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        行業動態

        光學玻璃和光學塑料的發展歷程

        2019-09-25 << 返回新聞列表

        多年以后,當東方力量蔓延至小城耶拿時,它也許會想起卡爾·蔡司與阿貝、肖特篳路藍縷的那段光輝歲月。

        【源起】

        德國耶拿,2008年被評選為德國“科技之城”,以光學工業而聞名于世。

        這座人口不過十萬人的小城市,從事光學產品研發、制造的從業人員將近一萬人,而代表著光學材料與光學工程最高成就的肖特玻璃和卡爾·蔡司兩大科技巨頭均坐落于此。

        190年前,高中畢業的卡爾·蔡司來到耶拿,成為一名機械學徒。30歲時,其成立了專門制作各類放大鏡和簡單顯微鏡的小作坊。日復一日的打磨,蔡司的加工工藝已是爐火純青。但當他試圖涉足復雜的顯微鏡制作時,過去缺乏理論指導、憑借更換鏡片、調整間距這樣的“試錯法”開始變得低效而無用。

        事業的瓶頸期,苦惱的卡爾·蔡司作出了一個勇敢的嘗試——邀請耶拿大學物理學家恩斯特·阿貝入伙蔡司。大胡子阿貝的加入,使得蔡司開始“研究材料體系,并依此精確繪制設計圖,包括每一個鏡片的曲率、厚度和光圈,再打磨加工成精密的光學產品。”

        自1872年起,蔡司所有的顯微鏡鏡頭在生產時都采用了阿貝的設計,這也代表著卡爾·蔡司跨越了純粹的工匠精神與經驗主義,披上了理論的外衣,開啟從工藝作坊向光學科技企業轉型之路。

        對于當時的顯微鏡系統,如何消除色差和二級光譜始終困擾著業界,也包括蔡司和阿貝。當工藝與理論改善到了極致,木桶上那塊被忽視的短板——材料開始凸顯。英雄總是惺惺相惜,此時阿貝遇到了耶拿大學博士畢業的化學家奧托·肖特。

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        出身玻璃世家的奧托·肖特,祖上三代都是哈伯格鎮的玻璃制作工人。在與阿貝合作后,二人率先推出了硼硅酸鹽玻璃,有效解決了色差、二級光譜問題。材料化學本是一個充滿了隨機性的實驗學科,肖特卻往往本能的做出正確嘗試,并根據結果去歸納其科學本質。這種品質使他與阿貝,在隨后的十年里合作建立了光學玻璃系列產品,并于1884年成立了“肖特及合作伙伴玻璃技術實驗室”。事實上,在很長一段時間里,肖特的研發方向即是匹配“合作伙伴”蔡司的需求。

        時至今日,卡爾·蔡司與肖特玻璃都早已成為譽滿全球的百年老店。人類在太空中使用的第一款鏡頭、首次登月時的哈蘇相機鏡頭都是來自卡爾·蔡司公司。肖特至今依然是全球最大玻璃廠商之一。而鮮為人知的是,卡爾·蔡司及肖特集團百年來均由一家名為卡爾·蔡司的基金會獨家所有,而這個基金會的創立者,卻是恩斯特·阿貝。

        時間回到1888年,蔡司去世,其子將股權全部轉讓給阿貝。1889年,阿貝成立卡爾·蔡司基金會,將自己的股份資產轉移至這家以好友命名的基金會名下。1919年,肖特公司也全部都交由基金會管理。

        回望每個產業的發展,都似有一些巨人站在十字路口,演繹著復仇者聯盟般的完美劇本。然而歷史從不知偶然,阿貝、蔡司和肖特的亦商亦友、彼此成就,本身即代表著理論、工藝、材料三駕馬車,在它們共同驅動下,光學行業開始了百年長跑。

        【轉移】

        19世紀末,德國在光學領域已是一騎絕塵。而戰爭,往往是產業進步與格局演變的催化劑。

        一戰時期,日本對德國宣戰后,德國中斷了日本的玻璃材料供應,隨之而來的,是軍用相機、望遠鏡、潛望鏡的大量短缺。一戰后,品嘗到落后滋味的日本開始由軍隊主導開發玻璃熔鑄技術,并大量扶持日本本土企業進行光學儀器及軍用光學產品的研發及生產。如今為人津津樂道的尼康、佳能、奧林巴斯無一不是起步于此。

        如若說,第一次世界大戰,日本光學開始覺醒。那么第二次世界大戰,這頭蟄伏的怪獸則開始露出虎牙。戰需驅動下,日本光學產業鏈快速成熟。隨后,勤奮而廉價的日本工人承接了來自德國的中低端光學制造,光學行業開始迎來消費級黃金時代。

        與PCB、面板、半導體行業的發展如出一轍,在過去的數十年里,光學也經歷了德國-日本-臺灣/韓國-大陸的產業轉移。

        彼時光學鏡頭都是玻璃制成。鏡頭的制作,需經歷材料選擇-圖紙設計-元件生產-產品組裝。元件生產外包成為產業轉移的開端。

        粗磨、精磨、拋光、清洗、鍍膜,這是光學元件加工的必備步驟。即使在自動化設備持續升級的今天,光學元件的精密、透明、易碎性決定了這依然是個勞動密集型的產業。如今,在中國信陽、上饒等地,圍繞著鳳凰、舜宇產業集群,仍活躍著數百家這樣的光學玻璃鏡片代工廠。而時間倒退四十年,臺灣的亞洲光學、大立光,內地的鳳凰、舜宇,無一不是在為日德的廉價代工里,完成了技術與資本的原始積累。

        理論、工藝與材料,是光學行業的立身之本。但在過去的數十年里,光學理論與材料自身的迭代已非常有限。為滿足日益多元化的下游需求,制造工藝不斷革新升級,帶動著不同的材料與理論反復排列組合,成為主導光學行業發展的驅動力。

        【演變】

        若把智能手機的興起,看作是消費光學時代的開始。那么我們能清晰的看見,在手機、車載、安防的盛宴里,德日時代的配角們逐漸從幕后走到臺前。究其根本,是因為光學的功能屬性逐漸向娛樂屬性傾斜,光學開始從獨立產品成為電子時代的附屬品

        科學與藝術結晶的鏡頭設計開始需要向成本、體積、重量、可量產性這些充滿煙火味的關鍵詞妥協。就像是藝術家終究難以為生計低頭,徠卡蔡司開始作為認證標準,尼康佳能成為記憶里的光學經典,而大立光、舜宇承接了大規模制造,悄無聲息走進普通人的生活。

        從2007-2018年,是屬于光學塑料的十二年。

        智能手機的到來,使光學第一次面臨大批量生產的考驗。統治了光學行業上百年的玻璃,雖然各方面性能優異,但無論是采用打磨拋光式的冷加工,還是熔融模壓式的熱加工,在成本、一致性、可量產性上都難以匹配手機廠商的要求。

        相對光學玻璃,塑料熱穩定性差、折射率低、透光性差、易老化,但勝在成本低、質量輕、量產性強。在智能手機興起之際,手機拍攝像素要求不過數百萬,與精度、效果相比,成本、良率、可量產性才是手機廠商的生命線。于是,光學塑料成為手機鏡頭的不二選擇。

        彼時,早年同樣依靠代工玻璃鏡片起家的大立光,已轉型研究塑料鏡片近十年。十年前,塑料鏡片主要用于低劣的玩具鏡頭上,感受到玻璃光學領域德日的遙不可及,大立光創始人林耀英開始押注成本低廉的塑料。其日復一日打磨模具加工、鍍膜等工藝,大大縮小了塑膠鏡頭和玻璃鏡頭之間的性能差距。十年蟄伏,一日而生。搭上了蘋果快船的大立光,從此成為手機時代的寵兒。

        常年保持近70%的毛利、45%的凈利率,這是消費電子領域絕無僅有的盈利巨鱷。

        從2012年起,蘋果便開始對這個自己一手養大的怪獸心生忌憚,暗地扶持玉晶光以期緩解大立光一家獨大的局面,換來的結果卻是一紙訴訟。

        與光學玻璃高達數百種材料不同,光學塑料一共只有不到十種。如今主流的手機鏡頭均是采用5-6片塑料鏡片組成的定焦鏡頭,這使得光學設計空間大大縮小。由于布局時間早,與蘋果等頂級客戶的合作又保證了公司技術上始終超前于對手,于是手握近千項發明專利的大立光,幾乎讓其他對手無路可走。

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        十年里,在幾乎將同僚告了個遍后,大立光執行長林恩平淡淡的總結道,“專利沒有保護性,只有攻擊性”。

        哪怕是如今手機鏡頭出貨量直逼大立光的舜宇,當年亦是通過對韓國力量光學以及柯尼卡美能達的兩次收購獲取相關專利而切入手機鏡頭產業。而當手機像素突破4000萬,鏡片數量向7P邁進,等待舜宇的,依然是大立光嚴防死守的專利矩陣。避開專利,則意味著繞開理想設計,需加倍工藝打磨去彌補。

        塑料時代的競爭,從開始就寫下了結局。

        【新生】

        一戰前,人類研究光學的主題是探索。探索宇宙太空、微觀世界和他國的土地。望遠鏡、顯微鏡與槍瞄應運而生。

        二戰后,光學飛速發展的驅動是記錄。記錄人間喜悲、因果善惡。數碼相機、手機、車載、安防相繼興起,光學應用開始走入尋常百姓家。

        在人工智能加速普及的今天,人們對于記錄與拍攝的追逐還在繼續,而光學承載的使命卻遠不止于此。文字-圖片-視頻,人與人、人與世界的終極交互方式一定是聲光電的影像。光學,將成為識別、交互的入口和核心載體。這意味著:

        光學的娛樂屬性仍是消費電子創新的核心發力點,記錄與拍攝功能將進一步升級。于是,各大手機品牌仍在像素提升的路上勇往直前。

        此外,光學的功能屬性正逐步增強,傳感、識別、交互,確保光學在未來電子產品中的核心地位。手機3D攝像頭、AR眼鏡開始相繼出現。

        新的需求,給光學行業帶來一系列有趣的變革與增量。

        變革

        誓將塑料鏡頭進行到底的巨頭大立光最近終于松口,“塑料可能已不是最優的選擇,未來不排除引入玻璃”。舜宇、聯創、亞光這些昔日玻璃巨頭開始躍躍欲試,磨刀霍霍向立光。

        時間回到2017年,柏林的IFA 2017上,LG推出了新款V30手機。幾乎沒有人注意到這款手機的鏡頭做了一次革命性的嘗試——引入一片玻璃非球面透鏡。更鮮有人留意,這款鏡頭的設計者和提供方,是舜宇光學。塑料透鏡統治手機行業近十年,似乎大家都忘了,塑料始終是一個對性能妥協的Plan B。但舜宇,始終沒有忘。

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        對于手機鏡頭廠商來說,多年來,玻璃就像懸在塑料頭上的一把刀,誰也不知道什么時候會落下。而一旦落下,大立光密不透風的專利帝國便可能被劈出一道巨大縫隙。這意味著什么,推進模壓的舜宇聯創,布局WLG的瑞聲很清楚。

        而實事求是的說,LG V30這款鏡頭的效果并不算理想。鏡頭中的這片玻璃透鏡采用模壓式加工工藝制成,然而彼時由于玻璃模壓技術的限制,鏡片的中心偏較大,因而不得不放到最外側,導致對整個光學系統性能提升較為有限。若中心偏控制能更近一步,玻璃便能凸顯其優勢。

        然而,彼時塑料鏡頭的發展還未到瓶頸,因此市場未給與小口徑玻璃透鏡模壓技術足夠的重視。而如今,手機CMOS的像素持續提升,大光圈鏡頭已成為制約手機拍攝效果的瓶頸。單純依賴增加鏡片的方式去提升分辨率,一來效果有限,另一方面鏡頭組裝良率將大幅下降,塑料鏡頭發展已近天花板。

        需求的升級,是工藝推動行業變革最好的催化劑。在下游的強勢推動下,模壓廠商的技術在持續提升,已有廠商各項性能可基本滿足市場需求。

        無論是否雞肋,手機像素的升級從未停止。目前,包括蘋果、三星、華為在內的廠商均在積極內測中,部分廠商預計今年即將推出內置玻塑混合鏡頭的機型。可以預見,從量變到質變,根正苗紅的玻璃鏡頭將逐步回歸

        增量

        2017年9月,被視為蘋果由盛轉衰的代表作iPhoneX問世了。人人都在競相吐槽著劉海屏的丑,HOV的工程師們卻一臉懵逼,這里面是個啥。

        結構光的原理可能三兩句便可說清,但工業領域,理論與工程量產之間便是千山萬水。事實上,小小的劉海下,內部結構之復雜遠超想象。以至于業內傳言,華為拆解近千部iPhoneX只為探究其究竟。

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        而當我們拆解iPhoneX供應鏈,卻可以看見一些有趣的現象。iPhoneX內部衍射光學元件由蘋果自行設計,臺積電代工;iPhoneX內的準直鏡,采用晶圓級工藝,由AMS收購的晶圓級封裝廠Heptagon提供。

        臺積電、AMS,這兩個與傳統光學素無瓜葛的半導體公司,倏然闖入了消費光學的大門。留下兩個耐人尋味的關鍵詞:物理光學(衍射光學)、半導體工藝(微納加工與晶圓級加工)。

        盡管飽受詬病,iPhoneX仍是一款革命性產品,它使得蘋果布局AR之心昭然若揭,亦為下一代人機交互及計算平臺指明了方向,將消費光學帶入信息光學時代。

        信息光學時代,以物理光學為理論基礎的光學元件,將開始頻頻出現在消費光學領域。簡單來說,不同于鏡頭所用幾何光學是基于宏觀層面反射折射來實現光路設計,而物理光學則更多的從微觀層面,基于光的波動性產生的干涉、衍射現象來操控光波。

        物理光學的應用,是光學與信息處理結合的理論基礎。結構光中的DOE、TOF中的diffuser以及衍射路徑的AR光波導模組的設計應用無不基于此。

        有趣的是,物理光學本質更迎合了半導體集成化的加工方式。由于其往往是通過在平面光學元件表面形成微納米級結構,實現對光波的精密控制,因此生產多基于耐熱、光學性能更優的玻璃基底進行微納加工。半導體工藝帶來大規模生產的成本及良率優勢,使得物理光學亦在部分領域出現了對幾何光學的替代。如AR眼鏡中,衍射光波導即由于其量產優勢,替代基于幾何光學但加工極其復雜的陣列光波導,成為C端AR眼鏡更具前景的技術路徑。

        除了物理光學,我們可以看到半導體工藝亦悄無聲息走入幾何光學的地盤。瑞聲、晶方、AMS、Himax等廠商近年在晶圓級光學領域的系列布局便已初露端倪。以玻璃晶圓加工,不僅可實現鏡片的批量制造,且數片晶圓可直接壓合成鏡頭,改變現有鏡頭組裝方式。雖現下該技術受制于工藝,只能用于傳感,而隨著未來工藝升級,也許會逐漸滲透至成像,顛覆傳統鏡頭制造業。

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        以產能、良率為生命線。材料定義產品的性能邊界,邊界范圍內,需求倒逼工藝升級。工藝迭代朝著兩個亙古不變的方向:性能提升、小型化降低成本。這便是消費光學時代的生存指南。

        當我們從理論、工藝與材料,細數消費光學的增量與變革,不難發現,幾何光學的演進從未停止,而物理光學的應用將逐漸深入;模壓熱加工漸興起,光學加工將在未來逐步向半導體工藝靠攏。而性能要求的持續提升與各類工藝的持續升級,將使得玻璃材料逐步回歸

        【超越】

        人類對視覺科學近乎苛刻的追求,使得光學行業殘酷卻又充滿機遇。而站在這個量變到質變,成像光學向信息光學拓展的拐角,這仍是光學最好的時代。

        理論、材料與工藝的結合,成就了耶拿的光學奇跡。而三股力量此消彼長,反復博弈,也決定了百年間,光學行業在全球布局的是與非、成與敗。

        消費光學十年,德日已再無可能承接規模制造。而擁有最大下游市場、完備的產業鏈和豐富的玻璃光學制造能力的大陸企業,必將在這一輪行業拐點逆勢超車。

        玻璃已然歸來,靜待東方崛起!

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