Des tests industriels aux soins de santé à distance, la précision au niveau des millisecondes est tirée par une triple collaboration entre optique, électronique et algorithmes.
Lorsque nous lançons une vidéoconférence ou scannons un document avec notre téléphone, la caméra USB peut immédiatement présenter une image claire, ce qui est dû à l'utilisation de la technologie de mise au point automatique.Cette fonction apparemment simple est en fait une collaboration précise de la conception optiqueLes modules de lentilles à moteur pas à pas traditionnels aux lentilles liquides révolutionnaires,et à la migration de la technologie des caméras de téléphonie mobile vers les caméras USB, la technologie de mise au point automatique a développé plusieurs voies technologiques pour répondre aux besoins de différents scénarios.

1, Le principe de base de l'autofocus: une boucle fermée d'optique, d'évaluation et d'exécution

La tâche principale de l'autofocus est de concentrer précisément la lumière incident sur l'élément photosensible en réglant la distance entre l'objectif et le capteur d'image.
La réalisation de cet objectif grâce aux caméras USB repose sur le travail collaboratif de trois modules principaux:

Système d'acquisition optique: La lentille, le filtre et le capteur d'image CMOS (comme le module OIS12M de 12 mégapixels) sont responsables de la capture de la lumière brute et de sa conversion en signaux électriques.Quand la lumière est réfractée à travers la lentille, il forme des schémas d'interférences sur le capteur d'imagerie, et la différence de phase (valeur PD) de ces schémas d'interférences peut être utilisée pour calculer la position du point focal.

Système d'évaluation de la clarté:Après avoir obtenu les données d'image via une interface USB,l'ordinateur utilise la transformation de Fourier rapide (FFT) ou des opérations différentielles pour calculer les données d'amplitude spectrale ou de netteté des bords - elles sont appelées fonctions d'évaluation de la clarté d'image (FV)La valeur FV est obtenue par l'analyse du contraste d'image, qui calcule essentiellement la différence d'échelle de gris entre les pixels adjacents.

Mécanisme d'exécution: Selon les instructions du système de prise de décision, le dispositif de conduite (moteur pas à pas/moteur VCM/lentille liquide) déplace la position de la lentille.un moteur pas à pas entraînera la lentille vers l'avant et vers l'arrière à travers un ensemble d'engrenages de transmission, avec une précision allant jusqu'à micromètres; les moteurs à bobine vocale VCM reposent sur le principe de l'induction électromagnétique pour obtenir un déplacement précis.L'ensemble du processus de contrôle en boucle fermée peut être résumé comme suit:: capture d'images → calcul de la clarté → réglage de l'objectif → vérification de l'effet → verrouillage de la mise au point.il déclenchera immédiatement ce processus pour s'assurer que l'image est restaurée à la clarté.

2, Parcours de mise en œuvre technologique: des engrenages traditionnels à la révolution liquide
(1) Système d'entraînement mécanique traditionnel: Ascension et chute des moteurs pas à pas
Les premières caméras USB utilisaient généralement une combinaison de moteurs pas à pas et de groupes d'engrenages de transmission.Après que l'ordinateur ait reconnu la défocalisation, il envoie un signal d'impulsion au circuit d'entraînement du moteur (comme la puce PIC16C73A) via l'interface USB. Le moteur tourne à un angle fixe (comme 1,8 °) chaque fois qu'il reçoit une impulsion,et le mouvement de rotation est converti en déplacement linéaire de la lentille à travers le moteur de ver ou le moteur de fil.

L'avantage réside dans sa structure simple et son faible coût, mais il existe des inconvénients évidents: durée de vie limitée due à l'usure mécanique (généralement des centaines de milliers de cycles de mise au point),vitesse de mise au point lente (requérant 100 à 500 millisecondes), faible résistance aux chocs et défaillance facile des appareils mobiles.

(2) Retour de la lentille liquide: réponse au niveau de la milliseconde sans mouvement mécanique

La technologie d'électrohumidification développée par Varioptic en France a ouvert une nouvelle voie. Cette technologie injecte deux liquides immiscibles, huile isolante et solution aqueuse conductrice,dans une chambre scellée.Lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode, la courbure de l'interface liquide change en raison des changements de tension de surface, ce qui permet d'ajuster la distance focale au niveau des millisecondes.
La caméra industrielle USB 3.0 de PixeLINK est la première à appliquer cette technologie, et ses avantages sont remarquables:
Pas de pièces physiques mobiles:une durée de vie supérieure à 400 millions d'opérations
Mise au point à très haute vitesse:< 50 millisecondes en mode boucle ouverte, environ 10 images par seconde en mode boucle fermée
Une forte adaptabilité à l'environnement:pouvant résister à un choc mécanique de 2000 g, avec une capacité macro de < 5 cm
Consommation d'énergie extrêmement faible:La lentille elle-même consomme moins de 1mW de puissance.

(3) Plan de migration des technologies mobiles: VCM et focalisation continue
Avec la demande croissante de qualité d'image dans les appareils photo pour ordinateurs portables, la technologie des modules de caméra pour téléphones portables a commencé à être introduite.Le module USB développé par Sunny Optoelectronics utilise des moteurs à bobine vocale VCM (généralement trouvés dans les caméras de téléphonie mobile), combiné à un capteur CMOS de 5 mégapixels, pour obtenir une conception miniaturisée d'une épaisseur inférieure à 5 mm.

La VCM est basée sur le principe de l'induction électromagnétique, où les changements de courant entraînent la bobine à se déplacer vers le haut et vers le bas dans un champ magnétique, ce qui entraîne un déplacement de la lentille.Ses avantages résident dans sa petite taille, une réponse rapide et une prise en charge de l'autofocus continu (CAF) - le système surveille en permanence les variations des valeurs FV et se refoque une fois que la netteté dépasse un seuil,assurer la clarté dans les scènes de mouvement.

3, L'algorithme de base: Comment la caméra " pense " à la mise au point?
Stratégie de recherche axée
Méthode de recherche globale:Déplacez l'appareil photo de l'extrémité la plus proche à l'extrémité la plus éloignée, calculez la valeur FV tout au long du processus et sélectionnez la position de pointe.
L' algorithme de l' escalade:Le système déplace d'abord la caméra en grands pas pour déterminer la tendance des changements de VF, puis passe à un ajustement fin en petits pas en approchant du pic.Les algorithmes modernes tels que l'escalade à pas variable et à vitesse variable peuvent diviser dynamiquement la zone de mise au point lointaine (scan rapide à pas grand) et la zone de mise au point proche (métrage fin à pas petit).
Mécanisme de détermination des pics
La détection traditionnelle d'un seul pic est sensible aux interférences sonores.lorsque les valeurs de VF à cinq positions consécutives satisfont à VF 1FV 4>FV 5, FV est jugé comme étant le point focal.Il est également nécessaire de vérifier que la valeur dépasse le seuil d'adaptation (par exemple 90% de la VF maximale lors du processus de mise au point précédent)..

Technologie d'adaptation des scènes
Une fois la mise au point terminée, le système surveille en permanence la luminosité de la scène et la valeur FV de la zone.Si des changements importants sont détectés (par exemple, mouvement de la cible ou changements soudains de l'éclairage)Attendez que la fluctuation lumineuse/FV se stabilise dans le seuil, et déterminez que la scène est revenue au calme.Cette adaptabilité à la plage dynamique améliore considérablement les performances en basse lumière.

4, Technologie hybride de pointe et adaptation des applications
Technologie de mise au point hybride
La caméra USB haut de gamme adopte un schéma hybride de détection de phase (PDAF) et de mise au point 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 positioningLa conception de référence de la caméra de surveillance 4K développée conjointement par Renesas Electronics et Lianyong Technology adopte ce schéma,qui maintient une excellente précision de reconnaissance de cible dans des conditions de faible luminosité.
Adaptation de la technologie aux applications industrielles
Inspection industrielle et imagerie médicale:Les caméras à lentille liquide PixeLINK se distinguent dans des domaines tels que la numérisation de codes à barres et la reconnaissance rétinienne en raison de leurs capacités anti-vibrations et macro fortes.
Enregistrement vidéo dynamique:La caméra anti-tremblement OIS13M combine l'anti-tremblement optique (OIS) et l'autofocus pour obtenir une image stable dans les drones ou le cyclisme sportif.
Imagerie microscopique:Hangzhou Atlas Optoelectronics utilise des commandes privées du protocole UVC pour contrôler la caméra du microscope,et résout le problème de l'interférence locale des pics à haut grossissement grâce à la reconnaissance adaptative de la direction.

5, Direction de l' évolution future
Avec le développement de la technologie de photographie informatique, l'autofocus de l'appareil photo USB évolue dans trois directions:
L'intelligence algorithmique:Combiner l'apprentissage en profondeur pour prédire les positions focales et réduire les déplacements de recherche mécanique.ou prédire la trajectoire de la cible grâce à l'analyse de l'obscurcissement du mouvement.
Fusion matérielle:L'entraînement hybride de lentilles liquides et de VCM est devenu une nouvelle tendance, comme le module de capteur IMX415 atteignant un zoom optique 3x tout en conservant une taille compacte de 38 × 67,39 mm.
Mise à niveau du protocole et de la transmission:L'interface USB4 de nouvelle génération va dépasser la limite de bande passante de 480 Mbps, permettant la transmission et le traitement en temps réel de données à pixels élevés 8K,fournissant une base de données pour une mise au point de très haute précision.