Zemax案例 | 基于Zemax相机多自由度主动对准技术研究
引言
引言
在消费电子、自动驾驶、工业视觉等领域高速发展的今天，相机模块已成为核心感知部件，其成像质量直接决定终端产品的性能上限。光学系统在制造与装配过程中产生的累积误差，是制约成像品质提升的关键瓶颈。传统被动对准工艺效率低下、精度有限，而现有主动对准技术高度依赖波前传感器等专用设备，难以兼顾精度、速度与工程实用性。浙江大学新发表于Optics Express的研究成果，提出一种基于调制传递函数（MTF）的顺序式多自由度主动对准方法[1]，依托Zemax OpticStudio完成全流程仿真验证，实现相机模组高精度、高效率、低成本的工程化对准，为高端光学模组量产提供新的技术路径。
相机模块对准技术现状与行业痛点
相机模块对准技术现状与行业痛点
光学系统的装配误差主要体现为透镜偏心、倾斜、轴向偏移及传感器位姿偏差，这些误差会引发场曲、像散、彗差等高阶像差，显著降低MTF、分辨率等核心指标。当前行业对准技术主要分为两类，均存在难以突破的瓶颈。
（1）传统被动对准：效率与精度双重受限
被动对准依赖公差分配与机械夹具定位，装配后通过筛选合格品控制良率。该方法流程繁琐、耗时较长，无法实时补偿装配误差，面对高像素、大视场、复杂结构的现代相机模组，误差累积效应被急剧放大，难以满足高端成像需求。
（2）现有主动对准：设备依赖与复杂度居高不下
主动对准（AA）通过实时监测光学特性、动态调整组件位姿实现精度补偿，是行业主流升级方向。现有技术可分为三类：
像差分析法：基于节点像差理论，建立误差与波前像差的解析关系，需高精度波前测量，设备成本高昂[2]；
数据驱动法：通过深度学习、灵敏度矩阵建立数值映射[3]，依赖大量样本与复杂训练，工程落地门槛高；
搜索优化法：构建评价函数引导优化，无需复杂建模，但遍历搜索耗时极长，多自由度场景下效率暴跌。
行业痛点高度集中：高精度对准与高效率量产难以兼得，专用设备依赖度高，复杂光学系统适配性差。突破这一困境，亟需一套简化装置、高效算法、精准仿真支撑的一体化解决方案。
基于MTF的顺序式多自由度主动对准方法核心原理
基于MTF的顺序式多自由度主动对准方法核心原理
本研究创新性提出以MTF为核心评价指标的三段式顺序对准流程，无需波前传感器，仅通过倾斜边缘图像即可完成全流程对准，兼顾精度、速度与工程实用性，整体方案如图1所示。
图1 所提主动对准方法总览。
（a）MTF计算流程（b）离焦测量与补偿（c）顺序式主动对准流程
（1）灵敏度矩阵对准：快速校正透镜组偏心
研究突破传统波前像差灵敏度矩阵的局限，基于离焦MTF曲线构建新型灵敏度模型。通过高斯函数拟合离焦MTF曲线，提取峰值位置z₀参数，该参数直接表征场曲与像散大小。
在小误差假设下，建立z₀与透镜组偏心的线性关系，构建灵敏度矩阵：
式中：
为各视场z₀与理想焦移的差值，Si,j为一阶灵敏度矩阵，ΔD为系统误差量。基于z₀参数定义损失函数，采用BFGS算法极小化损失，快速校正透镜组偏心，初步消除场曲与像散，全程无需复杂波前测量，数据采集与标定仅需3分钟。
（2）贝叶斯优化对准：精准优化透镜组倾斜
透镜组倾斜灵敏度与内部轴向误差强耦合，线性度差，传统灵敏度方法失效。研究引入贝叶斯优化（BO）处理这一非线性黑箱优化问题：
以高斯过程回归（GPR）为代理模型，建立透镜组倾斜与MTF损失函数的映射关系；
采用期望提升（EI）采集函数平衡探索与开发，高效搜索理想倾斜量；
定义MTF损失函数综合评价成像质量与均匀性，实现全局理想匹配。
该步骤精准补偿倾斜误差，完成透镜组高精度对准，为传感器微调奠定基础。
（3）传感器对准：多视场物理信息驱动的五自由度精调
透镜组固定后，传感器对准本质是寻找多视场成像质量综合理想的位姿平面。研究利用多视场离焦曲线的空间分布信息，建立传感器倾斜与视场专属焦移补偿的等效模型，通过BFGS算法快速求解理想倾斜与偏心量，实现传感器dx、dy、dz、tx、ty五自由度精调，完成全系统对准。
基于Zemax的蒙特卡洛仿真验证与关键流程
基于Zemax的蒙特卡洛仿真验证与关键流程
为全面验证所提方法的有效性，研究基于Zemax OpticStudio软件，通过ZOS‑API接口实现蒙特卡洛仿真，构建贴近实际生产的误差模型，完成批量样本测试与对比分析。
（1）仿真对象与参数设置
仿真对象为智能手机长焦相机模组，结构包含两组透镜（LG1、LG2）与传感器组，每组含3片15阶非球面塑料透镜，具体参数如图2所示
图2 相机模组参数
（2）公差建模与样本生成
贴合实际生产流程，在Zemax中设置两类公差：
制造公差：表面偏心/倾斜、中心厚、面形误差、折射率偏差；
装配公差：元件级/组级偏心/倾斜、空气间隙误差，具体范围如图3
图3 相机模组容差范围
通过Zemax ZOS-API批量生成125组含公差透镜样本，25组用于灵敏度分析，100组用于批量对准测试，确保仿真结果具备统计显著性与工程参考价值。
（3）Zemax仿真核心流程
系统建模：在Zemax中构建序列模式光学系统，设置470–650nm全可见光波段，配置13个视场覆盖0、0.3、0.5、0.8倍标准视场；
误差注入：通过坐标断点（Coordinate Break）模拟组件位姿误差，复现实际装配偏差；
灵敏度分析：sweep扫描透镜组各自由度，提取离焦曲线z₀参数，验证线性度与稳定性，如图6、图7所示（配图来源：原文图6、图7）；
批量对准仿真：集成灵敏度矩阵、贝叶斯优化、传感器对准算法，对比Sensor AA、分治法AA、BO AA等主流方案，统计MTF提升与耗时；
结果输出：自动提取MTF、损失函数、对准时间等关键指标，生成对比报告。
图4理想模块的z₀与每个自由度之间的关系。
图5 镜头的灵敏度特性及公差
（4）仿真结果
Zemax仿真结果充分验证方法优越性：
偏心灵敏度保持高线性度，x/y方向平均R²达0.906/0.951，倾斜灵敏度线性度显著下降，印证分段对准策略合理性；
所提方法全程对准仅需8.485秒，较传统搜索法提速59%；
90 lp/mm处平均MTF提升幅度更为理想，较Sensor AA高89%，较分治法AA高24%，全视场成像均匀性实现有效优化。
实验验证
实验验证
依托相机实验平台，研究完成实物测试，进一步验证基于Zemax仿真的对准方法的工程可行性。
（1）实验装置与流程
实验装置如图6所示，包含均匀光源、高分辨率倾斜边缘靶标、中继镜头、六轴运动控制器与待测模组，全程自动化执行对准流程。
图6 相机模块AA的实际实验装置
（2）关键实验结果
灵敏度标定：3分钟内完成透镜组灵敏度标定，偏心方向线性度R²高可达0.948，与Zemax仿真趋势高度一致；
离线验证：灵敏度矩阵对准偏心平均绝对误差x方向2.5μm、y方向4.5μm，传感器倾斜对准误差<0.025°，精度满足量产要求；
实装测试：5组模组对准后，多视场离焦曲线高度收敛，峰值MTF显著提升，如图7所示，成像质量改善效果直观可见。
图7 真实环境下模块在抗锯齿处理前后的离焦MTF曲线
Zemax软件在高端光学模组研发与量产中的核心价值
Zemax软件在高端光学模组研发与量产中的核心价值
本研究从算法创新到工程落地，全程依托Zemax完成仿真验证、误差分析、算法迭代，充分彰显Zemax在光学制造领域的广泛适用性。
全流程仿真支撑，降低研发试错成本
Zemax OpticStudio提供从系统建模、公差分析、像差评估到算法验证的一体化仿真环境，无需搭建实物平台即可完成数千组样本测试，大幅缩短研发周期，降低硬件投入。
高精度误差建模，复现真实生产工况
通过坐标断点、公差编辑器、ZOS‑API接口，精准复现制造与装配误差，模拟实际生产中的偏心、倾斜、面形误差等关键扰动，确保仿真结果与实物高度匹配。
开放接口赋能算法创新
ZOS‑API支持Python、MATLAB等外部程序调用，可集成贝叶斯优化、深度学习等优秀算法，实现自定义对准流程、自动化批量仿真，助力前沿技术快速落地。
面向量产的工程化适配
仿真结果直接指导工装设计、工艺参数优化、良率提升，所提对准方法装置简化、耗时极短，高度适配高端相机模组大批量、高效率、高精度的量产需求。
参考文献：
[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).
