在现代光学成像系统及各类依赖光学检测的应用中，实现高效、快速且精准的自动对焦技术至关重要。自动对焦不仅直接决定了获取信息的质量，还深刻影响着图像细节的清晰度、检测数据的准确性与可靠性。随着成像技术的不断发展，其应用领域也日益拓宽，从生物医学、材料科学到工业检测与安防监控等，几乎渗透到了各行各业。这些领域对高质量成像结果的需求持续攀升，而实现高质量成像的核心，便在于如何快速且精准地完成自动对焦。
当前，主流的自动对焦方法主要分为两大类：主动对焦与被动对焦。
1、主动对焦借助红外传感器等测距设备，在复杂环境下依然能够完成对焦，但这种方法会增加系统的硬件复杂度与成本。
2、被动对焦依赖图像特征信息，如相位检测、对比度等手段，不需要额外的测距硬件，但在追求高分辨率成像时，其计算负担大、处理速度慢，无法满足实时性的需求。而成像分辨率较低时，被动对焦方法难以准确判断焦点位置。
此外，在低光照环境下，由于光强不足导致的图像对比度与细节缺失，会使被动对焦面临严重挑战。对于高速成像场景，传统被动对焦方法的数据处理速度却难以跟上，从而限制了其对焦精度与响应速度。而在红外、太赫兹等特殊波段中，由于这些波段的成像特性与可见光不同，现有的被动对焦方法同样面临着适应性差、效果不佳的困境。
近年来，基于单像素探测器的检测技术逐渐受到广泛关注。这种技术巧妙地将空间维度信息转化为时间维度信息，不依赖高分辨率成像器件，在非可见光波段（如红外、太赫兹）、低光强成像与高速成像等应用中展现出独特优势。
学术界已提出了包括傅里叶域方法、哈达玛域方法与图像矩方法等多种单像素对焦策略。然而，这些方法大多依赖数字微镜器件（DMD）实现空间调制，往往需要多组调制模式完成一次对焦测量，受限DMD调制频率，限制了对焦速度，难以满足实际应用中对高效率与简洁性的需求。
因此，如何在不牺牲对焦精度的前提下，进一步提升自动对焦速度、简化系统架构、降低硬件成本，成为了当前自动对焦技术亟需攻克的重要课题。尤其是在需要实时响应、低功耗、小型化的成像应用中，发展一种高效、低成本、鲁棒性强且具备通用性的快速自动对焦新方法，具有重要的理论意义与工程应用价值。
在这一背景下，中国科学院合肥物质科学研究院时东锋研究员团队，在《Optics Letters》发表了题为“Complementary differential detection for fast focusing using dual single-pixel detectors”的论文。陈慧玲为第一作者，陈亚峰为通讯作者。团队提出了一种基于双单像素探测器的互补差分检测快速对焦技术，突破了DMD调制频率限制的调焦帧频，大幅提升了对焦速度与系统实用性。
本研究提出了一种基于双单像素探测器的互补差分检测快速自动对焦方法，以应对现有对焦技术在速度、复杂性与应用环境适应性上的诸多挑战。该方法通过引入互补差分检测机制，巧妙地利用两个单像素探测器分别接收互补调制光信号，直接测量目标图像的空间强度差异，从而实现对焦状态的实时评估。
不同于传统依赖图像重建与多模式调制单像素对焦方法，所提出的方案仅需单一固定调制模式即可完成一次对焦测量。通过计算双探测器之间的差分信号，即可有效反映成像清晰度，差分信号在焦点位置达到极值时，对应成像系统的最佳聚焦状态。这一策略不仅大幅减少了数据采集与处理时间，摆脱了DMD调制频率所带来的帧率瓶颈，使对焦速度同步于数据采样率，实验中对焦频率高达100 kHz。
我们还考虑了不同噪声水平对自动对焦性能的影响。通过在模拟图像中引入不同级别的高斯噪声，我们发现即使在信噪比较低的情况下（低至7dB），我们的技术仍然能够准确地确定对焦位置。这一发现证明了我们的自动对焦技术在实际应用中的鲁棒性，尤其是在低光照或高噪声环境下。
研究团队搭建了包含LED光源、DMD空间调制器、双单像素探测器与电动滑台的实验验证平台，针对不同物体与不同扫描速度开展了系统性测试。实验结果表明，差分信号的极值始终精准地对应于系统的实际对焦位置，验证了本方法的适用性与有效性。
该方法不仅在自动对焦速度与精度方面实现了重大突破，同时具备系统结构简单、适应性强、成本低等优势，尤其适用于红外、太赫兹等特殊波段的非成像对焦需求。未来，随着该技术的进一步优化与推广，预计将在生物医学成像、工业检测、安防监控等多个领域展现广泛的应用价值。
在本项研究中，研究团队围绕快速、高效的自动对焦需求，攻克了对焦速度、系统复杂性与应用适应性上的核心难题，取得了以下重要技术突破与创新：
1、提出了互补差分检测原理。通过双单像素探测器接收互补调制信号，仅需一次测量即可实时评估图像清晰度。差分信号的强度直接反映了焦距偏离情况，实现了无需图像重建的非成像对焦。这一方法在原理层面有效规避了传统方法依赖复杂图像处理与特征提取的弊端，极大简化了对焦判据的获取过程。
2、单模式调制实现高帧率。本研究方法实现了对焦速度的数量级提升。已有方法受限于DMD调制频率，帧率难以突破22 kHz，而本文方法仅用固定调制模式配合互补差分检测，使对焦帧率直接同步于采样率，实验中最高达100 kHz对焦帧率，突破了DMD固有限制，显著提升了成像系统的响应速度与实用性。
3、系统结构简化与高兼容性。在系统结构设计上，本方法摒弃了多模式切换与复杂硬件依赖，利用双单像素探测器实现高效差分检测，大幅降低了运算负载与硬件成本。这种简洁高效的设计思路，为小型化、低功耗、高通量成像系统的开发提供了重要技术支撑。
4、该技术具备鲁棒性与广谱适应性。差分检测本质上对光源波动与环境噪声具有天然抑制能力，使其在低光照、弱信号与动态场景下依然表现优异。由于方法本身不依赖高分辨率成像器件，仅使用单像素探测器，因此在红外、太赫兹等特殊波段具备显著应用优势。