[003]持續挑戰「光」的可能性_Nikon

Nikon於1917年成立，以實現先進光學儀器，特別是顯微鏡的國產化為目標，由當時的三菱工事公司社長岩崎小彌太的出資所成立。隨後，於1921年招聘了德國技術人員，進行研究，並在1925年首次推出了測試製作設計的顯微鏡，並於1931年向東京科學博物館交付了8英寸的天文望遠鏡。該望遠鏡提供了日本國內最大的光學天文影象，並在2005年之前一直活躍。

Nikon之前在戰前並未生產相機，但於戰後的1948年首次推出相機，同時首次使用了「Nikon」這個名稱。此後，1950年南北韓戰爭爆發期間，美國戰地攝影師使用了Nikon相機，並高度評價其優越的鏡頭和堅固性。這促使Nikon的相機在全球得到認可。1959年，首款單眼相機「Nikon F」推出，確立了其專業相機的地位。此後，於1999年推出了專業用的數位單眼相機「D1」。

然而，在2010年代，智慧型手機的普及導致相機銷售急劇下降。為應對這一危機，Nikon選擇專注於專業和業餘愛好者市場，並於2021年推出了全片幅數位單眼相機「Z9」。該相機得到了專業攝影師的支持；透過追求高品質的製造，成功克服了危機。Nikon不僅以相機製造商的聲譽而聞名，還涵蓋了從顯微鏡到測量儀器等光學儀器，挑戰光學技術的可能性，不斷進化。

【商品】

１．鏡片・光學鏡片

一般的玻璃因含有雜質而呈現暗且稍帶藍色，然而用於相機等的光學玻璃因雜質較少，能夠使光線更好地穿透，呈現透明。
Nikon的技術核心在於控制光線。
光的操控雖然不容易，但若能掌握，就能實現其他不可思議的事情。如將看不見的微小物件變得可見，或能在短時間完成長距離的傳送。

Nikon不僅生產專業和業餘愛好者用的單眼相機，亦製造一般用的數位相機以及相機鏡片。此外，他們還從事顯微鏡的製造，最新的醫療顯微鏡甚至實現了過去難以實現的顯示功能。

此外，Nikon還製造半導體光刻機等多種以光技術為基礎的產品。他們不斷根據不同需求調整材料，以實現客戶對於新產品的需求。單單相機鏡片的種類就有大約80種。
這種因應多樣需求的製造方式主要在位於秋田縣的工廠進行，專門製造相機鏡片所使用的光學玻璃。在整個相機製造產業中，能夠自行生產相機鏡片的廠商相當罕見。Nikon需要應對高精度和輕量化等多樣的要求，並挑戰少量多樣的生產困難。
光學玻璃的原料有主要的矽和石灰等約100種，根據鏡片的用途配制10到20種不同的原料。將原料在混合機中，以旋轉的方式將原料調合在一起。混合之後，用1000℃以上的高溫熔化，然後將其倒入水中迅速冷卻；這樣就可以得到細小的玻璃顆粒。根據鏡片的性能，將這些顆粒進行混合。再次在1000℃以上的高溫下熔化，即可得到相機鏡片用的光學玻璃。之後需要通過高度熟練的專業人員進行少量多品種的生產。
將用於相機的板狀光學玻璃，稍微刮去一些瑕疵後進行切割。這是一項只有經驗豐富的工匠才能掌握的技藝。接下來是品質檢查，通過光的穿透檢查是否有微小雜質和變形。通過檢查，將合格的光學玻璃與石頭和研磨劑一起振動，將其邊緣打磨。之後，將經過表面檢查且無傷的物體加熱至數百度，再放進模具壓製，使其形成鏡片的形狀。經過多道手續，才完成鏡片的生產。
之後，光學玻璃會在位於栃木的工廠進行鏡片的加工。正是因為尼康能夠從鏡片材料一直到最終產品的製造過程中實現一貫生產，才能夠滿足多樣化的需求。

２．半導體光刻裝置

另一項主力產品是半導體製造不可或缺的半導體光刻裝置，這是電腦和智慧型手機等產品的核心。半導體光刻裝置是使用投影鏡頭將電路圖縮小，然後將其刻到半導體基板上。

為了進行精密的光刻作業，Nikon開發了專門的高性能鏡片。可以看到使用了許多大型鏡片。現在，該裝置使用的鏡片可以將如同在1mm的寬度內繪製超過10萬條線的圖案。儘管這種精確度難以想像，但在技術的努力下，要在緊緊1mm寬度內刻蝕超過10萬個電路，需要使用良好傳導光的鏡頭。

生產半導體光刻裝置使用的鏡片的是相模原製作所。他們使用了特殊的方法來製造透明玻璃。首先，使用高純度的原料非常重要，同時在合成過程中必須確保不會混入雜質。為了實現近乎完全透明，需要製造純度幾乎達到100%的玻璃。將玻璃原料加熱至4000℃的高溫，透過化學反應逐漸疊加純淨度高的玻璃顆粒。玻璃塊完成大約需要一個月的時間。這個方式可以製造出純度達到99.999999%、最大直徑可達70cm，重達1噸的高純度玻璃塊。然後進行全面的檢查。對玻璃塊的表面進行研磨，將光投射到玻璃內部以檢查是否存在氣泡或雜質。然後僅切割通過檢查的部分，接著在無塵室內，對玻璃塊內部進行肉眼無法達到的更精密檢查。必須徹底排除雜質，才能製造能夠傳導光的鏡頭。

Nikon的技術聚焦於半導體製造所需的三項關鍵技術：
①投影鏡片的解析度：
高解析度的鏡片可以傳導更精細的電路圖。Nikon從鏡頭的原料調配、熔解、磨碎、塗層到組裝，一條龍的整體生產，以提升鏡片的性能。
②對準精度：
製造一個半導體需要多次更換光罩並重複光刻電路圖。因此，確保晶圓片和光罩的對位非常重要。Nikon使用多個傳感器在奈米級別上實現光罩和晶圓片的超精確校準對位。
③生產效率：
這在量產半導體時非常重要。生產效率是指每小時能夠光刻多少片晶圓片，以此衡量生產能力。為了在一片矽晶片上光刻數百個半導體，需要實現快速控制放置晶圓的平台。
Nikon將這三項技術結合在一台半導體光刻裝置中。

【引領製造革命】

１．融合高度光學元件的雷射裝置

埼玉縣的熊谷製作所進行的光學機器開發正引領著製造的革命。透過將數字資料輸入金屬3D列印機，並使用雷射照射金屬粉末，進而逐層堆疊成型。它能夠製造出傳統機械加工難以實現的複雜結構。所使用的雷射也是光的一種。Nikon的光學技術能夠精確操控光的特性。
Nikon為3D列印機獨自開發了輕巧的聚光鏡片，相比傳統金屬3D列印機，重量減少了約五分之一，體積亦更精簡。

２．光的特性：遠距離的直進性

JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）正在開發使用雷射光通訊的方式在太空中進行衛星通信。相較於目前使用的電波傳輸，如果使用光傳輸，通訊能力將大幅提升，達到高速且大容量的訊息傳遞。

Nikon與JAXA共同開發了太空中光通訊的核心元件 - 雷射光源。利用鏡片和折射鏡，測量光的強度和波長等。透過不斷改進，確保雷射光源保有所需的性能。
使用能夠實現極微小移動的裝置來移動鏡子，進行精細的工作，將其準確放置在所需的位置。

搭載光數據中繼衛星的H-IIA火箭43號在2020年11月29日由JAXA發射升空。該衛星配備了用於光衛星間通訊系統"LUCAS"的設備，這些設備由日本電気株式会社（NEC）製造。

該光衛星間通訊設備由稱為光天線的光學系統組成，其中包括Nikon設計和製造的光學鏡（直徑14cm）。Nikon負責光學系統設計、光學零件的製造和組裝，以滿足NEC的高度系統要求。光天線是實現在太空中使用波長為1.5微米的雷射光達成高速大容量光通訊的關鍵技術之一。

發射與接收的光學系統需要高度的精確度，為了避免光的干擾和傳輸發散的損失，需要進行許多巧妙的調整。為了避免高功率發射光束照射在鏡面上產生的散射光所帶來的干擾，採用了離軸光學系統。此外，為了實現高反射率和高度穩定的偏光特性，Nikon採用了獨有的鍍膜技術。此外，為了抑制鏡子和周邊部件之間的變形等因素引起的像差降低，實施了微米級別的嚴格光學調整。此外，光天線還具備較輕的鏡子，以及能夠抵禦火箭發射、軌道上的溫度、真空和輻射等太空環境的光學性能。

[Reference]

１．カメラで培った技術で顕微鏡や半導体製造、宇宙との通信にまでその世界を広める光学機器メーカー　ニコン
https://txbiz.tv-tokyo.co.jp/gulliver/vod/post_278029

２．半導体製造のために集約されたニコンの技術
https://semi.nikon.com/technology/story03/

３．半導体露光装置：半導体の小型化・高機能化を可能にし、デジタル社会の進化に貢献
https://www.jp.nikon.com/company/technology/product/semiconductor/

４．Nikon > 衛星・天体関連機器 > 光通信用光学系
光データ中継衛星搭載光通信用光学系
https://www.ave.nikon.co.jp/cp/products/space/laser-communication/index.htm