相機手機掀起了一股潮流，數位相機在其夾擊之下朝著兩極化發展，不是高畫素的輕薄短小品種，就是高功能機型的產品。相機手機以及超薄型高像素之數位相機的構成元件主角之一，就是「鏡頭」...
相機手機掀起了一股潮流，數位相機在其夾擊之下朝著兩極化發展，不是高畫素的輕薄短小品種，就是高功能機型的產品。相機手機以及超薄型高像素之數位相機的構成元件主角之一，就是「鏡頭」。處於激烈的競爭環境下，求新求變，不但比價格、賽外型，功能的豐富性競賽更是毫不含糊，破紀錄的產品，隨時在出現中。
2004年9月卡西歐推出了世界最小的光學倍焦相機「EXILIM EX-S100」(圖1)，320萬有效畫素光學、2.8倍焦的機器，厚度卻是僅有1.67公分而已，放到口袋裡剛剛好。如此高度震撼的規格，比起同公司的另一產品「EXILIM EX-S30」，又再薄了6.4mm的厚度。
像這一類超薄型的倍焦相機，如此這般薄的身軀、狹窄的空間是不可能運用滑動鏡頭(Sliding Lens)來設計的。因為，鏡頭的伸出與收納都超出機身的空間。因此，需要如同大衛魔術般的驚艷絕技，才能完成該項不可能的任務。
至於新力推出的T1，由於其光學倍焦乃是運用光學彎曲的原理，鏡頭單元裡頭會追加稜鏡(prism)將光束彎曲90度。因此，倍焦的時候鏡頭就用不著凸出與收縮的方式。
卡西歐機器的奧秘就是從機構來下手。當收納鏡頭單元(Lens Unit)時，沉胴之際會依據光軸一分為二將之收入。當然，付出的代價除了高精度的複雜性之外，元件數目的增加也是必要的。例如EX-S100，內部的鏡頭構成是5群6枚(圖2)，光是6枚鏡頭的厚度就約是10mm，當沉胴時鏡筒的長度大約有15mm。卡西歐究竟是如何做到如此短的鏡筒長度呢？實現的秘密關鍵，一言以蔽之，就是新鏡頭材料的導入。該公司是運用了村田製作所生產的「Rumisera」透光性陶瓷鏡頭(圖3)。「Rumisera」陶瓷材料的折射率數值為2.082，可能是當前實用化材料中最高數值。
即使鏡頭的形狀完全相同，提高材料的折射率可以縮短焦點的距離，這就是關鍵點。但是，請勿忘了，凡事有好的一面，運用不當之際，副作用就出現在旁邊。折射率數值高的材料，也相對容易產生色收差(色散)而造成畫質的劣化。更為精確的說法是，所謂的色散即是指當光進入兩種介質時，由於在兩種介質中光前進的速度不同，造成了入射光與出射光角度的改變。
所以有人說，色收差(色散)是因為光波長的不同，於材料彎曲光線程度差異的現象。一般都是採用定量的「Abbe數(Abbe number)」來呈現色收差。Abbe數與色散的關係可以這麼來形容，Abbe數為色散的倒數，表示色散的強弱。「Abbe數」數值越小時，就更容易產生色收差(色散)。因此，色收差(色散)的補償就有其必要了。
說到「Abbe數」，就必須說點對人類有貢獻的歷史典故。Ernst Karl Abbe生於1840年元月23日，出生在Eisenach。Abbe先生在21歲時就畢業於Goettengen大學，1863年到耶拿(Jena)大學工作，於1870年成為物理和數學教授。1878年成為天文和氣象臺的主管。1866年Abbe就以研究導師的身份加入了蔡斯(Zeiss)的工作室。 1873年，Abbe先生發表了一篇科學論文，對如何設計完美的複合式顯微鏡的數學方法作了詳細的描述，也是第一次詳細地敘述了光學設計中的像差、衍射等內容。Abbe對於光學過程描述得如此詳細，以至於這篇論文成為了現代光學的基礎。「Abbe數」的由來即在追念該公的貢獻。
卡西歐採用先進材料只不過是組裝激戰的一個案例罷了。由於手機相機受到消費者的喜愛，各種新型的鏡頭材料陸續地登場。集光性能的提高可補足設計功夫的不足。除了剛才所提到的「Rumisera」陶瓷材料之外，向來以加工性見長的模具用光學玻璃，也出現了高折射率的品種。高「Abbe數」與樹脂鏡片成型溫度的玻璃也跟著登場了。
光學材料的多元化，出現背景完全是有脈絡可以追尋的。第一個要因，當然就是前面所提及相機手機與超薄型數位相機的激烈競爭與龐大的市場商機。造型精巧、外型時尚的小型數位相機，因市場的要求，必須逐步提高攝影性能，更是要將內部的構成元件縮小化，讓產品設計的空間彈性與自由度增加，才能夠做到產品的差異化。100萬畫素以上的相機手機，機內空間更是寸土寸金。掌握了小型化的鏡頭單元就是握住了關鍵元件。但是，光是仰賴設計功夫來圖謀鏡頭單元的小型化，即會出現競爭產品之間的差異化又不高的情況。同時，鏡頭的量產技術要有急速的進展也不是很容易。因此，從材料著手來找出適合量產的方案，是頗合情合理的。
第二個理由，說起來就很有趣味了。高階的單眼數位相機不談，一般用的數位相機以及相機手機，其鏡頭口徑比起傳統底片相機小很多。像投影面積比起35mm軟片小很多。無形中意味著，這些產品對於鏡頭的特性容忍程度比較有空間。最為典型的範例就是鏡頭的透明性。
一般的光學材料，當提高其光線折射率時，對於透明性有損傷，光學玻璃通常是呈現黃色的樣子。為了提高折射率，摻加的金屬會妨礙到波長較短藍色光的透過。還好，數位相機以及相機手機其鏡頭口徑比起傳統底片相機小，著色變化比較小，同時也可以藉由畫像處理技術來補償這些問題。
新型的光學材料，除了致力於鏡頭倍焦小型化的進展之外，對於風景攝影廣角的需求，也一併考慮進去。最為典型的案例就是Canon在2004年6月所推出的「PowerShot S60」，具有35mm軟片換算後28mm的廣角攝影能力。該公司宣稱是採用與協力廠合作開發的UA鏡頭(圖4)，是隸屬於光學玻璃鏡頭。
UA鏡頭的折射率高達1.85～1.90之間，乃是利用鑄模作非球面成形。可以抑制球面收差，發揮折射力。而且「Abbe數」也越過了40，規格性能相當卓越超群。一般這樣折射率數值的產品，其「Abbe數」也不過是20多罷了。不過，此回產品的設計部份，在攝影的時候，鏡頭伸縮長度更長，而與外觀設計的平衡妥協之下，觀景窗微微可以看見鏡筒，算是其中一個小缺陷吧！
採用高折射率的光學鏡頭，將數位相機的標準3倍焦光學機能，導入手機就顯得容易許多。依據日經的資料指出，總合各個鏡頭廠商的未來觀點，不出1～2年的光景，具有3倍焦光學的相機手機，將會是相當普及。
很有趣的事情，無心插柳柳成蔭，當不斷地致力於光學材料的性能提升時，受到光學材料恩惠的不只限於相機手機與數位相機。汽車產業與液晶電視機產業也意外地雨露均霑，可以拿來善用。
汽車相機所要求的有效畫素並不高，30萬畫素也已足夠。其所訴求的重點反而是較為廣角的攝影以及對焦的範圍。
而因應相機手機與數位相機所開發的高折射率材料，恰巧就是絕佳的應用方案。原因是，一般用的光學樹脂材質應用於車載機器的場合，其材料從剛性狀態轉移到黏彈性的轉移點，採用溫度不高的材料來開發的，耐熱性的確保會是一大課題。
在液晶面板的結構體方面，也大量地運用光學樹脂，比如說亮度提升薄膜就被美商3M公司所獨吞，而針對相機手機所開發的高折射率光學樹脂，就可以揮軍切入這個市場。
同時，相機手機的競爭，最後要求的還是價格。而價格勝負的關鍵，「成形費用」是其一。所以，我們可以看見光學材料廠商的策略，不外乎是以兩個方向來拉抬光學特性。
第一個方向，為了提高折射率，加大鏡片曲率半徑並盡量做薄，方便容易來補正各種收差。然而，一般在提高折射率時，「Abbe數」較小而有明顯的色收差。藉由與高「Abbe數」鏡片組合即可消除此問題。但是，犧牲了設計的自由彈性。因此，尋求高折射率，卻又可以抑制低「Abbe數」的材料，如今正處於現在進行式之中。
第二個方向，即是埋首於低成形溫度之光學玻璃的開發。模具成形多是運用於非球面形狀來抑制球面收差，而且成形價廉。當有辦法降低成形溫度的時候，既可以延長模具的使用壽命，成形後鏡片的冷卻時間也可以短縮，成本費用自然是往下掉。
前面所列舉的「RUMISERA」以及UA鏡頭就是第一個方向走勢的箇中案例。固然，如此的材料替攝影裝置帶來高附加價值的貢獻，但是背後所耗費的心力與勞力也是相當可觀的。因為，他與一般的材料相比，成形上比較困難。陶瓷製的「RUMISERA」，其研磨時間比較長，同時，目前非球面的成形技術，也尚未確立。其融解溫度比一般模具製程的溫度還高，使用鑄模方式的可能性低。
再者，同時具有高折射率與高「Abbe數」優勢的UA鏡頭，目前也有其弱點存在，也是高成形溫度。因此，看來第一個方向的終結條件，就是要找出優越的成形工夫。
依據住田光學的說法，通常，只要降低50度，模型的壽命就可以延長兩倍。比如說，該公司先前的產品，溫度的屈伏點超過700度。以2004年6月開始出貨的K-PSFn2為例，其成形溫度的屈伏點大約是529度。再根據富士軟片的說辭，要徹底降低成形溫度的屈伏點目標，最好是在300度的數值。如此一來，每一個鏡片的模具材料與加工費用，節省的幅度真是難以言喻。同時，模具的射出壽命可與樹脂光學製造的模具相匹敵。
鏡頭用樹脂材料也開始蠢動起來。樹脂鏡片可鑄成透明度高，而且符合光學要求的各種形狀鏡片。而真正的魅力所在是一次的射出可以成形8個非球面的鏡片。光學玻璃，通常一次射出僅能產出一個鏡片。就材料價格的面向來說，顯然樹脂鏡片佔優勢。但是，其要命的缺點就是含有水分時，其尺寸與對焦就會變化的問題。聰明的光學工程人員，終究還是能夠克服這個問題。觀看編號「OKP4」的光學樹脂的特性，可以得知折射率數值達1.607，「Abbe數」為27，吸水率與複折射均與鏡頭專用樹脂毫不遜色。據聞，從2003年起，某些韓系的相機手機就是採用這類的產品。
總之，鏡頭材料的競爭，對於消費者來說總是好事一樁，好的東西總是要與好朋友分享。但是，而材料的變革也帶給技術人員一點啟示，要打破既存的常識與勇於嘗試，才能夠創新，也許是未來的生存法則。