照相手機畫素持續升級 減少尺寸與自動對焦為大勢所趨

2006-08-17
2006年德國CeBIT展中,顯示手機的發展趨勢已經由照相手機轉向影音手機,各大品牌紛紛推出HSDPA手機。三星也發表第一台HSDPA手機,內建130萬畫素數位照相模組,具有錄影、影片播放及即時通訊等功能,採用microSD擴充卡。此外,可以發現照相手機朝向完全取代輕便型數位相機的方向發展,三星發表的千萬畫素光學變焦數位相機SCH-B600,其照光靈敏度,甚至超過一般非專業型的數位相機。
2006年德國CeBIT展中,顯示手機的發展趨勢已經由照相手機轉向影音手機,各大品牌紛紛推出HSDPA手機。三星也發表第一台HSDPA手機,內建130萬畫素數位照相模組,具有錄影、影片播放及即時通訊等功能,採用microSD擴充卡。此外,可以發現照相手機朝向完全取代輕便型數位相機的方向發展,三星發表的千萬畫素光學變焦數位相機SCH-B600,其照光靈敏度,甚至超過一般非專業型的數位相機。  

21世紀手機已經成為日常流行時尚的一部分,自2005年摩托羅拉率先推動手機輕薄化,並推出RAZR V3系列超薄手機,到2006年3月底,全球已經創下2,500萬支銷售量,各大手機品牌紛紛跟進,2006年超薄風仍然持續發酵,不光是一般手機厚度要在1公分以內,連內建高畫素照相如300萬畫素的滑蓋手機厚度也不能超過1.5公分,導致如何配合手機設計的超薄照相模組是2006年的研究重點。  

三星於2006年4月才推出的超薄卡片手機P308,搭載130萬畫素照相模組,薄度亦只有0.89公分,重量僅僅61公克。除了超薄外,在照相手機畫素的規格上,近年來三星始終保持領先地位,2004年發表500萬畫素的照相手機,2005年發表700萬和800萬畫素感光耦合元件(CCD)的照相手機,2006年則發表千萬畫素的SCH-B600,具有3倍光學、5倍數位變焦、自動對焦及發光二極體(LED)閃光燈,並有MP3及藍芽功能,每秒可播放15~30幅影像視訊,擴充記憶體採用MMC micro卡,是目前功能最強大的照相手機,預計2006下半年在韓國上市。  

樂金在CeBIT展出500萬畫素CCD的照相手機KG920,強調它是一支鏡頭可旋轉、厚度1.8公分,具有自動對焦、閃光燈,操作有如數位相機的照相手機,每秒能夠播放30格VGA影像(30萬畫素),具miniSD卡插槽,這款手機與其說是附加照相功能的手機,不如說是能通話的數位相機。索尼愛立信將新力Cyber-shot數位相機的介面,首度搬到K800i手機上,且這款3G雙模手機具備320萬畫素、自動對焦、氙氣閃光燈、防紅眼及防手震功能。所謂雙模手機即是手機附有兩個照相模組,一個高畫素供拍照使用,另一通常是VGA規格用來拍攝動態視訊,是影像電話的手機試用款式,使用者是否接受雙模手機,仍有待時間証明。另外,諾基亞手機的最大特色是時尚造型,內建有200萬畫素照相模組,但並未在照相規格上特別往高畫素發展。  

克服小尺寸模組化設計之挑戰  

根據市調公司IC Insights日前發布的報告顯示,照相手機市場依然維持長紅。整體來看,該機構統計照相手機出貨量從2004年的2.25億支成長到2005年3.65億支,預計2006年將達到4.75億支。依上述報告的資料,2005年照相手機出貨量占手機總出貨量的比例,從2004年的34%上升到45%左右。預期2006年該比例將上升到54%,到2009年,照相手機的出貨量將達到9.1億支,占手機整體市場的四分之三左右。2005年照相手機中VGA規格占有率為70%,130萬畫素的照相手機為25%,200萬畫素以上的手機占剩餘的5%。2006年,這些數字將分別達到55%、35%和10%。在產品開發能力和市場接受度之間存在的巨大差距,主要在於成本和尺寸因素。想投入量產的高畫素照相模組的價格仍然過於昂貴,而且尺寸稍微嫌大,不符合超薄的流行風。相關產業界表示,如果300萬畫素手機照相模組要投入量產,目前30美元左右的模組價格應該下調到10美元左右。但以目前技術,尚有相當差距。因此,在高畫素方面的競爭,會趨於緩和。  

手機業者要求小尺寸的模組化設計將帶來嚴峻的技術挑戰,如何將鏡頭、感測器和處理器整合在一個低成本而高效的設計模組中,並滿足用戶對拍攝品質的預期值。其中拍攝鏡頭和感測器之間的介面是整個拍照手機系統中最重要的介面之一,直接影響拍攝品質。照目前市場情況,照相手機仍將保有3~4年的快速成長。最明顯的趨勢是,手機和模組製造商對相機畫素尺寸的要求範圍將更廣泛。在接下來的2~3年時間內,預期畫素尺寸將降低至2微米以下,向更先進的鏡頭功能發展的趨勢也是重要的一環。自動聚焦和快門將廣泛應用於200萬畫素的手機中(圖1),而變焦鏡頭將很有可能應用於300萬畫素的拍照手機中。現在很多手機都已經具備視頻拍攝功能,這也將繼續成為拍照手機的賣點。  

照相模組的體積,尤其是厚度,直接影響手機組合時的厚薄,可是一方面在高畫素的趨勢下,為了良好的照相品質,設計光學鏡頭時,就必須採用多片透鏡組合,因而增加模組的總厚度。為此,光學與封裝等業者紛紛研發新技術,期待能有效切入此一龐大市場。  

新照相模組封裝技術薄型化  

Matsushita推出一款300萬畫素照相模組,封裝大小為17.95毫米×13.0毫米×8.3毫米是目前300萬畫素(2048×1536畫素)照相模組中體積最小的。該模組利用模塑互連元件(Molded Interconnect Device, MID)技術將感應器、圖像數位訊號處理器(DSP)和紅外線過濾鏡片整合在一個三維電路板中,將體積縮到最小,這種封裝須採用Flip-chip技術,不僅技術門檻高,成本也高。夏普日前也開發出光學尺寸3.2分之1吋200萬畫素型的照相模組,0.9cc的體積是同等級業界最小的產品。其中薄型化最關鍵的技術是光學透鏡鏡頭設計,以下列舉數項發展中的技術趨勢與現況,供讀者參考。  

非球面光學透鏡多採玻璃材質  

相較於球面透鏡,為了防止「失焦(Out of Focus)」現象,往往須重疊2~3片,才能達到光學規格的要求,但使用非球面透鏡利用調整曲面角度的方式,只需要1片透鏡就足夠,因此可以改善整體照相模組的厚度。目前百萬畫素以上的照相模組產品,鏡頭由2~3片透鏡組成,其中至少有一片是非球面透鏡,厚度考量是原因之一。此外,玻璃材質比起塑膠材質,擁有較穩定之溫度熱膨脹特色,手機是室外用產品,環境溫度影響嚴重,因此往往非球面透鏡採用玻璃材質較多(圖2)。  

繞射光學元件降低成本  

繞射光學(Diffraction Optical)是最近研究的重要項目,原因之一在於能簡化光學系統架構,進而降低系統生產成本,使系統達成輕薄短小之需求,為一應用甚廣且實用之技術。繞射元件採用表面微細浮雕結構改變光波波面,以產生多焦點或降低光學鏡組色差之功能,可廣泛應用於各式光學系統。繞射鏡片經由光學設計,可採用鑽石車床車製繞射模仁,並藉由熱壓或射出成型方式量產元件,此外亦可採用目前正迅速發展的半導體積體電路技術,向微型化、陣列化及積體化方式量產元件。繞射元件可應用於頭配顯示器、數位相機、以及照相手機微型光學模組,有效提升成像品質,減少光學鏡組的厚度、重度及鏡片數量。由於繞射光學元件厚度僅有2毫米,就可以達到焦距小於3毫米的聚光效果,對改善照相模組的厚度,十分有利(圖3)。  

由於傳統折射透鏡具有正色散特性,而繞射元件具有負色散特性,而其色散特性與基底材料無關,只與波長有關,利用兩者相同的色散特性,組合折射及繞射元件,可用於設計消色差之複合透鏡。不過由於外型加工精密度要求很高,否則繞射效率不能滿足色散特性,進而消色差效果大打折扣。此外,仍有因為雜散光造成顏色失真的問題,因而無法商品化。  

近拍功能提高自動對焦需求  

近拍功能幾乎是照相手機的必備條件,也就是說自動對焦(Auto Focus, AF)功能,將成為照相手機的標準規格,主流照相手機市場和解析度高於百萬畫素以上的手機照相模組,單焦鏡頭往往無法滿足使用者的需求,至少應有自動對焦功能,目前市場通常是鏡頭驅動器與一個帶彈簧機構的音圈電機(VCM)一起使用,這種VCM只需很小的PCB面積並且允許提高功率,因此可減少系統尺寸和成本。透鏡驅動器採用2.7~5.5伏特工作電壓,可以與手機電池直接相連,所以毋需電壓或電流調穩壓或變換器。  

採用自動變焦將成趨勢  

當照相手機發展到高畫素時,使用者開始希望有變焦功能,傳統的變焦光學模組,是藉由軸向滑動鏡頭內部的某些光學透鏡,改變系統的焦距或倍率,在成像大小不變的情況下,使得接收的物面角度或物面大小有縮放現象,達到連續變倍的一種光學系統,且在連續變焦過程中,仍保有成像面固定不動的特性。  

現階段照相手機的變焦功能是以數位處理為主流,也就是數位放大,夏普已推出搭載光學2倍變焦相機的3款行動電話機種(圖4),供應給Vodafone,但尚未獲其他行動電話大廠的產品採用。Hitachi Maxell在2005年亦開發出照相手機用光學式變焦透鏡組件,其厚度不到2公分,具自動對焦功能,3倍光學變焦,可以支援300萬畫素。目前變焦鏡頭尚無法普及,除了成本、耗電與尺寸增加外,主要顯示真正變焦功能的光學倍率只有2~3而已,與一般數位相機10~12倍率而言,仍有相當差距,實用性不高。  

2004年德國CeBIT展覽中,飛利浦與三星分別展出所謂的液體鏡片(Liquid Lens),或稱流體鏡片,相當受矚目。液體鏡頭基本的概念乃模仿人眼的水晶體,利用改變形狀來調整焦距,依此而發展出所謂的流體聚焦技術(Fluid Focus)。此產品的目標為應用於照相手機或數位相機等之小型光學產品上。液態變焦透鏡利用液體表面曲率及折射率的改變,達到自動對焦與變焦之功能,且具有微型光學鏡頭各項優點,可以完全不移動光學元件,即可實現鏡頭的變焦功能,是微型化光學鏡頭發展新技術。飛利浦所發表的液體鏡片的直徑和厚度均為5.5毫米,可對焦範圍在5公分至無限遠,聚焦所需時間不超過10毫秒。飛利浦並宣稱即使對焦一百萬次以上,也不會有光學特性下降的情況,而且能適應頗大的溫度變化,並耐衝擊,因此特別適合如手機之類的可攜式裝置。也由於不需要機械零件,不僅比傳統變焦鏡頭省電,亦可大幅度提升這種鏡片的壽命。飛利浦對提升液體鏡頭的性能充滿自信,並預計在兩年內上市,主要應用在照相手機。同時還會實現光學變焦功能,並將取像模組提升到200萬畫素。  

然而光學業界對此技術能否真正成功仍有諸多疑慮。例如,與飛利浦合作開發此技術的另外一家法國公司Varioptic也承認液體鏡片的光軸穩定性仍是一個挑戰(圖5)。光軸位置的飄移會削減液體鏡片在性能上的表現。除此之外,液體鏡頭裡的曲率是否足夠精密,或能有多次曲面,以達到高畫質成像仍不無疑問。另外,液體是否能真的通過高低溫嚴苛要求,例如水可能在零下溫度結冰等問題,都是疑問。同時還有以液晶技術而發展出的液晶鏡片(Liquid Crystal Lens)或液晶三稜鏡片。利用液晶的光學特性而做出的透鏡亦具發展潛力,加上電控即可如上述的各式液態鏡片一樣,藉由改變焦距而達成對焦,毋須機械式地移動鏡片。這種液晶鏡片的構造與原理類似液晶螢幕,乃在兩片導電玻璃(ITO)之間灌滿液晶,再利用電場來控制液晶的折射率,並藉由折射率的分布(Gradient Refractive Index)來達到聚焦的功能,同時控制焦距,甚至做出凹透鏡效果。典型的液晶透鏡之直徑有5毫米;焦距則從50公分到無限遠,能處理的最短波長為400毫米,聚焦時間較長約為1秒。當然,這種液晶鏡片的口徑還可做大,只是最小焦距也會隨之變大。預期這種液晶鏡片的組裝生產也頗為容易,並可大量生產。然其技術仍在發展當中,且製作成本未知,距離真正商品化仍需時日,但是技術發展的空間與應用市場的潛力頗大。  

待降價促成SMIA  

由於照相手機銷售數量龐大,照相模組維修已經是手機業者必須面對的售後服務問題,目前送回原廠維修方式,成本實在太大。諾基亞於2004年開始推動手機照相模組標準化(SMIA),試圖一併解決價位與維修困境。意法半導體的小型光學封裝(SmOP II)技術能在完全自動化的組裝測試及聚焦製程中,將感測器晶片與鏡頭整合在同一封裝內,因而實現大量且低成本的量產。該模組同時內含被動元件,因此能進一步降低主PCB的占用面積。目前SMIA在模組外型分為3類(圖6),只要擠得進去,並不局限是多少畫素的產品。  

自從2004年諾基亞與意法半導體推動SMIA以來,一直是叫好不叫座,在各家大廠利益前提下,除非價錢降到錙銖必較,才有可能實現,目前商業利益龐大,只是時機仍未成熟。不過對台灣產業特性而言,或許屆時才是台灣產業的機會。  

(本文作者任職於中山科學研究院)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌66期8月號)  

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