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自动对焦简介

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之乎
2015.10.17 03:06* 字数 12579

作者:之乎 | 2015.10 | 维基条目副产品

自动对焦(Auto Focus)是一种于20世纪60年代发展起来的技术,主要在相机和其他光学设备上应用。其中需要许多技术,如半导体、光电子、微型马达等支持。

其自二十世纪70年代应用于民用相机以来,掀起了巨大浪潮;时至今日,从紧凑型数码相机,到单反或者是无反机型,几乎都遍布自动对焦。

今天拍照并不需要了解那么多原理,本篇笔记作为维基条目的副产品,大略介绍一下自动对焦的发展和现状,供有兴趣的朋友参考。

背景


所谓对焦,就是驱动光学镜头中的一枚或多枚,而在对焦屏或成像元件上获得最清晰像的过程,其历史甚至早于照相机的诞生——早期画家们有“取景盒子”时就有对焦概念了。而照相机在达盖尔时代发明显影术后得到了高速发展,摄影师从湿版到胶片,从单一黑白摄影到获得色彩,手动测光到自动测光,终于,需要自动对焦的一天来到了。

自动对焦诞生之前,手动方式对焦有两种方法,一种是测距对焦(Scale Focus),一种是取景器联动对焦,这两种方法都会在后文提及;前者的精准度有限,后者的形态各异,诸如黄斑和裂像等,但对于使用者眼神和操作都有一定要求,也限制了照相机这个“魔法盒子”在普通大众之中的普及——人民大众有要求,工程师们自然会想办法来解决。

很有意思的是,最早可以查询到的记录是徕兹公司提出的自动对焦相关的专利,提出时间差不多在60年代~1973年(我在搬运的时候发现英文维基的注释链接失效了,之前也感叹这个时代信息消逝得更快了。相关过往在这里有提及)。

徕卡是135相机的发明者,很长一段时间,甚至现在而言,也是无可争议的135王者;技术领先与制造精良是其王牌。这样的企业想掀起新的浪潮,也完全可以理解。到了1976年的Photokina展,徕兹公司也推出了一款概念产品 Correfot ,稍后的78年展示了自动对焦完全功能的单反……再然后,就没然后了。自动对焦的机器要等到21世纪和松下合作之后推出的几款贴牌DC;或许值得一提2006年的Digilux 3,43感光元件的可换镜头机型(然而其实是奥林巴斯E-330的改型,松下L1的再贴牌)。再之后有试水不可换镜头的X1/X2,APS-C的T系,以及2015年的LeicaQ,然而这都是后话。

图文无关,我就是摆一台徕卡镇楼(Leica I)

百花齐放,日本相机工业在70~80年代有一种后来居上的势头。话说回来,人民群众要的是极致画质和平衡的功能,前者日本人追赶了,似乎还是会差点意思;后者倒是在自动对焦的场地上扬名立万。77年柯尼卡(Konica)的C35 AF,是自动对焦的PS机;而81年的宾得(Pentax)ME-F将自动对焦扩展到单反领域。1985年美能达的MinoltaAF也是里程碑一样的登场,宣告着真正的完备自动对焦系统出现了。虽然说α7000可以说平平无奇,甚至其上撤销拨轮而使用细长按键的设计也是局限于时代审美的标志,然而终究是各类技术集大成之作。宾得(Pentax)、尼康(Nikon)、佳能(Canon)也纷纷投入新的市场。

美国在这个时期也并非没有作为,除了威达(Vivitar)热衷于计算机辅助设计之外,还有一家宝丽来(Polaroid)的公司一直对Instant(即时成像)抱有极大热情,72年~81年间出产的SX-70系列是其产品中的佼佼者,在78年生产的OneStep机型还带上了声纳自动对焦系统。一时,迪斯尼乐园、即时成像、傻瓜操作,无疑是美国梦的一种具体意象。

德国的另外一位巨擘,蔡司,在90年代可能受到德国统一,万事可为的利好鼓舞,也联合日本京瓷推出了自动对焦的康泰时(CONTAX)品牌产品,不可换镜头的T系,可换镜头的G系以及稍迟的N系单反产品。

随着时代推进,自动对焦技术也在发展,但是就不在『背景』章节里赘述了。最后一件要说的事情是,80年代末90年代初,美国企业honeywell(霍尼韦尔)起诉minolta(美能达)关于自动对焦专利侵权——这个时期刚好是日本泡沫经济末期,而美帝上下一股护犊情绪——总之最后美能达被美国法庭判败诉,赔偿约1.2亿美元(嗯,90年代初的“亿美元”);财务上的危机导致了后来很多事,简直可以另外撰文。(有兴趣的朋友亦可移步自行阅读日文条目『ミノルタ・ハネウェル特許訴訟』)

原理与实现


解构主义视点来看,自动对焦其实可以视作是手动对焦的自动化:转动对焦环(以驱动对焦镜片),观察取景器,观察到合焦则停止对焦。

而还存在另外一种手动对焦方法,(使用测距仪或估算)测量出相机胶片到拍摄体的距离,然后根据镜头标尺旋转对焦环。这种方法被称作 Scale Focus (标尺对焦),随着黄斑对焦和单反取景相机的普及而较少使用,偶尔在人文类摄影中配合超焦距以估焦方式露面。

这两种方法似乎刚好可以对应自动对焦的两大类别,即『被动式』与『主动式』。

主动式

简单来说,主动式的自动对焦就是拿一个测距仪,比划着差不多画面中心位置,测出来距离数据,传递给机身,机身根据标尺推着对焦镜片到那个位置,“咔嚓”,拍下对焦成功的照片。基于这一点,『主动式』叫做『测距式』也许更为具象一些。

Polaroid SX-70 Sonar OneStep,声纳比镜头还大

这样的好处很明显,就是机身内部用于成像的结构基本不要改,加装一个外部附件然后进行通讯并且驱动镜片就是。所以,在自动对焦的早期,很多很多这样的设计;比如说宝丽来的SX-70系列中的SONAR OneStep款。

测距器的具体实现很多,超声波(声纳)、红外线,以及最近一段,重新在手机上被翻出来用做噱头的『激光对焦』,都是类似的。

CONTAX G,自动对焦的旁轴系统,额头小窗户是红外测距用。以下说法的例外之作

至于对上没对上,抱歉,一般机型取景器里看不出来;想要对画面中比较特别的点对焦,抱歉,也不太好选。这些问题,以及早期外部测距器的庞大体积,都影响了相机设计(上图中的红外窗测距,算是例外,小型化程度好,在20世纪末普遍装备于傻瓜相机上)。因为主动测距式的不足,也就有了下面的被动式。

被动式

其实仔细想来“被动”这个说法并不严谨,严格来说这叫做 TTL式。所谓TTL,就是 Through The Lens 的缩写,字面直译“通过镜头”,意译“镜后”;在自动对焦之前,这主要用来区分称呼测光方式,现在则轮到了自动对焦。

以“镜后”方式做的行为,好处就是“所见即所得”,从消除视差,精确测光,到自动对焦,无一不是如此,而能以镜后方式来运作的相机系统,在当时就是单镜头反光取景机型,即所谓“单反”。

而这镜后被动式的自动对焦,又分作两种实现,即『相位对焦』与『对比度对焦』。而这两种实现,又与稍早发展起来的图像传感器技术有关。

相位对焦Phase Detection Auto FocusPDAF),可能又叫做“相位差对焦”,是将传感器布下“长蛇阵”,然后在这条线上捕捉通过镜头不同边缘部分射入的光线进行检测的方式。说的比较复杂,看图简单。

相位对焦,不同位置的情况

这图是我见过的诉说原理的图片中最简洁的,来自DP Review,做成了动图好插入文章。这里的传感器即为相位对焦传感器,为横向分布,红线与蓝线代表了镜头同一被摄体通过镜头两端投射的光线,重合即为合焦;而若不重合,还可以根据具体的分布位置,判断焦点偏移的方向,可以进行方便的反馈纠正。

聪明的读者这时候也会想到,如果这一字与物体的条纹方向刚好同向,岂不是抓瞎了?为了解决这样的问题,就把原本的一字长蛇阵改为十字或者X字阵就可以了;在美能达Dynax 7(也就是美能达A7)发布的时候(约2000年),还出现了“双十字”的说法,其实就是传感器排布以“十”叠加“X”,但是可能叫做“米字对焦”不好听(“双十字”比较酷炫有没有!)。无忌的Xitek西老当年还写过一篇《双十字交叉传感器原理》,欢迎移步阅读。


对比度对焦Contrast Detection Auto FocusCDAF),也被叫做“反差对焦”,是根据画面中的物体的反差来判断合焦情况的方法。所以考虑一下,这样的对焦是在以传感器为取景/成像条件下完成的。

这样的判别方法,更接近人的判断过程,即观察图片变化制定下一步的决定。然而要模拟这样的过程,对于图像识别、驱动算法,以及作为支持的芯片等都有较高的要求;在民用紧凑型数码相机刚出现的时候,这样的对焦相比单反上发展多年的相位对焦是缓慢的;技术的发展让对比度对焦的速度不断提升,特别是在Micro 4/3系统推出后,随着奥林巴斯与松下为代表的企业努力下,对比度对焦速度甚至超过了一些单反相机。后面的『对焦速度』段落会说到。

实时取景带来的变动

自2006年,以奥林巴斯E-330为代表,将真正实用化的实时取景功能(Live View)引入大底传感器机型以来,其便利性已深入人心(特别是新晋用户)。在新的时期,越来越多使用传感器取景拍摄的情况;可是,单反的结构(后文『跑焦』段落会提及)决定了,在抬起反光板时无法启用相位对焦。为了解决这个问题,这时候的厂家们,提出了两种方案:
1. 抬起反光板的时候,用对比度对焦;
2. 前一种太慢了,玩点别的花样吧。

前一种的方案,可以认为佳能的EOS 450D为代表,实时取景模式下,使用对比度对焦;当然,用过的人都了解是怎样一种缓慢的过程。后一种,则有奥林巴斯E-330和索尼的α300/α350为代表。

奥林巴斯的E-330,提供了两种模式可选;A模式快速实用,可以实现高速自动对焦
索尼α350的实时取景示意

后者的方案,在启动实时取景时,并不是将反光镜完全抬起,而是对光路稍作变动,将部分镜后光线投射到一块稍小的副传感器上;剩下的光线,还是去往了原来的相位传感器上。

索尼公司在2010年更进一步,在其于该年发布的SLT机型上,设置了固定式的半透明反光镜,索尼称之为“Translucent Mirror Technology”,右上角还要带TM角标的那种。这样,取景和成像都使用主传感器,只是光线的利用效率会比单反机型稍微低一些。(关于SLT,到『跑焦』段落再谈谈)

以上这部分的内容,我稍早在中文维基建立了『奥林巴斯 E-330』『半透明反光鏡』『索尼SLT机型』条目,可供参考。

混合搭配,干活不累

原本成像用胶片,自动对焦用CCD,自然是要分开;现在成像和自动对焦都用CCD/CMOS,那么可以合在一起吗?

正是这样朴素的想法,诞生了“传感器内嵌相位对焦点”的设计。最早产出这样传感器的,是日本的富士胶片,其在2010年推出的机型『F300EXR』,配置了具备内嵌相位对焦点的EXR传感器。

EXR传感器是SuperCCD式的蜂巢排布,黄点为对焦点

其具体实现在于,选择片上相邻的一对像素点(此处为富士胶片特殊的六角形排布),各遮蔽其上一半的感光,使其只能接受从镜头相对两侧进入的光线。由此,即在原理上达到了相位对焦模块的实现。来自东芝的一段视频简明说明了该问题。


相位对焦与内嵌式实现

理论上的缺点在于,用作相位对焦的点不能参与成像,需要机内处理以周边像素进行插值生成;然而在动辄上千万像素的今天,几个乃至几百个像素点的损失,相比由此得到的便利性,确实不算什么事。

佳能公司在650D时代推出的包含内嵌相位点对焦的能力乏善可陈,为了在这股技术浪潮中占领高地,也于70D的世代推出了全像素双核对焦(Dual Pixel CMOS AF),名字很复杂,其实就是在像素上布置了两组二极管,这样让像素既可以进行对焦,也可以进行成像。佳能自己有介绍,而“撞针”前辈也有一篇《草评Canon Dual Pixel CMOS AF》,虽自称草评,但其中专门介绍了其中的工作原理,感兴趣的朋友可以移步阅读。

以上述的设计,配合传感器取景原本就使用的对比度对焦,构成了时下各种商业宣传中经常听到的“混合对焦”;通常的做法是,相位传感器侦测大概的合焦位置,镜片在该位置附近,使用对比度方式进一步检测合焦——这样既发挥相位差方式的高速指向性特点,又可以获得对比度的高精度和相关的模式识别能力。富士胶片从原本自产的EXR传感器,到现在APS-C规格的X-TransII都已配备(据说,后者是定制版的索尼IMX071);而尼康、索尼、佳能、松下等厂商也都在其无反产品中加入了“混合对焦”的行列。

当然,混合对焦早期也可以指早期主动与被动方案的协同,这里篇幅限制,并未进行介绍。

相关概念


原理说完,讲讲自动对焦的一些相关概念。

对焦速度

以下几样东西影响着对焦速度:
1. 对焦方式与具体执行方法
2. 灵敏度(传感器)
3. 马达(执行器)
4. 镜片安排

对焦方式与算法,对焦方式的选择,会对自动对焦的速度产生影响。相位式方案中,单一状态的传感器数值已经可以判断去往合焦需要的方向,而对比度对焦则要通过“尝试-观察(并分析)-再尝试”的方法来获得,受到传感器灵敏度因素的制约较大。

插入来说说灵敏度,尼康公司会对自己的相位对焦传感器取名(Multi-CAM系列),并且在一段时间后将原本高阶的对焦模块“下放”到原本较低定位的新机型上,这一举措被粉丝们称为厚道;而另外一方面,其他公司似乎并不喜欢这种命名行为,自动对焦的模块升级相对显得不可知,但几乎也遵循新技术必然有提升的节奏。

尼康的高端模块,Multi-Cam 3500FX,51区

自动对焦单反发展的早期曾有一种说法,即开放光圈小于F5.6的镜头无法实现自动对焦,其实也与传感器的灵敏度有关;而作为例外,极限可能是美能达的500R镜头,恒定的F8光圈仍然可以在机身的合理设计下实现自动对焦(仅中心点,详见条目『美能达500R』)。

而对比度对焦的算法影响较大。笔者去年曾经写过一篇关于佳能无反EOS M的介绍,不想引起了意外吐槽。人称“茼蒿”(@不辣的玛荔)的玩家,还在国内时,曾经对初代机型进行过深入分析,据其说,EOS M上的对比度对焦算法如X一般——说这话时满心愤恨堪比吃了一台EOS M一般。

日经BP提及该初版机型的对焦算法时说『EOS M的AF不是单纯的“慢”,而是让人“觉得慢”』。佳能事后也放出了一版升级固件,2.0.2,有用户对比发现速度加快(Youtube视频为证)。以上这些只是想说明硬件条件不变,合理化的算法可以加快对比度对焦的速度。

如果可以掌握更多资源,对比度对焦可以做到何种程度?佳能公司在2012年的EOS M属于反面例子,而同一年奥林巴斯公司发布的旗舰机型OM-D E-M5,则是纯对比度对焦,却达到了非常高的速度。该公司在E-P3世代开始配置了称作『FAST AF』功能,全称为Frequency Acceleration Sensor Technology,工作机理在于以120FPS的刷新率分析图像,配合专用的图像处理芯片,镜片对焦移动过程中在图像上的变化变得非常敏锐,结合后文说的技术而达到了高速自动对焦。在其诞生多年后的2014年,松下的DFD(Depth From Defocus,空间认识技术)与类似的索尼4D Focus才以更进一步的识别能力而推进算法发展。


索尼4D对焦展示

马达,镜头或者机身上的马达,虽然个头不大,却要驱动着镜片的运动,它们是否够强力往往决定了机身或者镜头的能力,也影响了市场中的定位。

在自动对焦系统开发之初,如美能达的系统,选择由机身提供动力推动镜头的方案,因为可以单机身多镜头复用这一系统,显得成本较为低廉;但是相比稍迟推出的,如佳能EOS系统所选择的,将马达置于镜头的做法,(以现在的眼光来看)有诸多不足。除了商业定位上的考虑,后者驱动力与小型化可以随时代而发展,而前者传动链长的劣势却一直存在。尼康、索尼和宾得公司也在单反领域从后者向前者进行转型;而无反系统则清一色地于一开始便采用的镜头配置马达的布局。

目前广泛应用在镜头中的马达,主要有超声波马达与步进式马达(步进电机)。

超声波马达是利用压电效应,也就是电能与机械能互换的效应而开发的一类微型化马达,有意思的是,它的第一个商业应用和最广泛应用就是出现在自动对焦领域。几乎所有相机厂家都有自己的超声波马达技术,并且都取了复杂的商用名称,然后又觉得麻烦而使用三个字母作为缩写(约好的一般,居然都是三个字母),十分有趣。

而步进电机在实时取景获得普及后,也得到了重视,这与对比度对焦的方式以及步进电机的工作方式有关。

佳能EF-M 22mm F2 STM镜头机械结构图

对比度对焦不断重复『分析采样-驱动-再分析-再采样』的过程,必然会跨越对比度峰值而进行对焦镜片的回归;步进式马达因为可以无需其他设备而获得自己的形态信息,所以在回归这一过程可以实现得较为迅速。佳能公司曾经非常推崇USM超声波马达,并且在高阶镜头中大规模装配,粉丝也对此趋之若鹜;然而在实时取景与视频大规模应用下,也不得不妥协,近年来很多装配STM马达的镜头问世,其实质就是步进式电机。


还是佳能EF-M 22mm F2 STM镜头,对焦镜片由螺杆机构推动

关于步进电机的认识,我最早来自于中学时候玩机器人的经历。机器人的组装需要各式各样的执行器,普通的马达可以说是“忘我冲锋”,然后由其他传感器控制它的工作条件(启/停);步进马达比较复杂,需要赋值来为形态做出一个定义,在组装机械手的时候,使用这样的马达可以不需要位置传感器来获得现有状态数据,直接读取变量值即可,印象颇为深刻。我认识一位朋友,江湖人称“哥哥”,他有一句口头禅,『我们来聊聊步进电机吧』,对此的痴狂可见一斑。鉴于步进电机的光明未来,在此我也不怕跑题,断言此人日后必成大器。

对焦镜片的组织

一颗镜头,可以使用整体镜组移动的方式来对焦,也可以设计其中一枚或几枚镜片移动而实现对焦;为了便利性,日常大多数镜头都是后者的方式。

下图的RZ67即为移动镜头整体进行对焦的例子。

Mamiya RZ67

历史上曾有那么唯一的一款 CONTAX AX ,利用了前述这一点,虽然安装的是Y/C口的手动对焦镜头,但是通过机身内移动胶片平面(相对来说,就是移动镜头位置),来实现自动对焦。当然,这样的对焦速度并不高,却是那个时代不得了的创举。

CONTAX AX,让手动的YC口镜头也可以自动对焦

以至于现在一直有声音说,大法应该用传感器前后抽插对焦来让旁轴老镜头们“自动化”……姨夫一直没有表态

抛开这枚奇葩不说,镜组中,负责对焦镜片的组织安排也影响对焦速度。曾经有一个说法,讲徕卡的镜头都是较为厚重的玻璃材质而非日厂爱用的树脂镜片,如果由自动对焦的微型化马达推动起来,『不如手动』。且不说徕卡是否由此放弃了多年的梦想(『背景』说了,徕卡是最早想搞事的),单论镜片的重量,确实会影响对焦速度。瘾科技曾经测试过FE 35mm F1.4镜头,在其他镜头对焦速度差距明显的A7R与A7S两台机身上,该镜头均表现缓慢,撰文小编倾向认为是镜片重量影响。

作为一个极端例子,适马曾经在2008年推出过一款怪兽级产品,200-500mm F2.8,该镜头需要内置电池,不然由卡口端提供的电力不足以推动该镜头对焦。

一些厂商在镜头设计中,特别是一些大型镜头中注重对焦镜片的轻量化设计,例如奥林巴斯的M.Zuiko 40-150mm F2.8,对焦由两枚轻型镜片联合控制,使用VCM马达推动,这样原本由一枚镜片行走的距离,合理地分散到两枚镜片同时完成。Youtube上有厂家的介绍视频,或可窥一斑。

辅助对焦灯

不管主动或者被动,相位或者反差,总会发生对焦对不上的情况,这一般是以下情况:
1. 照度太低    -  就是几乎无光的环境
2. 无图案纯色    -  比如无云蓝天,比如白墙
3. 低识别度远景    -  比如雾气笼罩的湖面

所以辅助对焦,从这几处下手即可。例如各厂闪光灯上的设计,因为这样光线暗淡的情况会使用闪光灯,或者反过来说也可,即——使用闪光灯的时候不少都是原本光线并不太强烈的时候;很自然地,厂家们也在自己的闪光灯上配置了辅助对焦灯(Assist lampAF illuminator)。

通常是一块红色的塑料片,后面隐藏着LED,可以打出具有纹样的图案。缺少对比度和照度的被摄体由此可以被精确对焦。

纹样,来自下图的美能达闪光灯
德语维基用户Montauk的设备

当然,这种方式并不是万能的,对于远景的蓝天和雾气,以及夜晚的星空,现实中还是切换手动方式对焦比较快捷。不过已经够好了,不是么?

中低档的机身往往不带专门的辅助灯,但是也有办法,就是用内置闪光灯以低照度闪烁照亮,帮助AF传感器找准。而高档的机身往往会带有一个辅助对焦灯,但是彼此差别大了。比如尼康和索尼(不,并不是要黑,只是第一反应想到,对比也要按照基本法),请看图。

尼康D90,风靡且长盛的机型;红裤衩右上那个就是辅助灯

尼康的D90大概颇具代表性,图中在手柄与卡口中那个反射着白色光芒的就是辅助灯。这个灯其实就是一个LED,亮起来仅作照明用途,如果拿来拍摄人像,往往会晃得睁不开眼。

索尼α700,几乎相同位置,红色塑料块遮蔽的就是辅助灯

索尼的α700,其实更像是柯尼卡美能达α7 Digital的索尼版续作,其上的对焦辅助灯,则与原厂闪光灯上一致,向外投射红色斑纹,即便是白墙也可以对焦。(图片来源

这种细节很容易被忽视,但是潜移默化地改变了用户的使用灵活度。只是一般用户不会有多台机器对比,而一些媒体的快餐化评测往往也不会重视到其中差异。

这种方法成本相当低廉,而又可以有效提升一定条件下的自动对焦能力。让我想起一句话“如果你没作弊,说明你还没用尽全力”。然而并不是这样的手法就一定适用,街拍和人文摄影中为了不打扰被摄人,摄影师可能会选择关闭该功能。

富士S9600对焦辅助灯,绿色的图案


跑焦

跑焦是一种常见情况,特别是你混用多厂牌机身与镜头时,案发在单反类机身上较为多见。

这要从单反的构造说起。

奥林巴斯E-3侧剖,反光镜箱奥妙多

还是来自维基媒体的图,是奥林巴斯E-3的侧剖,可说是末代单反的常见构造。反光镜并不是单一的一枚镜片,而是由“人”字状的主反光镜和副反光镜(Sub Mirror)构成。

主反光镜也与单反初现世时大为不同,初代的手动对焦单反,全部光线反射到取景器总成中即可;后来出现的TTL镜后测光功能,需要进行分光,佳能为代表的厂家提出了固定式半透明反光镜设计(Pellix,1965),随后这样的设计反过来影响了可动反光镜设计,现在的反光镜皆为半透明材质构成。这段内容可以参考『半透明反光镜』。

单反相机取景时反光镜自然放下,镜后的光线部分通过反光镜的反射,向上通过对焦屏进入光学取景器总成;现时的对焦屏,也比手动时代复杂,不仅有可换的类型,还通过液晶在其上刻画了对焦点的模样,你激活的对焦点还可以于取景器内亮起提示。所以一些现代的单反,你取下电池时,再看取景器,会变得昏暗不堪,也是由于这其中不通电的液晶降低通光率所致。

光线照射在主反光镜上,除了反射到取景器,还有剩下一部分光线透射过,于副反光镜上发射到反光镜箱下部的传感器模块。觉得实物图复杂的读者不要怕,我从佳能的公开资料那边改了一张图过来。

简化的单反构成图

在理论设计的时候,镜后光线到胶片/传感器平面的光程,与到自动对焦传感器的光程应当一致。这样在自动对焦传感器上合焦,也意味着抬起反光镜拍摄也为合焦。而实际的生产装配过程中,却很难保证这两个项目一致,这就造成了跑焦偏移。

如何解决呢?这就要说可编程的好了。厂家在出厂时进行检测,对于偏移量在一定范围内的情况,将偏移量记录下来,以一种固件化的形式写入机身,在不同镜头的使用过程中,对马达的推动进行一定的补偿操作。仅仅对于偏移特别大的机器进行个别的机械重校正,这样降低了大规模生产的成本。

这其实也解释了,为什么在一些自动对焦设计的机身上,使用手动对焦,明明在取景器中看着合焦,释放快门却还是得到跑焦的照片。还有另外一个小故事,笔者大学时有一位好友人称“安妮大炮”,收过一台价格极低的问题单反,索尼的α100。这台机器的自动对焦功能都是正常可靠的,唯有取景器模糊;自行拆开并重新安装对焦屏后,完好如新。对照上述结构图,这也说明取景与AF一定程度的无关性。

随着日复一日的使用,可能会造成反光镜的移位,而引入新的偏移;厂家近年来也在一些中高阶机型中,开启了对焦微调功能,用户可以借此自己调校镜头补偿。一些玩家也通过特别的渠道,从维修人员那里得到了厂家的工具,对固件化的偏差数值进行修改,这里有个D90的例子已经失效。

而如果使用副厂镜头,可能在读取该偏移补偿量时产生问题,也就造成了总是不合焦的情况,特别是具备大光圈的镜头,这样的问题尤其明显。适马公司(SIGMA)为此背了多年的锅——以致于,长期以来,适马都提供了一项服务,即用户将搭配起来有跑焦问题的机身与适马镜头寄回客户服务中心,就可以由工程师进行校正并寄回。然而这样的服务仍然有麻烦,比如用户的机身升级和往来的耗时;终于有一天,适马痛定思痛,“不能再这么活”——推出了适配自己镜头的调焦座,用户可以通过接上电脑的USB口,利用软件『SIGMA Optimization Pro』自行对镜头进行调校。

使用数据线连接电脑的SIGMA USB DOCK

所以,从原理上来说,跑焦的数码单反如果可以使用抬起反光板的实时取景方式对焦,也可以做到精确对焦。而新一代的内嵌相位点的传感器,因为AF检测原生就在传感器平面上,也从理论上消除了跑焦的可能。

SLT设计反思

这边顺便再说说索尼的SLT。索尼的实时取景方案最是方便实用,但是也有缺点,就是部件多,阻碍了小型化;而且五棱镜也不好施展,只能使用五面镜才可以腾出空间。所以要打主意,很容易走到老路上,也就是前文提过的,佳能早年推出的固定式半透明反光镜。索尼公司使用了类似的方案,但是得益于新的技术,有了不同。


这样的设计还带来了一个有益的副作用,就是体积缩减。……而阻碍进一步小型化的,是人体工学的握持需求,以及A口镜头适配需要的法兰距。

SLT初代时,α55的原理介绍

现在看起来,SLT的固定式半透明反光镜设计,有什么问题呢?
首先是通光量的减少,虽然说索尼公司的传感器技术使得高感表现日新月异,但是毕竟还会损失,这就让用户很不舒服;
之前说过,2010年富士做出了内嵌相位对焦点的技术,但是索尼肯定那会不知道。也就是说,以上帝视角来说,这个相位传感器,是没有没必要独立设置的;上文也说过,这样的分离设计,还会引入跑焦。

到了2014年,索尼在α6000和α5100上实现了一个新技术,叫做『4D对焦』,利用密集的内嵌相位点,以及处理器的识别,实现了高速的连续对焦;该技术又反哺回SLT机型的α77II——因为这三款机型使用的是相同的传感器——普通用户也许不会意识到,这就让这层半透膜显得多余了。到了2015年,类似的事情又发生了,就是ILCE-7R2出现了,虽然没有标识4D对焦,但是也密布了399点的内嵌相位区,网友们很快发现,使用LA-EA3转接环,比LA-EA4,要更快——而一年之前这是完全相反的

SLT站在新旧技术的边沿,正好身上代表了冲突与革新的矛盾,具有一定的戏剧性。

分支


自动对焦兴起,成为了不可阻挡的一股势头,不可否认今天还有一些系统保持着手动对焦并且具备独特魅力,却并不影响关于自动对焦越来越多的讨论造。

陷阱对焦

陷阱对焦(Trap FocusFocus Trapcatch-in-focus)说的是在机身设定好对焦距离,当检测到有物体进入该焦点平面时,自动释放快门捕捉画面的拍摄方式。特定的场合,如运动或者野生动物、宠物摄影可以用得上。现在宾得的机器功能多,一般会有;还有诸如佳能机的魔灯固件也有提供。

峰值对焦

峰值对焦(Focus Peak)不是完整的自动对焦技术,是在传感器实时取景基础上,进行边缘检测,并且在屏幕或电子取景器上描绘斑纹(Zebra)来展现物体对比度;用户根据这些提示,进行合焦判断并释放快门。

简单来说,原本的对比度自动对焦过程,由人来做最终合焦判断。该技术仅在传感器实时取景下实现。这类技术对于转接手动老镜头的用户较为合适。但是在大逆光、高对比环境下也会有边缘检测失效的情况。

峰值对焦功能最早在2011年,于索尼的NEX机身上通过固件升级方式提供。之后几乎各大厂家的无反机型都纷纷效仿;2012年初发布的E-M5机型虽然有快速的自动对焦,但因为没有配置峰值对焦功能而受到部分用户批评(当然,聪明的用户们后来发展出了线框小技巧)。

数码裂像

裂像(Split Image focus)是一种在手动对焦时代常用的辅助手段,在反射镜系统上安装裂像对焦屏即可实现(也有同原理但是对焦区规格不同的,称作“微棱”的对焦屏)。而数码裂像则是在传感器内嵌相位点的基础上,以可视化实现裂像对焦这一过程。该功能最早在2013年,于富士的X100S型机身上提供。Fujifilm UK曾提供视频说明

面部对焦

面部优先对焦其实是一种模式识别(Pattern recognition),在传感器取景条件下,对采得的画面通过面部识别(Face perception)进行对焦。一些厂家的机器还更进一步,可以登记机主与家人的面孔,在茫茫人海中优先对上;以及还有一些针对肖像摄影群体的功能,识别人脸上眼睛的位置,对眼睛精确合焦;如索尼,奥林巴斯的新机型,均有该功能。

我的E-P5,还可以选择找哪一只眼睛哦


眼控对焦

眼控对焦(Eye-controlled focusing, ECF),是一种曾经出现在佳能EOS系列胶片单反上的技术。其实并不关自动对焦什么事,它的本质是在取景器内安装了眼球追踪装置,侦测使用者的眼球注视位置,启动画面中最接近区域的对焦点。

佳能 EOS 3,正脸角上标注 EYE CONTROL

这样的操作设计自觉性比较强,但是没有密集的对焦点排布支持还是会不够精确。今日的对比度对焦或者双模式混合对焦都可以实现更大的覆盖自由度。佳能公司在数码时代,也并没有复刻该功能;当然,当年谁又会想到,现在可以简简单单通过触摸屏的操作来选择几乎无限的对焦点呢?

未能自动对焦的那些镜头


这是写完本篇之后,朋友们一同讨论说起的话题(很少或者没有自动对焦的镜头类型)。以前没有想过或者想明白的,似乎都有了一些道理,在此列出,共同探讨。

超微距镜头

放大率实现1:1的镜头被称作微距镜头,如果可以实现更大的放大率(Magnification,像与物体的比),一般叫做超微距镜头。这类镜头用于拍摄的题材特殊,如果说普通的微距镜头可能还涉及普通的静物乃至人像,最多做做底片翻拍,那超微距可能多是用于各类标本的重现;自然其使用环境相对也比较严苛,多为室内案台明亮的环境。进行这类拍摄时,景深极浅,往往一张不够,需要多次拍摄,后期进行景深合成(或称焦点叠加,Focus Stacking)。综上,单纯的自动对焦似乎麻烦而且意义不大,而且超微距时的小光圈也不足以支持相位对焦。

景深合成的例子

然而美能达曾经做过1x~3x的自动对焦超微距镜头,也算是业界奇葩;佳能公司生产的MP-E 65mm具备更大的1x~5x放大能力,虽没有自动对焦能力,也是世所罕有的明珠级镜头。

MP-E 65mm 1-5x Macro

移轴镜头

移轴镜头的英文原名其实是 Perspective Control Lens ,即透视控制镜头,移轴只是具体的操作名称。这类操作其实很早在更大幅面的View Camera上出现,有长长的皮腔可以任意摇摆移动镜头而控制透视与焦点;而这类功能的专属镜头则是在135上发展兴盛的。

而移轴镜头直接的英文名,shift lens,也是一个过往的名称,因为现在的移轴镜头其实都会具备『移轴』(shift)和『摇摆』(tilt)两种功能,而合称 tilt-shift lenses。

佳能的17mm移轴镜头

移轴功能应该并不影响成像平面与感光平面的关系,出问题的应该是摇摆功能,一旦摇摆起来,系统无法精确判断用户想要的合焦点是什么,而无法检测(无标准,不检测);考虑到用这类镜头的都是高杆玩家,人数也并不多,似乎也没必要做上自动对焦功能?

21世纪初,突然兴盛Tilt-shift Miniature Faking的玩法,需要利用移轴镜头

折返镜头

折返镜头(Catadioptric Lens)其实是由天文观测中使用的望远镜设计演变而来,通过利用镜身多次反射,可以在紧凑体积内实现长焦乃至超长焦的焦距。而且由于构造的原因,焦外的光点还会呈现出圈圈状的形态,被一些玩家昵称为“甜甜圈”。

这类镜头因为照顾体积,往往光圈都不大。常见F5.6、F8甚至F11,以这样的通光量,应该也是很难驱动相位传感器的。不过前文其实提过,美能达的500mm Reflex F8即实现了自动对焦,另外美能达自己Vectis系统(APS系统)上的400mm F8也同样可以自动对焦。

对折返镜头有兴趣的朋友还可以移步阅读无忌网友“babycashew”的《我所收藏的上百个折返镜头----兼一些不严谨的对比》。

STF焦外控制镜头

MinoltaAF系统里有一枚例外,虽然说美能达把超微距以及折返都做成了自动对焦,但是STF 135mm镜头却居然只能手动对焦(详见条目『美能达STF135』)。

美能达 STF 135mm F2.5[T4.5]镜头

推敲了一下,仅仅只是个人猜测:APD元件是中心透、四边暗的构造,而相位对焦刚好需要的就是从离开中心的侧边来的光线,这样的条件很可能无法驱动,或者说即便驱动,也很难快速工作。

2014年,富士公司推出了一枚具备APD元件的56mm F1.2镜头,就可以在自己混合对焦的X系统上工作,或许就是得益于对比度对焦的帮助?开发采访在此

富士XF 56mm F1.2的APD元件,单片染色构成

不晓得新时代的混合对焦环境下,会不会反过来推动前述几类镜头有更好的表现?

其他的话


自动对焦是涉及学科相当广泛的系统性问题,虽然说本篇介绍看上去很简单(我尽力了),但是实际组建起来,会发现很多『小问题都是大问题』的情况。

我国一直没有自主的可换镜头自动对焦系统。为人津津乐道的国产双鸟,凤凰和海鸥,很长时间内满足于引进的PK与MD兼容生产线;老师傅们不可谓技艺不精,却在自动对焦席卷大潮中消逝了曾经的辉煌。这样的例子也在一些日本厂家身上发生,并非个例。

到了数码时代,国内也出现了『爱国者打造数码单反』的传闻,一时间热热闹闹,最后不了了之。反倒是数码无反横行的2014和2015年,有了消息,永诺制作了佳能口的自动对焦镜头,大疆做出了MFT规格的自动对焦视频机。虽然说细究起来并不是完全自主的技术,但技术发展与交流环境的变迁,也可见一斑。


为什么写这篇东西?自己把一些条目翻译搬运了,有需要的人自然会通过搜索引擎找到(Google对Wikipedia十分友好),然而感觉还是少了点什么,为什么不把完整图景画出来呢?这样不仅满足了追问,还满足了追问的追问。

虽然自己尽量做到知无不言并且装的比较有趣,还是难免有错漏与不通顺之处,还请包涵与指正。下方的扩展阅读多少可以继续满足好奇宝宝的追问;如果语言不是问题,蛮可以看看英语与日语版本的『自动对焦』条目,英文条目宏观重视原理,日文条目以史为线如数家珍

本文图片主要来自维基共享媒体、业界相机器材媒体 DC Watch 与 DP Review 以及厂家资料,未能一一标注,还望见谅。(Google图片搜索一下,就可以找到源~


扩展阅读


《双十字交叉传感器原理》 - 色影无忌
http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=441

《草评Canon Dual Pixel CMOS AF》 - 撞针的pin008号空间
http://blog.sina.com.cn/s/blog_537633d70101cdqt.html

《卡尔蔡司 FE 35mm F1.4 ZA 实拍体验:一切都美好,除了...》 - 瘾科技http://cn.engadget.com/2015/03/28/sony-zeiss-fe-35mm-f-1-4-za-review/

OLYMPUS ZUIKO LENS SYSTEM - VCM TECHNOLOGY VIDEO  - Youtube
https://www.youtube.com/watch?v=qF9yTE3h1wo

《Focus Peaking Making Its Way onto More Digital Cameras》
http://petapixel.com/2012/08/30/focus-peaking-making-its-way-onto-more-digital-cameras/

《【CES】説明会で聞いた「FUJIFILM X100S」「FUJIFILM X20」詳報》 - DC Watch
http://dc.watch.impress.co.jp/docs/news/20130110_581227.html

《我所收藏的上百个折返镜头----兼一些不严谨的对比》
http://forum.xitek.com/thread-1177123-1-1-2.html

自动对焦相关 -哔哩哔哩 (自行搬运的几个Youtube视频,如果文内链接无法访问,可以一试)
http://www.bilibili.com/video/av3069931/

技术讨论
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