Desde testes industriais até cuidados de saúde remotos, o foco de precisão de nível de milissegundo é impulsionado pela tripla colaboração entre óptica, eletrônica e algoritmos.
Quando iniciamos uma videoconferência ou escaneamos um documento com o nosso telefone, a câmara USB pode instantaneamente apresentar uma imagem clara, o que se deve ao uso da tecnologia de autofoco.Esta função aparentemente simples é na verdade uma colaboração precisa de design ópticoDesde os tradicionais módulos de lentes movidos por motor passo a lentes líquidas revolucionárias,e à migração da tecnologia de câmaras de telemóvel para câmaras USB, a tecnologia de focagem automática desenvolveu vários caminhos tecnológicos para atender às necessidades de diferentes cenários.

1, O princípio central do autofoco: um circuito fechado de óptica, avaliação e execução

A principal tarefa do autofoco é focar precisamente a luz incidente no elemento fotossensível ajustando a distância entre a lente e o sensor de imagem.
A realização deste objectivo através de câmaras USB depende do trabalho colaborativo de três módulos principais:

Sistema de aquisição óptica: A lente, o filtro e o sensor de imagem CMOS (como o módulo OIS12M de 12 megapixels) são responsáveis por capturar a luz bruta e convertê-la em sinais elétricos.Quando a luz é refratada através da lente, forma padrões de interferência no sensor de imagem e a diferença de fase (valor PD) desses padrões de interferência pode ser usada para calcular a posição do ponto focal.

Sistema de avaliação da clareza:Depois de obter dados de imagem através de uma interface USB,O computador usa a transformação de Fourier rápida (FFT) ou operações diferenciais para calcular dados de amplitude espectral ou nitidez de borda - estes são chamados de funções de avaliação de clareza de imagem (FV)O valor FV é obtido através da análise do contraste da imagem, que calcula essencialmente a diferença de escala de cinzas entre pixels adjacentes.

Mecanismo de execução: De acordo com as instruções do sistema de decisão, o dispositivo de condução (motor passo a passo/motor VCM/lente líquida) move a posição da lente.um motor passo a passo conduzirá a lente para a frente e para trás através de um conjunto de engrenagens de transmissão, com uma precisão de até micrômetros; os motores de bobina de voz VCM dependem do princípio da indução eletromagnética para alcançar deslocamento preciso.Todo o processo de controlo de circuito fechado pode ser resumido como segue:: captura de imagens → cálculo da clareza → ajuste da lente → verificação do efeito → bloqueio do foco.irá imediatamente desencadear este processo para garantir que a imagem é restaurada à clareza.

2, Caminho de implementação tecnológica: das engrenagens tradicionais à revolução líquida
(1) Esquema de accionamento mecânico tradicional: A ascensão e a queda dos motores passo a passo
As primeiras câmeras USB comumente usavam uma combinação de motores passo a passo e conjuntos de engrenagens de transmissão.Depois que o computador reconhecer desfoque, envia um sinal de pulso para o circuito de acionamento do motor (como o chip PIC16C73A) através da interface USB. O motor gira em um ângulo fixo (como 1,8 °) cada vez que recebe um pulso,e o movimento de rotação é convertido em deslocamento linear da lente através do motor de minhoca ou motor de linha.

A vantagem reside na sua estrutura simples e baixo custo, mas há desvantagens óbvias: vida útil limitada devido ao desgaste mecânico (geralmente centenas de milhares de ciclos de focagem),Velocidade de focagem lenta (necessitando 100-500 milissegundos), fraca resistência a impactos e falha fácil em dispositivos móveis.

(2) Revolução da lente líquida: resposta de nível de milissegundos sem movimento mecânico

A tecnologia de eletroumidificação desenvolvida pela Varioptic em França abriu um novo caminho. Esta tecnologia injeta dois líquidos immisciveis, óleo isolante e solução aquosa condutora,Em uma câmara selada,Quando uma tensão é aplicada ao elétrodo, a curvatura da interface do líquido muda devido a alterações na tensão superficial, conseguindo assim um ajuste de nível de milissegundos da distância focal.
A câmera industrial USB 3.0 da PixeLINK é a primeira a aplicar esta tecnologia, e as suas vantagens são notáveis:
Sem partes físicas móveis:Uma duração superior a 400 milhões de operações
Foco ultra alta velocidade:< 50 milissegundos no modo de circuito aberto, aproximadamente 10 quadros por segundo no modo de circuito fechado
Forte adaptabilidade ao ambiente:com um diâmetro de diâmetro superior a 50 mm,
Consumo de energia extremamente baixo:A própria lente consome menos de 1mW de energia

(3) Plano de migração das tecnologias móveis: VCM e foco contínuo
Com a crescente demanda por qualidade de imagem em câmeras de laptop, a tecnologia de módulo de câmera de telefone celular começou a ser introduzida.O módulo USB desenvolvido pela Sunny Optoelectronics usa motores de bobina de voz VCM (comumente encontrados em câmeras de telefones celulares), combinado com um sensor CMOS de 5 megapixels, para obter um projeto miniaturizado com uma espessura inferior a 5 mm.

A VCM é baseada no princípio da indução eletromagnética, onde as mudanças de corrente levam a bobina a se mover para cima e para baixo em um campo magnético, resultando em deslocamento da lente.As suas vantagens estão no seu pequeno tamanho., resposta rápida e suporte ao autofoco contínuo (CAF) - o sistema monitora continuamente as alterações nos valores FV e refoca quando a nitidez cai para além de um limiar,assegurar a clareza nas cenas de movimento.

3Algoritmo básico: Como a câmara "pensa" sobre o foco?
Estratégia de pesquisa de foco
Método de pesquisa global:Mova a câmera da extremidade mais próxima para a extremidade mais distante, calcule o valor de FV durante todo o processo e selecione a posição de pico.
Algoritmo de escalada:O sistema move primeiro a câmera em grandes passos para determinar a tendência das mudanças de FV e muda para ajuste fino de pequenos passos quando se aproxima do pico.Algoritmos modernos, como a escalada de colina de passo variável e velocidade variável, podem dividir dinamicamente a área de foco distante (escaneamento rápido de passo grande) e a área de foco próximo (ajuste fino de passo pequeno).
Mecanismo de determinação dos picos
A câmera de microscópio da Hangzhou Atlas Optoelectronics adota o critério de "duas subidas e duas quedas":quando os valores de FV em cinco posições consecutivas satisfazem FV 1FV 4>FV 5, é considerado como o foco.É igualmente necessário verificar se o valor excede o limiar adaptativo (por exemplo, 90% da VF máxima durante o processo de focagem anterior).

Tecnologia de adaptação de cenas
Após a conclusão da focagem, o sistema monitora continuamente o brilho da cena e o valor FV da área.Se forem detectadas alterações significativas (como o movimento do alvo ou alterações bruscas da iluminação)Espere que a flutuação de brilho/FV se estabilize dentro do limiar, e determine que a cena voltou à quietude.Esta adaptabilidade de gama dinâmica melhora significativamente o desempenho em baixa luz.

4, Tecnologia híbrida de fronteira e adaptação de aplicações
Tecnologia de focagem híbrida
A câmara USB de ponta adota um esquema híbrido de detecção de fase (PDAF) e focagem de contraste (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 positioningO projeto de referência da câmara de vigilância 4K desenvolvida conjuntamente pela Renesas Electronics e pela Lianyong Technology adota este esquema,que mantém uma excelente precisão de reconhecimento de alvos em condições de pouca luz.
Adaptação da tecnologia para aplicações industriais
Inspecção Industrial e Imagem Médica:As câmeras de lente líquida PixeLINK se destacam em campos como digitalização de códigos de barras e reconhecimento de retina devido às suas capacidades anti-vibração e macro fortes.
Gravação de vídeo dinâmica:A câmara anti-shake OIS13M combina anti-shake óptico (OIS) e autofoco para obter imagens estáveis em drones ou ciclismo esportivo.
Imagem microscópica:A Hangzhou Atlas Optoelectronics usa comandos privados do protocolo UVC para controlar a câmara do microscópio.e resolve o problema da interferência local de pico em alta ampliação através do reconhecimento adaptativo de direção.

5Direcção da evolução futura
Com o desenvolvimento da tecnologia de fotografia computacional, o autofoco da câmera USB está evoluindo em três direções:
Inteligência algorítmica:Combinando a aprendizagem profunda para prever posições focais e reduzir a viagem de pesquisa mecânica, como a pré-identificação da área do assunto com base na segmentação semântica da cena,ou a previsão da trajetória do alvo através de análise de desfoque de movimento.
Fusão de hardware:A unidade híbrida de lente líquida e VCM tornou-se uma nova tendência, como o módulo de sensor IMX415, alcançando zoom óptico 3x, mantendo um tamanho compacto de 38 × 67,39 mm.
Protocolo e atualização de transmissão:A interface USB4 de nova geração ultrapassará o limite de largura de banda de 480 Mbps, tornando possível a transmissão e processamento em tempo real de dados de 8K de alto pixel.fornecendo uma base de dados para focalização de ultra-alta precisão.