本帖最后由 民心 于 2011-1-1 12:16 編輯
此帖更加詳細(xì)的講解兩種自動對焦原理，普及技術(shù)貼。
近日富士推出一款F305EXR采用了獨特的相位檢測自動對焦系統(tǒng)。與單反相機(jī)不同，該機(jī)將CCD中內(nèi)置相位偵測像素。這種傳感器上的成對相位檢測傳感器的工作方式與DSLR的傳感器相似。
富士對焦專用像素
對比檢測自動對焦在檢測到最大對比度之前不斷調(diào)整，因而速度較慢，相位檢測自動對焦與其不同，它將入射光線分成成對的圖像，執(zhí)行一次相位差計算以確定對焦調(diào)整的精確方向和調(diào)整量，富士測試自動對焦檢測速度最高達(dá)約0.158秒。
從富士的介紹上我們對兩種自動對焦的特點有了初步了解，那么我們看看他們的區(qū)別：
對比檢測自動對焦(反差式對焦)
對比檢測自動對焦系統(tǒng)的原理是根據(jù)焦點處畫面的對比度變化，尋找對比度最大時的鏡頭位置，也就是準(zhǔn)確對焦的位置。
對比自動對焦原理(圖片源自新攝影)
對焦過程：隨著對焦鏡片開始移動，畫面逐漸清晰，對比度開始上升；當(dāng)畫面最清晰，對比度最高時，其實已經(jīng)處于合焦?fàn)顟B(tài)，但相機(jī)并不知道，所以會繼續(xù)移動鏡頭，當(dāng)發(fā)現(xiàn)對比度開始下降。進(jìn)一步移動鏡片，發(fā)現(xiàn)對比度進(jìn)一步下降，相機(jī)知道已經(jīng)錯過焦點；鏡片回退至對比度最高的位置，完成對焦。
這個過程的重復(fù)“確認(rèn)”就是富士所說的“測到最大對比度之前不斷調(diào)整”
相位檢測自動對焦：
相位檢測對焦比反差對焦多出一些硬件部分。包括一個分離鏡頭(和線性傳感器圖像通過分離鏡頭分離出2個圖像，然后通過線性傳感器檢測出兩個圖像之間的距離。
相位自動對焦原理(圖片源自新攝影)
現(xiàn)代相位檢測對焦系統(tǒng)中的傳感器部分比上面的要復(fù)雜很多，一般是組合多個不同方向的線性傳感器，形成多方向的反差檢測。這些多出硬件部分無疑增加成本，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。
鏡頭進(jìn)來的光線，大部份向上反射到五菱鏡，再送到觀景窗，一部份穿過反光鏡，再向下反射送給對焦模塊
可以看到反光鏡后，向下分光反射給對焦模塊的鏡片
由于對焦過程是在拍攝之前，而且會將原光束進(jìn)行分離。所以最終到達(dá)線性傳感器上的光線會變得很弱。所以這種對焦方式對原始光線的要求會比較高。光線不足會很大程度的減弱對焦的成功率和速度。這也是對焦系統(tǒng)有光圈要求以及一些單反相機(jī)具備對焦輔助燈的原因。
相比反差式的需要來回多次“錯過”準(zhǔn)確焦點的位置來對焦的方式，相位式對焦在一開始的時候就可以通過相位檢測的信號來判斷當(dāng)前的焦點位置是靠前還是靠后。并且準(zhǔn)確的告訴鏡頭驅(qū)動模塊，應(yīng)該將鏡片向哪個方向移動。而且在準(zhǔn)確焦點位置的時候，相位檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的知道當(dāng)前已經(jīng)處于合焦?fàn)顟B(tài)。不需要再重復(fù)來回移動對焦鏡片組。所以在速度上會比反差式對焦快很多。
簡單來說相位偵測對焦更快但是對光線要求較高，對比偵測對焦結(jié)構(gòu)簡單、硬件少、光線要求低但會“猶豫”對焦慢。兩者各有其優(yōu)勢。
由于富士Super CCD EXR采用內(nèi)置相位檢測像素，這就是相當(dāng)于將單反中獨立的線性傳感器(專用對焦)集成到用來成像的主傳感器上，傳感器同時具備對比檢測和相位檢測自動對焦功能。
富士對焦像素工作原理
這兩種對焦方式之間智能選擇。在大多數(shù)場景，尤其是昏暗的場景下，傳統(tǒng)的對比檢測自動對焦能夠拍攝出漂亮的效果，但在拍攝高對比度對象或使用長變焦時較難對焦。該系統(tǒng)可以瞬間切換到相位檢測自動對焦，快速精確地拍攝這些場景。富士抓住兩種對焦方式對光線要求的差異，擇優(yōu)使用，同時由于集成的原因，結(jié)構(gòu)簡單、硬件也減少，可謂各展所長。
然而富士這一突破是具有深遠(yuǎn)意義的，就小編所知，這種在圖像傳感器上集成專用對焦像素的做法并非富士一家。
(一)索尼專利
據(jù)國外媒體爆料，索尼有一專利與富士思路相同，也是在主圖像傳感器上做相位偵測對焦。
索尼專利反光鏡抬起圖像傳感器直接對焦
索尼對焦像素排布
索尼為了克服沒有分光器， 將感光組件上的"對焦點區(qū)域"設(shè)計一排專用的對焦像素，這排像素是由A，B兩組像素組成，交錯排列， 如果我們單看A 與單看B， 可以將這條對焦像素視為兩條獨立的線性傳感器， 與單反中的AF線形傳感器一樣， A與B接收同來自一光源的光。
要讓A，B兩組傳感器分別接收到來自鏡頭不同方向的光，索尼在對焦用像素上設(shè)計兩層交錯的光柵遮光，讓所有A像素和B像素只能接受一個方向的光，這樣就起到單反相位對焦系統(tǒng)中分離鏡頭的作用。
(二)尼康專利
無獨有偶，國外媒體09年8月曝光尼康一個專利，與索尼相似，也是要在圖像傳感器上做文章，增加用于對焦的像素。
尼康第一種對焦像素排布
專利中對焦像素是在傳感器里面相關(guān)位置(對焦區(qū)域)插入一些專門用來對焦的像素。雖然這樣會導(dǎo)致一些馬賽克像素數(shù)據(jù)合成錯誤，但專利說這些錯誤不會容易被人眼容易觀察。
這是第一種對焦像素的結(jié)構(gòu)，表面沒有馬賽克彩色濾鏡，形狀為上下半圓形，這樣可以產(chǎn)生對焦誤差信號。實際上與單反相機(jī)的相位差傳感器結(jié)構(gòu)類似，優(yōu)點是對焦速度大大提高。
另外一種結(jié)構(gòu)，兩個水平條，以及對焦像素結(jié)構(gòu)。
(三)佳能專利
索尼、尼康都有專利在手，佳能自然也不甘落后，今年7月國外媒體爆出佳能也有類似專利技術(shù)。
佳能專利相機(jī)信息(USPTO App. No.12/664，529 )中可能將會在主要圖像傳感器的單個像素感光點上，加入更快的相位差偵測式自動對焦系統(tǒng)。對焦偵測識別感光像素用于圖像傳感器上后，針對視頻拍攝能力將有所提高。
佳能專利
將用于AF傳感器塞進(jìn)圖像傳感器里的思路，幾家公司想到一處絕非偶然，這種更高集成化的想法，符合未來趨勢，尼康和索尼把水平感應(yīng)點和垂直感應(yīng)點排列成線狀，而佳能是把水平和垂直感應(yīng)點各一個為一組，平均分散在感光組件上，雖然辦法稍有差異，但殊途同歸。
前文為何說富士改突破時具有深遠(yuǎn)意義的呢？四家公司中，僅有富士將專利變成實物產(chǎn)品，而其他三家還處于紙面上。但這說明相機(jī)廠商尤其幾位巨頭已經(jīng)看到這種設(shè)計的發(fā)展前景。
尼康和佳能目前都有研發(fā)單電相機(jī)(EVIL)的風(fēng)聲，而AF系統(tǒng)恰恰是單電一大軟肋，目前的單電相機(jī)都是對比檢測自動對焦系統(tǒng)，前文已經(jīng)介紹過這種對焦的問題，那么要想讓單電在對焦上突破，還不必效仿單反復(fù)雜結(jié)構(gòu)，辦法只能在圖像傳感器上做做文章，二合一的做法也就成了必然。
這種創(chuàng)新不僅僅對主要使用對比檢測自動對焦系統(tǒng)的便攜DC、單電相機(jī)有好處，而且現(xiàn)在不少單反相機(jī)具備了實時取景和視頻拍攝能力，在拍攝視頻(或?qū)崟r取景)時，單反同樣使用對比偵測對焦，對焦慢，成為目前單反實時取景、視頻拍攝一大詬病。
索尼曾設(shè)計用另一塊傳感器來替代主圖像傳感器完成實時取景，該傳感器設(shè)計到五面鏡當(dāng)中，這樣就不在用主圖像傳感器反光鏡會礙事的問題，這樣通過反光鏡反射，有這塊專用傳感器實時取景，對焦上仍然使用單反原有的相位對焦系統(tǒng)，這也就是為何索尼這種設(shè)計的相機(jī)實時取景情況下對焦速度快的原因。
不過，這種方式并不是真正最終成像的傳感器來實時取景。所見并非百分百所得，兩者不能完全劃等號。由于這種設(shè)計依仗五面鏡中活動鏡片改變光路，也就是說只能使用空腔五面鏡，而不能使用實心的五棱鏡。五棱鏡的反射率高，光路中光線損失少，取景視野更為明亮清晰等好處就要舍棄，也就是說為了實時取景快速AF，只能忍受光學(xué)取景器素質(zhì)下降。
所以富士該做法是治根的，單反的圖像傳感器可以相位偵測對焦，那么實時取景對焦拍攝、視頻短片AF都迎刃而解。因為是圖像傳感器的一次變革，對整個數(shù)碼相機(jī)家族都是有大大的好處，尤其對正在興起的單電相機(jī)，無疑是一劑強(qiáng)心劑。
對于這種集成設(shè)計還存在一些問題。成像時這些“插班生”并不參與成像，馬賽克合成會出現(xiàn)問題， 這種畫質(zhì)上的補(bǔ)償如何來做？這些對焦像素如何安排位置保證精度同時將畫質(zhì)影像降到最??？對焦像素增加另一個角度來看就是在將少參與成像的像素數(shù)量，如何來保障畫質(zhì)也是一個問題，包括前文提到富士新品有待實際測試來驗證。當(dāng)然最理想的是這些像素個個都是全能的，既能夠成像也能夠?qū)?，不過這有待未來技術(shù)的突破。 |
