Desde pruebas industriales hasta atención médica remota, la precisión a nivel de milisegundos se impulsa mediante la colaboración triple entre óptica, electrónica y algoritmos.
Cuando iniciamos una videoconferencia o escaneamos un documento con nuestro teléfono, la cámara USB puede presentar instantáneamente una imagen clara, lo cual se debe al uso de la tecnología de enfoque automático. Esta función aparentemente simple es en realidad una colaboración precisa de diseño óptico, control electrónico y toma de decisiones algorítmicas. Desde los módulos de lentes tradicionales impulsados por motores paso a paso hasta las revolucionarias lentes líquidas, y la migración de la tecnología de cámaras de teléfonos móviles a cámaras USB, la tecnología de enfoque automático ha desarrollado múltiples caminos tecnológicos para satisfacer las necesidades de diferentes escenarios.

1, El principio central del enfoque automático: un bucle cerrado de óptica, evaluación y ejecución

La tarea principal del enfoque automático es enfocar con precisión la luz incidente en el elemento fotosensible ajustando la distancia entre la lente y el sensor de imagen.
La realización de este objetivo a través de cámaras USB se basa en el trabajo colaborativo de tres módulos principales:

Sistema de adquisición óptica: La lente, el filtro y el sensor de imagen CMOS (como el módulo OIS12M de 12 megapíxeles) son responsables de capturar la luz en bruto y convertirla en señales eléctricas. Cuando la luz se refracta a través de la lente, forma patrones de interferencia en el sensor de imagen, y la diferencia de fase (valor PD) de estos patrones de interferencia se puede utilizar para calcular la posición del punto focal.

Sistema de evaluación de claridad: Después de obtener datos de imagen a través de una interfaz USB, la computadora utiliza la Transformada Rápida de Fourier (FFT) u operaciones diferenciales para calcular la amplitud espectral o los datos de nitidez de los bordes; estos se denominan Funciones de Evaluación de Claridad de Imagen (FV). El valor FV se obtiene mediante el análisis del contraste de la imagen, que esencialmente calcula la diferencia de escala de grises entre píxeles adyacentes. Cuanto mayor sea la diferencia, más clara será la imagen.

Mecanismo de ejecución: De acuerdo con las instrucciones del sistema de toma de decisiones, el dispositivo de accionamiento (motor paso a paso/motor VCM/lente líquida) mueve la posición de la lente. Por ejemplo, un motor paso a paso impulsará la lente hacia adelante y hacia atrás a través de un conjunto de engranajes de transmisión, con una precisión de hasta micrómetros; los motores de bobina de voz VCM se basan en el principio de inducción electromagnética para lograr un desplazamiento preciso. Todo el proceso de control de bucle cerrado se puede resumir como: captura de imágenes → cálculo de la claridad → ajuste de la lente → verificación del efecto → bloqueo del enfoque. Cuando el sistema detecta desenfoque, activará inmediatamente este proceso para garantizar que la imagen recupere la claridad.

2, Camino de implementación tecnológica: De los engranajes tradicionales a la revolución líquida
(1). Esquema de accionamiento mecánico tradicional: El auge y la caída de los motores paso a paso
Las primeras cámaras USB usaban comúnmente una combinación de motores paso a paso y conjuntos de engranajes de transmisión. El prototipo desarrollado por la Universidad de Zhejiang utiliza el chip sensor OV7620. Después de que la computadora reconoce el desenfoque, envía una señal de pulso al circuito de accionamiento del motor (como el chip PIC16C73A) a través de la interfaz USB. El motor gira un ángulo fijo (como 1,8 °) cada vez que recibe un pulso, y el movimiento rotacional se convierte en desplazamiento lineal de la lente a través de un accionamiento de tornillo sin fin o de rosca.

La ventaja radica en su estructura simple y bajo costo, pero existen inconvenientes obvios: vida útil limitada debido al desgaste mecánico (generalmente cientos de miles de ciclos de enfoque), velocidad de enfoque lenta (que requiere 100-500 milisegundos), poca resistencia a los impactos y fallas fáciles en dispositivos móviles.

(2). Revolución de la lente líquida: respuesta a nivel de milisegundos sin movimiento mecánico

La tecnología de electrohumectación desarrollada por Varioptic en Francia ha abierto un nuevo camino. Esta tecnología inyecta dos líquidos inmiscibles, aceite aislante y solución acuosa conductora, en una cámara sellada. Cuando se aplica un voltaje al electrodo, la curvatura de la interfaz líquida cambia debido a los cambios en la tensión superficial, logrando así un ajuste a nivel de milisegundos de la distancia focal.
La cámara industrial USB 3.0 de PixeLINK es la primera en aplicar esta tecnología, y sus ventajas son notables:
Sin partes móviles físicas: vida útil superior a 400 millones de operaciones
Enfoque de ultra alta velocidad:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
Fuerte adaptabilidad ambiental: capaz de soportar un impacto mecánico de 2000 g, con una capacidad macro de<5cm
Consumo de energía extremadamente bajo: La lente en sí consume menos de 1 mW de energía

(3). Plan de migración de tecnología móvil: VCM y enfoque continuo
Con la creciente demanda de calidad de imagen en las cámaras de portátiles, se ha comenzado a introducir la tecnología de módulos de cámaras de teléfonos móviles. El módulo USB desarrollado por Sunny Optoelectronics utiliza motores de bobina de voz VCM (que se encuentran comúnmente en las cámaras de teléfonos móviles), combinados con un sensor CMOS de 5 megapíxeles, para lograr un diseño miniaturizado con un grosor inferior a 5 mm.

VCM se basa en el principio de inducción electromagnética, donde los cambios de corriente impulsan la bobina para que se mueva hacia arriba y hacia abajo en un campo magnético, lo que resulta en el desplazamiento de la lente. Sus ventajas radican en su pequeño tamaño, respuesta rápida y soporte para enfoque automático continuo (CAF): el sistema monitorea continuamente los cambios en los valores FV y vuelve a enfocar una vez que la nitidez cae por debajo de un umbral, lo que garantiza la claridad en escenas en movimiento.

3, Algoritmo central: ¿Cómo "piensa" la cámara sobre el enfoque?
Estrategia de búsqueda de enfoque
Método de búsqueda global: Mueva la cámara desde el extremo más cercano hasta el extremo más lejano, calcule el valor FV durante todo el proceso y seleccione la posición del pico. Velocidad lenta pero alta fiabilidad, adecuada para el enfoque inicial.
Algoritmo de escalada de colinas: una solución de optimización principal. El sistema primero mueve la cámara en grandes pasos para determinar la tendencia de los cambios de FV, y cambia a un ajuste fino de paso pequeño cuando se acerca al pico. Los algoritmos modernos, como la escalada de colinas de paso variable y velocidad variable, pueden dividir dinámicamente el área de enfoque lejano (escaneo rápido de paso grande) y el área de enfoque cercano (ajuste fino de paso pequeño).
Mecanismo de determinación de picos
La detección tradicional de un solo pico es susceptible a la interferencia del ruido. La cámara de microscopio de Hangzhou Atlas Optoelectronics adopta el criterio de "dos subidas y dos caídas": cuando los valores FV en cinco posiciones consecutivas satisfacen FV ₁FV ₄>FV ₅, FV ∝ se juzga como el enfoque. Para evitar errores de juicio, también es necesario verificar que el valor exceda el umbral adaptativo (como el 90% del FV máximo durante el proceso de enfoque anterior).

Tecnología de adaptación de escena
Una vez completado el enfoque, el sistema monitorea continuamente el brillo de la escena y el valor FV del área. Si se detectan cambios significativos (como movimiento del objetivo o cambios repentinos en la iluminación), se activa el re-enfoque. Espere a que la fluctuación de brillo/FV se estabilice dentro del umbral y determine que la escena ha vuelto a la quietud. Esta adaptabilidad de rango dinámico mejora significativamente el rendimiento con poca luz.

4, Tecnología híbrida de vanguardia y adaptación de aplicaciones
Tecnología de enfoque híbrido
La cámara USB de gama alta adopta un esquema híbrido de detección de fase (PDAF) y enfoque de contraste (CDAF). PDAF simula la disparidad del ojo humano al organizar píxeles de enmascaramiento especiales (píxeles de enmascaramiento de la mitad izquierda y píxeles de enmascaramiento de la mitad derecha que aparecen en pares) en los sensores CMOS para calcular las diferencias de fase y lograr un posicionamiento rápido preliminar; CDAF realiza un ajuste fino. El diseño de referencia de la cámara de vigilancia 4K desarrollado conjuntamente por Renesas Electronics y Lianyong Technology adopta este esquema, que mantiene una excelente precisión de reconocimiento de objetivos en condiciones de poca luz.
Adaptación tecnológica para aplicaciones industriales
Inspección industrial e imágenes médicas: Las cámaras de lentes líquidas PixeLINK sobresalen en campos como el escaneo de códigos de barras y el reconocimiento de retina debido a sus capacidades antivibración y macro fuertes.
Grabación de video dinámica: La cámara antivibración OIS13M combina la antivibración óptica (OIS) y el enfoque automático para lograr imágenes estables en drones o ciclismo deportivo.
Imágenes microscópicas: Hangzhou Atlas Optoelectronics utiliza comandos privados del protocolo UVC para controlar la cámara del microscopio y resuelve el problema de la interferencia de picos locales a alto aumento a través del reconocimiento de dirección adaptativo.

5, Dirección de evolución futura
Con el desarrollo de la tecnología de fotografía computacional, el enfoque automático de la cámara USB está evolucionando en tres direcciones:
Inteligencia algorítmica: Combinando el aprendizaje profundo para predecir las posiciones focales y reducir el recorrido de búsqueda mecánica. Como preidentificar el área del sujeto en función de la segmentación semántica de la escena, o predecir la trayectoria del objetivo a través del análisis de desenfoque de movimiento.
Fusión de hardware: El accionamiento híbrido de la lente líquida y VCM se ha convertido en una nueva tendencia, como el módulo de sensor IMX415 que logra un zoom óptico de 3x manteniendo un tamaño compacto de 38×67,39 mm.
Actualización del protocolo y la transmisión: La nueva generación de interfaz USB4 romperá el límite de ancho de banda de 480 Mbps, lo que hará posible la transmisión y el procesamiento en tiempo real de datos de alta resolución de 8K, proporcionando una base de datos para un enfoque de ultra alta precisión.