浅谈相机的对焦原理

浅谈相机的对焦原理

相机镜头无论结构多么复杂，实际上都可以被视为一片凸透镜，从基本的光学原理我们可以看到，凸透镜轴心以外无论什么方向来的光线，在通过凸透镜后，都会被折射，而交汇于一点，这些光线的交会点被称为焦点，通常将能够清晰成像位置上所有点组成的平面叫做焦平面，对于那些处在焦平面的物体，相机都能清晰的拍摄下来，而离焦平面前后越远的景物，图象就越模糊。

一、手动及自动对焦原理

对于离镜头远近不同的物体，通过镜头后要在固定的位置清晰成像就需要进行对焦（调焦）。直观来说当镜头调好焦距后，被摄体就会特别清晰。传统相机绝大部分镜头的对焦方式都是改变菲林面与镜片之间的距离，在取景时若人为用手来调整此距离就被称为手动对焦方式。数码相机镜头在光学原理上与传统相机没有任何不同，只不过在焦平面处将菲林换成了CCD而已。

在相机发明后的大部分时间中，都采用手动对焦的方式，直到本世纪六十年代后期，微电子技术大发展并在相机上加以应用后，才出现自动对焦的概念。相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的过程，简单说其基本原理是将物体反射的光让相机上的光电传感器接受，通过内部智能芯片处理，带动电动对焦装置进行对焦。

目前大多数数码相机的自动对焦，都采用被动式：即直接接收分析来自景物自身的反光,利用相位差原理进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是自身不要发射系统，因而耗能少，有利于小型化。对具有一定亮度和反差的被摄体能理想的自动对焦，在逆光下也能良好的对焦，且能透过玻璃等透明障碍物对焦。

个别高档数码相机也同时结合了主动式自动对焦方式，即相机上有红外线或超声波甚至激光发生器，发出红外光或超声波到被摄体，相机上的接受器接受反射回来的红外光或超声波进行对焦，其光学原理类似三角测距对焦法。主动式对焦由于是相机主动发出光或波，所以可以在低反差、弱光线下对焦，而且对细线条的被摄体和动体都能自动对焦。恰好弥补了被动式自动对焦的不足。

内对焦镜头

另外还要提到的一点是，现在大多数自动对焦镜头都为内对焦镜头（internal focusing）。普通镜头对焦时是将镜头旋离胶片，使镜头筒延长。内聚焦镜头对焦时，是装于镜头筒内的部件移动聚焦，镜头筒没有延伸变化。

二、数码相机自动对焦技术

我们购买使用数码相机时，不仅应关注其CCD像素多少、曝光方式、附加功能等，也应该关注其采用了哪些自动对焦技术。

数码相机中最常见和简单的自动对焦方式是中央单点对焦。即将画面中心部分作为对焦区域，一般在数码相机的取景器（或液晶显示屏）中央有红色的标志“[ ]”。这个区域称为AF区域。中央单点对焦能适应大多数拍摄情况，但要求要把对焦目标放进AF区域内，也存在很大的局限，因为我们在构图时需要聚焦的主体不一定总在画面的中心区域。因此现在很多较高级的数码相机都支持多点自动对焦。比如佳能S80就支持多达9点的人工智能自动对焦（AiAF）。

对于多点自动对焦也不能一概而论，我们还要分清其对焦点是否能手动选择。在多点自动对焦的基础上，现在还有产品采用了更为高级的FlexiZone AF/AE技术 ，即可以在全画面任意位置手动选择对焦点，这无疑大大扩展了画面的对焦区域和构图的灵活性，使用FlexiZone AF/AE技术，即使取景器画面中的焦点的位置及曝光重点偏离中心甚至在边缘，相机也可以完全控制。这一自动对焦技术，完全超越了传统相机的固定式多点自动对焦。

佳能 EOS-1D Mark III 对焦系统

现在数码相机越来越重视自动对焦功能，尤其是几家传统相机的生产商，将传统单反相机中的高级自动对焦技术也应用在数码相机中。比如尼康很早前就将其5点智能对焦技术用于其数码相机中。而美能达F100是世界上第一部支持区域自动对焦、景物跟踪自动对焦以及自动数码预置程序对焦功能的数码相机。区域自动对焦和景物跟踪自动对焦功能使相机能够通过三维空间为拍摄提供相当精确的对焦操作。如果要拍摄移动景物，则可以激活景物跟踪对焦系统，激活的自动对焦传感器可以显示对焦框并随着景物的运动而移动。这部相机还支持自动数码预置程序对焦功能，可自动在五种预置程序中选择最合适的对焦模式，使曝光操作和图象处理效果达到最优。

此外有些数码相机（如佳能S80）还具有特殊的“包围对焦”功能。对于选定的焦点，可拍摄3张照片，一个在选定焦点之前，一个在选定焦点之后，特别适合于难以精确对焦的微距摄影。佳能相机还有连续的AF模式，使得相机能够自动连续聚焦，而无须中途按下快门释放按钮，连续的AF模式对拍摄移动的目标非常有用。而索尼 F717/F828的激光全息对焦技术 (Laser light illumination)能在完全在黑暗的环境中进行对焦，获得清晰的画面。

由于目前大多数消费级数码相机不具备多点自动对焦功能，这里再谈一下对于不具备多点对焦功能的产品，我们可以使用对焦锁定功能进行弥补。即在半按快门的同时，使主体处在AF区域内，这时就锁定了被聚焦物体的位置。然后，一直保持半按住快门按钮，重新构图，再按下快门即可拍到所选择主体清晰的画面。而且大多数产品在锁定对焦的同时，也锁定曝光量，确保用户能够得到对焦及曝光都正确的照片。

三、数码相机手动对焦的应用

随着电子技术的发展，自动对焦技术也得到了极大的发展，能够适应绝大多数拍摄情况，但不论现在数码相机上的自动对焦技术多么先进，由于现实的拍摄环境及对象千变万化，自动对焦总有失误和难以胜任的时候。我们还离不开完全由人工控制的手动对焦。比如采用被动式对焦技术的产品，对细线条的被摄体自动对焦较困难，在低反差，弱光下的对焦也很困难。而采用主动式对焦技术的产品也存在当被摄体能吸收光或波时的对焦困难，还存在透过玻璃对焦困难等缺点。因此是否具备手动对焦功能，是衡量一台数码相机功能完善与否的重要标准。

由于数码相机本身是光电一体化的电子产品，因此与传统相机不同，在数码相机上自动对焦方式应用非常广泛，反而有很多产品都不具备完善的手动对焦功能。即使有也和传统相机上采用的双影合一连动测距、裂像式微棱等辅助手动对焦不同，大多数数码相机（专业型单反数码相机例外）的手动对焦实际上仍为原始的目测估算距离的对焦方式。即估算出被摄体的大致距离后，用按纽设定对焦距离。只有美能达A2、索尼F828等个别准专业数码相机可以使用镜头上的对焦环进行手动对焦。此外理光的GX等数码相机能够通过机身按钮直接连续对焦，也比较有特色。另外在手动对焦时由于数码相机的液晶显示屏通常较小，而且像素数也较少，因此很难精确地检查对焦是否清晰，好在有些数码相机可以放大液晶显示屏上的图像来检测对焦状况。

有一些低档数码相机并不具备任何对焦功能，但同样能在大多数情况下拍摄出清晰的画面。要谈这个问题，首先讲一下“景深”的概念：因为“清晰”并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和，就叫做“景深”。 对于短焦距、小光圈的镜头景深比较大，人们就称对焦点前后的能清晰成像的距离为超焦距。数码普通傻瓜相机和一些低档数码相机，