相机对焦
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2023年2月19日发(作者：)南京大学摄影光学材料
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自动对焦技术探究
—101190039黄建建
【图片鉴赏】
图中的“AF”意思是可自动对焦图为相机自动对焦原理
图为相机上自动对焦的一些选项
【概念解析】
“自动对焦”（AF，是英文AutoFocus的缩写）又称为“自动调焦”，
是照相机上所设的一种通过电子及机械装置自动完成对被摄物对焦，
并达到使影像清晰的功能。自动对焦最主要的特点是聚焦准确性高，
操作方便，特别是对被摄物的聚焦，自动对焦更具优势，同时也有利
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于摄影者把精力更多地集中在所拍摄的画面上。自动对焦可分为主动
式自动对焦和被动式自动对焦两类。主动式自动对焦主要是利用发射
红外线或超声波量度被摄物的距离，自动对焦系统根据所获得的距离
资料驱动镜头调节像距，从而完成自动对焦；被动式自动对焦主要是
通过接受来自被摄物的光线，以电子视测或相位差检测的方式完成自
动对焦。
图为自动对焦概念图
【自动对焦分类】
作为成像系统的一项关键技术，自动对焦技术于20世纪70年代最
初应用于照相系统，传统的对焦技术大部分是基于测距原理的1，如
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超声波测距法、反射能量法2、3和一些基于三角测距原理的方法4；
随着电子技术和信号处理技术的发展，人们找到了一些手段对准确对
焦图像的信号和离焦图像的信号进行鉴别，由此产生了基于视频信号
分析的自动对焦技术，并应用于摄像系统5,6；进入20世纪90年代后，
以CCD(或CMOS获取的图像作为对焦的基本信息，以图像分析与处理为
基础的智能化自动对焦技术蓬勃发展，在以数字相机为代表的现代数
字成像系统中广泛采用7
1．像偏移法
像偏移法
像偏移法应用三角测量原理，如图1-1所示。
由被摄物体所发出的光线，同时进入测距器的左、右两端，右端
为可动扫描反光镜，左端为固定反光镜。从近距离到远距离，反光镜
作大约1o扫描运动，测距计上左、右两光束，分别成像在两组各由五
个硅光二极管组成的线阵接收元件上，通过两组间的信号比较，求得
合适的对焦位置。用CCD代替硅光二极管作为接收元件可形成固态三
角测距自动对焦系统.它的两侧光路中的反光镜均为固定方式，被摄
物体的距离信息通过在CCD上的成像位置的差异反映出来，可直接由
CCD元件进行检测和分辨。这种反光镜固定方式结构简单、可靠.但CCD
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元件与光电转换、运算系统的电路技术要求较高，成本也高.采用CCD
作为对焦检测的方式，经过发展和改进被广泛应用在单镜头反光照相
机自动对焦系统中。
测距法
PSD测距系统是另一种基于三角测距原理的自动对焦技术8,9。
如图1-2所示，由红外发光管经准直透镜向被摄目标发射红外辐射，
用接收透镜收集经物体漫反射后的辐射，并汇聚在位里捡测器件PSD
上.图中
0
l为被摄物距，
b
L为接收和发射光轴的间距，\'f为接收透镜
的焦距，D为PSD受光部分的长度。
根据PSD(PositionSensitiveDevice)器件结构特点，光线入射
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后产生光电子，使电阻层内的光电流与入射光强成正比，并与入射光
束到各电极间的距离成正比。因此在电极A与电极B处，产生与入射点
到相应电极间隔距离有关的对应电流几
A
I,
B
I。设光束激发后的总光
电流为
0
I，入射光束到PSD中心的距离为x，则各量值之间的关系为
0
\'
22l
fLD
x
D
Ib
A
(1-1)
0
\'
22l
fLD
x
D
Ib
B
(1-2)
输出光电流的比值
L
P(
BAL
IIP/)与被摄物距
0
l有如下关系
1
122\'\'
0
L
Lb
BA
BAb
P
P
D
fL
II
II
D
fL
l(1-3)
因此系统完全可以通过对电流比值
L
P的探测和运算得到被摄物距
0
l，从而通过镜头控制系统达到自动对焦的目的。
3.对比度法
通过分析正确对焦的图像和离焦图像，有如下规律:当正确对焦
时，对比度最强越偏离这个位置，对比度就越低.应用一维CCD元件作
对比度检测时，假使将第n个光接收元件的输出设为
n
I，则对比度的
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评价函数
m
n
nn
IIE
1
11
.式中m为一维CCD的总像素数。E在正确对焦
的位置上为最大，
max
EE:在焦前、焦后位置，将会随着离焦量的
增大而减小。若离焦偏移特别大时，则0E.
对比度法自动对焦系统结构如图1-3所示，取景半透反光镜后端有
一小尺寸辅助反光镜，它将光束转向照相机的底部，进入检测组件内。
经红外滤光片后，在分像棱镜内分成相应两组像，一组相当于焦前等
价面
1
S，另一组相当于焦后等价面
2
S,
1
S与
2
S和成像平面相距l。在
1
S、
2
S位置上分别安置两组一维CCD元件。
当改变镜头位置时，分别
1
S和
2
S得出相应的对比度变化曲线
1
E和
2
E。
如镜头最初位置处于焦前点，对焦时向焦后方向移动，那么先是对比
度曲线
1
E达到极大值，继续使对比度曲线
2
E达到极大值.相反，当镜
头最初处于焦后位置，先是对比度曲线
2
E达到极大值、然后
1
E达到最
大值。相应地，镜头处于准确对焦位置时，在焦前与焦后中间，对比
度曲线
1
E和
2
E相同，如图1-4所示。
1
E>
2
E为焦前位置，
1
E<
2
E为焦后
位置。
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应用对比度原理，并以二组对比度值作相互比较的对焦方法，可
以提高AF系统对比度检测精度和判别前、后方向，实现自动对焦。
【手机自动对焦原理】
手机自动对焦功能是通过将摄像头锁入音圈马达来实现的，
音圈马达简称（VCM），它主要有线圈，磁铁组和弹片构成，线圈
通过上下两个弹片固定在磁铁组内，当给线圈通电时，线圈会产
生磁场，线圈磁场和磁石组相互作用，线圈会向上移动，而锁在
线圈里的摄像头便一起移动，当断电时，线圈在弹片弹力下返回，
这样就实现了自动对焦功能。
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手机自动对焦的性能指标
行程：越大调焦范围越大一般在２５０ｕｍ－４００ｕｍ
之间磁滞：越小说明精确度越高一般０－１０
启动电流：越小越省电一般５－２５ＭＡ
斜率：对焦的速度一般３－８
倾角：越小说明精度越高一般０－１５
洁净度：洁净度直接影响摄像头成像质量，世界各个厂家都
很重视，但都没有很好的解决，除了人工清洁，吹气外，还没有
很好的方法保证洁净度，即使是级别很高的无尘室。