Van industriële tests tot zorg op afstand, de precisie op millisecondeniveau wordt aangedreven door drievoudige samenwerking tussen optiek, elektronica en algoritmen.
Wanneer we een videoconferentie starten of een document scannen met onze telefoon, kan de USB-camera direct een helder beeld presenteren, wat te danken is aan het gebruik van autofocus-technologie. Deze schijnbaar eenvoudige functie is in werkelijkheid een precieze samenwerking van optisch ontwerp, elektronische besturing en besluitvorming door algoritmen. Van traditionele stappenmotor-aangedreven lensmodules tot revolutionaire vloeistoflenzen, en de migratie van mobiele telefoon cameratechnologie naar USB-camera's, heeft autofocus-technologie meerdere technologische paden ontwikkeld om te voldoen aan de behoeften van verschillende scenario's.

1, Het kernprincipe van autofocus: een gesloten lus van optiek, evaluatie en uitvoering

De kerntaak van autofocus is om het invallende licht nauwkeurig op het lichtgevoelige element te focussen door de afstand tussen de lens en de beeldsensor aan te passen.
De realisatie van dit doel via USB-camera's berust op de samenwerking van drie belangrijke modules:

Optisch acquisitiesysteem: De lens, het filter en de CMOS-beeldsensor (zoals de 12 megapixel OIS12M-module) zijn verantwoordelijk voor het vastleggen van ruw licht en het omzetten ervan in elektrische signalen. Wanneer licht door de lens wordt gebroken, vormt het interferentiepatronen op de beeldsensor, en het faseverschil (PD-waarde) van deze interferentiepatronen kan worden gebruikt om de positie van het brandpunt te berekenen.

Helderheid evaluatiesysteem: Na het verkrijgen van beeldgegevens via een USB-interface, gebruikt de computer Fast Fourier Transform (FFT) of differentiële bewerkingen om spectrale amplitude of scherptegegevens van randen te berekenen - dit worden Image Clarity Evaluation Functions (FV) genoemd. De FV-waarde wordt verkregen door de analyse van beeldcontrast, wat in wezen het grijswaardenverschil tussen aangrenzende pixels berekent. Hoe groter het verschil, hoe scherper het beeld.

Uitvoeringsmechanisme: Volgens de instructies van het beslissingssysteem beweegt het aandrijfapparaat (stappenmotor/VCM-motor/vloeistoflens) de lenspositie. Een stappenmotor drijft bijvoorbeeld de lens vooruit en achteruit via een transmissietandwielset, met een nauwkeurigheid tot op micrometers; VCM-voice coil motors vertrouwen op het principe van elektromagnetische inductie om precieze verplaatsing te bereiken. Het hele gesloten-lus-besturingsproces kan als volgt worden samengevat: beelden vastleggen → helderheid berekenen → de lens aanpassen → het effect verifiëren → de focus vergrendelen. Wanneer het systeem onscherpte detecteert, activeert het onmiddellijk dit proces om ervoor te zorgen dat het beeld weer helder wordt.

2, Technologische implementatieweg: Van traditionele tandwielen naar de vloeistofrevolutie
(1). Traditionele mechanische aandrijfschema: De opkomst en ondergang van stappenmotoren
Vroege USB-camera's gebruikten vaak een combinatie van stappenmotoren en transmissietandwielsets. Het prototype ontwikkeld door Zhejiang University gebruikt de OV7620-sensorschip. Nadat de computer onscherpte herkent, stuurt deze een pulssignaal naar het motoraandrijfcircuit (zoals de PIC16C73A-chip) via de USB-interface. De motor draait elke keer dat hij een puls ontvangt een vaste hoek (zoals 1,8 °), en de roterende beweging wordt omgezet in lineaire verplaatsing van de lens via wormaandrijving of schroefdraadaandrijving.

Het voordeel ligt in de eenvoudige structuur en lage kosten, maar er zijn duidelijke nadelen: beperkte levensduur door mechanische slijtage (meestal honderdduizenden focuscycli), langzame focusssnelheid (vereist 100-500 milliseconden), zwakke schokbestendigheid en gemakkelijke uitval in mobiele apparaten.

(2). Vloeistoflensrevolutie: respons op millisecondenniveau zonder mechanische beweging

De elektro-bevochtigingstechnologie ontwikkeld door Varioptic in Frankrijk heeft een nieuw pad geopend. Deze technologie injecteert twee niet-mengbare vloeistoffen, isolerende olie en geleidende waterige oplossing, in een afgesloten kamer. Wanneer een spanning op de elektrode wordt aangebracht, verandert de kromming van het vloeistofoppervlak door veranderingen in de oppervlaktespanning, waardoor een aanpassing van de brandpuntsafstand op millisecondenniveau wordt bereikt.
PixeLINK's USB 3.0 industriële camera is de eerste die deze technologie toepast, en de voordelen zijn opmerkelijk:
Geen fysieke bewegende delen: levensduur van meer dan 400 miljoen bewerkingen
Ultra-hoge snelheid focus:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
Sterke omgevingsaanpassing: bestand tegen 2000g mechanische impact, met een macro-mogelijkheid van<5cm
Extreem laag stroomverbruik: De lens zelf verbruikt minder dan 1 mW aan stroom

(3). Migratieplan voor mobiele technologie: VCM en continue focus
Met de toenemende vraag naar beeldkwaliteit in laptopcamera's is de technologie van mobiele telefoon cameramodules geïntroduceerd. De USB-module ontwikkeld door Sunny Optoelectronics gebruikt VCM-voice coil motors (vaak te vinden in mobiele telefooncamera's), in combinatie met een 5-megapixel CMOS-sensor, om een ​​geminiaturiseerd ontwerp met een dikte van minder dan 5 mm te bereiken.

VCM is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie, waarbij stroomveranderingen de spoel aandrijven om op en neer te bewegen in een magnetisch veld, wat resulteert in lensverplaatsing. De voordelen zijn de kleine afmetingen, snelle respons en ondersteuning voor continue autofocus (CAF) - het systeem bewaakt continu veranderingen in FV-waarden en stelt opnieuw scherp zodra de scherpte onder een drempelwaarde daalt, waardoor de helderheid in bewegende scènes wordt gewaarborgd.

3, Kernalgoritme: Hoe 'denkt' de camera over de focus?
Focuszoekstrategie
Globale zoekmethode: Verplaats de camera van het dichtstbijzijnde einde naar het verste einde, bereken de FV-waarde gedurende het hele proces en selecteer de piekpositie. Langzame snelheid maar hoge betrouwbaarheid, geschikt voor initiële focus.
Hill Climbing-algoritme: een mainstream optimalisatieoplossing. Het systeem beweegt de camera eerst in grote stappen om de trend van FV-veranderingen te bepalen en schakelt over op kleine stap fijne afstelling wanneer de piek wordt benaderd. Moderne algoritmen zoals variabele stap en variabele snelheid hill climbing kunnen dynamisch het verre focusgebied (grote stap snelle scan) en het nabije focusgebied (kleine stap fijne afstelling) verdelen.
Piekbepalingsmechanisme
Traditionele enkele piekdetectie is gevoelig voor ruisinterferentie. De microscoopcamera van Hangzhou Atlas Optoelectronics neemt het criterium 'twee stijgingen en twee dalingen' aan: wanneer de FV-waarden op vijf opeenvolgende posities voldoen aan FV ₁FV ₄>FV ₅, FV ∝ wordt beoordeeld als de focus. Om misinterpretatie te voorkomen, is het ook noodzakelijk om te verifiëren dat de waarde de adaptieve drempel overschrijdt (zoals 90% van de maximale FV tijdens het vorige focusproces).

Scène-aanpassingstechnologie
Nadat de focus is voltooid, bewaakt het systeem continu de helderheid van de scène en de FV-waarde van het gebied. Als er significante veranderingen worden gedetecteerd (zoals doelbeweging of plotselinge veranderingen in de belichting), activeert het opnieuw scherpstellen. Wacht tot de helderheid/FV-fluctuatie binnen de drempelwaarde stabiliseert en bepaal dat de scène weer stil is geworden. Deze dynamische bereikaanpassing verbetert de prestaties bij weinig licht aanzienlijk.

4, Grens-hybride technologie en toepassingsaanpassing
Hybride focustechnologie
De high-end USB-camera maakt gebruik van een hybride schema van fasedetectie (PDAF) en contrastfocus (CDAF). PDAF simuleert de dispariteit van het menselijk oog door speciale maskerende pixels (linkerhelft maskerende en rechterhelft maskerende pixels die in paren verschijnen) op CMOS-sensoren te rangschikken om faseverschillen te berekenen en snelle positionering te bereiken; CDAF voert fijne afstelling uit. Het referentieontwerp van de 4K-bewakingscamera die gezamenlijk is ontwikkeld door Renesas Electronics en Lianyong Technology, neemt dit schema over, dat een uitstekende doelherkenningsnauwkeurigheid behoudt bij weinig licht.
Technologie-aanpassing voor industriële toepassingen
Industriële inspectie en medische beeldvorming: PixeLINK vloeistoflenscamera's blinken uit op gebieden zoals barcodescanning en netvliesherkenning dankzij hun anti-vibratie- en sterke macro-mogelijkheden.
Dynamische video-opname: De OIS13M anti-shake camera combineert optische anti-shake (OIS) en autofocus om stabiele beeldvorming in drones of sportfietsen te bereiken.
Microscopische beeldvorming: Hangzhou Atlas Optoelectronics gebruikt UVC-protocol private commando's om de microscoopcamera te besturen en lost het probleem van lokale piekinterferentie bij hoge vergroting op door middel van adaptieve stuurherkenning.

5, Toekomstige evolutierichting
Met de ontwikkeling van computationele fotografietechnologie evolueert USB-camera autofocus in drie richtingen:
Algoritmische intelligentie: Het combineren van deep learning om focusposities te voorspellen en mechanische zoekbewegingen te verminderen. Zoals het vooraf identificeren van het onderwerpgebied op basis van scènesemantische segmentatie, of het voorspellen van het doelpad door middel van bewegingsonscherpte-analyse.
Hardwarefusie: De hybride aandrijving van vloeistoflens en VCM is een nieuwe trend geworden, zoals de IMX415-sensormodule die 3x optische zoom bereikt met behoud van een compact formaat van 38×67,39 mm.
Protocol- en transmissie-upgrade: De nieuwe generatie USB4-interface zal de bandbreedtebeperking van 480 Mbps doorbreken, waardoor real-time transmissie en verwerking van 8K high-pixel data mogelijk wordt, wat een datafundament biedt voor ultra-hoge precisie focus.