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标题: 自动对焦Auto Focus的原理 [打印本页]

作者: axin302    时间: 2005-8-24 04:12
标题: 自动对焦Auto Focus的原理

利用物体光反射的原理,将反射的光被相机上的传感器CCD接受,通过计算机处理,带动电动对焦装置进行对焦的方式叫自动对焦.它多分为二类:?

??1?主动式:相机上的红外线发生器、超声波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.主动式中又有能量法,用于低档普及型相机的自动对焦,广泛用于各种平视取景相机.主动式对焦对斜面,光滑面对焦困难.对亮度大,远距离的被摄体对焦困难.这是由于发出的光被反射到其它方向,或达不到被摄体所至.主动式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.对细线条的被摄体,对动体都能自动对焦.缺点是当被摄体能吸收光或波时对焦困难,还会被玻璃反射故透过玻璃对焦困难。

??2?被动式:即直接接收分析来自景物自身的反光,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.对具有一定亮度的被摄体能理想的自动对焦,在逆光下也能良好的对焦.对远处亮度大的物体能自动对焦。能透过玻璃对焦.但缺点是对细线条的被摄体自动对焦较困难.在低反差,弱光下的对焦困难.对动体自动对焦能力差.对含偏光的被摄体自动对焦能力差.黑色物体或镜面的对焦能力差。?

??主动、被动式自动对焦方式各有千秋,好在一般单反照相机上都有二种自动对焦方式,可以互补使用,自动切换,发挥其强项,克服其弱点.单反相机上多使用被动式对焦方式,所以其对焦受最大光圈数的限制.光圈小于F8时自动对焦困难.为此,大多数单反相机都有自动对焦辅助光(Autofocus aidlights)发射器发射带红外带条纹的光束,帮助对不同质地的被摄体自动对焦。在光线足够亮时这些辅助光是不工作的。使用时需要注意的是;由于主动式的发射窗在相机的右边,所以在握相机时不要让手挡住发射窗.挡住发射窗时对不上焦.专业相机机身上没有发射辅助光的发射窗,只有装上闪光灯,利用灯上的发射窗发射辅助光进行主动对焦.


作者: axin302    时间: 2005-8-24 04:15
AF 自動對焦一詞

操作相機「對焦」動作的幾個步驟:
一、轉動鏡頭移動鏡片,使鏡頭胴身伸長縮短二、判斷鏡頭調整後形成的影像是否清晰。
三、清晰後,代表對焦完成。

什麼是自動對焦? AF又代表了什麼意思? AF 係 Automatic Focus 自動對焦的英文縮寫,泛指相機以特定區域(一般指中央,但現在的系統已經可以指定在觀景窗內看到的任何一點角落),進行測距、進而調整鏡頭形成焦點,使照相機內的影像看起來清晰之設計。相對於 MF 手動對焦,AF 已經成為現代相機科技的標準用語。

AF 自動對焦技術的影響

如今的攝影時代,你只要輕輕地半按相機快門,等候熟悉的『嗶』聲響起,再一路將快門推到底!『喀插』一聲,拍照就算完成了。這是攝影玩家再熟悉不過的全自動攝影流程,也是俗稱的傻瓜攝影技術。到底自動對焦的原理為何?為什麼不管是傳統相機、數位相機都能那麼快的反應出對焦效果,這其中背後的科技發展,是長達40年的努力成果。今日我們可以輕鬆擁有相機,EASY地按下快門拍照,也是這過去40年的努力讓專業照相機大幅度平民化,走入大眾的生活總結。

AF 自動對焦技術的發展起源

時光倒流,早期的照相技術非常複雜,必須仰賴人工測光、手動對焦、自助捲片,大量使用人力的結果,往往也是最容易出錯的環節。特別是重要的場景,一旦錯過就不再重來,攝影師的素質成為這個時期拍照的重要因素。隨著50、60年代大幅度機械自動化的發展,越來越多人相信自動化是未來世界的指標。先一步完成的自動測光技術和電動捲片機,充分指明了攝影技術確實有可能邁向自動化,而其中最為關鍵的部分,也是決定拍照的速率決定步驟的重點『自動對焦系統』,也成為當時各家相機製造商的指標研發項目。

全世界第一台AF 35mm相機
Konica C35 AF

照相機自動對焦系統的可以追溯到60年代。1963年,Canon公司曾在西德的科隆博覽會(Photokina)上展出一架具有自動對能力的照相機原型,這個時期的 AF 技術仍相當原始,雖然 AE 自動曝光技術已經逐步成熟,但對焦能力還是不良。1974年,Nikon公司也推出了一款具備自動對焦能力的原型機;但其設計仍十分仰賴機械結構,體積大、反應慢是最大的缺點。一直到1975年,美國的亨尼威爾(Honeywell)公司才發表了具有實用價值的自動對焦元件 VISITRONIC AUTOMATIC FOCUSING SYSTEM,又稱爲 VAF系統。很可惜,美國的創舉到最後卻反而為日本的相機工業帶來革命,1977年日本小西六寫真工業公司,也就是後來 Konica 柯尼卡有限公司的前身,向美國購買了這套系統改良專利權,而于同年11月製作出了世界上第一架自動對焦照相機 柯尼卡 C35 AF,成為世界上第一款有自動對焦能力的相機。

第一代 AF 自動對焦技術原理(被動式)

被動式對焦原理示意圖

兩組感測器或 CCD,其中一組為對照組,當兩組的反差都顯示正確,代表對焦完成。

Konica C35 AF 是第一架實用的AF 135傳統照相機,應用 Honeywell 公司生産的自動對焦元件,屬於第一代被動式自動對焦技術。這個技術的基本原理是以分析來自景物主體的反光為參考指標。KONICA C35 AF 的 VAF 自動對焦系統是在兩個測距窗後置有一個的三菱鏡,三菱鏡負責折射光線到兩個反光鏡上,這兩個反光鏡又會將影像光線分別投影兩個位於機底的影像感測器中。影像感測器是由感光半導體(類似 CCD)和積體電路所組成的小型電腦。感測器藉由影像的明暗,也就是反差來分辨影像的內容。在相機進行對焦的過程中,其中一組反射鏡片固定不動,其影像自然固定不變成為對照組。另一反光鏡片則前後移動,這個鏡片的移動量透過小型電腦的計算,直接反應在鏡頭的鏡片移動上。一旦兩側的影像感測器都得到相同影像內容時,自動對焦完成,也代表鏡頭鏡片的移動量已經達到正確的對焦位置。

現代的數位相機大量使用 AF 輔助對焦燈
彌補亮度的不足,顏色從早期的紅色到目前強調酷炫的綠色、藍色都有。圖例中所展示的是 Nikon Coolpix SQ 的對焦輔助燈

 

由於這一系統的成功,導致相機工業的革命,可惜獲利最大的不是美國,而是日本公司,許多日本公司藉助這個設計成功的推出多樣的傻瓜型自動對焦相機,從70一直延燒到90年代,甚至今日多數的迷你型數位相機、全自動數位相機也都是應用這樣的原理在對焦工作。分析這種自動對焦方式優點在於相機自身不需要發射系統,因此耗能少、成本低,分光系統簡潔,有利於小型化。在室外陽光充足時使用能夠充分的自動對焦,甚至在逆光下或是對焦遠處景物,只要有亮度,這套系統通通都能完成對焦。不過,由於該系統主要是接受外來光線的,因此,學理上稱其為『被動式』AF系統,也因為如此當光線過暗或主體反差太低時,VAF 是無法工作,加上對細線條的主體(例如:電線杆),VAF的自動對焦也較困難且精度不高(最近1.1公尺至無窮遠)。所以,傻瓜相機、低階的數位相機往往無法提供精確的微距拍攝能力,原因也在此。至於,在室內拍攝亮度不足的問題,後來的傻瓜以及數位相機,多採用了『輔助對焦燈』這樣的設計,來補強光線不足時的困擾,關於更多的對焦系統討論,我們留待下一章繼續.....


作者: axin302    时间: 2005-8-24 04:15
主動式 AF 自動對焦技術原理

Polaroid SX-70 Sonar AF
SX-70具有很多衍生機型
只有 SX-70 Sonar AF
才具有超音波對焦功能

上一節我們提到被動式 AF 系統的缺點,特別是當現場的照明光線比較暗或主體本身的反差太小時,AF 就無法精密測距,另外,被動式系統對焦所需時間太長,反應太慢也是為人所詬病。為了解決室內光源照明不足的問題,部分相機開始具有投射對焦輔助燈的能力,甚至稍後也有廠家推出具有紅外線照明的機種。

兩種主動式對焦系統
操作流程示意圖

真正的主動式對焦系統,在 1978年美國寶麗萊公司(Polaroid - 也就是以即可拍照相機成名的公司),首次推出了具有超音波自動對焦功能的照相機 SX-70 Sonar AF。這是首次有照相機採用了『主動式』AF系統,利用照相機本身發出超音波信號,測量從主體來回的信號時間差,從而得到正確的距離參數。『主動式』的優點是完全不受環境光線影響,也不會因為主體本身的反差條件而影響對焦操作,甚至能在黑暗的情況下工作。受到 Polaroid 的激勵,1979年11月,日本 Canon 佳能則推出了第一部用紅外線測距的自動對焦照相機 AF35M,其工作原理與超音波AF系統相似。

雖然,主動式 AF 補強了被動式的缺點,但是確也產生了更多的問題。例如:初期的超音波或紅外線發射距離太短,無法滿足專業相機長焦段的需求,又不能太近所以連帶的影響微距的使用,加上不能透過玻璃工作(因為玻璃會把主動信號反射回來,相對的被動式就沒有這個問題),而對具有吸收紅外線能力的主體也會得出不正確的測距結果。諸多因素使得初期的主動式 AF 系統還是停留在35mm 的傳統傻瓜相機上。由於這一類型的相機必須在機身前方開闢自動對焦窗,我們也稱這種相機為『雙眼相機』,對照可以交換鏡頭的『單眼相機』作為區別。

單眼135mm AF 自動對焦技術(鏡頭對焦技術的先驅)

世界上第一顆 AF 驅動能力的自動對焦鏡頭 Canon FD 35-70/F4.0

早期的自動對焦系統雖然暫時解決傻瓜相機的自動對焦的問題,但是對於 135 單眼相機和中大型相機來說,這樣的設計還是不足。1980 年,最早提出自動對焦解決方案的美國的 HONEYWELL 公司再次推出更有力的的 AF 自動對焦系統,企圖搶佔單眼相機的市場。不過,這時的日本廠商卻另有打算。

Canon 早期的自動對焦相機 AF35M 後來改裝了 SST 系統成為
AF35ML

新的想法來自如果受限於機身無法容納更多的對焦系統設計,那麼為什麼不能把對焦系統直接做在可交換鏡頭上呢?首先入手的兩家公司佳能(Canon)和Olympus因而轉研製AF鏡頭爲主。由於這個決定帶動了80~90年代AF鏡頭與對焦機身的發展。早期的 AF 鏡頭是作給常規的手動對焦單眼相機所使用,AF 鏡頭本身就配有『伺服馬達』和『感應裝置』。到了後期才出現帶有對焦『感應裝置』的機身,有效的降低鏡頭成本(因為鏡頭只需配置『伺服馬達』就夠了),同時也因此減輕了後面推出的鏡頭重量(配合機身的對焦系統,鏡頭設計就無須太過複雜),方便攜帶。相對的內建『馬達』的自動對焦鏡頭無法在純手動對焦相機做自動對焦,不過同學也無須擔心,這些自動對焦鏡頭也可以將它門當作手動對焦鏡頭來使用。

佳能於1980年初推出了一支FD 35~70mm/F4的AF變焦鏡頭,這支鏡頭的特點是在鏡身上裝有對焦系統和驅動馬達及電源裝置,從外觀上看顯得相當笨重,在圓形的鏡筒外附加了一個方型的大包,有點類似警察開罰單用的測速器。Canon 佳能的FD 鏡頭採用了自己研開SST 系統(Solid State Triangulation),基本原理和HoneyWELL 有些類似,最大的特色在於將兩組光線感測器,濃縮為一組,方便減小體積。SST的在鏡頭底部的CCD感測器上安裝有超過240感測單元,分別用來接收來自主體的光線。一啟動 AF 對焦系統,感測器會不斷進行掃瞄水平影像,測試其亮度,並將亮度資訊藉由內建的電腦轉換成的數據振幅。內建的伺服馬達則帶動鏡頭中的鏡片,尋求振幅最大的位置。因為對焦清楚的影像是銳利的,所以訊號振幅上下差距最大,對焦模糊時,影像也跟著模糊,訊號振幅也就不明顯。

單眼135mm AF 自動對焦技術(SST 機身)

PENTAX ME-F 世界第一台量產AF單眼相機

在現實的工業世界中,先進的發明往往直接帶動革命的誕生。SST 的測試成功代表,AF 自動對焦系統進入新一波的高峰。由於Canon FD鏡頭的使用,必須讓攝影師先將相機對準主體,然後再按下鏡頭上自動對焦鈕對焦,之後才是按下快門拍照。嚴格來說,這離全面自動化的對焦完美程度,還有一段距離。1981年,Canon將 SST 系統移植到了傻瓜相機上,製造了第一架 SST 自動對焦相機 AF35ML(為1979年生產的 AF35M改良型)。1981年11月,日本 Pentax終於將ME型,加裝上了自動對焦和對焦指示系統,完成了首部單眼機身自動對焦相機ME-F。這是有史以來第一部真正符合消費者使用需求的自動對焦單眼機身。

單眼135mm AF 自動對焦技術(TTL)

PENTAX ME-F 之所以比 Canon、Nikon 更早研究出 AF 單眼相機對焦系統,主要引進了一個全新的概念『TTL THROUGH THE LENS』。這個概念類似今日電腦軟體操作介面上強調『所見即所得』,基本原理與 SST 或 VAF 相去不遠,只是將原先掛載在鏡頭上的自動對焦裝置移到單眼機身上,從而實踐了機身與鏡頭整合。自 1983 年後,TTL 幫助了許多日本相機廠商實現 135 單眼相機的自動對焦的心願。例如:1983年,美樂達Minolta公司推出了帶有 TTL 相位對焦系統之 X-600。

整體來說,這個時期仍屬於市場上的萌芽期,消費者對於其選擇是在主動和被動式系統之間還不甚瞭解,由早先推出的傻瓜相機Konica C35AF、Canon AF35ML以及 Nikon L35AF等,打下口碑,加上AF 單眼機身的 PENTAX ME-F、Olympus OM-30和 Nikon F3AF等,配上大且昂貴的AF鏡頭,雖然這些產品擁有自動對焦的光環,但還不算是真正的明星機種,這樣的情形頗類似『數位相機』剛起步的階段。而真正讓 AF 系統大放光芒的創世紀系列,我們等待下一章節見分曉.....


作者: njit    时间: 2005-8-24 19:14

025-83716884

我公司有现成的芯片。


作者: leecd    时间: 2005-8-25 19:19
标题: 受教了!

楼主真是强人,

资料这么全,学到不少东西。


作者: skyfeather    时间: 2005-8-25 21:41

多谢楼主,非常感谢!


作者: axin302    时间: 2005-8-26 03:24

嗬嗬,只有与大家分享,才算是真正拥有知识


作者: xiaoniu    时间: 2005-8-30 23:24
现在数码相机采取什么无极对焦方式
作者: axin302    时间: 2005-9-2 17:01
现在的数码相机都在追逐轻薄的潮流,反射式光学镜头组应该成为今后的发展方向
作者: boffin    时间: 2005-9-5 08:50
现在专业相机正在民用化,相信不久民用级别单反机就会成为市场主流
作者: oakley336699    时间: 2005-11-7 00:01

樓主太厲害了

你是我的偶像


作者: sunnylee    时间: 2006-3-17 17:49
非常非常的感谢楼主的无私奉献,让我学到了好多知识!!!
作者: Johannes    时间: 2006-3-28 21:03

不错,谢谢.


作者: 海粟    时间: 2006-6-15 18:55
谢谢楼主发表的资料
作者: njit    时间: 2006-6-18 00:58

http://www.nvoe.com/tb/tb9.htm


作者: 南风    时间: 2006-10-4 23:21
吾错
作者: changdf    时间: 2006-10-23 20:14
感谢楼主




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