兄弟俺最近要为自动对焦工作，但自动对焦还不清楚，惭愧。
那位高手给俺简单讲讲原理，是怎么检测物体成象。俺明天
或后天就要向老板汇报进展。

炒点旧饭，不可能排版了，凑合看吧：

第二节  主动型自动聚焦系统
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一  主动型自动聚焦原理

    主动型(Active)AF系统又称有源型AF系统, 系指AF系统能发出
光线, 主动地测量被摄体与照相机之间的距离. 该系统由聚焦距离
测量(测距)和焦点调节两部分组成. 测距部分的作用是测量被摄体
与照相机之间的距离; 焦点调节部分的作用则是根据测距部分给出
的测距值来设定镜头上的聚焦距离.
    主动型AF系统通常见于平视旁轴取景的照相机 (即所谓的袖珍
照相机).  测距部分由两个窗口组成, 一个用来发射红外线, 另一
个用来接收返回的红外线.
    测距部分的工作过程是由红外发射器发出波长约为900纳米(nm)
左右的红外光线束(采用红外线而不用闪光灯作为发射光,是因为闪
光灯的闪光持续时间短, 测距速度跟不上; 若用自然光发射, 则无
法区分发射光和自然光),  通过一块非球面聚焦透镜射出. 当遇到
被摄体时, 红外光线会反射, 并由红外接收器接收. 红外接收器是
由一组透镜和排列的感光元件组成 (现大多数采用位置传感二极管,
PSD──Position Senser Diode).  距离不同的被摄体, 会使反射
光线进入红外接收器的入射角度改变, 从而也由不同的感光元件所
接收, 其原理见图2-1(b). 感光元件在受到红外光线的照射后, 产
生电信号, 该信号通过放大和转换电路, 进入机内的焦点调节装置
来调节镜头的聚焦距离.
    这类测距系统的特点是: 红外发射器的功率愈大, 红外光束所
能达到的距离也就愈远, 信号的处理也就愈容易. 但是由于受到电
源和成本的限制, 也由于被摄体反射率条件的不同, 红外测距系统
的测距范围是有限的, 可测范围大致为 8～15米. 当接收器测不到
返回光线时, 焦点调节机构会自动地将镜头焦点调整在无穷远位置
上. 在一些新型的红外测距系统中, 如佳能混合相机EPOCA,  在被
摄体较远时, 会自动增加红外线的发光强度, 使测距更为准确.
    从主动型AF系统的工作原理可看出, 当被摄体处于无穷远位置
时(例如拍摄风景照), AF系统根本就接收不到返回来的红外光线,
此时, AF系统失效. 所以现有许多袖珍相机都设有焦点无穷远锁定
功能, 当无法接收到返回的红外线或检测到的红外线很弱时, 直接
将焦点置于无穷远处.
    红外线主动型AF系统的构造比较简单, 因此价格也比较便宜.
主动型AF系统的优点是在低亮度和低反差情况下, 仍能自动聚焦.
主动型自动聚焦的工作原理图见图 2-1.
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│           图 2-1  主动型自动聚焦示意图             │
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    主动型AF系统在测量出焦点距离之后, 一次就将镜头焦点设置
为所需的距离, 至于其聚焦距离设置是否准确就不知道了, 因为没
有反馈测量元件来测量. 而且, 红外线的发射和接收都不是透过镜
头的. 整个AF系统的准确性完全取决于焦点测量和焦点调节两部分
的精度, 只要其中有一部分不准确, 会导致整个AF系统的精确度降
低. 从系统控制论的角度来看, 主动型AF系统等于是开环控制系统,
其工作原理方框图如图 2-2所示. 从图中可看到, 镜头的焦点设置
并没有任何反馈回路与测距部分给出的聚焦距离值进行比较.`&24`
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│┏━━━┓      ┏━━━┓  ┏━━━┓            │
│┃ 焦点 ┃距离  ┃      ┃  ┃ 焦点 ┃镜头焦点距离│
│┃ 距离 ┠───┨控制器┠─┨ 调节 ┠────    │
│┃ 测量 ┃      ┃      ┃  ┃ 机构 ┃            │
│┗━━━┛      ┗━━━┛  ┗━━━┛            │
│                                                  │
│先测量被摄体距离, 然后调整镜头聚焦距离, 镜头的实际│
│焦点与测量出的焦点之间无反馈比较.                 │
│      图 2-2 主动型AF系统框图                     │
└─────────────────────────┘`&40`
    由于其所基于的反射原理, 主动型AF系统对测距条件有一定的
限制. 在下列情况下, 主动型AF系统会失效:

    (1) 被摄体亮度太大, 如太阳、霓虹灯等;
    (2) 反射率很高的平面, 如水面、镜面等;
    (3) 不坚固的实体, 如火焰、烟花、头发等;
    (4) 纯黑色物体及反射率很低的平面;
    (5) 不能透过玻璃拍摄;

    前面介绍的主动型AF系统的基本构造是一个红外线发射窗和一
个红外线接收窗, 因此可以称为"两眼"式AF系统. 我们知道, 光束
在发射出去之后是不断扩散的, 所以投影在被摄主体上的红外光束
已经不再是一个点了, 而是一个区域(尽管不太大), 其原理有点像
手电筒的光束. 如果这些光线没有完全照射在被摄体上, 或者偏离
反射光的亮度中心, 例如光束的一半照射在人脸上, 而另一半则在
头发上, 由于头发是全黑的, 反射率极低, 红外接收器所接收到的
光线强度自然就会减弱, 所以有时会造成测量误差.
    解决的办法是采用两个接收器, 在红外发射窗两旁对称地各装
一个, 即构成"三眼"式AF系统. 两个接收器所接收的反射光是相互
补充的, 一个接收的光线强, 另一个就弱. 这样就等于有两套测距
装置, 将两个测量结果相加后, 再加以平均处理, 从而达到正确的
测距, 其测距精度要高于"两眼"式AF系统. 这种处理方法, 有点类
似于数字处理中的滤波方法. "三眼"式AF系统的原理见图 2-3. 第
一架实现"三眼"式AF系统的是柯尼卡于1991年推出的定焦袖珍相机
HEXAR.
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│由发射器IRED发射红外光线投影在人脸上, 有部分为头发, │
│无反射光. 位置传感器PSD1和PSD2分别测量到距离值L+X和 │
│L-X, 两者相平均则得到正确的距离值L.                 │
│          图 2-3  三眼式AF系统                      │
└──────────────────────────┘
    从第一节中知道, 红外接收器中排列的感光元件数量愈多, 其
测距精度也就愈高. 但由于厂家在生产时考虑到成本问题, 故在大
多数中低档袖珍相机中只装有为数不多的感光元件, 因此主动型AF
系统的精度普遍不高, 目前绝大多数主动型AF照相机是采用分级的
方法来实现自动聚焦. 如某一照相机的最近聚焦距离为 1米和AF级
数为 2级时, 那么镜头的聚焦距离只有两个位置可调节. 级与级之
间的"空档"则靠景深来弥补. 显然, 这类照相机的AF级数愈多愈好,
当然价格也会愈来愈贵. 目前市面上所见到的价格在300～600元人
民币的AF袖珍相机, 其AF级数只有2到3级, 在选购时务必要仔细地
查看说明书.

二  单束和多束红外线测距

    前面所提到的基本主动型AF系统是采用单束红外光线来测距的,
而且这束光线都是指向画面中央的, 因为大多数人拍摄时都是将被
摄主体放置在画面中部的, 此时是能够正确地自动聚焦.
    如果总是将被摄主体放置在画面中部, 所拍出的照片就显得呆
板. 为了使画面更生动活泼, 一般原则是将被摄主体放置在画面的
三分之一处. 其做法是先将中央部分对准主体, 聚焦完毕后再锁定
焦点(见本章第四节), 然后重新构图. 这样就要求拍摄者知道相机
的基本原理和具体的操作方法, 但对于这类相机的大多数用户来说,
似乎有些困难, 因为他们中的多数人是不懂或者不关心摄影技术的.
    另外还有一个问题是, 绝大多数采用红外线主动型AF系统的都
是旁轴式平视取景照相机. 这类照相机的取景器与摄影镜头是相互
平行的, 取景器的作用仅限于取景, 并不像单反机那样还有调焦判
断功能. 所以用户从取景器中所看到的影像总是清晰的, 并不知道
摄影镜头的焦点是否已经对准. 因此有可能会将焦点对在非被摄主
体上, 比如在拍摄人物风景照时, 将焦点对在风景而不是人物上,
所以最终的照片是风景清晰, 而人物却很模糊.
    为了使聚焦更为方便和准确度更高, 解决的办法是用多束红外
线光线来扩大AF区域(相当于用多个测距器来工作). 如将 3束红外
线按画面的左中右来排列, 分别测量画面左中右各部位的距离, 这
样就能够直接构图来拍摄主体偏移中央的照片了. 现在的大多数多
束红外线系统都是3束(有些为5束),按左中右排列(有些则按品字形
或对角线排列).  第一架采用多束红外线测距的是企能于1987年推
出的AUTO 3001定焦距袖珍相机.
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│当只有中间一束红外线时, 若两人并排而又不处于画面中央│
│时, 红外光线有可能穿过两人之间的间隙, 而测到背景的距│
│离. 只有使用多束红外线测距, 才有可能测量到主体距离. │
│          图 2-4  多束红外线测距示意图              │
└──────────────────────────┘
    但是采取多束红外线测距又引发了另外一个问题: 如果每个测
距器得出相等的测距结果, 那么调焦就容易了; 但如果各个测距结
果不相等的话, 相机的控制系统就应该作出相应的决策: 究竟哪一
个测距结果是被摄主体的? 现在多数相机采用了模糊逻辑推理方法
来确定, 所依据的是一系列的推理规则. 各个厂家的规则都有所不
同, 下面是一组规则的例子(3个测距器):

    (1) 当左边测距结果最近时, 主体在左边的可能性最大;
    (2) 当右边测距结果最近时, 主体在右边的可能性最大;
    (3) 当中间测距结果最近时, 主体在中间的可能性最大;
    (4) 当左、中、右测距结果分别为远、中、近时, 主体在中间
        的可能性最大;
    (5) 当左、中、右测距结果分别为近、中、远时, 主体在中间
        的可能性最大;

    根据规则, 得出可能性最大的结果, 然后按可能性最大的测距
结果来设定聚焦距离. 当然, 实际系统的规则可能要比前述例子要
复杂.
    采用多束红外线测距,还可以实现自动变焦构图(详见本章第七
节).
    解决聚焦难的办法除了采用多束红外线之外, 还可以采用移动
单束红外线的办法. 柯尼卡于1991年推出的AF变焦袖珍相机AIBORG
(眼之神), 首创了可移动式聚焦区域的自动聚焦系统, 即测距用的
红外线光束不再是固定的, 而是可由拍摄者根据主体在画面的位置,
水平地移动自动聚焦点, 可以对被摄主体进行更准确地聚焦.
    从总的来说, 判断一个红外线主动型AF系统优劣的标准是AF级
数和测距光束的多少. AF级数多, 表明AF系统的聚焦精度高; 而测
距光束多, 则表明聚焦区域扩大, 自动聚焦更容易.

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第三节  相位检测被动型自动聚焦系统
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    被动型(Passive) AF系统又称无源型AF系统, 系指AF系统并不
发出光线, 只是被动地测量来自被摄体的成像光线, 这些光线是可
以是通过摄影镜头 (TTL)的, 也可以是不通过摄影镜头的. 我们这
里介绍的被动型AF系统是基于测量相位差原理来工作的, 而且全是
通过摄影镜头的, 这是目前AF单反机中最为常见的系统.
    光束成像后对比度最高的地方称为像的脉冲, 或称相位, 像的
脉冲间距叫做相位差. 检测像的偏移, 就是要检测相位差的变化量.
通过镜头的光束被分成两个部分, 在胶片等效平面上的两组传感器
上成像. 如果焦点对准, 在左右相对的同一位置上, 能得到相同的
图像; 如果焦点偏离等效平面, 左右像也会出现偏移, 只要测出这
个偏移量, 就能检测出焦点的偏离状态. 其原理类似于手动聚焦单
反机的裂像检测.
    整个AF系统由三大部分组成: 相位检测装置、计算机和焦点调
节机构组成. 相位检测装置的作用类似于主动型AF系统中的测距部
分, 由于相位检测只是检测偏移量, 所以不能直接检测照相机与被
摄体之间的距离(聚焦距离), 相位检测装置只提供"聚焦验证"信号,
即"焦点准确"或"焦点不准确"等, 而不是提供照相机与被摄体之间
的距离. 焦点不准时, 只能测量出散焦(即偏离焦点)方向和散焦量.
"聚焦验证"信号通过电子转换电路, 送入照相机内的微型计算机系
统, 根据所用镜头的焦距、最大光圈值等参数计算出镜头的旋转方
向和旋转量, 发出调焦信号给焦点调节机构来调整镜头上的聚焦距
离. 只有不断地调整镜头和不断地测量, 才能将镜头聚焦距离设置
准确. 虽然被动型AF系统不是直接测量焦点距离, 但是, 只要聚焦
准确后, 由于镜头内的电路与相机的电路是相连的, AF系统仍然是
能够间接地知道镜头上的聚焦距离的, 这一点是非常重要的, 是以
后实现智能化测光及曝光和填充式闪光的基础之一. 从系统控制论
角度来看, 被动型AF系统是一个闭环控制系统,其控制框图见图2-5.
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┏━━┓            ┏━━┓  ┏━━┓  ┏━━┓        │
┃相位┃散焦方向    ┃机内┃  ┃接口┃  ┃焦点┃镜头焦点│
┃检测┠────○─┨计算┠─┨    ┠─┨调节┠─┬─  │
┃模块┃和散焦量│  ┃机  ┃  ┃电路┃  ┃机构┃  │    │
┗━━┛        │  ┗━━┛  ┗━━┛  ┗━━┛  │    │
                │                                │    │
│              │                                │    │
│              └────────────────┘    │
│在调节镜头焦点时, 相位检测模块不断地测量散焦量和散焦方│
│向, 不断比较, 直至无散焦量为止.                       │
│                                                      │
│      图 2-5  被动型AF系统框图                        │
└───────────────────────────┘
    闭环控制系统的优点在于输入量与期望输出量之间不存在误差.
整个系统的精度主要由焦点检测装置(相位检测模块)的精度来决定.
如果因为元件老化、机械磨损而造成焦点调节机构的精度下降, 闭
环系统将自动地进行补偿, 不会对AF系统整体性能造成过大影响,
因此相位检测AF系统的聚焦精度高于主动型AF系统.
    相位检测型AF系统有两种主要型式:  TCL系统和透镜分离器系
统.

一  TCL相位检测原理

    TCL(Through the Camera Lens)相位检测模块是美国亨尼威尔
公司于1981年研制的组件, 1982年对外出售. 其组件构造见图2-6.
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│  ① 滤光镜      ② 组件外壳盖  ③ 等效胶片平面     │
│  ④ 校正透镜    ⑤ 光拦板      ⑥ 复眼透镜组       │
│  ⑦ 陶瓷基板    ⑧ CCD元件                         │
│              图 2-6  TCL测距组件结构图             │
└──────────────────────────┘
    组件的基板为陶瓷材料, 在陶瓷基板上设有两排电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Device)作为感光元件,  每排有24对CCD元件,
CCD元件的作用是将照射光线转变成电荷量.  每对CCD中包含有A组
CCD和B组CCD, 这两组是相互错位排列而成, 每排的CCD排列顺序为

      A1      B1  A2      B2 ...... A24     B24
      └─┬─┘  └─┬─┘         └─┬─┘
        第1对       第2对              第24对

    两排CCD中的一排是用于光圈大于f/2.8的镜头, 另外一排则用
于光圈大于f/4.5而小于f/2.8的镜头,  这两排CCD元件的面积是不
同的. 由于最大光圈小的镜头与最大光圈大的镜头的进光光束有所
不同, 小光圈镜头的照射束变小, 为了提高测量精度, 所以要选用
面积小的CCD元件.
    在CCD元件上方是复眼透镜组, 每一对CCD元件被一个塑料小透
镜覆盖, 每一个复眼透镜的直径为0.2毫米.  复眼透镜的作用是将
透过镜头的光线分成两半, 分别成像聚焦在一对CCD元件上, 即A组
CCD 接受半边光线的照射, 而B组CCD则接受另一半光线的照射. 由
于摄影镜头的成像面积的成像基本上是圆形的, 经过复眼透镜成像
后仍为圆形. 把这一圆形区域分成左右两半,  由A组和B组CCD元件
分别受光, 因此, A组和B组CCD都是方向相反的近似半圆的多角形.
┌──────────────────────────┐
│  ① 摄影镜头  ② 复眼透镜平面  ③ 复眼透镜         │
│  ④ CCD平面   ⑤ A组CCD        ⑥ B组CCD           │
│              图 2-7  CCD受光图                     │
└──────────────────────────┘
┌──────────────────────────┐
│      ① f/4.5检测组  ② f/2.8检测组                │
│           图 2-8  CCD排列图                        │
└──────────────────────────┘
    复眼透镜上方为光栏板, 其作用是限制复眼透镜组的受光范围.
校正透镜的作用是使位于轴上或轴外的 CCD感光元件不出现光学特
性上的差异. 通过校正透镜后射向各微小复眼透镜中心的主光线都
是相互平行的.
    由于一般镜头并未对红外光线进行色校正, 若有大范围的色差
会引起焦点误差, 因此加入一块红外光截止滤光镜, 将不必要的红
外光滤掉.
    TCL 组件进行焦点检测的原理是通过对A组CCD和B组CCD进行扫
描, 得到像的照度分布.  A组和B组CCD的照度分布一般是相同的,
只是在位置上有偏移, 偏移量的大小和偏移方向决定了像是在焦点
前还是在焦点后. 当焦点落在胶片等效平面上时(合焦), A组和B组
CCD的照度分布是一样的, 而且是相重合、没有偏移的(见图中的a);
当离焦时,  两组CCD的照度分布不重合(见图中的b和c), 并且从两
组差别的先后顺序就可以判断出是焦点前还是焦点后.
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│(a) 合焦时, A组和B组CCD的照度分布一样, 而且相位一样;│
│(b) 焦前时, A组的照度分布超前于B组CCD的照度分布;    │
│(c) 焦后时, A组的照度分布落后于B组CCD的照度分.      │
│            图 2-9  TCL检测原理                     │
└──────────────────────────┘
    TCL组件每对CCD元件之间的间距(又称节距)较大,为200μm(微
米),  对细线等被摄体的检测有一定的困难, 但优点是在反差较弱
时也能检测.
    采用TCL组件的AF单反机有尼康F-501和奥林巴斯OM 707.

二  透镜分离相位检测原理

    透镜分离相位检测方式为目前绝大多数AF单反机所采用, 也是
一种通过摄影镜头的方式,  为了与亨尼威尔公司的TCL组件相区别,
所以不再用相同的名称. 透镜分离检测装置由一组分离镜片和一组
或多组由感光元件组成的测距组件(或称AF传感器)构成. 目前感光
元件有两大类: 一类是 CCD感光元件; 另一类是佳能公司自己研制
的BASIS(BAse-Store Image Sensor,  基存储影像传感器).  测距
组件上的感光元件是排成一个阵列(一般是排成一行). 上述感光元
件的特点是在光线照射下, 会产生一定的电信号.
    分离镜片的作用是将通过摄影镜头的光线分裂成两束并聚焦,
分别投影到测距组件上. 图2-10所示是相位检测装置的结构图.
┌───────────────────────────┐
│                                                      │
│透过摄影镜头的光线经主反光镜后面的小反光镜反射后, 通过│
│遮片, 由滤光片滤掉有害的红外线, 经过分离镜片, 将光线分│
│成两束, 分别投影在CCD感光传感器上.                    │
│     图 2-10 透镜分离相位检测装置结构图               │
└───────────────────────────┘
    下面以CCD 感光元件的测距组件来说明相位检测法的工作原理.
工作原理见图2-11. 当聚焦准确时, 经过分离镜片生成的两束光线
投影在CCD阵列上的距离是一定的, 从而CCD(记住这是一个阵列)上
被光束照射所产生的电荷的那一对CCD元件的位置也是固定不变的.
这对 CCD元件之间的距离在照相机设计时已经整定好了, 作为焦点
检测的基准.
┌──────────────────────────┐
│          图 2-11 透镜分离相位检测原理图            │
└──────────────────────────┘
    聚焦准确时见图2-11(a), 我们用AB来表示作为基准的一对CCD
元件之间的距离. 当聚焦不准时, 有两种可能性. 一种是镜头焦点
在被摄体之前, 见图2-11(b). 此时受光的两只CCD元件之间的距离
短于AB; 另一种情况是镜头焦点在被摄体之后, 见图2-11(c),  此
时受光的两只CCD元件之间的距离长于AB, 根据受光的一对CCD元件
之间的距离, 就能鉴别出焦点是否准确.  两只CCD元件所产生的电
信号经过转换电路和模拟／数字转换电路,  再送入照相机内的CPU
(中央处理单元), CPU按照厂家所设定的程序及根据这对CCD元件的
距离与AB的差值, 可计算出散焦量(即实际焦点与准确焦点之差)以
及散焦方向.

自动对焦分主动和被动两种，主动式多用于傻瓜，现代单反都是被动式的，
个别高档的旁轴则主,被动均有。
主动式原理很简单：用一束红外线或超声波（宝利来用后者）射出去，根
据回波的角度或时间间隔算出目标距离，再依此调整镜头即可。
被动式则复杂一些：由美国霍尼韦尔公司发明；是位于‘虚’焦点平面
的一个元件，有些类似微棱镜，但实际只是一组竖条棱镜，每条微镜后对
着一片感光元件（一般是CCD，现在也有CMOS的）。对焦时，镜头焦点由无
限远逐步近移，当各感光元件间的值差最大时认为对焦成功。所以，被动式
对焦们都不能对横线条对焦，也不能对对比度过低的物体对焦。