От промышленных испытаний до удаленного медицинского обслуживания, точность концентрации на уровне миллисекунд обусловлена тройным сотрудничеством в области оптики, электроники и алгоритмов.
Когда мы начинаем видеоконференцию или сканируем документ с помощью нашего телефона, USB-камера может мгновенно представить четкое изображение, что обусловлено использованием технологии автофокусирования.Эта, казалось бы, простая функция на самом деле является точным сотрудничеством оптического дизайна.От традиционных модулей линз с шаговым двигателем до революционных жидких линз,и к переходу технологии камеры мобильных телефонов на камеры USBТехнология автоматической фокусировки разработала несколько технологических путей для удовлетворения потребностей различных сценариев.

1Основной принцип автофокусирования: закрытый цикл оптики, оценки и выполнения

Основная задача автофокуса заключается в точном фокусировании падающего света на светочувствительном элементе путем регулирования расстояния между линзой и датчиком изображения.
Реализация этой цели с помощью USB-камер зависит от совместной работы трех основных модулей:

Система оптического захвата: линза, фильтр и датчик изображения CMOS (например, 12-мегапиксельный модуль OIS12M) отвечают за захват необработанного света и преобразование его в электрические сигналы.Когда свет преломляется через линзу, он образует интерференционные модели на датчике визуализации, и разница фаз (стоимость PD) этих интерференционных моделей может быть использована для расчета положения очаговой точки.

Система оценки ясности:После получения данных изображения через интерфейс USB,компьютер использует операцию быстрого преобразования Фурье (FFT) или дифференциальные операции для расчета спектральной амплитуды или данных о четкости краев - это называется функциями оценки четкости изображения (FV)Значение FV получается с помощью анализа контраста изображения, который, по сути, вычисляет разницу серости между соседними пикселями.

Механизм исполнения: В соответствии с инструкциями системы принятия решений, приводное устройство (степпер-мотор/ВКМ-мотор/жидкий объектив) перемещает положение объектива.шаговой двигатель будет двигать линзу вперед и назад через набор трансмиссии, с точностью до микрометров; двигатели VCM-голосовой катушки полагаются на принцип электромагнитной индукции для достижения точного смещения.Весь процесс управления в замкнутом цикле может быть обобщен как: захват изображения → расчет четкости → регулирование объектива → проверка эффекта → блокировка фокусировки.он сразу же запустит этот процесс, чтобы гарантировать, что изображение будет восстановлено к ясности.

2Технологический путь внедрения: от традиционных механизмов до жидкой революции
(1) Традиционная схема механического привода: рост и падение шаговых двигателей
Ранние USB-камеры обычно использовали комбинацию шаговых двигателей и наборов передаточных механизмов.После того, как компьютер распознает дефокусировку, он посылает импульсный сигнал в схему привода мотора (например, чип PIC16C73A) через интерфейс USB. Мотор вращается под фиксированным углом (например, 1,8 °) каждый раз, когда он получает импульс,и вращательное движение преобразуется в линейное смещение линзы через червь или нить.

Преимущество заключается в его простой структуре и низкой стоимости, но есть очевидные недостатки: ограниченный срок службы из-за механического износа (обычно сотни тысяч циклов фокусировки),медленная скорость фокусировки (требует 100-500 миллисекунд), слабая устойчивость к ударам, и легкий отказ в мобильных устройствах.

(2) Оборот жидкой линзы: реакция на уровне миллисекунд без механического движения

Технология электроувлажнения, разработанная Varioptic во Франции, открыла новый путь.в запечатанную камеру.Когда на электрод наносится напряжение, из-за изменений поверхностного напряжения изменяется кривизна жидкого интерфейса, тем самым достигается регулирование фокусного расстояния на уровне миллисекунд.
Промышленная камера PixeLINK USB 3.0 первой применила эту технологию, и ее преимущества поразительны:
Никаких физических движущихся частей:Срок службы более 400 миллионов операций
Сверхвысокая скорость фокусировки:<50 миллисекунд в режиме открытого цикла, приблизительно 10 кадров в секунду в режиме закрытого цикла
Сильная адаптивность к окружающей среде:способный выдерживать 2000 г механического удара, с макроспособностью < 5 см
Очень низкое энергопотребление:Сам объектив потребляет менее 1 мВт энергии.

(3) План миграции мобильных технологий: ВКМ и постоянное сосредоточение
В связи с растущим спросом на качество изображения в ноутбучных камерах, технология модулей камер мобильных телефонов начала внедряться.Модуль USB, разработанный Sunny Optoelectronics, использует VCM-моторы голосовой катушки (обычно встречаются в камерах мобильных телефонов), в сочетании с 5-мегапиксельным датчиком CMOS, для достижения миниатюрного дизайна толщиной менее 5 мм.

VCM основана на принципе электромагнитной индукции, где изменения тока заставляют катушку двигаться вверх и вниз в магнитном поле, что приводит к смещению линзы.Его преимущества заключаются в его небольшом размере, быстрая реакция и поддержка непрерывной автофокусировки (CAF) - система непрерывно контролирует изменения значений FV и перефокусируется, когда четкость падает за порог,обеспечение ясности в сценах движения.

3Основной алгоритм: как камера "размышляет" о фокусе?
Стратегия поиска фокуса
Метод глобального поиска:Перемещайте камеру от ближайшего конца к отдаленному концу, рассчитывайте значение FV на протяжении всего процесса и выбирайте пиковое положение.
Алгоритм скалолазания:Система сначала перемещает камеру по большим шагам, чтобы определить тенденцию изменений ФВ, и переключается на мелкое изменение шагов при приближении к пику.Современные алгоритмы, такие как переменный шаг и переменная скорость восхождения на холм, могут динамически делить область дальнего фокуса (большой шаг быстрого сканирования) и область ближнего фокуса (малый шаг тонкой настройки).
Механизм определения пика
Традиционное обнаружение одного пика восприимчиво к помехам шума.когда значения FV на пяти последовательных позициях удовлетворяют FV 1FV 4>FV 5, FV оценивается как фокус. Чтобы избежать ошибочного суждения,необходимо также проверить, что значение превышает адаптивный порог (например, 90% от максимальной FV во время предыдущего процесса фокусировки);.

Технология адаптации сцены
После завершения фокусировки система непрерывно контролирует яркость сцены и значение FV области.Если обнаружены значительные изменения (например, движение цели или внезапные изменения освещения)Подождите, пока колебания яркости/ФВ стабилизируются в пределах порога, и определите, что сцена вернулась к тишине.Эта адаптивность динамического диапазона значительно улучшает производительность при низком освещении.

4, Граничные гибридные технологии и адаптация приложений
Технология гибридной фокусировки
Высококачественная камера USB использует гибридную схему обнаружения фаз (PDAF) и фокусировки контраста (CDAF). PDAF simulates human eye disparity by arranging special masking pixels (left half masking and right half masking pixels appearing in pairs) on CMOS sensors to calculate phase differences and achieve preliminary fast positioning; CDAF выполняет тонкую настройку; эталонный дизайн камеры видеонаблюдения 4K, разработанной совместно Renesas Electronics и Lianyong Technology, использует эту схему,который обеспечивает отличную точность распознавания цели при слабом освещении.
Приспособление технологии для промышленного применения
Промышленная инспекция и медицинская визуализация:Камеры с жидкими линзами PixeLINK превосходят в таких областях, как сканирование штрих-кодов и распознавание сетчатки из-за их антивибрационных и сильных макроспособностей.
Динамическая видеозапись:Камера OIS13M сочетает в себе оптический анти-трепет (OIS) и автофокус для достижения стабильной съемки в беспилотниках или спортивных велосипедах.
Микроскопическое изображение:Hangzhou Atlas Optoelectronics использует протокол УФК для управления камерой микроскопа.и решает проблему локальных пиковых помех при высоком увеличении с помощью адаптивного распознавания рулевого управления.

5, направление будущей эволюции
С развитием технологии вычислительной фотографии автофокус USB-камеры развивается в трех направлениях:
Алгоритмический интеллект:Сочетание глубокого обучения для прогнозирования фокусных позиций и сокращения механического поиска.или прогнозировать траекторию цели с помощью анализа размытия движения.
Аппаратное слияние:Гибридный привод жидкого объектива и VCM стал новой тенденцией, например, сенсорный модуль IMX415, достигающий 3x оптического зума при сохранении компактного размера 38 × 67,39 мм.
Протокол и обновление передачи:Новое поколение интерфейса USB4 прорвется через пределы полосы пропускания 480 Мбит/с, сделав возможным передачу в реальном времени и обработку данных высокого пиксельного разрешения 8K,обеспечивая базу данных для сверхвысокой точности фокусировки.