AF自动对焦技术的原理与发展简史.docx
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AF自动对焦技术的原理与发展简史
AF自动对焦技术的原理与发展简史
摄影与数码2009-11-3022:
59:
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AF自动对焦一词
什么是自动对焦？
『AF』又代表了什么意思？
相机如何才有AF功能？
『AF』系AutomaticFocus 自动对焦的英文缩写，泛指相机以特定区域（一般指中央，但现在的系统已经可以指定在观景窗内看到的任何一点角落），进行测距、进而调整镜头中镜片形成焦点，使照相机内的影像看起来清晰之设计；相对于MF手动对焦，AF已经成为现代相机科技的标准用语。
操作相机「手动对焦」动作的几个步骤：
一、转动镜头移动镜片，使镜头胴身伸长缩短；二、判断镜头调整后形成的影像是否清晰；三、清晰后，代表对焦完成。
为什么相机采用了自动对焦系统后还需要等待的时间呢？
比起纯手动对焦，AF对焦分为被动式和主动式两种。
Mr.OH！
简述这两种设计的原理，以下将阐明AF系统的开发过程。
被动式自动对焦系统的基本原理是比较被摄物体的相位或分析其反差；主动式自动对焦系统是在曝光前由相机发射出一束红外线或超音波，遇到物体后反射回来，再由相机读取，并据此控制镜头的移动。
AF自动对焦技术的影响
从傻瓜相机时代开始，你只要轻轻地半按相机快门，等候熟悉的『哔』声响起，再一路将快门推到底！
『喀插』一声，拍照就算完成了。
这是摄影玩家再熟悉不过的全自动摄影流程，也是俗称的傻瓜摄影技术。
为了达到自动对焦的目的，背后科技发长达了40年努力。
今日我们可以轻松拥有相机，EASY地按下快门拍照，也是这过去40年的努力让专业照相机大幅度平民化，走入大众的生活总结。
早期号称『自动对焦』的相机拥有4个对焦点，加上这类相机常用广角镜头，景深本来都很大，因而基本上都能获得足够的清晰度。
但是，要相机精确地对焦在被摄物体的平面上，只能靠运气。
在大多数情况下，只能满足于对焦在景深范围之内。
较新式的镜间快门相机，通常有多于4个（有的多至8个以上）的对焦点，相对地取得较佳画面清晰度的可能性也越大。
AF自动对焦技术的发展起源
时光倒流，同学会发现手动照相技术十分复杂，必须仰赖人工测光、手动对焦、自助卷片等等，大量使用人力的结果，往往也容易出错。
特别是重要的场景，一旦错过就无法重来，所以摄影师的素质成为这个时期拍照成功与否的重要因素。
随着50、60年代大幅度机械自动化的发展，越来越多人相信自动化是未来世界的指标。
先一步完成的自动测光技术和电动卷片机，充分说明了摄影技术确实有可能迈向自动化，而其中最为关键的部分，也是决定拍照的速率决定步骤的重点『自动对焦系统』，也成为当时各家相机制造商的指针研发项目。
世界第一台AF35mm相机KonicaC35AF
照相机自动对焦系统的可以追溯到60年代。
1963年，Canon公司曾在西德的科隆博览会（Photokina）上展出一架具有自动对能力的照相机原型，这个时期的AF技术仍相当原始，虽然AE自动曝光技术已经逐步成熟，但对焦能力还是不良。
1974年，Nikon公司也推出了一款具备自动对焦能力的原型机；但其设计仍十分仰赖机械结构，体积大、反应慢是最大的缺点。
一直到1975年，美国Honeywell公司才发表了具有实用价值的自动对焦组件VISITRONICAUTOMATICFOCUSINGSYSTEM，又称为VAF系统。
很可惜，美国的创举到最后却反而为日本的相机工业带来革命，1977年日本小西六写真工业公司，也就是后来Konica柯尼卡有限公司的前身，向美国购买了这套系统改良专利权，而于同年11月制作出了世界上第一架自动对焦照相机柯尼卡C35AF，成为世界上第一款有自动对焦能力的相机。
第一代AF自动对焦技术原理（被动式）
KonicaC35AF是第一架实用的AF135传统照相机，应用Honeywell公司生产的自动对焦组件，属于第一代被动式自动对焦技术。
这个技术的基本原理是以分析来自景物主体的反光为参考指标。
KONICAC35AF的VAF自动对焦系统是在两个测距窗后置有一个的三菱镜，三菱镜负责折射光线到两个反光镜上，这两个反光镜又会将影像光线分别投影两个位于机底的影像传感器中。
影像传感器是由感光半导体（类似CCD）和集成电路所组成的小型计算机。
传感器藉由影像的明暗，也就是反差来分辨影像的内容。
在相机进行对焦的过程中，其中一组反射镜片固定不动，其影像自然固定不变成为对照组。
另一反光镜片则前后移动，这个镜片的移动量透过小型计算机的计算，直接反应在镜头的镜片移动上。
一旦两侧的影像传感器都得到相同影像内容时，自动对焦完成，也代表镜头镜片的移动量已经达到正确的对焦位置。
被动式对焦原理示意图：
两组传感器或CCD，其中一组为对照组，
当两组的反差都显示正确，代表对焦完成。
由于这一系统的成功，导致相机工业的革命，可惜获利最大的不是美国，而是日本公司，许多日本公司藉助这个设计成功的推出多样的傻瓜型自动对焦相机，从70一直延烧到90年代，甚至今日多数的迷你型数字相机、全自动数字相机也都是应用这样的原理在对焦工作。
分析这种自动对焦方式优点在于相机自身不需要发射系统，因此耗能少、成本低，分光系统简洁，有利于小型化。
在室外阳光充足时使用能够充分的自动对焦，甚至在逆光下或是对焦远处景物，只要有亮度，这套系统通通都能完成对焦。
现代的数字相机大量使用AF辅助对焦灯弥补亮度的不足，
颜色从早期的红色到目前强调酷炫的绿色、蓝色都有。
图例中所展示的是尼康SQ（左）与富士S9500（右）采用绿色对焦辅助灯。
不过，由于该系统主要是接受外来光线的，因此，称为『被动式』AF系统，也因为如此当光线过暗或主体反差太低时，VAF是无法工作，加上对细线条的主体（例如：
电线杆），VAF的自动对焦也较困难且精度不高（最近1.1公尺至无穷远）。
所以，傻瓜相机、低阶的数字相机往往无法提供精确的微距拍摄能力，原因也在此。
至于，在室内拍摄亮度不足的问题，后来的傻瓜以及数字相机，多采用了『辅助对焦灯』这样的设计，来补强光线不足时的困扰。
主动式AF自动对焦技术原理
上一节我们提到被动式AF系统的缺点，特别是当现场的照明光线比较暗或主体本身的反差太小时，AF就无法精密测距，另外，被动式系统对焦所需时间太长，反应太慢也是为人所诟病。
为了解决室内光源照明不足的问题，部分相机开始具有投射对焦辅助灯的能力，甚至稍后也有厂家推出具有红外线照明的机种。
图左：
宝丽莱SX-70Sonar。
AFSX-70具有很多衍生机型，
只有SX-70SonarAF才具有超音波对焦功能
图右：
红外线与超音波两类主动式对焦系统操作流程示意图
真正的主动式对焦系统，在1978年美国宝丽莱公司（Polaroid-也就是以即可拍照相机成名的公司），首次推出了具有超音波自动对焦功能的照相机SX-70SonarAF。
这是首次有照相机采用了『主动式』AF系统，利用照相机本身发出超音波信号，测量从主体来回的信号时间差，从而得到正确的距离参数。
『主动式』的优点是完全不受环境光线影响，也不会因为主体本身的反差条件而影响对焦操作，甚至能在黑暗的情况下工作。
受到宝丽莱的激励，1979年11月，日本佳能则推出了第一部用红外线测距的自动对焦照相机AF35M，其工作原理与超音波AF系统相似。
虽然，主动式AF补强了被动式的缺点，但是确也产生了更多的问题。
例如：
初期的超音波或红外线发射距离太短，无法满足专业相机长焦段的需求，又不能太近所以连带的影响微距的使用，加上不能透过玻璃工作（因为玻璃会把主动信号反射回来，相对的被动式就没有这个问题），而对具有吸收红外线能力的主体也会得出不正确的测距结果。
诸多因素使得初期的主动式AF系统还是停留在35mm传统傻瓜相机上。
由于这一类型的相机必须在机身前方开辟自动对焦窗，我们也称这种相机为“双反相机”，对照可以交换镜头的“单反相机”作为区别。
135单反相机自动对焦技术（镜头对焦技术的先驱）
早期的自动对焦系统虽然暂时解决傻瓜相机的自动对焦的问题，但是对于135单反相机和中大型相机来说，这样的设计还是不足。
1980年，最早提出自动对焦解决方案的美国的ONEYWELL公司再次推出更有力的的AF自动对焦系统，企图抢占单反相机的市场。
不过，这时的日本厂商却另有打算。
图左：
世界上第一至AF驱动能力的自动对焦镜头佳能FD35-70/4.0
图右：
佳能早期的自动对焦相机AF35M后来改装了SST系统成为AF35ML
新的想法来自如果受限于机身无法容纳更多的对焦系统设计，那么为什么不能把对焦系统直接做在可交换镜头上呢？
首先入手的两家公司佳能和奥林巴斯因而转研制AF镜头为主。
由于这个决定带动了80～90年代AF镜头与对焦机身的发展。
早期的AF镜头是作给常规的手动对焦单眼相机所使用，AF镜头本身就配有『伺服马达』和『感应装置』。
到了后期才出现带有对焦『感应装置』的机身，有效的降低镜头成本（因为镜头只需配置『伺服马达』就够了），同时也因此减轻了后面推出的镜头重量（配合机身的对焦系统，镜头设计就无须太过复杂），方便携带。
相对的内建『马达』的自动对焦镜头无法在纯手动对焦相机做自动对焦，不过同学也无须担心，这些自动对焦镜头也可以将它门当作手动对焦镜头来使用。
佳能于1980年初推出了一支FD35-70/4的AF变焦镜头，这支镜头的特点是在镜身上装有对焦系统和驱动马达及电源装置，从外观上看显得相当笨重，在圆形的镜筒外附加了一个方型的大包，有点类似警察开罚单用的测速器。
佳能的FD镜头采用了自己研开SST系统（SolidStateTriangulation），基本原理和HoneyWELL有些类似，最大的特色在于将两组光线传感器，浓缩为一组，方便减小体积。
SST的在镜头底部的CCD传感器上安装有超过240感测单元，分别用来接收来自主体的光线。
一启动AF对焦系统，传感器会不断进行扫瞄水平影像，测试其亮度，并将亮度信息藉由内建的计算机转换成的数据振幅。
内建的伺服马达则带动镜头中的镜片，寻求振幅最大的位置。
因为对焦清楚的影像是锐利的，所以讯号振幅上下差距最大，对焦模糊时，影像也跟着模糊，讯号振幅也就不明显。
135单反相机自动对焦技术（SST机身）
宾得ME-F世界第一台量产AF单反相机
在现实的工业世界中，先进的发明往往直接带动革命的诞生。
SST的测试成功代表，AF自动对焦系统进入新一波的高峰。
由于佳能FD镜头的使用，必须让摄影师先将相机对准主体，然后再按下镜头上自动对焦钮对焦，之后才是按下快门拍照。
严格来说，这离全面自动化的对焦完美程度，还有一段距离。
1981年，佳能将SST系统移植到了傻瓜相机上，制造了第一台SST自动对焦相机AF35ML（为1979年生产的AF35M改良型）。
1981年11月，日本Pentax终于将ME型，加装上了自动对焦和对焦指示系统，完成了首部单眼机身自动对焦相机ME-F。
这是有史以来第一部真正符合消费者使用需求的自动对焦单眼机身。
135单反相机自动对焦技术（TTL）
宾得ME-F之所以比佳能、尼康更早研究出AF单反相机对焦系统，主要引进了一个全新的概念“TTLTHROUGHTHELENS”。
这个概念类似今日计算机软件操作接口上强调“所见即所得”，基本原理与SST或VAF相去不远，只是将原先挂载在镜头上的自动对焦装置移到单反机身上，从而实践了机身与镜头整合。
自1983年后，TTL帮助了许多日本相机厂商实现135单反相机的自动对焦的心愿。
例如：
1983年，美能达公司推出了带有TTL相位对焦系统的X-600。
整体来说，这个时期仍属于市场上的萌芽期，消费者对于其选择是在主动和被动式系统之间还不甚了解，由早先推出的傻瓜相机柯尼卡C35AF、佳能AF35ML以及尼康L35AF等，打下口碑，加上AF单反机身的宾得ME-F、奥林巴斯OM-30和尼康F3AF等，配上大且昂贵的AF镜头，虽然这些产品拥有自动对焦的光环，但还不算是真正的明星机种，这样的情形颇类似数码相机刚起步的阶段。
而真正让AF系统大放光芒的创世纪系列。
美能达α7000：
自动对焦技术量产指标
AF自动对焦技术不断演进，到了1984年日本相机制造业普遍认为AF将是引领未来相机业的主流，特别是针对当时最有能力购买相机的族群-中年人士！
同学们可以想象一下，在一个经济尚未起飞的时代，摄影器材的价格是相当昂贵，也只有中年事业有成的人士，在有钱有闲的前提下才有能力拥有专业摄影器材，这与今日傻瓜相机、数字相机已经普及到2～3万元一台的价位来说，在那时是无法想象。
不过，这些有能力购买专业摄影器材的人士，普遍都有一个困扰“视力”退化！
这件事严重影响手动对焦的准确性。
美能达α7000：
第一部真正实现AF完美自动对焦梦想的单反相机
日本版的美能达α7000
1985年2月，美能达整合先前的AF设计经验，以市场导向推出了世界上第一部真真正正的AF单反相机α7000（A7000为欧洲市场销售代号，日本市场为α7000，美洲则为MAXXUM7000），不同于我们在上一讲提到的X系列，α7000是一台全新设计的机种，特别的是美能达放弃了传统MD接环，改用新型的AF接环，机顶设有液晶显示面板（LCD），用来显示如各种参数，替代了原来的刻度盘。
α7000还一反过去的光圈调整是作在镜头上的设计，将光圈调节改在机身上操作。
全部取消过去常用的转盘旋纽，改以按键代替，同时创新PASM四种曝光方式加入，打下未来机身的标准。
美能达α7000系自X-600推出之后最大手笔的研究开发，总投资超过15亿日元，影响所及让美能达一举成为领先尼康、佳能、宾得以及奥林巴斯等日本同业公司，由于α7000性能优异，价格合理，总计全球销售了265万部，连带启动美能达交换镜头工业的升起，并成功击败当时销售第一的佳能公司。
美能达α7000连续夺得了1985～86年度TIPA欧洲相机最佳推荐和1985年日本相机大赏。
一连串的功成名就，让美能达尝到了一夕成名的滋味，也从此美能达的顶级产品就特别偏好“7”和“α”这两个字（例如：
数码相机DiMAGE7i等）。
不过，纯就技术上来说α7000其实并没有原理上的创新突破，α7000之所以能让AF系统如此成功（其应用的是后期TTL检测系统），主要是解决了将对焦系统与马达微型化并成功的塞进机身，又能提供使用者方便且直觉的操作AF系统，是一真正的以AF为主导，而非像以前的机种多将AF列为辅助装置的相机。
α7000的出现，成功的刺激了当时正逐步萎缩的单眼机身市场，颇类似今日数码机身D-SLR的出现，带动摄影另一波高潮一般。
雨后春笋般出现的AF单反相机
α7000太成功了，成功的让众家业者眼红，而美能达也再接再厉开发更专业的α9000以及精简版α5000，企图囊括上、中、下所有的市场区间。
α9000并首次引进了连续AF（ContinuousAF）方式，这种方式与α7000的单次AF（SingleAF）方式不同，在任意时刻均可按下快门拍照。
最快推出能与美能达α7000匹敌的是日本尼康公司，不过时间也要到1986年3月，新F-501系列。
F-501是首部提供两种AF方式选择的单反相机（S和CAF，α7000只有SAF，而α9000则只有CAF），但F-501的兼容性更好，不仅能使用新型的AF镜头，还能兼容以前的手动对焦镜头（但不能启动TTL自动曝光与测光）。
1986年10月，奥林巴斯也推出了该公司的第一部AF单眼相机OM707，其最大的特点是世界第一部内建AF照明辅助灯的单眼相机，在光线不足的室内，使用者半按快门的同时，如果不使用外接闪光灯下，能够自动投射一组光线，帮助照明与对焦。
尼康急起直追，F501AF对抗美能达α7000的大军压境
佳能加入战局，EOS650披挂上阵
α7000太优秀了！
这个时期的相机厂商，除了尼康之外，几乎没有一家是美能达的对手。
就连佳能也要到1987年5月才推出EOS650与之抗衡。
佳能舍弃了模仿美能达的做法，改将AF马达装在镜头内，彻底强化AF速度，同时放弃传统的FD接环，全面改换EOS系统，EOS代表的是电子光学系统（ElectronicOpticalSystem）之缩写，此一变化将过去采用T、A系列命名的佳能相机完成整合，甚至影响了20年后数码相机的兴起（例如：
CanonEOSD60）。
EOS650采用今日为人所熟知的EF系列镜头，取消了纯机械联动，改以电子讯号连动镜头与机身，创新八触点信息交换，减少了长期使用磨损所带来的误差。
EF镜头内有两部马达，一为自动对焦；一为光圈控制。
宾得SFXQD加入石英钟日期/时间打印功能，成为后来众多机型模仿的对象
1987年2月，宾得也推出了首部AF单眼机身SFX。
宾得效仿尼康的策略，为SFX保留了宾得传统的KA接环兼容性，更棒的是KA手动对焦镜头在SFX上除不能自动对焦外，其它的功能都可以发挥效用。
1988年5月，美能达推出了第二代AF单眼相机Dynax7000i，全面改良α7000，特别是首次在系列机种中加入“i”（intelligence），代表人工智能。
首创焦点预测AF利用三组共255个CCD，提供高精度AF区域对焦，并且起始对焦时主景不一定要在画面中央的先河；人工智能还能帮助相机根据主景的运动状况自动判断AF方式。
具有AI人工智能的AF单反相机诞生
美能达Dynax7000i（又名美能达X-700、美洲版Maxxmum7000）不仅将AF的设计推向更高的境界，还引入了“AI人工智能”的焦点预测法。
利用这种方法的自动对焦，Dynax7000i有能力测量出主体的运动速度，在按下快门时，相机内的微处理器就能预估出主体在快门开启的一瞬间运动到什么位置，成功了消除了上一代AF系统在快门开启，反光镜上翻的状态下所产生的0.07秒的延迟状态。
加上新的多分区测光方式，7000i还能根据主体在画面上所占的位置来调整测光值，使曝光更准确。
由于Dynax7000i，有效解决AF对焦高速运动场合下（例如：
赛车、个人田径），常发生之对焦失败以及失误的情况，开启高速运动摄影的先河。
美能达Dynax7000i第一台以“i”命名的单反相机
1987年7月，美能达效仿α7000的市场策略，在Dynax7000i的基础上推出了精简版Dynax3000i，重量只有420克，是当时最轻巧的AF单反相机。
1988年底，尼康终于发飙了，第四代专业单反相机F4的推出正式宣告全自动专业相机的时代来临！
尼康F4以功能齐全著名，象征尼康精神：
朴实耐用。
F4集合了这个时期所有的相机科技，包括：
焦点预测AF、1/8000秒高速快门、自动包围曝光等等，然而F4也是出名的顽固，其操作设计仍是沿袭一贯的转盘操作，对于尼康的爱用者来说不用去适应新一代的“按钮”相机，直接拿到尼康机就会使用是一大卖点。
AF顶级机标准确立
尼康以F4确立了自动化专业单反相机的标准“性能”！
佳能也于1989年9月推出了EOS系列以来最强的机型EOS-1。
同样具备1/8000秒快门速度，但EOS-1更进一步强化AF系统，除了扩展AF曝光补偿的检测范围外，并为第一部采用三次测距法来预测焦点，比起F4和Dynax7000i的两次测距法更胜一筹。
以佳能EOS系列相机的命名习惯来看，佳能喜欢将自己认为最好的产品称为“1”（例如：
数码相机时代的EOS-1D、EOS-1DS）。
佳能EOS-1就是当时与其它大厂之AF顶级机对抗的代表机型。
1988年12月，尼康F4吹响了AF顶级机决战号角
尼康F系列简史：
1959年首部F机诞生、1971年推出F2、1980年F3、1988年F4以及1996年现代版顶级机F5。
1989年9月，佳能展现全部实力在EOS-1系列上
佳能EOS-1系列简史：
1994年11月推出EOS-1N、2000年3月推出EOS-1V/1VHS
性能扩充时代
1990年初半导体工业正在开始蓬勃发展，虽然此时半导体的容量仍相当有限，但是美能达以及佳能已经能够藉由外插ROM（唯独型内存-类似今日计算机中所使用的BIOS），模拟相机的性能，美能达曾为旗下的相机系列推广一种“场景智慧卡”，扩充其拍摄能力，佳能家族则在其EOS10中，加入了条形码程序系统，使用者可根据实际需要，藉由手册条形码来改变相机内的程序用，EOS10并首次配备了可独立使用的三区域AF对焦系统，可以方便地拍摄不在中心点的主体；同时提供手动选择任一AF区域，堪称当时创举。
佳能EOS10条形码程序功能 尼康F-801S重返战场
美能达7xi首部逻辑思考相机 宾得Z10迈向FA道路
1991年3月，尼康推出了改良款F-801S，总算加入了此时引领风骚的焦点预测AF以及点测光模式，开始拉近了与美能达、佳能的竞争距离。
1991年6月，美能达推出了第三代AF单反相机Dynax7xi，这次“xi”代表了“专业智能Experti”。
Dynax7xi引进一种全新的技术称为Fuzzy逻辑推理系统，内建四组测距组件，使其AF选择区域比以往的任何一部AF都还要大，AF速度是Dynax7000i的两倍。
因为AF区域加大，搭配上新的对焦推理系统，Dynax7xi号称能够预测各方向以及突然转向之主体运动焦点，也就是现在连行踪飘忽不定的UFO都可以拍得到。
Dynax7xi还具有蜂巢式测光系统并能与AF联动，能更准确地判断出主体位置和曝光量；在P模式上，7xi也改变了以往根据镜头焦距来选择程序的做法，而以主体的运动状况与焦距结合运算。
宾得自SFX之后，就少有新作，1991年7月终于推出了新一代AF单反相机Z10和新FA系列镜头。
Z10具有流行的焦点预测AF功能，也采用了六分区域测光。
Z10有效的简化控制操作，却又不损其功能性。
以Z10为开路先锋，宾得顶级AF机Z-1，搭配最高1/8000秒快门速度和1/250秒闪光灯同步速度，含三种测光方式以及18种自选功能。
Z1具有强力之MTF程序曝光修正，且还自创了自动变焦曝光能力，使用者可以一边变焦一边拍摄，制造出具有“移动感”效果的照片（今日同学可以利用PhotoImpact的动态摄影选项达到这样的效果）。
专利败诉，日本走向自发性开创专业技术
美能达走过α7000的风光期，却因1992年美国原创AF系统设计公司Honeywell与长达7年之久的AF专利之争，美能达败诉判赔1.27亿美元。
此一专利权的诉讼，深深的牵动了当时所有的日本相机生产商。
影响所及美能达除了赔款外，加上各种因素，致使1992年的利润有所下降，给公司的照相机部的发展蒙上了一层重重的阴影。
这个期间所进行的美日贸易大战，影响了所有的日本制造业，有鉴于美能达惨痛的历史教训，驱策更多日本相机厂投入经费于专利技术的研发上，从此摆脱对美国的技术依赖，造就今日日本相机工业的荣景。
1992年的这一役，虽说让日本工业吃了一记闷棍，但是就长远来看，这记闷棍还是相当值得！
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