引言

在消費電子、自動駕駛、工業視覺等領域高速發展的今天，相機模塊已成為核心感知部件，其成像質量直接決定終端產品的性能上限。光學系統在制造與裝配過程中產生的累積誤差，是制約成像品質提升的關鍵瓶頸。傳統被動對準工藝效率低下、精度有限，而現有主動對準技術高度依賴波前傳感器等專用設備，難以兼顧精度、速度與工程實用性。浙江大學新發表于Optics Express的研究成果，提出一種基于調制傳遞函數（MTF）的順序式多自由度主動對準方法^[1]，依托Zemax OpticStudio完成全流程仿真驗證，實現相機模組高精度、高效率、低成本的工程化對準，為高端光學模組量產提供新的技術路徑。

相機模塊對準技術現狀與行業痛點

光學系統的裝配誤差主要體現為透鏡偏心、傾斜、軸向偏移及傳感器位姿偏差，這些誤差會引發場曲、像散、彗差等高階像差，顯著降低MTF、分辨率等核心指標。當前行業對準技術主要分為兩類，均存在難以突破的瓶頸。

（1）傳統被動對準：效率與精度雙重受限

被動對準依賴公差分配與機械夾具定位，裝配后通過篩選合格品控制良率。該方法流程繁瑣、耗時較長，無法實時補償裝配誤差，面對高像素、大視場、復雜結構的現代相機模組，誤差累積效應被急劇放大，難以滿足高端成像需求。

（2）現有主動對準：設備依賴與復雜度居高不下

主動對準（AA）通過實時監測光學特性、動態調整組件位姿實現精度補償，是行業主流升級方向。現有技術可分為三類：

• 像差分析法：基于節點像差理論，建立誤差與波前像差的解析關系，需高精度波前測量，設備成本高昂^[2]；
• 數據驅動法：通過深度學習、靈敏度矩陣建立數值映射^[3]，依賴大量樣本與復雜訓練，工程落地門檻高；
• 搜索優化法：構建評價函數引導優化，無需復雜建模，但遍歷搜索耗時極長，多自由度場景下效率暴跌。

行業痛點高度集中：高精度對準與高效率量產難以兼得，專用設備依賴度高，復雜光學系統適配性差。突破這一困境，亟需一套簡化裝置、高效算法、精準仿真支撐的一體化解決方案。

基于MTF的順序式多自由度主動對準方法核心原理

本研究創新性提出以MTF為核心評價指標的三段式順序對準流程，無需波前傳感器，僅通過傾斜邊緣圖像即可完成全流程對準，兼顧精度、速度與工程實用性，整體方案如圖1所示。

圖1 所提主動對準方法總覽。

（a）MTF計算流程（b）離焦測量與補償（c）順序式主動對準流程

（1）靈敏度矩陣對準：快速校正透鏡組偏心

研究突破傳統波前像差靈敏度矩陣的局限，基于離焦MTF曲線構建新型靈敏度模型。通過高斯函數擬合離焦MTF曲線，提取峰值位置z?參數，該參數直接表征場曲與像散大小。

在小誤差假設下，建立z?與透鏡組偏心的線性關系，構建靈敏度矩陣：

式中：為各視場z?與理想焦移的差值，S_i,j為一階靈敏度矩陣，ΔD為系統誤差量。基于z?參數定義損失函數，采用BFGS算法極小化損失，快速校正透鏡組偏心，初步消除場曲與像散，全程無需復雜波前測量，數據采集與標定僅需3分鐘。

（2）貝葉斯優化對準：精準優化透鏡組傾斜

透鏡組傾斜靈敏度與內部軸向誤差強耦合，線性度差，傳統靈敏度方法失效。研究引入貝葉斯優化（BO）處理這一非線性黑箱優化問題：

• 以高斯過程回歸（GPR）為代理模型，建立透鏡組傾斜與MTF損失函數的映射關系；
• 采用期望提升（EI）采集函數平衡探索與開發，高效搜索理想傾斜量；
• 定義MTF損失函數綜合評價成像質量與均勻性，實現全局理想匹配。

該步驟精準補償傾斜誤差，完成透鏡組高精度對準，為傳感器微調奠定基礎。

（3）傳感器對準：多視場物理信息驅動的五自由度精調

透鏡組固定后，傳感器對準本質是尋找多視場成像質量綜合理想的位姿平面。研究利用多視場離焦曲線的空間分布信息，建立傳感器傾斜與視場專屬焦移補償的等效模型，通過BFGS算法快速求解理想傾斜與偏心量，實現傳感器dx、dy、dz、tx、ty五自由度精調，完成全系統對準。

基于Zemax的蒙特卡洛仿真驗證與關鍵流程

為全面驗證所提方法的有效性，研究基于Zemax OpticStudio軟件，通過ZOS?API接口實現蒙特卡洛仿真，構建貼近實際生產的誤差模型，完成批量樣本測試與對比分析。

（1）仿真對象與參數設置

仿真對象為智能手機長焦相機模組，結構包含兩組透鏡（LG1、LG2）與傳感器組，每組含3片15階非球面塑料透鏡，具體參數如圖2所示

圖2 相機模組參數

（2）公差建模與樣本生成

貼合實際生產流程，在Zemax中設置兩類公差：

• 制造公差：表面偏心/傾斜、中心厚、面形誤差、折射率偏差；
• 裝配公差：元件級/組級偏心/傾斜、空氣間隙誤差，具體范圍如圖3

圖3 相機模組容差范圍

通過Zemax ZOS-API批量生成125組含公差透鏡樣本，25組用于靈敏度分析，100組用于批量對準測試，確保仿真結果具備統計顯著性與工程參考價值。

（3）Zemax仿真核心流程

1. 系統建模：在Zemax中構建序列模式光學系統，設置470–650nm全可見光波段，配置13個視場覆蓋0、0.3、0.5、0.8倍標準視場；
2. 誤差注入：通過坐標斷點（Coordinate Break）模擬組件位姿誤差，復現實際裝配偏差；
3. 靈敏度分析：sweep掃描透鏡組各自由度，提取離焦曲線z?參數，驗證線性度與穩定性，如圖6、圖7所示（配圖來源：原文圖6、圖7）；
4. 批量對準仿真：集成靈敏度矩陣、貝葉斯優化、傳感器對準算法，對比Sensor AA、分治法AA、BO AA等主流方案，統計MTF提升與耗時；
5. 結果輸出：自動提取MTF、損失函數、對準時間等關鍵指標，生成對比報告。

圖4理想模塊的z?與每個自由度之間的關系。

圖5 鏡頭的靈敏度特性及公差

（4）仿真結果

Zemax仿真結果充分驗證方法優越性：

• 偏心靈敏度保持高線性度，x/y方向平均R2達0.906/0.951，傾斜靈敏度線性度顯著下降，印證分段對準策略合理性；
• 所提方法全程對準僅需8.485秒，較傳統搜索法提速59%；
• 90 lp/mm處平均MTF提升幅度更為理想，較Sensor AA高89%，較分治法AA高24%，全視場成像均勻性實現有效優化。

實驗驗證

依托相機實驗平臺，研究完成實物測試，進一步驗證基于Zemax仿真的對準方法的工程可行性。

（1）實驗裝置與流程

實驗裝置如圖6所示，包含均勻光源、高分辨率傾斜邊緣靶標、中繼鏡頭、六軸運動控制器與待測模組，全程自動化執行對準流程。

圖6 相機模塊AA的實際實驗裝置

（2）關鍵實驗結果

• 靈敏度標定：3分鐘內完成透鏡組靈敏度標定，偏心方向線性度R2高可達0.948，與Zemax仿真趨勢高度一致；
• 離線驗證：靈敏度矩陣對準偏心平均絕對誤差x方向2.5μm、y方向4.5μm，傳感器傾斜對準誤差<0.025°，精度滿足量產要求；
• 實裝測試：5組模組對準后，多視場離焦曲線高度收斂，峰值MTF顯著提升，如圖7所示，成像質量改善效果直觀可見。

圖7 真實環境下模塊在抗鋸齒處理前后的離焦MTF曲線

Zemax軟件在高端光學模組研發與量產中的核心價值

本研究從算法創新到工程落地，全程依托Zemax完成仿真驗證、誤差分析、算法迭代，充分彰顯Zemax在光學制造領域的廣泛適用性。

全流程仿真支撐，降低研發試錯成本

Zemax OpticStudio提供從系統建模、公差分析、像差評估到算法驗證的一體化仿真環境，無需搭建實物平臺即可完成數千組樣本測試，大幅縮短研發周期，降低硬件投入。

高精度誤差建模，復現真實生產工況

通過坐標斷點、公差編輯器、ZOS?API接口，精準復現制造與裝配誤差，模擬實際生產中的偏心、傾斜、面形誤差等關鍵擾動，確保仿真結果與實物高度匹配。

開放接口賦能算法創新

ZOS?API支持Python、MATLAB等外部程序調用，可集成貝葉斯優化、深度學習等優秀算法，實現自定義對準流程、自動化批量仿真，助力前沿技術快速落地。

面向量產的工程化適配

仿真結果直接指導工裝設計、工藝參數優化、良率提升，所提對準方法裝置簡化、耗時極短，高度適配高端相機模組大批量、高效率、高精度的量產需求。

參考文獻：

[1] Wenjiang Zhu, Chenwei Yang, Jiajian He, Anqin Yao, and Yungui Ma, "Multi-degree-of-freedom active alignment for camera modules via a sequential method and streamlined setup," Opt. Express 34, 14249-14265 (2026)

[2] Y. Mo, H. Tan, H. Ji, et al., “Desensitized design of optical systems by evaluating assembly tolerance sensitivity based on Nodal Aberration Theory,” Opt. Commun. 595, 132369 (2025).

[3] B. Zhu, X. Bai, S. Wang, et al., “Single-ffeld-of-view misalignment solution method based on map sensitivity matrix,” Opt. Express 33(7), 16562–16583 (2025).