Dari pengujian industri hingga perawatan kesehatan jarak jauh, fokus presisi tingkat milidetik didorong oleh kolaborasi tiga kali lipat di optik, elektronik, dan algoritma.
Ketika kita memulai konferensi video atau memindai dokumen dengan ponsel kita, kamera USB dapat langsung menampilkan gambar yang jelas, yang disebabkan oleh penggunaan teknologi fokus otomatis.Fungsi yang tampaknya sederhana ini sebenarnya adalah kolaborasi yang tepat dari desain optik, kontrol elektronik, dan pengambilan keputusan algoritma. Dari modul lensa stepper motor tradisional yang didorong ke lensa cair revolusioner,dan migrasi teknologi kamera ponsel ke kamera USB, teknologi autofocus telah mengembangkan beberapa jalur teknologi untuk memenuhi kebutuhan skenario yang berbeda.

1, Prinsip inti dari autofocus: loop tertutup optik, evaluasi, dan eksekusi

Tugas inti dari autofocus adalah dengan tepat memfokuskan cahaya yang jatuh pada elemen fotosensitif dengan menyesuaikan jarak antara lensa dan sensor gambar.
Realisasi tujuan ini melalui kamera USB bergantung pada kerja sama tiga modul utama:

Sistem akuisisi optik: Lensa, filter, dan sensor gambar CMOS (seperti modul OIS12M 12 megapiksel) bertanggung jawab untuk menangkap cahaya mentah dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.Ketika cahaya dipecah melalui lensa, membentuk pola interferensi pada sensor pencitraan, dan perbedaan fase (nilai PD) dari pola interferensi ini dapat digunakan untuk menghitung posisi titik fokus.

Sistem evaluasi kejelasan:Setelah mendapatkan data gambar melalui antarmuka USB,komputer menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) atau operasi diferensial untuk menghitung data amplitudo spektral atau ketajaman tepi - ini disebut Image Clarity Evaluation Functions (FV)Nilai FV diperoleh melalui analisis kontras gambar, yang pada dasarnya menghitung perbedaan skala abu-abu antara piksel yang berdekatan.

Mekanisme pelaksanaan: Menurut instruksi sistem pengambilan keputusan, perangkat penggerak (motor stepper / motor VCM / lensa cair) menggerakkan posisi lensa.motor stepper akan mendorong lensa maju dan mundur melalui set transmisi, dengan akurasi hingga mikrometer; VCM motor suara kumparan mengandalkan prinsip induksi elektromagnetik untuk mencapai perpindahan yang tepat.Seluruh proses kontrol loop tertutup dapat diringkas sebagai: menangkap gambar → menghitung kejelasan → menyesuaikan lensa → memverifikasi efek → mengunci fokus.akan segera memicu proses ini untuk memastikan bahwa gambar dikembalikan ke kejelasan.

2, Jalur Implementasi Teknologi: Dari Gir Tradisional ke Revolusi Cairan
(1) Skema penggerak mekanik tradisional: Muncul dan jatuhnya motor stepper
Kamera USB awal umumnya menggunakan kombinasi motor stepper dan set gear transmisi.Setelah komputer mengenali defokus, mengirimkan sinyal pulsa ke sirkuit drive motor (seperti chip PIC16C73A) melalui antarmuka USB. Motor berputar sudut tetap (seperti 1,8 °) setiap kali menerima pulsa,dan gerak rotasi diubah menjadi perpindahan linier lensa melalui drive cacing atau thread drive.

Keuntungannya terletak pada struktur yang sederhana dan biaya yang rendah, tetapi ada kelemahan yang jelas: jangka hidup terbatas karena keausan mekanis (biasanya ratusan ribu siklus fokus),Kecepatan fokus yang lambat (membutuhkan 100-500 milidetik), ketahanan benturan yang lemah, dan mudah gagal pada perangkat mobile.

(2) Revolusi lensa cair: respons tingkat milidetik tanpa gerakan mekanis

Teknologi pelembab elektro yang dikembangkan oleh Varioptic di Prancis telah membuka jalan baru. teknologi ini menyuntikkan dua cairan tak bercampur, minyak isolasi dan larutan air konduktif,ke dalam sebuah ruangan yang disegel.Ketika tegangan diterapkan pada elektroda, kelengkungan antarmuka cairan berubah karena perubahan tegangan permukaan, sehingga mencapai penyesuaian tingkat milidetik dari jarak fokus.
Kamera industri USB 3.0 PixeLINK adalah yang pertama menerapkan teknologi ini, dan kelebihannya luar biasa:
Tidak ada bagian bergerak fisik:umur lebih dari 400 juta operasi
Kecepatan fokus yang sangat tinggi:<50 milidetik dalam mode open-loop, sekitar 10 frame per detik dalam mode closed-loop
Kemampuan adaptasi lingkungan yang kuat:mampu menahan 2000g dampak mekanik, dengan kemampuan makro < 5cm
Konsumsi daya yang sangat rendah:Lensa itu sendiri mengkonsumsi kurang dari 1mW daya

(3) Rencana migrasi teknologi mobile: VCM dan fokus terus menerus
Dengan meningkatnya permintaan untuk kualitas gambar di kamera laptop, teknologi modul kamera ponsel telah mulai diperkenalkan.Modul USB yang dikembangkan oleh Sunny Optoelectronics menggunakan motor VCM voice coil (biasanya ditemukan di kamera ponsel), dikombinasikan dengan sensor CMOS 5 megapiksel, untuk mencapai desain miniatur dengan ketebalan kurang dari 5 mm.

VCM didasarkan pada prinsip induksi elektromagnetik, di mana perubahan arus mendorong kumparan untuk bergerak naik dan turun dalam medan magnet, menghasilkan perpindahan lensa.Keuntungannya terletak pada ukurannya yang kecil, respon cepat, dan dukungan untuk fokus otomatis terus menerus (CAF) - sistem terus memantau perubahan nilai FV dan fokus kembali ketika ketajaman turun di luar ambang batas,memastikan kejelasan dalam adegan gerak.

3, Algoritma inti: Bagaimana kamera "berpikir" tentang fokus?
Strategi pencarian fokus
Metode pencarian global:Pindahkan kamera dari ujung terdekat ke ujung terjauh, hitung nilai FV sepanjang proses, dan pilih posisi puncak.
Algoritma Mendaki Bukit:Sistem pertama-tama memindahkan kamera dalam langkah besar untuk menentukan tren perubahan FV, dan beralih ke penyesuaian halus langkah kecil ketika mendekati puncak.Algoritma modern seperti variable step dan variable speed hill climbing dapat secara dinamis membagi area fokus jauh (big step fast scan) dan area fokus dekat (small step fine tuning).
Mekanisme penentuan puncak
Deteksi puncak tunggal tradisional rentan terhadap gangguan kebisingan. Kamera mikroskop dari Hangzhou Atlas Optoelectronics mengadopsi kriteria "dua naik dan dua jatuh":ketika nilai FV pada lima posisi berturut-turut memenuhi FV 1FV 4>FV 5, FV ?? dinilai sebagai fokus. Untuk mencegah penilaian yang salah,perlu juga untuk memverifikasi bahwa nilai melebihi ambang batas adaptif (seperti 90% dari FV maksimum selama proses fokus sebelumnya).

Teknologi adaptasi adegan
Setelah pemfokusan selesai, sistem terus memantau kecerahan adegan dan nilai FV daerah tersebut.Jika perubahan yang signifikan terdeteksi (seperti gerakan target atau perubahan cahaya yang tiba-tiba)Tunggu hingga fluktuasi kecerahan/FV stabil dalam ambang batas, dan tentukan bahwa adegan telah kembali ke kedamaian.Adaptifitas rentang dinamis ini secara signifikan meningkatkan kinerja cahaya rendah.

4, Frontier Hybrid Technology dan Adaptasi Aplikasi
Teknologi fokus hibrida
Kamera USB kelas atas mengadopsi skema hibrida deteksi fase (PDAF) dan fokus kontras (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 melakukan fine tuning. desain referensi dari kamera pengawasan 4K bersama-sama dikembangkan oleh Renesas Electronics dan Lianyong Technology mengadopsi skema ini,yang mempertahankan akurasi pengenalan target yang sangat baik dalam kondisi cahaya rendah.
Adaptasi teknologi untuk aplikasi industri
Inspeksi Industri dan Imaging Medis:Kamera lensa cair PixeLINK unggul dalam bidang seperti pemindaian barcode dan pengenalan retina karena anti getaran dan kemampuan makro yang kuat.
Rekaman video dinamis:OIS13M anti shake kamera menggabungkan anti shake optik (OIS) dan autofocus untuk mencapai pencitraan yang stabil di drone atau bersepeda olahraga.
Pencitraan mikroskopis:Hangzhou Atlas Optoelectronics menggunakan protokol UVC perintah pribadi untuk mengontrol kamera mikroskop,dan memecahkan masalah gangguan puncak lokal pada pembesaran tinggi melalui pengenalan kemudi adaptif.

5, Arah Evolusi Masa Depan
Dengan perkembangan teknologi fotografi komputasi, fokus otomatis kamera USB berkembang dalam tiga arah:
Kecerdasan algoritmik:Menggabungkan pembelajaran mendalam untuk memprediksi posisi fokus dan mengurangi perjalanan pencarian mekanis.atau memprediksi lintasan target melalui analisis motion blur.
Fusi Hardware:Drive hibrida lensa cair dan VCM telah menjadi tren baru, seperti modul sensor IMX415 yang mencapai zoom optik 3x sambil mempertahankan ukuran kompak 38 × 67,39mm.
Protokol dan peningkatan transmisi:Interface USB4 generasi baru akan menembus batas bandwidth 480Mbps, memungkinkan transmisi dan pemrosesan data 8K pixel tinggi secara real time.menyediakan dasar data untuk fokus presisi ultra-tinggi.