前 言
无论是像素升级、光学防抖，还是大光圈、双摄像头，光学一直是消费电子的创新主战场之一。随着光学技术的不断发展，对光学镜头的成像素质要求也越来越高。其中，MTF是衡量镜头解析力的最基础也最重要的指标。AI时代推动了手机、车载、AR等产品的更新换代，目前产线中手机镜头、车载镜头、AR眼镜等都需要进行MTF检测全检。新技术引领了新的检测，也带来了新的装备需求。
一、光学镜头及其应用领域
1. 什么是光学镜头
光学镜头是一种将光线进行聚焦、定向或校正的关键设备，由透镜或透镜组构成，在众多领域发挥着重要作用。
光学镜头利用光的折射和反射原理，搜集被拍摄物体的反射光并将其聚焦于图像传感器上。根据不同的用途，可分为摄影镜头、摄像镜头、显微镜镜头、望远镜镜头、工业镜头等，不同用途的镜头根据其应用场景的需求，在设计和性能上有所侧重。
图1 华为P20 Pro 三摄像头
资料来源：网络
2. 光学镜头的难点
光学镜头具有非常高的技术难度，目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。光学镜头的难点主要在于设计和制造环节。
1）设计环节：设计环节需要的是多年的经验积累，以及想象力的发挥，不仅仅是一门工程，更是一门艺术。每一个设计的光学镜头都可以专门申请专利，保护设计师的心血结晶。设计环节直接决定厂商能否生产某一规格的镜头，是进入这个行业的门票。
2）制造环节：如果说设计解决的是镜头厂商能否生产的问题，那么制造环节就是决定生产良率和一致性的关键。在模具、成型、组装等环节，对于生产精度都有非常高的要求，任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生非常大的影响。
3.光学镜头的应用领域
光学镜头下游应用可分为消费级市场和工业领域两大类。
其中，消费级市场应用包括专业相机镜头，手机相机模组镜头、安防监控镜头、车载镜头和AR/VR设备镜头等；工业领域的应用则以机器视觉检测为主。
目前消费级市场是光学镜头的最重要应用领域，也是光学镜头创新的主要战场。
表1 消费级摄像头简介
资料来源：网络公开资料整理
二、光学镜头MTF测试设备简介
1. 什么是MTF指标？
衡量镜头解析力的常用指标是MTF（Modulation Transfer Function，调制转换函数)，它衡量的是镜头对对比度的还原情况。理想镜头的还原情况可以达到100%，最差的镜头无法还原对比度，所以MTF的值位于0-1区间内。MTF的值越大，表明镜头的解析力越好。
例如在下图中，黑白条的对比度原本是100%，但经过镜头的处理之后，黑白条的中间地带会由于光线的串扰而呈现灰色，这就是无法完全还原对比度的情况。在这个例子中，这个镜头的MTF值为90%，表示可以还原90%的对比度。
图2 MTF是镜头对对比度的还原情况的衡量
资料来源：光学人生微信公众号
2. 什么是MTF测试设备？
光学镜头MTF测试机（Modulation Transfer Function Test Machine）是一种用于测量光学系统成像质量的精密仪器。一般消费市场领域的手机镜头、车载镜头、AR眼镜等，都需要进行MTF检测全检。
其主要用途包括：
1) 成像质量评估：MTF测试通过测量不同空间频率下的对比度，评估镜头对细节的保留能力，适用于高分辨率成像需求的应用，如医疗成像、卫星成像和显微镜等。
2) 设计优化：在镜头设计的早期阶段，MTF测试帮助设计者预测和优化镜头性能，通过调整设计参数实现最佳成像效果。
3) 质量控制：MTF测试作为质量控制工具，确保每批镜头达到预定的性能标准，检测生产过程中的偏差。
4) 系统匹配： MTF测试有助于选择合适的镜头组合，确保整个成像系统的性能最优化。
5) 性能验证：MTF测试验证成像设备是否满足特定的应用要求，提供标准化的性能验证方法。
6) 提升市场竞争力：高质量的成像性能是光学产品的关键卖点，MTF测试结果有助于提升产品的市场竞争力。
图3 德国全欧TRIOPTICS紧凑型高精度MTF测量仪
资料来源：全欧官网产品图片
3. MTF测试设备组成结构及测试流程
1）组成结构：
●光源：提供均匀的光源，如灯管或激光器，用于生成测试信号。
●光学系统：透镜，用于成像被测系统。测试目标，如正弦波、十字靶、针孔靶等，用于生成不同空间频率的输入。
●图像采集装置：CCD或CMOS相机，用于捕捉被测系统的成像结果。
●数据处理系统：计算机和软件，用于分析图像数据，计算MTF曲线。
●机械装置：精密运动控制，用于调整测试目标和被测系统的相对位置。自动切换模块，用于更换测试目标和样品。
图4 MTF测试设备核心装置
资料来源：网络
2）测试流程：
●光源启动：开启光源，生成均匀的光束；
●成像：通过透镜将测试目标成像到CCD或CMOS相机上；
●数据采集：相机捕捉成像结果并传输到计算机；
●数据分析：计算机通过傅里叶变换计算MTF曲线；
●结果输出：生成MTF曲线图，评估光学系统的成像质量。
4. MTF测试设备技术难度
MTF测试涉及复杂的光学和机械系统，需要高精度的对准和定位技术。例如，机械错位和定位误差会显著影响测试结果的准确性。具体来说，MTF测试设备的难点体现在硬件和软件两个方面。
1）硬件方面：
●高精度和高稳定性：MTF测试机需要具备高精度和高稳定性的特点，以确保测试结果的准确性和可靠性。这要求硬件设计中必须采用精密的运动控制技术和高精度的传感器，以实现对镜头成像质量的精确评估。
●多相机同步与一致性：在MTF测试中，通常需要使用多个工业相机来捕捉不同位置的图像。如何确保这些相机的同步性和成像效果的高度一致性是一个关键问题。这不仅涉及硬件的同步机制，还需要在软件层面进行优化，以减少因相机不同步或成像差异带来的误差。
●噪声抑制与抗干扰能力：MTF测试过程中，噪声和干扰是影响测试精度的重要因素。特别是在使用刃边法等测试方法时，噪声和刃边倾角的变化会对测试结果产生显著影响。因此，硬件设计需要具备强大的噪声抑制能力和抗干扰能力，以提高测试的准确性和重复性。
●复杂光学系统的适配性：MTF测试机需要能够适应不同类型的镜头和光学系统。这要求硬件设计具有高度的灵活性和可扩展性，能够快速适应不同的测试需求。
●数据处理与实时性：MTF测试涉及大量的数据采集和处理，如何在保证数据处理速度的同时，确保测试的实时性和高效性是一个技术难点。这需要在硬件设计中集成高性能的数据处理单元，并优化算法以提高计算效率。
●机械错位与对齐精度：在MTF测试中，机械错位和对齐精度对测试结果的影响非常大。如何减少机械错位带来的不确定性，并确保样品、准直器和检测器的对齐精度，是硬件设计中的一个重要挑战。
●素尺寸下的性能优化：随着传感器像素尺寸的减小，MTF测试的难度增加。如何在小像素尺寸下保持高分辨率和低噪声，是硬件设计中的一个关键难点。
2）软件方面：
●技术复杂性：MTF测试机的软件算法需要处理复杂的图像处理任务，包括图像预处理、特征提取、物体检测与识别等。这些任务的技术复杂性较高，尤其是在实时性和算法泛化能力方面存在挑战。
●数据样本不足：在训练和优化算法时，数据样本的不足可能导致模型泛化能力不足，影响算法的准确性和鲁棒性。
●实时性要求：MTF测试机需要在短时间内完成图像处理和分析任务，这对算法的实时性提出了高要求。然而，复杂的算法往往难以满足实时性的需求。
●算法优化与计算效率：在进行MTF计算时，需要高效地处理大量数据并优化计算过程。例如，使用ZEMAX软件进行MTF优化时，需要在波前初始优化和MTF计算之间找到平衡，以提高计算效率。
●多尺度特征匹配：在实时目标检测中，MTF检测器需要匹配多尺度特征与预测任务，这增加了算法的复杂性和计算负担。
●算法的稳定性和准确性：MTF测试机的软件算法需要确保测试结果的稳定性和准确性。例如，在CT设备的MTF计算中，需要通过Droege方法与条形图案进行比较，以验证程序的准确性。
●硬件与软件的协同优化：MTF测试机的性能不仅依赖于软件算法，还受到硬件性能的影响。因此，软件算法需要与硬件设备协同优化，以充分发挥系统的整体性能。
三、光学镜头MTF测试设备行业概况
1. 产业链上下游
整个光学产业链主要包括上游的光学材料和仪器设备，中游的光学镜头和摄像头生产商，以及下游的消费电子、汽车、安防、AR/VR等应用领域厂商。MTF测试设备处于整个光学产业链的上游，属于检测设备。
2. 市场空间
1) 中国市场：根据博研咨询数据，2023年中国MTF测量仪行业的市场规模达到了约45 亿元人民币，同比增长12%。预计到2025年，市场规模将达到约60亿元人民币，复合年增长率约为10%。
2) 全球市场：根据QYResearch的报告，随着光学镜头的快速迭代发展，2023-2030年全球MTF测量仪市场年复合增长率超10%，2025年市场规模约100亿元美金。随着全球光学产业的发展，MTF测试设备市场有望持续扩大。
3. 竞争格局
德国全欧（Trioptics）是MTF测试设备的行业龙头，占据大部分市场份额。近年来，国内厂商不断攻克技术难点，逐渐建立了性能对标、性价比高和相应服务快的竞争优势，国产替代趋势显著。部分厂商情况如下：
四、永鑫观点
MTF测试设备广泛应用于智能手机、汽车、电脑、相机等诸多领域。以智能手机行业为例，随着消费者对手机拍照质量要求不断提高，手机厂商对镜头成像质量把控愈发严格，MTF 测试设备成为保障镜头质量的关键工具，市场需求持续攀升。汽车领域，自动驾驶技术的兴起促使车载摄像头数量增加与性能提升，同样带动了对MTF测试设备的需求。多领域的强劲需求使得MTF测试设备市场根基稳固。同时，随着人工智能、大数据等新技术的不断发展，MTF测试设备将朝着更智能化、高精度化方向发展，进而不断拓展应用边界，创造新的市场需求。
光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升，已经成为各大产品厂商进行差异化竞争的焦点和主战场之一。未来永鑫资本也将持续关注光学领域的变革和创新，深入挖掘产业链上下游优质企业，持续助力中国实体经济。
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