От промышленных испытаний до удаленного здравоохранения, прецизионная фокусировка на миллисекундном уровне обеспечивается тройным сотрудничеством оптики, электроники и алгоритмов.
Когда мы начинаем видеоконференцию или сканируем документ с помощью телефона, USB-камера может мгновенно представить четкое изображение, что обусловлено использованием технологии автофокусировки. Эта, казалось бы, простая функция на самом деле является точным взаимодействием оптического дизайна, электронного управления и алгоритмического принятия решений. От традиционных модулей объективов с шаговым двигателем до революционных жидкостных линз и миграции технологий камер мобильных телефонов в USB-камеры, технология автофокусировки разработала несколько технологических путей для удовлетворения потребностей различных сценариев.

1. Основной принцип автофокусировки: замкнутый цикл оптики, оценки и выполнения

Основная задача автофокусировки — точно сфокусировать падающий свет на фоточувствительном элементе путем регулировки расстояния между объективом и датчиком изображения.
Реализация этой цели с помощью USB-камер зависит от совместной работы трех основных модулей:

Система оптического сбора: Объектив, фильтр и датчик изображения CMOS (например, модуль OIS12M с 12 мегапикселями) отвечают за захват необработанного света и его преобразование в электрические сигналы. Когда свет преломляется через объектив, он образует интерференционные картины на датчике изображения, а разность фаз (значение PD) этих интерференционных картин может использоваться для расчета положения фокусной точки.

Система оценки четкости: После получения данных изображения через USB-интерфейс компьютер использует быстрое преобразование Фурье (FFT) или дифференциальные операции для расчета спектральной амплитуды или данных резкости краев — это называется функциями оценки четкости изображения (FV). Значение FV получается путем анализа контраста изображения, который по сути рассчитывает разницу в оттенках серого между соседними пикселями. Чем больше разница, тем четче изображение.

Механизм выполнения: По инструкциям системы принятия решений приводное устройство (шаговый двигатель/VCM-двигатель/жидкостная линза) перемещает положение объектива. Например, шаговый двигатель будет приводить объектив вперед и назад через набор передач с точностью до микрометров; VCM-двигатели с голосовой катушкой полагаются на принцип электромагнитной индукции для достижения точного смещения. Весь процесс управления с обратной связью можно обобщить следующим образом: захват изображений → расчет четкости → регулировка объектива → проверка эффекта → фиксация фокуса. Когда система обнаруживает расфокусировку, она немедленно запускает этот процесс, чтобы обеспечить восстановление четкости изображения.

2. Путь технологической реализации: от традиционных шестерен к жидкостной революции
(1). Традиционная схема механического привода: взлет и падение шаговых двигателей
В ранних USB-камерах обычно использовалась комбинация шаговых двигателей и наборов передач. Прототип, разработанный Чжэцзянским университетом, использует чип датчика OV7620. После того как компьютер распознает расфокусировку, он отправляет импульсный сигнал на схему управления двигателем (например, чип PIC16C73A) через USB-интерфейс. Двигатель вращается на фиксированный угол (например, 1,8°) каждый раз, когда получает импульс, а вращательное движение преобразуется в линейное смещение объектива через червячный или резьбовой привод.

Преимущество заключается в простой конструкции и низкой стоимости, но есть очевидные недостатки: ограниченный срок службы из-за механического износа (обычно сотни тысяч циклов фокусировки), низкая скорость фокусировки (требуется 100-500 миллисекунд), слабая ударопрочность и легкие сбои в мобильных устройствах.

(2). Революция жидкостных линз: миллисекундная реакция без механического движения

Технология электросмачивания, разработанная Varioptic во Франции, открыла новый путь. Эта технология впрыскивает две несмешивающиеся жидкости, изолирующее масло и проводящий водный раствор, в герметичную камеру. Когда к электроду прикладывается напряжение, кривизна жидкостного интерфейса изменяется из-за изменения поверхностного натяжения, тем самым обеспечивая регулировку фокусного расстояния на миллисекундном уровне.
Промышленная камера PixeLINK USB 3.0 первой применила эту технологию, и ее преимущества весьма заметны:
Отсутствие физических движущихся частей: срок службы более 400 миллионов операций
Сверхвысокая скорость фокусировки:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
Высокая адаптивность к окружающей среде: выдерживает механическое воздействие 2000g, с макровозможностью<5см
Чрезвычайно низкое энергопотребление: Сама линза потребляет менее 1 мВт мощности

(3). План миграции мобильных технологий: VCM и непрерывная фокусировка
С растущим спросом на качество изображения в камерах ноутбуков начала внедряться технология модулей камер мобильных телефонов. USB-модуль, разработанный Sunny Optoelectronics, использует VCM-двигатели с голосовой катушкой (обычно встречающиеся в камерах мобильных телефонов) в сочетании с 5-мегапиксельным CMOS-датчиком для достижения миниатюрного дизайна толщиной менее 5 мм.

VCM основан на принципе электромагнитной индукции, где изменения тока заставляют катушку двигаться вверх и вниз в магнитном поле, что приводит к смещению объектива. Его преимущества заключаются в малом размере, быстрой реакции и поддержке непрерывной автофокусировки (CAF) — система постоянно отслеживает изменения значений FV и повторно фокусируется, когда резкость падает ниже порога, обеспечивая четкость в движущихся сценах.

3. Основной алгоритм: как камера «думает» о фокусе?
Стратегия поиска фокуса
Метод глобального поиска: Переместите камеру от ближайшего конца к дальнему, рассчитайте значение FV на протяжении всего процесса и выберите пиковое положение. Низкая скорость, но высокая надежность, подходит для начальной фокусировки.
Алгоритм подъема по склону: основное решение для оптимизации. Система сначала перемещает камеру большими шагами, чтобы определить тенденцию изменения FV, и переключается на мелкие шаги точной настройки при приближении к пику. Современные алгоритмы, такие как подъем по склону с переменным шагом и переменной скоростью, могут динамически разделять область дальнего фокуса (быстрое сканирование большими шагами) и область ближнего фокуса (точная настройка малыми шагами).
Механизм определения пика
Традиционное обнаружение одиночного пика подвержено влиянию шума. Микроскопная камера Hangzhou Atlas Optoelectronics использует критерий «два подъема и два падения»: когда значения FV в пяти последовательных положениях удовлетворяют FV₁FV₄>FV₅, FV ₚ считается фокусом. Чтобы предотвратить ложное срабатывание, также необходимо проверить, что значение превышает адаптивный порог (например, 90% максимального FV во время предыдущего процесса фокусировки).

Технология адаптации к сцене
После завершения фокусировки система постоянно отслеживает яркость сцены и значение FV области. Если обнаружены значительные изменения (например, движение объекта или внезапные изменения освещения), запускается повторная фокусировка. Подождите, пока яркость/флуктуация FV стабилизируется в пределах порога, и определите, что сцена вернулась в состояние покоя. Эта адаптивность к динамическому диапазону значительно улучшает производительность при слабом освещении.

4. Передовые гибридные технологии и адаптация к приложениям
Гибридная технология фокусировки
Высококлассная USB-камера использует гибридную схему обнаружения фазы (PDAF) и контрастной фокусировки (CDAF). PDAF имитирует разницу человеческого глаза, размещая специальные маскирующие пиксели (пиксели с маскировкой левой и правой половины, появляющиеся парами) на CMOS-датчиках для расчета разности фаз и достижения предварительного быстрого позиционирования; CDAF выполняет точную настройку. Референсный дизайн камеры видеонаблюдения 4K, совместно разработанный Renesas Electronics и Lianyong Technology, использует эту схему, которая обеспечивает превосходную точность распознавания объектов в условиях слабого освещения.
Адаптация технологий к промышленным приложениям
Промышленный контроль и медицинская визуализация: Камеры с жидкостными линзами PixeLINK превосходно работают в таких областях, как сканирование штрих-кодов и распознавание сетчатки благодаря своим антивибрационным и мощным макровозможностям.
Динамическая видеозапись: Камера OIS13M с оптической стабилизацией изображения (OIS) сочетает оптическую стабилизацию изображения (OIS) и автофокусировку для достижения стабильного изображения в дронах или при спортивной езде на велосипеде.
Микроскопическая визуализация: Hangzhou Atlas Optoelectronics использует частные команды протокола UVC для управления микроскопом-камерой и решает проблему локального пикового вмешательства при большом увеличении с помощью адаптивного распознавания рулевого управления.

5. Направление будущего развития
С развитием технологий вычислительной фотографии автофокусировка USB-камер развивается в трех направлениях:
Алгоритмический интеллект: Комбинирование глубокого обучения для прогнозирования фокусных положений и уменьшения механического хода поиска. Например, предварительное определение области объекта на основе семантической сегментации сцены или прогнозирование траектории объекта с помощью анализа размытия движения.
Аппаратное слияние: Гибридный привод жидкостной линзы и VCM стал новой тенденцией, например, модуль датчика IMX415 обеспечивает 3-кратное оптическое увеличение при сохранении компактного размера 38×67,39 мм.
Обновление протокола и передачи: Новый интерфейс USB4 преодолеет ограничение пропускной способности 480 Мбит/с, что позволит осуществлять передачу и обработку данных 8K с высоким разрешением в реальном времени, обеспечивая основу данных для сверхточной фокусировки.