承裝在系統元件上的機構，依模組設計的需求來決定是否需要。
想了解有關模具評估、進澆位置選擇、澆口形式認識的知識嗎？
延伸閱讀：《塑膠模具開模評估(2) 進澆選擇》
製造工藝
光學鏡頭組是由光學鏡頭廠，諸如大立光、玉晶光等公司製造，而一般鏡頭廠自己都有生產主要元件的能力，最後再由自己組裝完成。
一般來說一顆鏡頭的開發是先從產品開發的工程師而定，例如手機品牌廠的光學系統工程師，他會定義該支手機產品的鏡頭規格需求，其中包括基本的像素能力外，也包含有效焦距(EFL)、鏡頭總長(TTL)、可視範圍(FOV)等等參數提供給鏡頭廠，鏡頭廠收到規格需求後，工程師就會進行光學設計，設計出鏡片組的layout，並藉由光學系統設計軟體進行光學路徑模擬，確認鏡片有效面形的設計，完成光學設計產出鏡片的光學面型與layout後，就會交給光學機構的工程師依客戶需求設計出完整鏡頭的機構，產出個別圖面後，就可以發包各元件生產單位進行製造或採購了。
塑膠鏡片的作法就是塑膠射出成型，有別於一般傳統模具的製造，光學模具精度較高，目前的主流手機鏡頭鏡片模具精度至少達0.1um的輪廓公差，因此模具加工上，鏡片模仁有專門的超精密非球面加工機，用以製造模仁上透鏡的面型。
玻璃鏡片於當代漸漸採用模造成型為趨勢，相比於傳統研磨玻璃，模造製程的步驟較少且能因應較大量生產，而模造成型則是將指定重量的玻璃銷材放置於上下模仁中，並加以加熱至轉換溫度以及軟化溫度之間，上下模仁閉合施予壓力使玻璃模壓成鏡片形狀，再進行冷卻後取出，以上這過程稱之。 但通常玻璃鏡片不論是於研磨或是模造完成後，都還不是最終型體，還需要做芯取(定心)。 一般成型完的玻璃鏡片，鏡片透鏡面型處與外圓通常不是呈同一中心，而在鏡頭組裝時，都是以外圓做組裝接觸，因此芯取就是將玻璃鏡片的外圓做磨邊，以消除中心誤差。
玻璃鏡片以及塑膠鏡片成型完成後會進行光學鍍膜，利用蒸鍍方式在表面鍍上薄膜。通常鍍膜的種類有硬膜HC (Hard coating)、抗反射AR (Anti-reflection)或是防汙染AS (Anti-Smudge)，分別用於增加表面硬度，減少光反射增加透鏡穿透率及防塵防水等汙染。
鏡筒、鏡座、間隔圈等機構件的部分，則是依需求做塑膠射出亦或是如果需求少量的話可以直接金屬加工製作。
遮光片是很薄的環片狀元件，為求絕緣且需要有穩定的化學性，因此一般材料是PET。而如此的平坦薄件都是用模切方式製作。
再尚未進入組立階段時，若取得鏡筒與鏡片元件，會先做推力測試來確保鏡筒內壁與鏡片圓周的坎合是適當的。由於射出成型的諸多影響因素，就算量測元件的尺寸達到的圖面的設計尺寸，也並不太代表彼此的坎合是適當的，所以為了確保崁合不會過緊或過鬆，因此推力測試便是一指標做法。有適當的坎合才能確保彼此間沒有過度的偏心，或是過緊配合造成變形等狀況。
當所有元件都準備好後，元件都會集中到組立單位進行鏡頭組立。鏡頭組裝有專門的鏡頭組裝機，把鏡片與隔圈等元件一層層的壓入鏡筒中，途中再進行點膠與曝光固化。
一顆鏡頭組裝完成後要進行外觀與性能檢測，而性能檢測最科學的方式就是MTF（Modulation Transfer Function，調制傳遞函數）檢測，MTF可以測試鏡頭的解像力、對比度、中心與邊緣性能等等，除此之外也需要透過直接拍攝的手法來確認成像光暈（Flare）和鬼影（Ghosting），及其他諸如色差與畸變等等。
想了解有關塑膠射出知識、射出不良、短射解決的知識嗎？
延伸閱讀：《射出成型-短射對策》
製造難點
首先我們要先理解當代鏡頭的發展趨勢為何? 手機是全球產量最大的消費性電子產品，而手機的外型發展是越走向輕與薄，因此任何糢組的空間都受到了巨大的壓縮，而在鏡頭模組方面我們都知道鏡頭成像範圍的變化，與焦距呈相對關係，若沒有足夠的光線折射距離，可視範圍就會受到影響。 因此要能縮短焦距來壓縮空間，但又必須最大化提升可視範圍及清晰度，就要靠更多的曲面透鏡互相堆疊使光路做到更大的折射效果，才能有效壓縮鏡頭的厚度。
從以上可知零件數目越多，組配的公差影響越大，且造成鏡頭效能不佳的原因絕非僅此而已，是非常複雜的，鏡片與機構件的模具本身有尺寸公差，射出成型也有成型誤差，且鏡片是全圓的，微觀來看整個面型不是完美的圓對稱，因此組裝時，鏡片旋轉不同角度也會有不同的結果。因此要讓全元件的公差做到最精密才能越接近理想設計，但要能做到零公差是不切實際的。
對鏡頭廠來說，要有效的提高利潤通常都是在組裝良率上做精進，找到每鏡片最佳的組裝角度、有效控制膠量一致、提升組裝機精度等等，找出最佳參數，盡量複製出A規品。但源頭還是回歸每一元件本身的尺寸精度，以目前光學模具能做到的精度來說已經達到了一個門檻，很難再提升。因此很多廠家把精力放在射出成型上與模具的結構設計上，盡量成型出趨近模具尺寸的成品。
那在目前鏡頭廠製造能力有限的情況下，要如何再提升鏡頭的變焦性能呢? 那就要改變糢組設計了，例如潛望式鏡頭就是利用稜鏡反射光路使之轉彎，就不必害怕太薄的產品壓縮了鏡頭厚度。
應用發展
未來，隨著AI技術的不斷進步和光學技術的不斷創新，光學產業將朝著更智慧、更自動化的方向發展。我們可以預見更多基於光學鏡頭的智慧型裝置和系統將應用於各個領域，從智能家居到智慧城市，從工業生產到醫療保健，都將受益於光學鏡頭的進步。因此，光學技術的不斷演進將為人類帶來更多的便利和創新，推動科技的發展和社會的進步。
