高精度光學透鏡拋光設備專利分析

摘要：高表面品質之光學透鏡拋光設備為一個複雜的系統性工程，涵蓋精密機床、數控、製程技術、精密檢測和補償控制等機電控制各領域的專業知識，為一個國家的製造技術及設備發展能力的綜合表現。本文將以專利分析的角度，透過專利地圖分析，針對高精度透鏡拋光設備議題進行診斷及分析，並探討目前全球大廠專利發展及未來技術佈局的趨勢。
Abstract：Polishing equipment for high-surface-quality optical lens is a complex system, which requires expertise in various fields, such as precision machining, numerical control, manufacturing technology, precision metrology, and compensation control, all of which technologies represent the capability of a country in manufacturing and equipment development. This paper will analyze issues in high-precision lens polishing equipment from patent analysis and patent map. The trends in patent development and the technology strategy of major players in the world will also be discussed.

關鍵詞：高精度、抛光設備、光學透鏡
Keywords：High-precision, Polishing equipment, Optical lens

前言
光學鏡頭產業鏈可簡單區分成，上游毛胚玻璃及各類式鏡片等功能性的元件製造，中游為已可成像的各類型鏡頭應用，以及下游的各類型成像及非成像系統整合。多元應用的發展是鏡頭產業規模能持續成長數十年的主要原因，根據PIDA表示，2017年台灣精密光學元件產值已破千億台幣，上看1,074億台幣。就目前市場來看，其中主要的貢獻來自於行動裝置等相關應用，然而在2017至2018年之間，其出貨量已逐步邁入成熟階段，成長率已呈現下滑趨勢。就目前光學鏡片新興市場趨勢來看，受惠於先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) 和無人駕駛系統的需求，因此在車載鏡頭的成長開始逐步上升。就未來一部車子中所需要的光學系統來看，包含搭載倒車顯影輔助、夜視輔助、360度環景影像、車前及雙側與後方防撞監測及車道越線輔助系統等，因此，平均一部車子中所需要8~10個鏡頭，而這龐大的市場商機，更成為各廠商的主要競逐戰場。但從進展步調而言，雖然各國政府和品牌大廠皆已明確列出自動駕駛的時程表，但由於涉及到安全和技術的成熟性，對應的驗證期長及各式法規限制，導致其成長幅度有限；除了上述已明確發展的車用載具之外，虛擬實境(Virtual Reality, VR) / 擴增實境(Augmented Reality, AR)、機器人以及無人機亦為新興市場的方向，雖然具有發展潛力但仍屬發展初期，短時間見到大規模商用的機會仍不明朗；總結來說，即使應用持續朝向多元化發展，但全球光學鏡頭已趨近飽合，再加上中國大陸紅色供應鏈的低價競爭及政策大力扶植，導致需重新思考光學鏡頭在應用載具的佈局策略，期望可為國內的光學產業及相關業者，重新尋找新一波的成長動能。
在傳統光學成像系統中，光學透鏡品質決定了該系統的性能及價值，也因此在光學透鏡的應用及產品市場上，高表面品質的透鏡及其對應的價格，成為最終極也是主要的評估標準。隨著半導體產業、光學領域及航太工業相關技術的快速進展，越來越多高表面品質的光學元件需求，如雨後春筍般浮出市場檯面；如高階自動光學檢查設備、半導體曝光機及雷射系統等。其高價值的光學透鏡之表面品質要求，通常表面粗糙度(Surface Roughness)需達到1 nm等級，對應的面形精度為λ/10以下(λ為波長632.8 nm)。高技術門檻的需求及規格，成為世界各國的戰略佈局重點，然而對應的製程設備及專利，更成為是否能掌握高效、快速及穩定之高品質透鏡生產的關鍵因素。因此，在本文中將對高精度光學透鏡之拋光設備，進行相關的專利分析及討論，也期許為國內相關產業尋找新的佈局策略。
技術現況分析
展望目前台灣光學鏡片市場來看，台灣光學鏡頭製造業主要以消費型產品為主，平均價格約10美元左右；所採用的透鏡材質為塑膠，但由於塑膠材質在光學特性上，其低折射率、低阿貝數(Abbe Number)、耐候性及光譜適用範圍，侷限了應用層面。就光學檢測設備領域而言，由於高規格成像品質及使用環境需求，玻璃透鏡為現今最佳選擇之一，其鏡片平均價值約100美元左右。但高精度需求的製造技術門檻，國內只有少數業者可跨入。針對更高價值的光學透鏡，如曝光設備內的鏡頭組系統，由於所使用的光譜範圍為紫外光波段，以及奈米尺度下的形狀精度要求，使得目前國內業者尚無對應的製造能力，然而其鏡片平均價值約超過10000美元左右，相較於3C市場的光學透鏡而言，其價值相差1000倍以上。綜合上述觀點，可將光學鏡片應用層面，及對應價格、精度及材質整理如圖1所示。

圖1 不同光學透鏡應用面與對應的鏡片價格及精度需求