自动调焦(AF)系指由照相机根据被摄体距离的远近

自动调焦(AF)系指由照相机根据被摄体距离的远近，自动地调节镜头的对焦距离。自从1977年第一架实用型自动调焦照相机诞生以来，许多照相机生产厂家均开展了对自动调焦系统的研究，从而产生了形形色色的自动调焦系统。根据所基于的原理，可以分成测距法和像检测法(又称调焦检测法)两大类，下列是自动调焦系统的分类：┌│─反射时间测量法(主动型)┌│─VAF┌─测距法──┤┌─被动型────┼─STT│└─三角测量法──┤└─FCMAF系统─┤└─红外主动型││┌│─对比度检测法(反差检测法)└─像检测法─┤┌─TCL系统└─相位检测法──┤└─透镜分离器系统最早出现的实用型AF系统是美国亨尼威尔(Honeywell)公司于1975年研制、1977年在KonicaC35AF上出现的VAF系统；1979年出现了采用红外线主动型AF系统的CanonAF35M；1981年出现了采用SST(固态三角测量)的CanonAF35ML和日本精工研制的FCM系统。上述均属三角测量系统，虽然名称不同，但工作原理是类似的。1978年出现了采用超声波AF系统的宝丽莱(Polaroid)SX-70SONARAF，这是一种基于反射时间测量法的系统，也属主动型，利用超声波回波时间来测量距离。像检测法属于被动型，主要有两种形式：对比度检测系统和相位检测系统。对比度检测AF系统最早出现在1981年推出的PentaxME-F单反机上，这是利用当影像最清晰时，成像的反差最大的原理而制成的，与手动调焦的磨砂屏焦点检测法的原理相似。最早采用相位检测法的AF系统是美国Honeywell公司于1981年研制的TCL系统，首次出现在1982年推出的OlympusOM-30单反机上。测距法主要应用于旁轴平视取景的袖珍相机上，而像检测法则用于单镜头反光照相机上。由于红外线主动型AF系统具有结构简单、成本低廉等特点，在现代袖珍相机中占有很大的比重；而且现在的AF单反机大多采用相位检测AF系统，因此这里仅介绍红外线主动型和相位检测型AF系统。SST系统还见于少部分AF变焦袖珍相机(如SigmaAFZoomSuper28、70、100等)，但工作原理与VAF类似；超声波主动型AF系统只出现在美国宝丽莱公司生产的拍立得(又称瞬时得或立时得)相机上，故这里不予介绍。自从自动调焦相机(特别是AF单反机)出现以来，引出了许多崭新的概念和功能，熟悉和理解这些概念和功能会有助于我们能更好地操纵新型相机，使拍摄工作更富有实效，也使我们能从形形色色的名词和功能中分辨出哪些是实用的和哪些是花架子，可以避免陷入相机广告中闪烁其词的语句和对摄影器材追求的泥潭中，因而也有利于选购合适的相机。本章中所介绍的主动型AF系统是原理性的，在实际的照相机中，照相机生产厂家对这类AF系统的不足亦是进行了大量的改造工作，如采用了多束红外线测距等，而且AF级数也越来越多，有些主动型AF系统已经是无级聚焦了，即聚焦级数为无穷多，其性能也越来越接近被动型AF系统。相位检测型被动式AF系统已经为AF单反机所普遍采用，虽然聚焦精度较高，但由于其固有的特性，在低亮度场合是不灵敏甚至不能正常工作的。加上AF照明器，就基本上解决了这类系统的不足。在AF单反机的发展历程中，自动聚焦技术的飞速发展自不待言，从原来的单纯模仿手动聚焦的单一方式发展到宽区自动聚焦、焦点预测自动聚焦、自动确定被摄主体位置和自动变焦构图等，大多数自动聚焦相机都具有可以单手操作、眼睛不离取景窗就能修改参数等优点，这一切都是手动聚焦照相机所不能做到的。简言之，只要改变了原来使用手动聚焦相机的习惯和克服对新机种的心理障碍，就会觉得自动聚焦相机是要比手动聚焦相机好用得多。从固定焦点到自动调焦从照相机的发展历史来看，在焦点调节方面，经历了焦点不变——焦点可调——固定焦点——自动调焦等阶段。我们先说明为什么固定焦点照相机能得以流行的道理；然后再说明调焦的必要性，从而过渡到自动调焦。我们先来看一组数据。假设照相机镜头焦距为35mm(相当于小广角镜头)，其调焦距离L(指被摄主体平面至镜头理想成像平面——即胶卷平面——之间的距离)固定于2.5m处，容许弥散圆直径为0.033mm，那么镜头光圈系数f与胶卷平面至清晰范围最近点L1及最远点L2的关系为：(L1和L2的单位为m，本节所提及的有关概念的准确定义及公式请参见【景深概念与计算】)。表1f22.845.68111622L12.202.101.971.821.621.441.201.01L22.893.083.424.105.429.65∞∞如果容许弥散圆直径取0.05mm，则表2f22.845.68111622L12.081.941.781.591.381.180.950.77L23.143.504.225.8313.6∞∞∞由这些数据可看出，当光圈系数为f/4时，要求严格些可以保证从1.97m～3.42m是清晰的；要求不那么严格的话，则可以认为从1.78m～4.22m是清晰的。如果光圈系数取f/11，容许弥散圆直径取0.05mm的话，那么从1.18m至无限远都是清晰的。所以多数廉价的固定焦点傻瓜相机都是采用小广角镜头(焦距在35mm左右)和小光圈(最大光圈为f/4或f/5.6)，至少可以保证从1.6m左右至5.5m左右是清晰的，也就是说这类相机是依靠广角镜头和小光圈所具有的大景深特性来保证清晰度，对于一些只拍家庭纪念照而又不懂相机调节的人来说是足够的了，这就是这类相机大行其道的理由所在。但是由于光学透视原理，广角镜头在近距离拍摄时会产生近大远小的变形现象，并不适合拍摄人物半身像。解决变形的办法是使用中焦距镜头。但中焦距镜头在同样的光圈之下，其景深要比广角镜头小得多，如焦距为85mm的镜头，当调焦距离为2m和镜头光圈系数为f/4时，L1为1.93m，L2为2.08m；当调焦距离不变而光圈系数为f/11时，L1为1.82m和L2为2.22m。显然此时只适合拍摄主体在1.82m至2.22m范围之内的情形，当被摄主体超出这一范围，其成像结果是不能令人满意的。另外，仍以焦距为35mm左右的镜头来说，如果调焦距离固定不变，所拍摄出的照片在照片不是放得很大时，其清晰度是可以接受的；若照片要放得较大，如12英寸，原来在小照片上清晰的物体就显得模糊了。综上所述，具有小广角镜头的固定焦点照相机的应用范围是极有限的。为了扩大镜头焦距和提高清晰度，势必要使焦点能调节。因此在简易照相机上就出现了区域调焦系统，如现在国内市场常见的RicohXF-30袖珍相机就有区域调焦功能。区域调焦系统是根据被摄主体所处的距离不同，选择相应的调焦距离点，并利用景深使在该点前后一段距离内的物体都是清晰的.我们再来看一组数据。仍假设照相机镜头焦距为35mm，光圈系数为f/4，容许弥散圆直径为0.033mm，那么调焦距离L(单位为m)与L1及L2的关系为：L1.001.251.502.003.509.00L10.921.101.291.652.544.57L21.121.441.792.555.6230.0只要能分6级调节照相机镜头的调焦距离，就可以保证能在0.92m至无限远处(30m可以认为是无限远)都能拍摄出清晰的照片。例如当被摄主体在0.92～1.10m处，可以将调焦距离置于1m处；当被摄主体在1.65～2.5m处，可以将调焦距离置于2m处等。这就是区域调焦系统的理论根据。当镜头焦距增长时，由于景深浅的缘故，若要保证从1m至无限远都是清晰的，所分级数还应该相应增加。从上面的叙述可看出，如果调焦级数(即镜头焦点可调节的位置数量)越多，调焦精度就越高。当调焦级数达到无穷多级时(即镜头的调焦距离是可以无级地调节)，调焦精度为最高。单反机的镜头是可以从某一最近距离至无限远任意调节，因此这类镜头的调焦精度是最高的。细心的读者也许会从表3中看出，0.92m至2.55m之间有4个调焦级，而从2.54m至30m只有两个调焦级。这仍然与景深特性有关。调焦距离越近，景深就越浅，所以需要调节的位置相应就要增多；而调焦距离越远，景深就越大，需要调节的位置就相应要少些。具有区域调焦系统照相机是能够提高清晰度，但对于大多数人来说，具有使用不方便的一面，因此自动调焦系统就应运而生了。AF系统：自动调焦系统框图作者：Xitek发表时间：自动调焦系统框图前一节我们介绍了焦点检测(相位检测)系统的原理。现在介绍自动调焦系统(主要是焦点调节部分)的工作原理。在AF单反机中，焦点调节的动力来源主要是微型电动机(即马达)，这里称为AF马达。根据AF检测模块、计算机和AF马达三个部分的位置分布，可分成三类型式：(1)三个部分全部分配在镜头内，如PentaxME-F、OlympusOM-30和CanonT80等。另外还有Sigma55-200/4.5UAF和Tamron70-210/4AF镜头等。(2)三个部分全在机身内，而镜头只有传动机构，称之为机身驱动型；(3)AF马达在镜头内，其余部分均在机身内，称之为镜头驱动型。无论是机身驱动型还是镜头驱动型，由于AF检测模块的体积较大，一般都装在机身反光镜箱底部。机身驱动型和镜头驱动型AF系统各有优缺点，细节留待第四章分析。相机的整个AF系统由主CPU(中央处理器，可以认为是微型计算机的代名词)、AFCPU、接口电路IC集成块、存储器、驱动电路和AF接口电路、AF马达等组成。机身内包含有两个CPU，一个专用于自动调焦处理，一个则用来作为总控制。自动调焦系统原理图当照相机的AFCPU收到来自AF检测模块的调焦信号之后，就马上计算出散焦量和散焦方向，然后根据这些量再计算出相应的控制量，输出给焦点调节机构。焦点调节机构由微型驱动电动机(也称AF马达)和相应的接口电路组成。从原理图中可看出，由于AF检测模块装在反光镜箱底部，AF单反机的反光镜与常规的手动调焦单反机有所不同，倒是与带点测光方式的单反机类似，有一块比较小的副反光镜。主反光镜的中央部分是半透明的，让光线通过这一部分而进入副反光镜，副反光镜再将光线反射至AF检测模块上。当光线照射在AF检测模块Ａ时，该模块产生相应的电信号，电信号通过AF接口集成电路B，转换成便于AFCPU处理的数字量。CPU将根据通过镜头触点取到的有关参数(如镜头焦距、最大光圈、焦点调节范围等)和接口B来的数字量，进行计算处理，计算出散焦量和散焦方向，然后将控制指令(如镜头的旋转角度多少、向左或向右转)发送给AF马达驱动单元H；在这一单元中，将CPU过来的指令换算成步进马达的旋转角度及相应的脉冲数，然后送出驱动能量给AF马达F，该马达通过齿轮组和镜头卡口的AF联接轴，带动镜头内的活动光学元件旋转，从而达到了自动调焦的目的。这是一个典型的计算机数字自动控制负反馈系统，检测装置是AF检测模块；执行机构是AF马达；控制器为机身内的AFCPU。AF马达驱动单元采用的是直接数字控制(DDC)方法。当接到来自AFCPU的转动控制指令后，该单元内的专用数字编码器将转动量转变成一系列的脉冲，并送入AF马达(该马达是步进马达，如16个脉冲旋转一圈)。AF马达以多段速度转动：启动时以最高速度旋转；到了一定的时间以中速旋转；然后以慢速旋转；当接近焦点时，则以最慢速度接近焦点。这种分段运转方式尤如火车进站一样，当接近终点时，速度也接近为零了，因此准确快速，不会因旋转扭矩过大而超调(即调过头)。镜头驱动型AF系统的AF马达在镜头内，因此在镜头卡口上就没有AF连接轴。机身只是将调焦信号和电源动力通过电子触点传递给镜头。我们在这里先介绍机身驱动型AF马达，镜头驱动型AF马达将在第四章中介绍。机身驱动型马达为微型步进直流马达，许多新一代AF单反机都采用高速无线圈马达。微型马达无铁芯马达机身驱动型AF马达早期的AF单反机由于AF速度比较低，在自动调焦会听到几下大小不同的响声，就是多段不同速度而引起的，在被摄体的亮度比较低时，镜头还会来回晃动几个回合才能聚好焦，这是因为AF检测装置的检测范围不宽而造成的.AF单反机是电子高科技的产物，就其内部的工作原理来看，等同于一台电子计算机。就以