産業検査から遠隔医療まで、ミリ秒レベルの精密な焦点合わせは、光学、電子工学、アルゴリズムの三位一体の連携によって実現されています。
ビデオ会議を始めたり、スマートフォンで書類をスキャンしたりする際、USBカメラが瞬時に鮮明な画像を表示できますが、これはオートフォーカス技術の活用によるものです。一見単純な機能ですが、実際には光学設計、電子制御、アルゴリズムによる意思決定の精密な連携です。従来のステッピングモーター駆動レンズモジュールから革新的な液体レンズ、そして携帯電話カメラ技術のUSBカメラへの移行まで、オートフォーカス技術は、さまざまなシナリオのニーズに応えるために複数の技術的経路を開発してきました。
1、オートフォーカスの核心原理：光学、評価、実行の閉ループ
オートフォーカスの核心的な任務は、レンズとイメージセンサー間の距離を調整することにより、入射光を精密に感光素子に焦点を合わせることです。
USBカメラによるこの目標の実現は、3つの主要モジュール間の協調作業に依存しています。
光学取得システム: レンズ、フィルター、CMOSイメージセンサー（12メガピクセルOIS12Mモジュールなど）は、生の光を捕捉し、電気信号に変換する役割を担います。光がレンズを通過して屈折すると、イメージングセンサー上に干渉パターンが形成され、これらの干渉パターンの位相差（PD値）を使用して焦点の位置を計算できます。
鮮明度評価システム: USBインターフェースを介して画像データを取得した後、コンピューターは高速フーリエ変換（FFT）または微分演算を使用して、スペクトル振幅またはエッジシャープネスデータを計算します。これらは画像鮮明度評価関数（FV）と呼ばれます。FV値は、画像コントラストの分析を通じて得られ、本質的には隣接するピクセル間のグレースケール差を計算します。差が大きいほど、画像は鮮明になります。
実行メカニズム: 意思決定システムの指示に従い、駆動装置（ステッピングモーター/VCMモーター/液体レンズ）がレンズの位置を移動させます。たとえば、ステッピングモーターは、伝達ギアセットを介してレンズを前後に駆動し、最大ミクロン単位の精度を実現します。VCMボイスコイルモーターは、電磁誘導の原理を利用して精密な変位を実現します。この閉ループ制御プロセス全体は、画像の取得→鮮明度の計算→レンズの調整→効果の検証→フォーカスのロックとして要約できます。システムがピントのずれを検出すると、直ちにこのプロセスがトリガーされ、画像の鮮明さが回復することが保証されます。
2、技術的実装経路：従来のギアから液体革命へ
(1)。従来の機械駆動方式：ステッピングモーターの台頭
初期のUSBカメラでは、ステッピングモーターと伝達ギアセットの組み合わせが一般的に使用されていました。浙江大学が開発したプロトタイプは、OV7620センサーチップを使用しています。コンピューターがピントのずれを認識した後、USBインターフェースを介してモーター駆動回路（PIC16C73Aチップなど）にパルス信号を送信します。モーターは、パルスを受信するたびに固定角度（1.8°など）回転し、その回転運動はウォームドライブまたはスレッドドライブを介してレンズの線形変位に変換されます。
利点は、構造が単純で低コストであることですが、機械的摩耗による寿命の制限（通常数十万回のフォーカスサイクル）、フォーカス速度の遅さ（100〜500ミリ秒が必要）、耐衝撃性の弱さ、モバイルデバイスでの故障のしやすさなど、明らかな欠点があります。
(2)。液体レンズ革命：機械的動作なしでミリ秒レベルの応答
フランスのVarioptic社が開発した電気湿潤技術は、新たな道を開きました。この技術は、絶縁油と導電性水溶液という2つの混和しない液体を密閉されたチャンバーに注入します。電極に電圧を印加すると、表面張力の変化により液体の界面の曲率が変化し、それによって焦点距離のミリ秒レベルの調整が実現されます。
PixeLINKのUSB 3.0産業用カメラは、この技術を初めて採用し、その利点は顕著です。
物理的な可動部品がない: 4億回以上の動作寿命
超高速フォーカス:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
強力な環境適応性: 2000gの機械的衝撃に耐え、マクロ機能は<5cm
超低消費電力: レンズ自体は1mW未満の電力を消費します
(3)。モバイル技術移行計画：VCMと連続フォーカス
ラップトップカメラの画質に対する需要の高まりに伴い、携帯電話カメラモジュール技術が導入され始めました。Sunny Optoelectronicsが開発したUSBモジュールは、VCMボイスコイルモーター（携帯電話カメラで一般的に見られる）を使用し、5メガピクセルのCMOSセンサーと組み合わせて、厚さ5mm未満の小型設計を実現しています。
VCMは電磁誘導の原理に基づいており、電流の変化がコイルを磁場内で上下に移動させ、レンズの変位を引き起こします。その利点は、小型、高速応答、および連続オートフォーカス（CAF）のサポートにあります。システムはFV値の変化を継続的に監視し、鮮明度がしきい値を超えて低下すると、再度フォーカスを行い、動きのあるシーンでの鮮明さを確保します。
3、コアアルゴリズム：カメラはどのようにフォーカスについて「考える」のか？
フォーカス検索戦略
グローバル検索方法: カメラを最も近い端から最も遠い端まで移動させ、プロセス全体でFV値を計算し、ピーク位置を選択します。速度は遅いですが、信頼性が高く、初期フォーカスに適しています。
ヒルクライミングアルゴリズム: 主流の最適化ソリューションです。システムは最初にカメラを大きなステップで移動してFVの変化の傾向を判断し、ピークに近づくと小さなステップで微調整に切り替えます。可変ステップや可変速度のヒルクライミングなどの最新のアルゴリズムは、遠焦点領域（大きなステップの高速スキャン）と近焦点領域（小さなステップの微調整）を動的に分割できます。
ピーク決定メカニズム
従来の単一ピーク検出は、ノイズ干渉の影響を受けやすくなっています。杭州Atlas Optoelectronicsの顕微鏡カメラは、「2つの上昇と2つの下降」基準を採用しています。5つの連続した位置でのFV値がFV ₁
シーン適応技術
フォーカスが完了した後、システムはシーンの明るさと領域のFV値を継続的に監視します。大幅な変化（ターゲットの移動や照明の急激な変化など）が検出された場合、再フォーカスがトリガーされます。明るさ/FVの変動がしきい値内で安定するのを待ち、シーンが静止状態に戻ったと判断します。このダイナミックレンジ適応性は、低照度性能を大幅に向上させます。
4、フロンティアハイブリッド技術とアプリケーション適応
ハイブリッドフォーカス技術
ハイエンドUSBカメラは、位相差検出（PDAF）とコントラストフォーカス（CDAF）のハイブリッド方式を採用しています。PDAFは、CMOSセンサー上に特別なマスキングピクセル（左半分マスキングと右半分マスキングピクセルがペアで表示される）を配置することにより、人間の目の視差をシミュレートして位相差を計算し、予備的な高速位置決めを実現します。CDAFは微調整を実行します。Renesas ElectronicsとLianyong Technologyが共同開発した4K監視カメラのリファレンス設計は、この方式を採用しており、低照度条件下でも優れたターゲット認識精度を維持しています。
産業用途向け技術適応
産業検査および医療画像処理: PixeLINK液体レンズカメラは、防振性と強力なマクロ機能により、バーコードスキャンや網膜認識などの分野で優れています。
ダイナミックビデオ録画: OIS13M手ぶれ補正カメラは、光学手ぶれ補正（OIS）とオートフォーカスを組み合わせ、ドローンやスポーツサイクリングで安定した画像を実現します。
顕微鏡画像処理: 杭州Atlas Optoelectronicsは、UVCプロトコルプライベートコマンドを使用して顕微鏡カメラを制御し、適応ステアリング認識を通じて高倍率での局所ピーク干渉の問題を解決します。
5、将来の進化の方向性
計算写真技術の発展に伴い、USBカメラのオートフォーカスは3つの方向に進化しています。
アルゴリズムインテリジェンス: 深層学習を組み合わせて焦点位置を予測し、機械的な検索移動を削減します。たとえば、シーンセマンティックセグメンテーションに基づいて被写体領域を事前に識別したり、モーションブラー分析を通じてターゲットの軌道を予測したりします。
ハードウェアフュージョン: 液体レンズとVCMのハイブリッド駆動が新たなトレンドとなっており、IMX415センサーモジュールは、38×67.39mmのコンパクトサイズを維持しながら、3倍の光学ズームを実現しています。
プロトコルと伝送のアップグレード: 新世代のUSB4インターフェースは、480Mbpsの帯域幅制限を突破し、8K高画素データのリアルタイム伝送と処理を可能にし、超高精度フォーカスのためのデータ基盤を提供します。
産業検査から遠隔医療まで、ミリ秒レベルの精密な焦点合わせは、光学、電子工学、アルゴリズムの三位一体の連携によって実現されています。
ビデオ会議を始めたり、スマートフォンで書類をスキャンしたりする際、USBカメラが瞬時に鮮明な画像を表示できますが、これはオートフォーカス技術の活用によるものです。一見単純な機能ですが、実際には光学設計、電子制御、アルゴリズムによる意思決定の精密な連携です。従来のステッピングモーター駆動レンズモジュールから革新的な液体レンズ、そして携帯電話カメラ技術のUSBカメラへの移行まで、オートフォーカス技術は、さまざまなシナリオのニーズに応えるために複数の技術的経路を開発してきました。
1、オートフォーカスの核心原理：光学、評価、実行の閉ループ
オートフォーカスの核心的な任務は、レンズとイメージセンサー間の距離を調整することにより、入射光を精密に感光素子に焦点を合わせることです。
USBカメラによるこの目標の実現は、3つの主要モジュール間の協調作業に依存しています。
光学取得システム: レンズ、フィルター、CMOSイメージセンサー（12メガピクセルOIS12Mモジュールなど）は、生の光を捕捉し、電気信号に変換する役割を担います。光がレンズを通過して屈折すると、イメージングセンサー上に干渉パターンが形成され、これらの干渉パターンの位相差（PD値）を使用して焦点の位置を計算できます。
鮮明度評価システム: USBインターフェースを介して画像データを取得した後、コンピューターは高速フーリエ変換（FFT）または微分演算を使用して、スペクトル振幅またはエッジシャープネスデータを計算します。これらは画像鮮明度評価関数（FV）と呼ばれます。FV値は、画像コントラストの分析を通じて得られ、本質的には隣接するピクセル間のグレースケール差を計算します。差が大きいほど、画像は鮮明になります。
実行メカニズム: 意思決定システムの指示に従い、駆動装置（ステッピングモーター/VCMモーター/液体レンズ）がレンズの位置を移動させます。たとえば、ステッピングモーターは、伝達ギアセットを介してレンズを前後に駆動し、最大ミクロン単位の精度を実現します。VCMボイスコイルモーターは、電磁誘導の原理を利用して精密な変位を実現します。この閉ループ制御プロセス全体は、画像の取得→鮮明度の計算→レンズの調整→効果の検証→フォーカスのロックとして要約できます。システムがピントのずれを検出すると、直ちにこのプロセスがトリガーされ、画像の鮮明さが回復することが保証されます。
2、技術的実装経路：従来のギアから液体革命へ
(1)。従来の機械駆動方式：ステッピングモーターの台頭
初期のUSBカメラでは、ステッピングモーターと伝達ギアセットの組み合わせが一般的に使用されていました。浙江大学が開発したプロトタイプは、OV7620センサーチップを使用しています。コンピューターがピントのずれを認識した後、USBインターフェースを介してモーター駆動回路（PIC16C73Aチップなど）にパルス信号を送信します。モーターは、パルスを受信するたびに固定角度（1.8°など）回転し、その回転運動はウォームドライブまたはスレッドドライブを介してレンズの線形変位に変換されます。
利点は、構造が単純で低コストであることですが、機械的摩耗による寿命の制限（通常数十万回のフォーカスサイクル）、フォーカス速度の遅さ（100〜500ミリ秒が必要）、耐衝撃性の弱さ、モバイルデバイスでの故障のしやすさなど、明らかな欠点があります。
(2)。液体レンズ革命：機械的動作なしでミリ秒レベルの応答
フランスのVarioptic社が開発した電気湿潤技術は、新たな道を開きました。この技術は、絶縁油と導電性水溶液という2つの混和しない液体を密閉されたチャンバーに注入します。電極に電圧を印加すると、表面張力の変化により液体の界面の曲率が変化し、それによって焦点距離のミリ秒レベルの調整が実現されます。
PixeLINKのUSB 3.0産業用カメラは、この技術を初めて採用し、その利点は顕著です。
物理的な可動部品がない: 4億回以上の動作寿命
超高速フォーカス:<50 milliseconds in open-loop mode, approximately 10 frames per second closed-loop mode
強力な環境適応性: 2000gの機械的衝撃に耐え、マクロ機能は<5cm
超低消費電力: レンズ自体は1mW未満の電力を消費します
(3)。モバイル技術移行計画：VCMと連続フォーカス
ラップトップカメラの画質に対する需要の高まりに伴い、携帯電話カメラモジュール技術が導入され始めました。Sunny Optoelectronicsが開発したUSBモジュールは、VCMボイスコイルモーター（携帯電話カメラで一般的に見られる）を使用し、5メガピクセルのCMOSセンサーと組み合わせて、厚さ5mm未満の小型設計を実現しています。
VCMは電磁誘導の原理に基づいており、電流の変化がコイルを磁場内で上下に移動させ、レンズの変位を引き起こします。その利点は、小型、高速応答、および連続オートフォーカス（CAF）のサポートにあります。システムはFV値の変化を継続的に監視し、鮮明度がしきい値を超えて低下すると、再度フォーカスを行い、動きのあるシーンでの鮮明さを確保します。
3、コアアルゴリズム：カメラはどのようにフォーカスについて「考える」のか？
フォーカス検索戦略
グローバル検索方法: カメラを最も近い端から最も遠い端まで移動させ、プロセス全体でFV値を計算し、ピーク位置を選択します。速度は遅いですが、信頼性が高く、初期フォーカスに適しています。
ヒルクライミングアルゴリズム: 主流の最適化ソリューションです。システムは最初にカメラを大きなステップで移動してFVの変化の傾向を判断し、ピークに近づくと小さなステップで微調整に切り替えます。可変ステップや可変速度のヒルクライミングなどの最新のアルゴリズムは、遠焦点領域（大きなステップの高速スキャン）と近焦点領域（小さなステップの微調整）を動的に分割できます。
ピーク決定メカニズム
従来の単一ピーク検出は、ノイズ干渉の影響を受けやすくなっています。杭州Atlas Optoelectronicsの顕微鏡カメラは、「2つの上昇と2つの下降」基準を採用しています。5つの連続した位置でのFV値がFV ₁
シーン適応技術
フォーカスが完了した後、システムはシーンの明るさと領域のFV値を継続的に監視します。大幅な変化（ターゲットの移動や照明の急激な変化など）が検出された場合、再フォーカスがトリガーされます。明るさ/FVの変動がしきい値内で安定するのを待ち、シーンが静止状態に戻ったと判断します。このダイナミックレンジ適応性は、低照度性能を大幅に向上させます。
4、フロンティアハイブリッド技術とアプリケーション適応
ハイブリッドフォーカス技術
ハイエンドUSBカメラは、位相差検出（PDAF）とコントラストフォーカス（CDAF）のハイブリッド方式を採用しています。PDAFは、CMOSセンサー上に特別なマスキングピクセル（左半分マスキングと右半分マスキングピクセルがペアで表示される）を配置することにより、人間の目の視差をシミュレートして位相差を計算し、予備的な高速位置決めを実現します。CDAFは微調整を実行します。Renesas ElectronicsとLianyong Technologyが共同開発した4K監視カメラのリファレンス設計は、この方式を採用しており、低照度条件下でも優れたターゲット認識精度を維持しています。
産業用途向け技術適応
産業検査および医療画像処理: PixeLINK液体レンズカメラは、防振性と強力なマクロ機能により、バーコードスキャンや網膜認識などの分野で優れています。
ダイナミックビデオ録画: OIS13M手ぶれ補正カメラは、光学手ぶれ補正（OIS）とオートフォーカスを組み合わせ、ドローンやスポーツサイクリングで安定した画像を実現します。
顕微鏡画像処理: 杭州Atlas Optoelectronicsは、UVCプロトコルプライベートコマンドを使用して顕微鏡カメラを制御し、適応ステアリング認識を通じて高倍率での局所ピーク干渉の問題を解決します。
5、将来の進化の方向性
計算写真技術の発展に伴い、USBカメラのオートフォーカスは3つの方向に進化しています。
アルゴリズムインテリジェンス: 深層学習を組み合わせて焦点位置を予測し、機械的な検索移動を削減します。たとえば、シーンセマンティックセグメンテーションに基づいて被写体領域を事前に識別したり、モーションブラー分析を通じてターゲットの軌道を予測したりします。
ハードウェアフュージョン: 液体レンズとVCMのハイブリッド駆動が新たなトレンドとなっており、IMX415センサーモジュールは、38×67.39mmのコンパクトサイズを維持しながら、3倍の光学ズームを実現しています。
プロトコルと伝送のアップグレード: 新世代のUSB4インターフェースは、480Mbpsの帯域幅制限を突破し、8K高画素データのリアルタイム伝送と処理を可能にし、超高精度フォーカスのためのデータ基盤を提供します。
