如何精确检测手机摄像头模组亚微米振动，确保OIS/AF性能与产品良率？【非接触测量】

想象一下，一台高性能相机就像一个精密的小型机械城市，里面有无数精巧的“市民”——各种微小组件。这些组件包括镜头模组、光学防抖（OIS）单元、自动对焦（AF）马达、快门机构以及图像传感器等。它们各司其职，共同确保相机能够捕捉到清晰、稳定的画面。

在这些组件中，镜头模组负责光的汇聚，OIS单元则通过微小的位移来抵消手抖带来的模糊，AF马达精确调整焦点。这些“市民”的工作效率和稳定性，直接决定了相机的成像质量。然而，在相机工作时，尤其是进行高速连拍、视频录制或在外部环境振动下，这些内部组件可能会产生微小的、肉眼不可见的振动。

这种振动，即使是亚微米（小于1微米，即千分之一毫米）级别，也足以影响成像质量，导致图像模糊或失真。例如，OIS单元如果自身振动控制不当，反而会引入新的模糊。因此，我们需要一种极其灵敏、精准的“探针”，能够在不接触这些脆弱组件的前提下，监测它们哪怕是头发丝直径千分之一的微小抖动，并准确捕捉其振动模式，这就是我们面临的技术挑战。

2. 相机微小组件振动监测参数简介

为了全面评估相机内部组件的振动特性，我们通常会关注以下几个核心参数：

• 位移：这是最直观的振动参数，指的是物体在振动过程中偏离其平衡位置的距离。它直接反映了振动的幅度大小。例如，一个镜片振动幅度是0.5微米，就代表它在其平衡位置上下或前后移动了0.5微米。

• 速度：指物体在振动过程中位移随时间变化的速率。速度能反映振动的剧烈程度。对于高速运动或高频振动，速度参数往往比位移更能体现其动态特性。

• 加速度：指物体在振动过程中速度随时间变化的速率。加速度与作用在物体上的力直接相关，是评估振动冲击和结构疲劳的重要指标。

• 频率：表示物体在单位时间内完成振动循环的次数，单位是赫兹（Hz）。了解振动频率有助于我们识别振动的来源，例如是马达的共振、外部环境的干扰还是其他内部机制引起的。

• 振型：描述了物体在特定频率下振动时的空间变形模式。对于复杂结构，振型分析可以揭示哪些部位更容易发生形变，这对于结构优化和故障诊断至关重要。

• 总厚度变化 (TTV)：主要用于光学镜片或多层结构，表示被测物体在整个测量区域内厚度的最大变化量。在振动测量中，它可以间接反映组件表面或内部层间的相对位移。

• 局部厚度波动 (LTW)：与TTV类似，但更关注局部区域的厚度变化，能发现细微的局部形变或振动导致的不均匀性。

• 粗糙度 (Ra)：虽然不是直接的振动参数，但在某些情况下，如果振动导致表面磨损或形变，会影响其表面粗糙度。高速振动可能导致组件表面微观结构发生变化，通过测量粗糙度可以间接评估其影响。

这些参数的评价方法通常包括：通过传感器高速采集位移、速度或加速度数据，然后对这些时间序列数据进行傅里叶变换（FFT）以获取频域信息，如振动频谱，进而分析主振频率和振幅。通过对这些参数的综合分析，我们可以全面了解相机内部组件的振动状态，并据此进行设计优化或故障诊断。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光多普勒测振技术

工作原理和物理基础： 激光多普勒测振（LDV）技术就像是用一道极其敏锐的激光束来“倾听”物体的微小振动。它的核心是多普勒效应，这和我们日常生活中听到的火车鸣笛声在靠近和远离时音调变化是一个道理。当火车靠近时，声波频率变高；远离时，频率变低。

LDV系统发射一束激光到被测物体表面，当物体振动时，反射回来的激光束频率会因为多普勒效应而发生微小的变化（频移）。这个频移的大小，与被测物体的振动速度成正比。通过精确测量这个频率变化，系统就能计算出物体的实时振动速度，再经过积分处理，就可以得到振动位移。

其核心物理公式是： Delta_f = 2 * v / Lambda 其中： * Delta_f 是多普勒频移，也就是反射激光相对于发射激光的频率变化。 * v 是被测物体沿激光方向的振动速度。 * Lambda 是激光的波长。

核心性能参数： LDV技术通常能提供非常宽广的测量频率范围，从直流（0 Hz）到数十兆赫兹（MHz），这意味着它能捕捉到从非常慢到极其快的各种振动。其速度分辨率可以达到0.02 (µm/s)/√Hz，而位移分辨率更是能达到惊人的皮米（pm）级别（1皮米 = 10^-12米）。响应时间非常快，几乎是实时的。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度极高，能达到皮米级分辨率，远超亚微米要求；非接触测量，不会对被测物产生任何影响；测量频率范围宽，能捕捉到高频振动；可进行扫描测量，获取物体表面的振动分布。 * 缺点： 对被测物体表面要求较高，需要反射性较好的表面，对于某些吸收性或透明材料可能需要特殊处理；价格昂贵；设备相对复杂，对操作人员有一定要求。 * 成本考量： 通常成本较高，适用于对振动测量精度和频率范围有极高要求的研发、质量控制和故障诊断领域。

3.1.2 激光干涉测量技术

工作原理和物理基础： 激光干涉技术利用光的干涉现象来测量微小位移。想象一下，两束完全相同的光波，当它们相遇时，如果波峰对波峰，它们会相互增强，形成亮纹；如果波峰对波谷，它们会相互抵消，形成暗纹。这就是干涉条纹。

激光干涉仪通常将一束激光分成两束：一束作为参考光，沿着固定路径传播；另一束作为测量光，射向被测物体表面。当被测物体发生位移时，测量光的路径长度会发生变化，导致其与参考光合束时产生的干涉条纹发生移动。通过精确计数干涉条纹的移动数量，系统就能以极高的精度计算出被测物体的位移量。

其核心物理公式是： Delta_L = N * Lambda / 2 其中： * Delta_L 是被测物体的位移。 * N 是干涉条纹移动的半波长数量（通常是整数）。 * Lambda 是激光的波长。 （一个完整的干涉条纹变化对应于半个波长的位移）

核心性能参数： 激光干涉仪的线性测量精度非常高，通常可达±0.5 ppm（百万分之0.5），线性测量分辨率可达0.001微米（1纳米）。最大线性测量速度可以达到数米/秒。 技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度和分辨率极高，达到纳米甚至亚纳米级别，是精密测量的基准；测量范围大，可用于长距离高精度测量；非接触，不影响被测物。 * 缺点： 对环境要求高，如温度、空气扰动会影响测量精度；对被测表面光洁度要求高；设备通常体积较大，不易集成到狭小空间；价格昂贵。 * 成本考量： 属于高端测量设备，主要用于实验室研究、高精度机床校准和计量领域，成本非常高。

3.1.3 机器视觉测量技术

工作原理和物理基础： 机器视觉测量技术就像用一台“火眼金睛”的相机，高速捕捉被测物体的图像，然后通过复杂的图像处理算法来分析这些图像，从而测量物体的微小位移。它不直接测量距离，而是通过分析图像中目标特征（比如一个特定的点、边缘或图案）的位置变化来推算位移。

系统内置高速图像传感器，连续拍摄一系列被测相机组件的高清图片。然后，强大的视觉处理算法会识别图像中的关键特征，并运用亚像素定位技术，精确确定这些特征在每帧图像中的坐标。通过对比不同帧之间特征位置的微小变化，就能计算出组件的振动位移。

核心性能参数： 机器视觉系统能够提供高分辨率的图像捕捉（例如200万像素或更高），高速图像采集（最高可达数百帧/秒甚至更高）。通过亚像素算法，其定位精度可以达到小于1像素的水平，例如对于一个高分辨率传感器，实际物理定位精度可能在几个微米到几十微米之间，取决于视场和像素密度。

技术方案的优缺点： * 优点： 非接触，不影响被测物；测量灵活，可以同时监测多个点或区域的振动；可用于复杂形状和表面；易于集成到自动化生产线中，实现批量检测；提供直观的图像信息。 * 缺点： 测量精度受限于图像分辨率和亚像素算法，通常难以达到纳米级别；采样频率相对于LDV和干涉仪较低，可能无法捕捉超高频振动；容易受环境光线变化影响；需要清晰的特征点进行跟踪。 * 成本考量： 成本相对适中，适用于在线质量控制、装配检测和自动化生产线中的振动趋势监测。

3.1.4 光谱共焦测量技术

工作原理和物理基础： 光谱共焦测量技术是一种利用特定光学原理实现高精度非接触距离测量的方法。其基本思想是使用色散透镜将不同波长的光聚焦到不同的轴向位置。当光照射到物体表面时，只有特定波长的光在其焦点处才能被反射回传感器，从而确定物体表面的高度。

核心性能参数： 常见的光谱共焦传感器测量分辨率可达纳米级别，能够满足亚微米级的精度要求。采样频率通常可达数千赫兹至数万赫兹，某些型号可以达到33,000Hz，可以捕捉到一定范围内的振动频率。量程范围根据型号不同而异，一些型号的光斑尺寸可以小至2微米，适合测量微小组件。光谱共焦技术对多种材质和复杂形状具有良好的适应性。

技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度和分辨率较高，达到纳米级别；非接触测量，不损伤或影响被测物；对多种材质有较好的适应性，即使是透明、镜面或吸收性表面也能稳定测量；部分型号光斑尺寸较小，适合测量微小部件；可测量复杂曲面和深孔；体积相对紧凑，易于集成。 * 缺点： 测量范围相对激光多普勒和激光干涉仪略小；测量角度有一定限制；成本相对较高。 * 成本考量： 成本介于机器视觉和激光多普勒/激光干涉之间，是精密制造等行业进行高精度尺寸和振动测量的选择之一，兼顾了性能和应用灵活性。

3.1.5 光纤传感技术

工作原理和物理基础： 光纤传感技术（常采用Fabry-Pérot干涉原理）是将微小的光学腔体集成到光纤探头尖端，用光来测量距离。想象一下，光纤探头的尖端和被测物体表面之间形成了一个微小的“光学共鸣腔”。光源发出的光经过光纤进入这个腔体，一部分光在探头尖端反射，另一部分在被测物体表面反射，这两束反射光会相互干涉。

这个“光学共鸣腔”的长度，会随着探头到被测物体的距离变化而改变。当腔长变化时，反射回来的光的“颜色组合”（反射光谱）也会随之变化。解调仪就像一个“光谱分析师”，精确分析这些反射光谱的变化，从而推算出腔长的微小变化，进而得到被测物体的位移。通过高速采样这些位移数据，就能实现振动测量。

核心性能参数： 光纤传感器的测量范围取决于探头型号，可以提供从几十微米到几百微米的量程。其分辨率通常可达纳米级别。频率响应可以达到数千赫兹（kHz）。

技术方案的优缺点： * 优点： 探头体积非常小巧，可以深入到狭窄或不易接触的空间进行测量；具有固有抗电磁干扰的优势，在强电磁环境下也能稳定工作；非接触测量；适用于恶劣环境（高温、高压等）；精度较高。 * 缺点： 测量范围相对有限；探头通常比较脆弱，需要小心保护；价格相对较高。 * 成本考量： 成本中等偏高，特别适用于对尺寸、环境适应性有特殊要求，且需要纳米级精度的应用场景。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在非接触高精度振动测量领域有代表性的国际品牌，看看它们各自的独特优势：

• 日本基恩士（采用光谱共焦位移测量技术） 日本基恩士以其在工业自动化和检测领域的创新而闻名。其超高速共焦位移传感器系列，正是利用光谱共焦原理进行测量。该系列传感器能够提供高达0.005微米（5纳米）的重复精度，采样频率最高可达 130 kHz。这些性能使得它在需要高速度和高精度同时兼顾的场合表现出色。例如，在相机生产线上，对高速运动中的微小组件进行在线检测，日本基恩士的产品可以快速、稳定地提供亚微米级振动数据，而且对不同材质的表面（如玻璃镜片或金属外壳）适应性良好，不易受表面粗糙度或颜色变化影响。

• 英国雷尼绍（采用激光干涉测量技术） 英国雷尼绍是精密测量领域的全球领导者，其XL-80激光干涉仪是业界公认的超高精度测量工具。该系统基于激光干涉原理，能够提供±0.5 ppm的线性测量精度和0.001微米（1纳米）的线性测量分辨率。虽然其主要用于校准机床和坐标测量机，但其纳米级的位移测量能力使其成为分析相机平台或精密光学组件超微小振动的理想选择。它在测量精度上几乎无可匹敌，但设备通常体积较大，对环境要求严苛，更适合在实验室或计量中心进行基准级的振动分析。

• 德国聚光科技（采用激光多普勒测振技术） 德国聚光科技是激光多普勒测振领域的全球佼佼者，其量子系列扫描激光多普勒测振仪在非接触振动分析方面表现卓越。该产品能够测量从直流到高达24 MHz的宽广频率范围，并提供皮米（pm）级别的位移分辨率。这意味着它能捕捉到极其微弱和高频的振动信号。对于相机内部那些需要精细振动分析的微小组件（如MEMS器件或超声马达），德国聚光科技的解决方案能够提供详细的振动速度和位移数据，并且可以进行扫描测量，直观地显示整个表面的振动模式，非常适合研发阶段的深入分析和故障诊断。

• 美国康耐视（采用机器视觉测量技术） 美国康耐视是机器视觉领域的知名品牌，其In-Sight视觉传感器系列为振动测量提供了一种灵活的图像分析方案。虽然它不直接测量距离，而是通过高速图像捕捉和亚像素定位算法来跟踪目标特征的位移，但其优势在于可以同时监测相机多个关键点的振动，且易于集成到自动化生产线中。例如，对于相机外壳与内部结构之间的相对振动，或者某些组件的宏观振动趋势监测，美国康耐视的视觉系统可以提供高效率、非接触式的解决方案，其亚像素级的定位精度在某些应用中也足以满足微米级的要求。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为相机内部微小组件选择合适的振动测量设备时，我们需要像挑选精密工具一样，仔细审视几个关键的技术指标：

1. 分辨率和精度： 这就像是尺子的最小刻度。分辨率指的是传感器能检测到的最小位移变化，而精度则是测量值与真实值之间的接近程度。对于亚微米级甚至纳米级的振动测量，分辨率和精度是核心。如果传感器分辨率不够高（例如只有几微米），那么小于这个数值的微小振动就无法被检测到，就像用一把刻度粗糙的尺子去量一根头发丝的直径。

   • 选型建议： 针对相机微小组件的亚微米级振动要求，应优先选择分辨率在纳米（nm）级别，精度在0.01微米以下的传感器。光谱共焦、激光多普勒和激光干涉仪在这方面表现突出。

2. 采样频率/响应时间： 这决定了传感器捕捉振动“瞬间”的能力。采样频率越高，传感器每秒能采集的数据点就越多，就能更完整地记录快速变化的振动过程。如果采样频率太低，就可能错过高频振动，就像用慢动作相机去拍快速移动的F1赛车，很多细节都会丢失。

   • 选型建议： 振动的频率可能从几十赫兹到几千赫兹不等，为了不丢失振动信息，采样频率至少应是被测振动最高频率的两倍（奈奎斯特采样定理）。对于相机内部的高频振动，选择采样频率在数千赫兹到数十万赫兹的设备，如光谱共焦或激光多普勒测振仪。

3. 量程： 这是传感器能够测量的最大范围。虽然我们测量的是微小振动，但也要确保传感器能覆盖可能发生的最大位移。量程太小，振动幅度稍大就可能超出测量范围；量程太大，则可能牺牲分辨率。

   • 选型建议： 根据组件的预期最大振动幅度来选择。对于亚微米级振动，选择量程在几百微米到几毫米的传感器通常比较合适，既能覆盖振动范围，又能保证较高的分辨率。

4. 光斑尺寸： 这就像是传感器的“眼睛”能看到的最小区域。光斑尺寸越小，就越能聚焦到相机内部微小的组件上，避免受到相邻部件的干扰。如果光斑太大，测量结果就会包含周围部件的运动，导致不准确。

   • 选型建议： 对于精密的相机内部组件，选择小光斑传感器可以实现更精准的局部振动测量。

5. 多材质适应性和表面特性： 相机内部组件可能由金属、玻璃、塑料等多种材质组成，表面也可能光滑如镜或粗糙。有些传感器对镜面或透明材质测量困难。

   • 选型建议： 考虑到相机组件的复杂性，优先选择对多种材质都有良好适应性的传感器。

6. 探头尺寸和集成性： 相机内部空间狭小，传感器探头必须足够小巧才能进入测量位置。同时，考虑设备是否易于集成到生产线或测试平台中。

   • 选型建议： 优先选择探头外径小、提供多种角度出光（如90度探头）的传感器，以适应狭小空间和复杂测量角度的需求。模块化设计和丰富的通信接口也有助于集成。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了最合适的传感器，也可能遇到一些挑战：

1. 问题：环境振动干扰

   • 原因及影响： 测量现场的环境振动（如工厂设备的运行、地面的轻微震动）可能会被传感器检测到，与被测组件的真实微小振动混淆，导致测量结果不准确。这就像在嘈杂的环境中想听清耳语一样困难。

   • 解决建议：

     • 隔离： 将测量平台放置在专业的隔振台上，或者使用减震垫、气浮平台等方式，物理隔离外部振动。

     • 滤波： 在数据处理阶段，应用高通、低通或带阻滤波器，滤除已知频率的环境振动信号。

     • 双传感器测量： 使用两个传感器，一个测量被测组件，另一个测量组件的基座。通过差分计算，消除共同的环境振动成分。

2. 问题：被测表面反射特性不佳

   • 原因及影响： 相机内部组件可能存在吸光、镜面反射过强、透明或表面不规则等问题，导致激光或光束无法有效反射回传感器，信号弱甚至丢失，从而无法进行测量。

   • 解决建议：

     • 表面处理： 对于吸光或透明表面，可以喷涂一层极薄的漫反射涂层（如氧化镁粉末），增加其反射性。但需注意涂层厚度及其对组件动态特性的影响。

     • 选择适应性强的传感器： 优先选择对多种材质和表面特性都有良好适应性的传感器。

     • 调整入射角度： 对于镜面反射，适当调整传感器的入射角度，使其反射光能准确返回传感器。

3. 问题：测量光斑定位困难或偏移

   • 原因及影响： 相机内部组件微小且结构复杂，目标测量点可能很小，或者在振动过程中光斑可能脱离目标区域，导致测量数据不连续或不准确。

   • 解决建议：

     • 小光斑传感器： 选择光斑尺寸小的传感器，以精确对准微小目标。

     • 可视化辅助： 采用带可视化功能的传感器，通过实时图像观测光斑位置，确保对准目标。

     • 固定夹具： 设计高精度的固定夹具，确保相机组件在测量过程中位置稳定，并能精确地将传感器探头固定在指定测量点。

     • 动态跟踪： 对于位移较大的振动，可以考虑使用带有动态跟踪功能的视觉系统辅助定位。

4. 问题：数据噪声和假性振动

   • 原因及影响： 传感器自身的电子噪声、光源不稳定、探头或线缆的微小振动都可能引入测量误差，产生假性振动信号，影响对真实振动的判断。

   • 解决建议：

     • 高稳定性设备： 选择光源稳定性高、抗干扰能力强的传感器。

     • 数据滤波和处理： 结合传感器内置或外部软件提供的高斯滤波、中值滤波、滑动平均等数据处理功能，有效去除随机噪声。

     • 多次测量取平均： 对于静态或准静态测试，可以多次测量取平均值以降低随机误差。

     • 校准： 定期对传感器进行校准，确保其测量准确性。

4. 应用案例分享

• 手机摄像头模组光学防抖（OIS）性能评估： 在OIS模组的生产和研发阶段，需要高精度测量其内部镜片或传感器的微小振动位移，以确保防抖效果和稳定性。光谱共焦传感器可用于实时监测，精确评估OIS单元在不同激励下的振动幅度和频率，优化其控制算法。

• 无人机云台或相机快门机构振动分析： 无人机搭载的相机在飞行过程中会受到气流和螺旋桨振动影响，其内部组件如快门机构或传感器支架的微小振动可能导致画面模糊。采用激光多普勒测振仪，可以非接触地分析不同飞行状态下这些组件的振动特性，指导结构优化。

• 半导体晶圆对准机构的亚微米级运动检测： 在半导体制造中，对准机构的微小振动会直接影响晶圆刻蚀精度。利用激光干涉仪的超高精度，可以实时监测对准平台的运动平稳性和重复性，确保生产过程的稳定性和产品良率。

• 车载摄像头AF马达的振动噪声分析： 汽车行驶中的振动可能导致车载摄像头自动对焦（AF）马达产生异常振动，进而影响成像或产生异响。通过高采样率的光谱共焦传感器，可以精确测量AF马达在不同工作状态下的振动位移，分析振动噪声来源，并进行优化改进。

参考资料： [ISO 2041：振动与冲击词汇] [ISO 10816系列：机械振动测量与评价导则] [ISO 7919系列：旋转机械的振动]