详细讲解反差式自动对焦与相位检测对焦原理

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本帖最后由 民心 于 2011-1-1 12:16 编辑

此帖更加详细的讲解两种自动对焦原理,普及技术贴。

近日富士推出一款F305EXR采用了独特的相位检测自动对焦系统。与单反相机不同,该机将CCD中内置相位侦测像素。这种传感器上的成对相位检测传感器的工作方式与DSLR的传感器相似。

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富士对焦专用像素


  对比检测自动对焦在检测到最大对比度之前不断调整,因而速度较慢,相位检测自动对焦与其不同,它将入射光线分成成对的图像,执行一次相位差计算以确定对焦调整的精确方向和调整量,富士测试自动对焦检测速度最高达约0.158秒。
  从富士的介绍上我们对两种自动对焦的特点有了初步了解,那么我们看看他们的区别:
  对比检测自动对焦(反差式对焦)
  对比检测自动对焦系统的原理是根据焦点处画面的对比度变化,寻找对比度最大时的镜头位置,也就是准确对焦的位置。

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对比自动对焦原理(图片源自新摄影)


  对焦过程:随着对焦镜片开始移动,画面逐渐清晰,对比度开始上升;当画面最清晰,对比度最高时,其实已经处于合焦状态,但相机并不知道,所以会继续移动镜头,当发现对比度开始下降。进一步移动镜片,发现对比度进一步下降,相机知道已经错过焦点;镜片回退至对比度最高的位置,完成对焦。
  这个过程的重复“确认”就是富士所说的“测到最大对比度之前不断调整”
  相位检测自动对焦:
  相位检测对焦比反差对焦多出一些硬件部分。包括一个分离镜头(和线性传感器图像通过分离镜头分离出2个图像,然后通过线性传感器检测出两个图像之间的距离。

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相位自动对焦原理(图片源自新摄影)


  现代相位检测对焦系统中的传感器部分比上面的要复杂很多,一般是组合多个不同方向的线性传感器,形成多方向的反差检测。这些多出硬件部分无疑增加成本,结构也更复杂。

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镜头进来的光线,大部份向上反射到五菱镜,再送到观景窗,一部份穿过反光镜,再向下反射送给对焦模块

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可以看到反光镜后,向下分光反射给对焦模块的镜片


  由于对焦过程是在拍摄之前,而且会将原光束进行分离。所以最终到达线性传感器上的光线会变得很弱。所以这种对焦方式对原始光线的要求会比较高。光线不足会很大程度的减弱对焦的成功率和速度。这也是对焦系统有光圈要求以及一些单反相机具备对焦辅助灯的原因。
  相比反差式的需要来回多次“错过”准确焦点的位置来对焦的方式,相位式对焦在一开始的时候就可以通过相位检测的信号来判断当前的焦点位置是靠前还是靠后。并且准确的告诉镜头驱动模块,应该将镜片向哪个方向移动。而且在准确焦点位置的时候,相位检测系统可以准确的知道当前已经处于合焦状态。不需要再重复来回移动对焦镜片组。所以在速度上会比反差式对焦快很多。
  简单来说相位侦测对焦更快但是对光线要求较高,对比侦测对焦结构简单、硬件少、光线要求低但会“犹豫”对焦慢。两者各有其优势。
  由于富士Super CCD EXR采用内置相位检测像素,这就是相当于将单反中独立的线性传感器(专用对焦)集成到用来成像的主传感器上,传感器同时具备对比检测和相位检测自动对焦功能。

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富士对焦像素工作原理


  这两种对焦方式之间智能选择。在大多数场景,尤其是昏暗的场景下,传统的对比检测自动对焦能够拍摄出漂亮的效果,但在拍摄高对比度对象或使用长变焦时较难对焦。该系统可以瞬间切换到相位检测自动对焦,快速精确地拍摄这些场景。富士抓住两种对焦方式对光线要求的差异,择优使用,同时由于集成的原因,结构简单、硬件也减少,可谓各展所长。
  然而富士这一突破是具有深远意义的,就小编所知,这种在图像传感器上集成专用对焦像素的做法并非富士一家。
  (一)索尼专利
  据国外媒体爆料,索尼有一专利与富士思路相同,也是在主图像传感器上做相位侦测对焦。

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索尼专利反光镜抬起图像传感器直接对焦

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索尼对焦像素排布


  索尼为了克服没有分光器, 将感光组件上的"对焦点区域"设计一排专用的对焦像素,这排像素是由A,B两组像素组成,交错排列, 如果我们单看A 与单看B, 可以将这条对焦像素视为两条独立的线性传感器, 与单反中的AF线形传感器一样, A与B接收同来自一光源的光。
  要让A,B两组传感器分别接收到来自镜头不同方向的光,索尼在对焦用像素上设计两层交错的光栅遮光,让所有A像素和B像素只能接受一个方向的光,这样就起到单反相位对焦系统中分离镜头的作用。
  (二)尼康专利
  无独有偶,国外媒体09年8月曝光尼康一个专利,与索尼相似,也是要在图像传感器上做文章,增加用于对焦的像素。

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尼康第一种对焦像素排布


  专利中对焦像素是在传感器里面相关位置(对焦区域)插入一些专门用来对焦的像素。虽然这样会导致一些马赛克像素数据合成错误,但专利说这些错误不会容易被人眼容易观察。

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  这是第一种对焦像素的结构,表面没有马赛克彩色滤镜,形状为上下半圆形,这样可以产生对焦误差信号。实际上与单反相机的相位差传感器结构类似,优点是对焦速度大大提高。

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  另外一种结构,两个水平条,以及对焦像素结构。
  (三)佳能专利
  索尼、尼康都有专利在手,佳能自然也不甘落后,今年7月国外媒体爆出佳能也有类似专利技术。
  佳能专利相机信息(USPTO App. No.12/664,529 )中可能将会在主要图像传感器的单个像素感光点上,加入更快的相位差侦测式自动对焦系统。对焦侦测识别感光像素用于图像传感器上后,针对视频拍摄能力将有所提高。

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佳能专利


  将用于AF传感器塞进图像传感器里的思路,几家公司想到一处绝非偶然,这种更高集成化的想法,符合未来趋势,尼康和索尼把水平感应点和垂直感应点排列成线状,而佳能是把水平和垂直感应点各一个为一组,平均分散在感光组件上,虽然办法稍有差异,但殊途同归。
  前文为何说富士改突破时具有深远意义的呢?四家公司中,仅有富士将专利变成实物产品,而其他三家还处于纸面上。但这说明相机厂商尤其几位巨头已经看到这种设计的发展前景。
  尼康和佳能目前都有研发单电相机(EVIL)的风声,而AF系统恰恰是单电一大软肋,目前的单电相机都是对比检测自动对焦系统,前文已经介绍过这种对焦的问题,那么要想让单电在对焦上突破,还不必效仿单反复杂结构,办法只能在图像传感器上做做文章,二合一的做法也就成了必然。
  这种创新不仅仅对主要使用对比检测自动对焦系统的便携DC、单电相机有好处,而且现在不少单反相机具备了实时取景和视频拍摄能力,在拍摄视频(或实时取景)时,单反同样使用对比侦测对焦,对焦慢,成为目前单反实时取景、视频拍摄一大诟病。
  索尼曾设计用另一块传感器来替代主图像传感器完成实时取景,该传感器设计到五面镜当中,这样就不在用主图像传感器反光镜会碍事的问题,这样通过反光镜反射,有这块专用传感器实时取景,对焦上仍然使用单反原有的相位对焦系统,这也就是为何索尼这种设计的相机实时取景情况下对焦速度快的原因。

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  不过,这种方式并不是真正最终成像的传感器来实时取景。所见并非百分百所得,两者不能完全划等号。由于这种设计依仗五面镜中活动镜片改变光路,也就是说只能使用空腔五面镜,而不能使用实心的五棱镜。五棱镜的反射率高,光路中光线损失少,取景视野更为明亮清晰等好处就要舍弃,也就是说为了实时取景快速AF,只能忍受光学取景器素质下降。
  所以富士该做法是治根的,单反的图像传感器可以相位侦测对焦,那么实时取景对焦拍摄、视频短片AF都迎刃而解。因为是图像传感器的一次变革,对整个数码相机家族都是有大大的好处,尤其对正在兴起的单电相机,无疑是一剂强心剂。
  对于这种集成设计还存在一些问题。成像时这些“插班生”并不参与成像,马赛克合成会出现问题, 这种画质上的补偿如何来做?这些对焦像素如何安排位置保证精度同时将画质影像降到最小?对焦像素增加另一个角度来看就是在将少参与成像的像素数量,如何来保障画质也是一个问题,包括前文提到富士新品有待实际测试来验证。当然最理想的是这些像素个个都是全能的,既能够成像也能够对焦,不过这有待未来技术的突破。