​自动对焦到底是怎么一回事？

自动对焦到底是怎么一回事？

自动对焦的发展简史

1960年，莱茨（现在的莱卡）开始申请自动对焦技术专利。1976年，莱卡在世界影像博览会（Photokina）展示了一个自动对焦的相机（Correfot原型机）。1977年，柯尼卡发布了第一台大规模生产的自动对焦相机C35。1981年，宾得发布了第一台TTL自动对焦的35mm单反相机ME-F，1983年，尼康也发布了类似的自动对焦相机F3。

自动对焦模块在下面突出。

这些早期能自动对焦的单反都带有镜头马达，尤其是你会看到小巧的标准镜头旁边有一大块马达机构在旁。这一直持续到1985年，美能达MAXXUM7000随着传感器驱动电机在机身上。

这是第一台成功打开自动对焦单反市场的相机。在此机以前的自动对焦相机对焦慢而且老出错，制作成本也比手动机器高很多。

尼康紧跟美能达之后也有所发展，但在92年也重新用回机身马达。佳能在1987年推出EOS系统，在扩大卡口的同时直接将对焦系统完全电子化，此举等同于放弃原有的FD卡口。

历史大概是如此了，让我们看看里面具体的技术吧~。

FD和EF已经是完全不同的两个卡口。

物理理论

相位检测

大部分自动对焦的单反都用此原理进行对焦。光线通过副反光镜射入下方的对焦用传感器进行对焦。在相位检测测距组件上的感光元件是排成一个阵列(一般是排成一行)在光线照射下，会产生一定的电信号。因此相位检测只能检测一个固定方向的对焦情况，而不能检测图像的整体形状。高端单反相机往往用两组相位检测仪组成精确的十字对焦系统，或用四组检测仪组成双十字对焦系统。要注意的是，不同厂家对于双十字对焦定义也不一样，如中央8向双十字对焦和井形双十字对焦等。

可以看到内部有防反光的几何设计，灰尘不少。

反差检测

反差检测原理的对焦系统，一般会整合到感光元件里面，在使用数码单反的实时取景功能时你会用上它。小型相机和无反相机往往只能用反差检测式的对焦系统。其实虽然说是系统，反差检测只是用软件就可以实现，不需要特别的物理原件。最重要就是感光元件和图像处理器。

混合型检测

如名所示是上文两种系统的结合。将相位传感器集成到主感光元件上，以实现两种检测同时运行的效果。混合性检测有助于提高对焦速度。

工作原理

我们了解了对焦的物理理论。接下来将试试将其变为现实。

焦点和距离

相机的镜头是一套复杂的系统，但我们可以将其看做只有一块镜片。要对焦，只要移动这块镜片就好。拍摄对象的距离决定了移动镜片的程度。理想化的条件下，镜片聚焦情况遵守以下公式：

这公式要求镜片本身没有厚度……这是不可能的事。不过我们现在只是借助这条公式作为参考。

非常简单的镜头，就像一个放大镜。

非常夸张地设定镜头焦距为1000mm，即使1m。所以1/f=1。当S1、S2均为2m时，公式成立，灯泡成功对焦。 若灯泡从2m处移动到8m处，要想成功对焦根据上文公式，可解得S2=1.14m，感光元件应该在1.14m处。可惜上图并没有如此，因此对焦失败，感光元件上只有一个模糊的光斑，成为了画面的焦外。

神马！？1000m的镜头，物体从2m移动到8m，相机内对焦，镜片要移动0.86m？这相机体型要多大……

若在第一片镜片后加入第二组镜片，就可以有效控制后焦距距离，就可以对上焦了。如下图例子：

镜片的复合系统，这差不多成为真正的摄影镜头了。就算被摄物体大幅度移动，镜头内镜片也可以只移动一点点。 理想化的数学模型未必是完美的，但是的确能帮助我们去设计镜头。了解镜头结构之后，接下来是相位检测和反差检测在相机内运用的情况。

相位检测

相机机身内，副反光镜下，其实还有一些小型的镜片组用以分离对焦用的光线。这些小镜片组可以将主镜头光线重新分离成不同视觉方向的光线，再进行相位检测。这样就相当于旁轴相机的黄斑相位对焦。

假设我们有一张使用大光圈镜头拍摄的焦外虚化的图片。其实这张图片是由无线个无虚化图片集合而成。而在现在的镜头技术水平条件下，这些无虚化图片的一个共同点是在某一个固定平面它们记录的信息相同。所以它们的集合，在这个平面上的信息是清晰的。

这就是大光圈虚化的真相，你所看见的光斑，其实每一点都是原来的点光源，只不过是亮度低，点数多，又刚好排成圆形，看起来才是光斑的样子。

因此一般我们看到的照片，只要是由光圈结构镜头拍出来的，都已经包含多个角度的图像。小镜片组的作用是分离出其中的两个角度，交给对焦传感器将其进行对比，确定那个平面的位置。

反光板下的镜片组就像光圈F22的小镜头，在不同的角度提取出模糊画面之中的细节。

原理简图。其中没有镜头和附加的镜片。

光线来自镜头的两个方向，被两组不同的相位检测仪捕捉检测，并进行对比。被捕捉的图像其实在画面中是相同的位置，是对焦点所在的位置。

原理简图。省略了镜头的存在。

相位检测仪将输出两组数据到AF运算芯片中进行比较。虽然不同的厂家有不同算法，但这个过程一般会用到自相关和匹配函数。我们的最终目的是计算两组图像之间相距的距离，然后进行调整。最终结果越近越好。

对比图像信息就可以完成对焦了。

前文有提到过相位检测对焦有一字对焦、十字对焦等分别。其实一字对焦就是一对相位检测仪组成的系统，十字对焦就是两对，一横一竖，或是斜向交叉排列。下图是多组不同方向相位检测的检测情况。

十字对焦总是更有优势。

反差检测

反差检测会读取对焦点位置附近的图像，记录图像像素的亮度并求出它们的最大对比值。图像获得最大对比值，就是对焦成功时。

图中的函数梯度反映了图像的对比度。就可从数学方式判断较锐利的图像。

接下来镜头将前后移动对焦，相机补镬图像分级计算，令图像往对比度高里变化。如果对比度降低，说明镜头走错了方向，调整方向继续对焦，直到对比度获得最大值为止，就对好了焦。

上图模拟了相机的对焦步骤：对焦，走错回头，经过最优点，最后微调。

反差检测自动对焦的结果可以非常精确，因为它直接以补镬图像为基础进行运算，没有其他可能出差错的硬件系统，跑焦可能性就小了。但是这种结构也决定了相机必须要来来回回移动镜头才能完成对焦，所以从理论上分析，反差检测对焦要比相位检测对焦慢。或许现在一些新相机上，反差对焦表现也不错，但是其中还有镜头小型化等原因，像单反镜头这样的大体积镜头，使用反差检测对焦会很吃亏。

可以预见的是这两种对焦方式都有其自身的局限。有没有什么办法能两全其美？

不同的主题、不同的光线效果，都对照片的对比度有影响。

混合式检测

想要两全其美，获得相位对焦的速度，又有反差对焦的准确，要怎么办呢？使用混合式检测就可以达到这样的效果！

无反相机或使用实时取景的单反相机对焦时，所有的光线将直接照射在感光元件上，所以混合式检测对焦的办法就是将相位检测仪集成在感光元件中，不再另外设置硬件检测对焦。

那么如何将相位检测仪集成其中？考虑到现代感光元件的结构，最简便的方法是选择感光元件内的像素点，将其中的微透镜覆盖挡住一半。

原理

相位检测要求先从虚化的大光圈镜头成像内抽取没有虚化的小光圈镜头成像。

挡住一半微透镜的意义是，让这个像素只接收一个方向的光线。挡住左边只接收右边，挡住右边只接收左边。于是相机就可以分别获得从左右两边而来的图像，就可以进行相位检测了~！

选择绿色是因为绿色像素点比较多。

这项技术和旧时代的胶卷相机裂像对焦屏一样原理，分离左右两方向的光线成像，当它们重合时即可完成对焦。富士的X100s以此实现了电子裂像对焦屏，索尼、佳能、尼康也在它们的相机上实现了混合对焦系统。

融合在感光元件上的相位检测仪低光检测能力不是很强，检测位置也往往被限制在画面中心区域。这项技术现在在起步阶段，未来的发展方向可能是进一步排挤像素点的位置，插入更多对焦专用传感器，再植入高端的相位检测技术，如“米”字和“井”字排练对焦。

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