Dalle prove industriali all'assistenza sanitaria da remoto, la precisione a livello di millisecondi è guidata dalla collaborazione tra ottica, elettronica e algoritmi.
Quando avviamo una videoconferenza o scansioniamo un documento con il nostro telefono, la fotocamera USB può presentare istantaneamente un'immagine nitida, grazie all'uso della tecnologia autofocus. Questa funzione apparentemente semplice è in realtà una precisa collaborazione tra progettazione ottica, controllo elettronico e processo decisionale algoritmico. Dai tradizionali moduli obiettivo azionati da motori passo-passo alle rivoluzionarie lenti liquide, fino alla migrazione della tecnologia delle fotocamere dei telefoni cellulari alle fotocamere USB, la tecnologia autofocus ha sviluppato molteplici percorsi tecnologici per soddisfare le esigenze di diversi scenari.

1, Il principio fondamentale dell'autofocus: un ciclo chiuso di ottica, valutazione ed esecuzione

Il compito principale dell'autofocus è quello di mettere a fuoco con precisione la luce incidente sull'elemento fotosensibile regolando la distanza tra l'obiettivo e il sensore di immagine.
La realizzazione di questo obiettivo attraverso le fotocamere USB si basa sul lavoro collaborativo di tre moduli principali:

Sistema di acquisizione ottica: L'obiettivo, il filtro e il sensore di immagine CMOS (come il modulo OIS12M da 12 megapixel) sono responsabili dell'acquisizione della luce grezza e della sua conversione in segnali elettrici. Quando la luce viene rifratta attraverso l'obiettivo, forma schemi di interferenza sul sensore di imaging e la differenza di fase (valore PD) di questi schemi di interferenza può essere utilizzata per calcolare la posizione del punto focale.

Sistema di valutazione della nitidezza: Dopo aver ottenuto i dati dell'immagine tramite un'interfaccia USB, il computer utilizza la trasformata di Fourier veloce (FFT) o operazioni differenziali per calcolare l'ampiezza spettrale o i dati di nitidezza dei bordi: questi sono chiamati Funzioni di Valutazione della Nitidezza dell'Immagine (FV). Il valore FV si ottiene attraverso l'analisi del contrasto dell'immagine, che essenzialmente calcola la differenza di scala di grigi tra pixel adiacenti. Maggiore è la differenza, più nitida è l'immagine.

Meccanismo di esecuzione: In base alle istruzioni del sistema decisionale, il dispositivo di azionamento (motore passo-passo/motore VCM/lente liquida) sposta la posizione dell'obiettivo. Ad esempio, un motore passo-passo farà avanzare e arretrare l'obiettivo attraverso un set di ingranaggi di trasmissione, con una precisione fino ai micrometri; i motori a bobina mobile VCM si basano sul principio dell'induzione elettromagnetica per ottenere uno spostamento preciso. L'intero processo di controllo a ciclo chiuso può essere riassunto come: acquisizione di immagini → calcolo della nitidezza → regolazione dell'obiettivo → verifica dell'effetto → blocco della messa a fuoco. Quando il sistema rileva la sfocatura, attiverà immediatamente questo processo per garantire che l'immagine venga ripristinata alla nitidezza.

2, Percorso di implementazione tecnologica: dagli ingranaggi tradizionali alla rivoluzione liquida
(1). Schema di azionamento meccanico tradizionale: l'ascesa e la caduta dei motori passo-passo
Le prime fotocamere USB utilizzavano comunemente una combinazione di motori passo-passo e set di ingranaggi di trasmissione. Il prototipo sviluppato dall'Università di Zhejiang utilizza il chip sensore OV7620. Dopo che il computer riconosce la sfocatura, invia un segnale a impulsi al circuito di azionamento del motore (come il chip PIC16C73A) tramite l'interfaccia USB. Il motore ruota di un angolo fisso (ad esempio 1,8 °) ogni volta che riceve un impulso e il movimento rotatorio viene convertito in spostamento lineare dell'obiettivo attraverso la trasmissione a vite senza fine o a filettatura.

Il vantaggio risiede nella sua struttura semplice e nel basso costo, ma ci sono evidenti svantaggi: durata limitata a causa dell'usura meccanica (di solito centinaia di migliaia di cicli di messa a fuoco), velocità di messa a fuoco lenta (richiede 100-500 millisecondi), scarsa resistenza agli urti e facile guasto nei dispositivi mobili.

(2). Rivoluzione delle lenti liquide: risposta a livello di millisecondi senza movimento meccanico

La tecnologia di elettro-bagnatura sviluppata da Varioptic in Francia ha aperto una nuova strada. Questa tecnologia inietta due liquidi immiscibili, olio isolante e soluzione acquosa conduttiva, in una camera sigillata. Quando viene applicata una tensione all'elettrodo, la curvatura dell'interfaccia liquida cambia a causa delle variazioni della tensione superficiale, ottenendo così una regolazione a livello di millisecondi della lunghezza focale.
La fotocamera industriale USB 3.0 di PixeLINK è la prima ad applicare questa tecnologia e i suoi vantaggi sono notevoli:
Nessuna parte in movimento fisica: durata superiore a 400 milioni di operazioni
Messa a fuoco ultraveloce:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
Forte adattabilità ambientale: in grado di resistere a un impatto meccanico di 2000 g, con una capacità macro di<5cm
Consumo energetico estremamente basso: L'obiettivo stesso consuma meno di 1 mW di potenza

(3). Piano di migrazione della tecnologia mobile: VCM e messa a fuoco continua
Con la crescente domanda di qualità dell'immagine nelle fotocamere dei laptop, è stata introdotta la tecnologia dei moduli fotocamera dei telefoni cellulari. Il modulo USB sviluppato da Sunny Optoelectronics utilizza motori a bobina mobile VCM (comunemente presenti nelle fotocamere dei telefoni cellulari), combinati con un sensore CMOS da 5 megapixel, per ottenere un design miniaturizzato con uno spessore inferiore a 5 mm.

VCM si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica, in cui le variazioni di corrente fanno muovere la bobina su e giù in un campo magnetico, con conseguente spostamento dell'obiettivo. I suoi vantaggi risiedono nelle sue dimensioni ridotte, nella risposta rapida e nel supporto dell'autofocus continuo (CAF): il sistema monitora continuamente le variazioni dei valori FV e rimette a fuoco una volta che la nitidezza scende al di sotto di una soglia, garantendo la nitidezza nelle scene in movimento.

3, Algoritmo principale: come la fotocamera "pensa" alla messa a fuoco?
Strategia di ricerca della messa a fuoco
Metodo di ricerca globale: Spostare la fotocamera dall'estremità più vicina all'estremità più lontana, calcolare il valore FV durante l'intero processo e selezionare la posizione di picco. Velocità lenta ma alta affidabilità, adatta per la messa a fuoco iniziale.
Algoritmo di Hill Climbing: una soluzione di ottimizzazione tradizionale. Il sistema sposta prima la fotocamera a grandi passi per determinare l'andamento delle variazioni FV e passa alla regolazione fine a piccoli passi quando si avvicina al picco. Algoritmi moderni come il hill climbing a passo variabile e a velocità variabile possono dividere dinamicamente l'area di messa a fuoco lontana (scansione veloce a grandi passi) e l'area di messa a fuoco vicina (regolazione fine a piccoli passi).
Meccanismo di determinazione del picco
Il rilevamento tradizionale a picco singolo è suscettibile alle interferenze del rumore. La fotocamera per microscopio di Hangzhou Atlas Optoelectronics adotta il criterio "due salite e due discese": quando i valori FV in cinque posizioni consecutive soddisfano FV ₁FV ₄>FV ₅, FV ∝ viene giudicato come la messa a fuoco. Per evitare errori di giudizio, è anche necessario verificare che il valore superi la soglia adattiva (ad esempio il 90% del valore FV massimo durante il precedente processo di messa a fuoco).

Tecnologia di adattamento della scena
Una volta completata la messa a fuoco, il sistema monitora continuamente la luminosità della scena e il valore FV dell'area. Se vengono rilevate modifiche significative (come il movimento del bersaglio o cambiamenti improvvisi nell'illuminazione), attiva la rimessa a fuoco. Attendere che la fluttuazione della luminosità/FV si stabilizzi entro la soglia e determinare che la scena è tornata alla calma. Questa adattabilità della gamma dinamica migliora significativamente le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione.

4, Tecnologia ibrida di frontiera e adattamento delle applicazioni
Tecnologia di messa a fuoco ibrida
La fotocamera USB di fascia alta adotta uno schema ibrido di rilevamento di fase (PDAF) e messa a fuoco a contrasto (CDAF). PDAF simula la disparità dell'occhio umano disponendo pixel di mascheramento speciali (pixel di mascheramento della metà sinistra e pixel di mascheramento della metà destra che appaiono in coppia) sui sensori CMOS per calcolare le differenze di fase e ottenere un posizionamento rapido preliminare; CDAF esegue la messa a punto. Il progetto di riferimento della telecamera di sorveglianza 4K sviluppato congiuntamente da Renesas Electronics e Lianyong Technology adotta questo schema, che mantiene un'eccellente precisione di riconoscimento del bersaglio in condizioni di scarsa illuminazione.
Adattamento tecnologico per applicazioni industriali
Ispezione industriale e imaging medico: Le fotocamere con lenti liquide PixeLINK eccellono in settori come la scansione di codici a barre e il riconoscimento della retina grazie alle loro capacità anti-vibrazione e macro.
Registrazione video dinamica: La fotocamera anti-vibrazione OIS13M combina la stabilizzazione ottica (OIS) e l'autofocus per ottenere immagini stabili in droni o ciclismo sportivo.
Imaging microscopico: Hangzhou Atlas Optoelectronics utilizza comandi privati ​​del protocollo UVC per controllare la fotocamera del microscopio e risolve il problema delle interferenze di picco locale ad alto ingrandimento attraverso il riconoscimento direzionale adattivo.

5, Direzione di evoluzione futura
Con lo sviluppo della tecnologia di fotografia computazionale, l'autofocus della fotocamera USB si sta evolvendo in tre direzioni:
Intelligenza algoritmica: Combinare l'apprendimento profondo per prevedere le posizioni focali e ridurre il percorso di ricerca meccanica. Ad esempio, pre-identificare l'area del soggetto in base alla segmentazione semantica della scena o prevedere la traiettoria del bersaglio attraverso l'analisi della sfocatura del movimento.
Fusione hardware: L'azionamento ibrido di lenti liquide e VCM è diventato una nuova tendenza, come il modulo sensore IMX415 che raggiunge lo zoom ottico 3x mantenendo al contempo dimensioni compatte di 38×67,39 mm.
Aggiornamento del protocollo e della trasmissione: La nuova generazione di interfaccia USB4 supererà il limite di larghezza di banda di 480 Mbps, rendendo possibile la trasmissione e l'elaborazione in tempo reale di dati a 8K ad alta risoluzione, fornendo una base di dati per la messa a fuoco ad altissima precisione.