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主動對位 (AA) 技術深度解析：驅動次世代光學與光子學製造的關鍵力量

主動對位技術 (AA) 深度解析：驅動次世代光學與光子學製造的關鍵力量

主動對位（Active Alignment, AA）技術已從一項利基製造工藝，演變為一項基礎性的賦能技術，對於次世代光學與光子系統的大規模生產而言，從汽車先進駕駛輔助系統（ADAS）與光學雷達（LiDAR），到矽光子學與擴增/虛擬實境（AR/VR）頭戴裝置，主動對位技術已變得不可或缺，其核心價值在於，以智慧化的即時製程式控制制，取代了對高精度機械零組件的嚴苛依賴。


虛擬實境 (VR)、擴增實境 (AR) 和混合實境 (MR) 的應用已滲透到多個產業，準確的設備校準是確保產品性能與使用者體驗的關鍵；Averna VR/AR/MR 校準平台 以最高精度的技術標準，支援相機與慣性量測單元 (IMU) 的高效校準，以靈活的自動化品質解決方案助力實現快速部署和升級，滿足製造業嚴苛需求，為未來技術應用奠定堅實基礎。

主要發現

  • 技術的必然性：主動對位技術能夠執行動態、多軸向（最高達六個自由度）的調整，是克服複雜、微型化光學組件中固有的累積公差誤差的唯一可行方法。
  • 經濟效益的轉變：主動對位從根本上改變了成本效益的權衡，它將製造模式從依賴高成本、高公差的零組件（被動對位），轉向投資於智慧化、高彈性的自動化平臺，最終顯著提升良率並降低整體品質成本。
  • 應用生態系統：主動對位是高成長市場價值鏈中的關鍵環節，這些市場包括汽車安全、數據通訊、消費性電子以及新興的沉浸式技術。
  • 未來軌跡：人工智慧（AI）與機器學習（ML）的整合是主動對位的下一個演化階段，有望將其從自動化（automated）轉變為自主化（autonomous）的自我優化系統。這將大幅縮短對位時間，並透過降低對專家級製程開發的需求，使該技術更加普及。

主動對位範式：原理與策略價值

接下來將探討主動對位的基本概念，不僅將其視為一種機械程式，更將其定位為一種策略性的製造哲學。

定義主動對位：主動感知原理

主動對位的核心定義是：在組裝過程中，透過監測一個即時回饋訊號（如光功率或影像品質），並進行動態的機械調整，以精確定位零組件（例如鏡頭、感測器、光纖），從而使該訊號達到最佳化。

此過程體現了電腦視覺領域中的「主動感知」（Active Perception）概念，一個主動對位系統並非被動的觀察者，而是一個智慧代理（intelligent agent），它主動地操控其感測裝置（即被對位的零組件），以提升感知結果的品質（即回饋訊號），系統明確知道為何要進行感測（為了達到最佳對位），並主動控制此過程的如何、何時與何處，這使其與傳統的、預先編程的自動化系統有著本質上的區別。

被動與主動的二分法：策略與經濟分析

被動對位（Passive Alignment）依賴於高精度製造的獨立零組件與機械特徵（例如，嚴格公差的機殼、V型槽），透過「直接置入」或「樂高式」的組裝方式來達成對位元，在組裝過程中，對於最終對位品質的控制能力極其有限。

相對地，主動對位利用即時回饋來補償零組件的製造變異，這使得零組件的公差要求得以放寬，因為對位過程的「智慧」能夠修正這些不完美之處，這種方法的策略性影響深遠，它代表了製造思維的根本轉變：將對精度的要求從物理領域（完美加工的零組件）轉移至資訊物理領域（一個能補償不完美的智慧化機器）；傳統被動對位的成功與否在組裝前就已由零組件的品質決定；而主動對位的成功則是在組裝過程中由其「感測-處理-致動」回饋迴路的品質決定，這代表企業可以投資於一個更具彈性、智慧化且可重複使用的AA平臺，而非為每一款新產品採購昂貴、客製化的高精度零組件，此舉將產品設計從超高公差零組件製造的束縛中解放出來，從而實現更快的創新週期與更複雜的產品幾何設計。

表 2.1：主動對位與被動對位比較分析
特性 主動對位 (Active Alignment) 被動對位 (Passive Alignment)
對位精度 次微米級；是超精密系統的唯一選擇 10-25 微米 TIR 或更差，受限於累積公差
零組件公差要求 寬鬆 嚴格
零組件成本 較低 較高
組裝良率 較高 較低
品質成本 較低 較高
產能/週期時間 透過先進演算法可達數秒，速度極快 較快，但精度受限
資本設備成本 較高 較低
製程彈性 高，可補償零組件變異 低，對零組件品質敏感
環境耐受性 較高，對溫度變化和機械衝擊不敏感 較低，對溫度變化敏感，可能產生應力

Averna 主動對準組裝與測試平台 提供次微米級精度的光學模組與感測器裝配與測試解決方案，結合 6 自由度主動對準技術，支援從原型開發到全面量產的高效生產需求，適用於汽車 ADAS、醫療影像、消費電子等領域，助力提升產品性能與製造效率。

六個自由度（6-DoF）的優勢：超越簡單定位

主動對位系統通常能沿著三個線性軸（X、Y、Z）與三個旋轉軸（俯仰 Pitch、偏航 Yaw、滾轉 Roll）調整零組件，提供完整的六個自由度（6-DoF）控制，許多系統採用六足平臺（Hexapod）式的並聯運動學定位器來實現此功能。

FiberMaxHP 是 Aerotech 最新一代多軸光子對準系統，專為高通量 24/7 生產設計，採用先進非接觸式直接驅動技術，提供最高 6 軸超高精度定位，線性增量達 2 奈米 (nm)，旋轉精度達 0.05 微弧度 (µrad)

許多製造缺陷，如鏡頭偏心（wedge）或感測器傾斜，並非單純的線性錯位，6-DoF控制對於修正這些複雜的多軸誤差至關重要，這是僅具備Z軸對焦或X-Y放置能力的簡單方法無法企及的，正是這種能力，使得主動對位能夠在整個感測器平面上實現卓越的影像品質，而不僅僅是中心點。

主動對位系統剖析：技術堆疊

接下來將深入剖析構成現代主動對位系統的核心硬體與軟體組件，並闡釋它們如何協同工作。

視覺系統：感知微觀世界

視覺系統的功能是提供即時回饋訊號，此訊號是控制系統試圖最佳化的目標。其主要模式包括：

  • 影像式（機器視覺）：此為最常見的方法，使用一個或多個CCD/CMOS相機擷取影像，系統分析影像的「評估指標」（figure of merit），例如：用於評估影像銳利度的調制轉換函數（Modulation Transfer Function, MTF），或基準標記（fiducial marks）的位置，這在相機模組組裝中至關重要。
  • 光功率式：廣泛應用於光子學與光纖領域，功率計量測從光源（如雷射、光纖）成功耦合至接收器（如PIC、另一根光纖）的光量，系統的目標是最大化此功率讀數。
  • 雷射反射式：一種特殊的非接觸式方法，將雷射光束從鏡頭表面反射，系統透過確保反射光點同心來對齊鏡頭，從而將鏡頭的光軸與機械軸對齊，此方法可實現 0.2 至 10 µm TIR 的超高精度對位。
  • 波前感測：一種直接量測光學波前像差的先進技術。系統隨後調整零組件以最小化這些像差。
FiberAlign FA 系列直驅多軸光子對準平台— 專為精密光子對位打造的頂尖系統，具備 2 nm 解析度與 300 nm 精度，模組化設計靈活對應 3 至 6 軸需求。

致動系統：精準運動的實現

致動系統的功能是執行由控制系統發出的微米級與奈米級的運動指令，致動器的選擇至關重要，取決於所需的精度、力量、速度與行程範圍。

表 3.1：精密致動器技術矩陣
致動器類型 典型精度 最大力量 速度/頻寬 行程範圍 主要優點 主要限制
壓電堆疊致動器 奈米級 高 高 (kHz) 短 (微米) 高剛性、高頻寬 行程非常有限
壓電剪切致動器 奈米級 中 非常高 短 (微米) 反應極快，適用於橫向位移 行程有限
壓電步進/蠕動致動器 次微米級 中 低至中 長 (毫米至釐米) 長行程、斷電自鎖 速度較慢、結構複雜
U型線性馬達 次微米級 中 高 長 成本效益高、行程長 可能有摩擦力
管狀線性馬達 次微米級 中 高 長 無摩擦、散熱佳 成本較高
六足平臺 (Hexapod) 奈米至次微米級 高 中 受限 整合式6-DoF運動、高剛性 行程與運動範圍耦合

控制系統：演算法與智慧

控制系統是主動對位系統的「大腦」，它接收來自視覺系統的輸入，計算必要的修正量，並向致動系統發送指令，形成一個稱為視覺伺服（visual servoing）的閉迴路回饋系統，雖然硬體（致動器、感測器）至關重要，但現代主動對位系統真正的競爭優勢與附加價值在於其控制演算法的複雜程度，從10分鐘的對位縮短到5秒，其差異並非硬體速度，而是演算法的效率，這標誌著從純機電產品到軟體定義的機電系統的轉變。

核心演算法：

  • 搜尋演算法：用於尋找初始訊號或「第一道光」（first light），包括簡單的網格或螺旋掃描，以及更先進的演算法能大幅加速初始搜尋過程。
  • 最佳化演算法：找到訊號後，這些演算法能高效地尋找性能峰值，其中最重要的是平行梯度搜尋（Parallel Gradient Search）；傳統方法一次只調整一個軸，在緩慢的反覆運算迴圈中進行，而此演算法透過微小的探測性移動來量測評估指標（如光功率）的局部梯度，然後同時對多個自由度、元件或通道進行最佳化，這能將對位時間縮短數個數量級（從數分鐘到數秒）。
  • 特定應用演算法：在某些情況下，會使用專門的控制模型，例如用於農業玉米收割機的自適應模糊PID控制結合運動學模型。

黏合與固化製程：實現永久固定

一旦達到最佳對位，零組件必須被永久固定，此過程通常涉及點塗專用黏著劑，執行最終對位，然後快速固化黏著劑（通常使用UV光），在幾秒鐘內將零組件「固定」到位，之後可能需要進行熱固化以達到最終的黏合強度。

黏著劑是一個關鍵但常被忽視的環節，它必須具有低收縮率，且更重要的是一致以及可預測的收縮率，雖然AA系統可以預先補償已知的收縮量，但收縮率的變異性是極具破壞性的，可能毀掉已完成的對位；因此，主動對位的成功不僅是機電整合的挑戰，更是一個多學科的挑戰，其中控制過程與材料科學緊密相連，最佳解決方案需要一個協同設計的系統：一種具有最小且高度可預測收縮率的黏著劑，以及一個能夠精確預補償該收縮曲線的控制演算法。

應用深度剖析：高價值製造中的主動對位

接下來將透過一系列詳細的案例研究，探討主動對位技術如何應用於解決各產業的關鍵製造挑戰。

汽車產業：賦能自主視覺（ADAS與LiDAR）

  • 挑戰：ADAS相機模組與LiDAR感測器是安全關鍵組件，其性能取決於多個光學元件的精確對位，以產生高解析度、無失真的影像或準確的點雲數據，這些系統必須足夠堅固，能在惡劣環境中持續運作至車輛壽命終結。
  • AA實施：
    • ADAS相機：AA被用於將鏡頭組件以6-DoF對齊至CMOS影像感測器，系統針對整個視場的影像銳利度（MTF）進行最佳化，修正會導致影像邊緣模糊或失真的傾斜與偏心誤差。
    • LiDAR發射器：一項公差分析詳細指出，LiDAR發射器（雷射二極體陣列、微透鏡陣列、非球面柱狀透鏡）的組裝對錯位極為敏感；其中，非球面柱狀透鏡的旋轉是最關鍵的參數，需要主動對位元至 ±0.05° 的公差範圍，業界採用混合方法，將敏感度較低的軸透過精密加工的基座進行被動對位，而最關鍵的軸則進行主動對位。
  • 影響：AA是高品質ADAS相機的基礎組裝方法，對於製造可靠、高性能的LiDAR系統至關重要。

矽光子學：在晶片上調控光

  • 挑戰：將光從光纖陣列耦合至光子積體電路（PIC）是生產中的主要瓶頸，這需要以次微米的精度同時對齊多個通道，以最小化插入損耗。此過程耗時且是主要的成本驅動因素。
  • AA實施：這是先進AA技術的旗艦應用。
    • 過程涉及將光注入PIC，並使用功率計作為回饋。
    • 一個六軸平臺操控光纖陣列或PIC以尋找最佳位置。
    • 關鍵在於，平行梯度搜尋演算法允許系統同時最佳化所有通道與所有相關的自由度，而非逐一進行；與傳統的序列式方法相比，這項突破將對位時間縮短了高達兩個數量級（99%或更多）。
  • 影響：具備平行最佳化能力的自動化AA技術，使得為數據中心和電信領域大規模、具成本效益地製造PIC成為經濟上可行的方案，它是目前PIC產業的首選方法。

AR/VR/MR：組裝元宇宙

  • 挑戰：AR/VR頭戴裝置的使用者體驗對光學品質極為敏感，關鍵挑戰包括將微型顯示器對齊至波導、確保雙眼的光軸（雙眼對位）完美匹配以避免使用者不適，以及對齊眼動追蹤感測器，公差要求在位置上為微米/次微米級，角度上為微弧度級。
  • AA實施：
    • 顯示器至波導對位：AA被用於精確定位微型顯示器相對於波導的輸入耦合器，以最佳化亮度、均勻性與影像品質（MTF、色彩、失真）。
    • 準直光學系統：在基於雷射光束掃描器（LBS）的系統中，AA被用於對齊RGB雷射的準直光學元件，以確保最佳的光學解析度與最大亮度。
    • 雙眼對位：AA系統確保左右眼的顯示模組位置一致，匹配焦距、視場角與瞳距，以實現舒適的立體視覺。
  • 影響：AA是大規模製造高品質、舒適的AR/VR頭戴裝置的關鍵賦能技術，它解決了被動組裝無法達到的嚴格公差要求。

半導體製造：3D整合的下一前沿

  • 挑戰：在先進封裝中，如晶粒對晶圓（die-to-wafer）或晶圓對晶圓（wafer-to-wafer）的接合，零組件必須以極高的精度對齊，以實現電氣與光學的互連。這對於創建3D堆疊IC與整合光子學和電子學至關重要。
  • AA實施：
    • 在光子整合方面，AA被用於利用光柵耦合器將III-V族雷射晶粒對齊至矽光子晶圓上。
    • 晶片上可以設計特殊結構，如分路波導（shunt waveguide），透過提供光學路徑作為回饋，來輔助接合過程中的主動對位。
    • 此過程通常在最終接合（如黏著劑、熱壓或混合接合）發生前，使用六軸平臺進行精確操控。
  • 影響：儘管業界的目標通常是設計用於被動對位的方案以提高產能，但主動對位仍然是開發階段以及需要最高精度以確保高耦合效率和良率的高性能應用中的關鍵技術。

醫療器材：為病患照護注入精準

  • 挑戰：醫療器材的微型化趨勢，如拋棄式內視鏡與光纖導管，要求以高精度和高可靠性組裝微型光學元件。
  • AA實施：
    • 內視鏡相機模組：在相機模組（尺寸可小至1mm）的鏡頭組裝步驟中，AA設備被用於高精度校準，以對齊鏡頭與CMOS感測器，並確保其光學中心匹配。
    • 光學元件黏合：AA被用於醫療技術中棒狀透鏡與其他光學元件的黏合，在高強度和精確的UV光照射下固化小間隙中的黏著劑是此過程的關鍵部分。
  • 影響：AA使得複雜、微型化的醫療光學系統得以大規模生產，提升了診斷能力，並支援了微創手術的發展。

在所有這些應用中，主動對位都扮演著一個降低製造風險的角色，它使生產線對零組件供應和上游製程中不可避免的變異更具彈性，一個基於被動對位的生產線是脆弱的，一批公差略有偏差的零組件就可能導致停產或良率大幅下降；而基於AA的生產線則更為穩健，其補償變異的能力代表它可以適應更廣泛的零組件品質範圍，從而使供應鏈更具韌性。

市場格局與競爭生態

接著我們來探討主動對位的商業層面，檢視市場規模、成長驅動力以及塑造該產業的關鍵企業。

市場規模與成長軌跡

  • 市場價值：全球主動對位設備市場在2024年的價值為8.25億美元，一份相關的市場預測報告指出，到2034年，該市場將成長至17.8億美元，複合年均成長率（CAGR）高達10.2%，另一份報告則預測CAGR為8.0%，到2031年將達到14.04億美元，儘管具體數字略有差異，但所有報告均一致指向強勁的市場成長。
  • 主要驅動力：市場成長主要由主要終端市場對高品質相機與感測器日益增長的需求所驅動。
  • 市場區隔：
    • 按應用：主要市場區隔為手機相機、車用相機及其他相機（包括AR/VR、醫療、安防等），預計汽車與AR/VR領域將是高成長區域。
    • 按設備類型：包括單工位、雙工位與多工位機台，以及按產能（如每小時產出低於300件、300-500件、超過500件）劃分。
表 5.1：主動對位設備市場區隔與預測
市場區隔 2024年市場規模 (預估) 預計CAGR 2034年市場規模 (預測)
按應用      
手機相機 主要市場 穩定成長 -
車用相機 顯著市場 高成長 -
AR/VR 新興市場 非常高成長 -
醫療及其他 利基市場 成長 -
總計 ~8.25億美元 ~10.2% ~17.8億美元

對位的未來：策略展望與建議

本章節綜合技術與市場趨勢，為主動對位的演進提供前瞻性視角。

人工智慧與機器學習的影響：從自動化到自主化

傳統的AA是自動化的 — 它遵循一套預先編程的規則與演算法，而AI正在推動向自主化對位的轉變，系統不再是被明確編程，而是能夠學習最佳的對位策略。

  • 提升速度與效率：ML模型，特別是卷積神經網絡（CNN），能夠從單張相機影像中預測最佳對位位置，將對位時間從數秒縮短至毫秒級；強化學習（RL）能夠發現比人類設計的策略更快、更穩健的對位方法。
  • 量化的效益：研究顯示了顯著的時間縮減，如下表所示，對位時間可以減少數個數量級。
  • 專業知識的普及化：基於ML的系統能夠學習並適應製程漂移與零組件變異，減少了對高技能工程師持續校準與調整系統的需求，這大大降低了部署AA系統的非經常性工程（NRE）成本與專業門檻，使其能夠應用於更廣泛的製造領域。
  • 預測性維護：AI可以分析系統數據以預測工具磨損或即將發生的故障，從而減少停機時間並提高整體設備效率（OEE）。
表 6.1：機器學習對對位製程的量化影響
應用/任務 傳統方法 傳統時間 ML賦能方法 ML賦能時間 時間縮減
準光學產生器對位 手動調整 >4000 分鐘 迴歸演算法 (LR/DNN) <180 分鐘 ~95%
晶體自對位 手動搜尋與調整 數小時 M-LOOP 演算法 ~10 分鐘 >90%
微光學(FAC)鏡頭組裝 傳統主動對位 數十秒 CNN 預測 數百毫秒 >90%
雙鏡望遠鏡對位 手動對位 數天 遺傳演算法 數分鐘 >99%

與工業4.0及自我優化系統的整合

AA機器的「感測-處理-致動」迴圈是工業4.0核心組件 — 資訊物理系統（Cyber-Physical System）的縮影，未來的願景是一個能夠根據變化的條件調整自身目標與行為的生產系統，一個由AI驅動的AA系統正體現了這一點：如果它偵測到零組件公差的系統性轉變，它可以即時調整自身的對位策略，並將數據回饋給中央工廠控制系統，以警示上游製程，這創造了一個具備彈性、認知能力與自主性的生產環境。

策略建議

對技術採用者（產品製造商）的建議：

  • 進行全面的投資回報分析：評估AA時，應超越機器的標價，考慮其整體價值主張：提升的良率、降低的零組件成本、改善的產品性能與可靠性，以及加速新產品的上市時間。
  • 擁抱數據整合：不要將AA機器視為一個黑盒子，將其製程數據整合到工廠的製造執行系統（MES）中，以利用這些數據進行即時品質控制與製程改善。

關於奧創系統

奧創系統科技的專業技術服務橫跨多個尖端領域，展現其深厚的技術底蘊與市場洞察力：

  • 航太國防應用： 提供無人載具、訓練模擬器、衛星幹擾防禦等關鍵系統。
  • 半導體量測設備： 涵蓋探針平臺、高溫壽命測試 (HTOL) 等方案。
  • 運動模擬平臺： 包含高精度六軸平臺與產業訓練模擬器。
  • 射頻 (RF) 測試儀器： 從訊號產生、分析到完整測試系統建置。
  • 光電影像模擬： 提供紅外線目標投影器、黑體校正源等專業設備。
  • 車用製造 與 衛星測試： 針對新興的車用雷達與低軌衛星產業提供測試方案。
  • 客製化系統：包含電波/電磁暗房建置與自動化軟體開發。

奧創系統科技不僅是設備供應商，更是能與客戶共同成長、持續創造雙贏的工程夥伴，以卓越的解決方案，驅動產業的創新力量。

參考資料

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