单反相机自动对焦系统简史

进入数码时代之后，所有的数码单反相机都有自动对焦功能。用久了习以为常就会觉得这是一项必备功能，于是对自动对焦怎么来的课题就不再深究。事实上，今天的数码单反相机自动对焦系统年纪并不大，从第一台成功打开自动对焦单反市场的美能达Maxxum 7000起（1985年）也不过25年。这25年中自动对焦技术年年进步。目前的数码单反即使是入门级机身，也有多个对焦点及支持拍摄移动物体的各种功能。这在十多年前是高级机身的专利，二十多年前多半是幻想，和最早的Maxxum 7000相比更快速且准确。所以，这是一篇多少有些怀古的文章，大略介绍从最早自动对焦单反相机到独树一帜的康泰时AX （1996年）之间的演变，剩下来的就是大家耳熟能详的发展了。

早期自动对焦原型机和量产机

自动对焦的研究起源甚早，譬如尼康在1971年的Photo Expo（美国芝加哥市）展出了装在F2机身上的自动对焦镜头AF Nikkor 85mm f/4.2（见下图），徕卡也在1976年Photokina 上展出了带自动对焦系统的Correfot 原型机、又在1978年Photokina 上展出了功能齐全的相机，不过这些机型都没有正式量产上市。

第一台正式量产上市的自动对焦相机是柯尼卡C35 AF （1977年，下左图），这是使用霍尼韦尔的Visitronic 自动对焦系统的简单（俗称傻瓜）相机。第一台有自动对焦功能的单反相机是宝丽莱在1978年推出的SX-70 Sonar OneStep（下右图）。它使用装在机顶的声纳（sonar ）透过超音波测量对焦距离进行自动对焦。

第一批自动对焦单反镜头

第一波有自动对焦能力的单反镜头在1981年前后出现，它们是佳能FD 35-70mm f/4 AF和启能AF 50mm f/1.7（后来又加上了AF 35-70mm f/3.3-4.5）；下左照片是佳能AL-1机身配FD 35-70mm f/4 AF，下右是启能CE-4s 机身加上AF 50mm f/1.7。

佳能和启能这两个自动对焦镜头前方都有两个小窗。启能镜头使用红外线，一个小窗后面有旋转的红外线发射器，另一个小窗内有接收器（见下图）。自动对焦时，会旋转的红外线发射器不断发出红外线、对焦马达驱动镜头移动，当接收器收到从被摄体反射回来最强的讯号时就停止对焦马达，从发射的角度和两个小窗之间的距离可以算出对焦距离。

佳能的系统比较复杂，不用红外线也没有移动的部份。镜头上两个小窗后面各有一片反光镜，两片反光镜之间是一个反光棱镜，它后面是一个CCD 数组（见下图）。被摄体经过两个棱镜反射到反光棱镜、再投射到CCD 上产生两个像，如果这两个像相同就表示对焦正确。在对焦时，镜头内的对焦马达驱动镜头，比较投射在CCD 上的两个像，直到对焦完成为止，从两个像之间的距离就可以算出对焦距离。

佳能和启能这两个镜头与机身完全没有通信，用户把相机取景器中央的对焦点对准被摄体，再按住镜头上的对焦键进行对焦，成功后会发出提示音或亮灯（取景器中可见），然后按下快门拍摄。因为镜头和机身没有通信，佳能的镜头可以在使用FD 接环的机身上自动对焦；同理，启能的镜头可以在使用宾得K 接环的机身上对焦。另外，对焦马达都在镜头内，需要安装电池，所以镜头都很大且重，对焦速度相当慢、失误率颇高。更重要的是，两者都不是用镜头拍到的影像对焦，所以常会对错对象，而且近距离时有平行视差。启能镜头由于使用红外线，很容易受被摄体和相机之间的物体（譬如玻璃）干扰导致对焦失误，然而它却可以在全黑的环境中对焦。

这两个最早期的自动对焦镜头上市时间很短，因为接下来自动对焦系统的发展异常迅速，它们才上市就几乎已经落伍了。

近代TTL 自动对焦的雏型

下一个自动对焦的里程碑是在1982年上市的宾得ME-F ，匹配的镜头是宾得AF 35-70mm f/2.8，这是近代单反相机自动对焦系统的雏型。在1983年又有两台新机：奥林巴斯OM-F （也叫做OM-30）和尼康F3AF ，前者配了Zuiko Auto Zoom 35-70mm f/4 AF镜头，后者则有AF 80mm f/2.8和AF 200mm f/3.5 ED IF 镜头。最后，佳能也在1985年推出T-80，它使用FD 接环而且配了三个镜头AC 50mm f/1.8、AC 35-70mm f/3.5-4.5和AC 75-200 f/4.5，但是这些镜头和1987年推出的EOS 机身并不兼容。

这些机型都用TTL （Through The Lens、通过镜头）自动对焦方式。下左图是宾得ME-F 的反光镜，将其略微掀起露出后方副镜，下右图是从机背方向看反光镜室底部，它有一个小长方框、下方是自动对焦模块。反光镜中央部位、副镜的前方是半透明的，这个部位对应着取景器中唯一的对焦点。自动对焦时，从镜头来的影像有一部份穿过反光镜到达后方的副镜，再被副镜反射到反光镜室底部的自动对焦模块，从而驱动在镜头中的马达对焦，所以宾得ME-F 是第一台TTL 自动对焦相机。TTL 自动对焦的最大好处是和使用的镜头无关，而且没有对焦点和视线之间的差异。

宾得ME-F 与其它机型的镜头开始使用电子接点和机身沟通，操作也和今天的数码单反类似；轻按快门对焦，对焦完成后取景器中合焦指示灯亮起。

尼康F3AF 虽然采用类似的机制，但副镜反射到反光镜室底部的是测光用，自动对焦系统在五棱镜模块DX-1中，把DX-1换到其它F3（1980年推出）机身上就没有自动对焦能力，但是提供合焦指示。另外，尼康F3AF 自动对焦系统的（两节AAA ）电池是装在DX-1中而不是在镜头内，所以镜头比同时期的自动对焦镜头来得轻巧。值得一提的是佳能AL-1，某种程度上AL-1也可以算是第一批自动对焦的机种（佳能叫做QF 、亦即Quick Focus ），它只有合焦指示而没有匹配的自动对焦镜头。

这些机型用反差检测原理实现自动对焦。反差检测是基于一个很重要的现象：当对焦准确时，对焦区域的对比度最高；反之，对焦区域的对比度就较低，整个区域可能几乎没有细节。下面照片是个模拟的例子，这些画面都是在不同对焦距离下拍摄、再把对焦区域裁下来的结果。第一张的对焦距离超过准焦点太远，然后镜头逐渐拉近，于是越靠近准焦所在的画面越有细节、对比度越高，到准焦所在对比最高（最后一张）。如果继续把对焦距离拉近，画面又开始模糊、对比度降低，这相当于把这几个画面自下向上看。在反差检测原理下，自动对焦系统要有一个判定某区域中影像对比度的算法，从计算出的对比度决定移动镜头的方向，直到对比度最高为止。

反差检测的自动对焦比较慢、失误机会大。虽然比第一代的技术进步很多，但仍然不够健全。随着图像处理技术进步，数码单反的Liveview 、消费数码相机、甚至无反光镜可换镜头数码相机都使用反差检测的自动对焦，只有数码单反清一色使用更快、更准确的相位检测技术。

近代TTL 自动对焦时代来临

目前的数码单反自动对焦系统是从美能达Maxxum 7000开始的（1985年）；这型相机在日本和亚州叫做A7000（或Alpha 7000）、在北美是Maxxum 7000。Maxxum 7000之所以留名相机史主要是它使用了一套全新的相位检测技术，在自动对焦时比较快也比较准确，所以推出之后十分成功，变成各家追赶的对象，目前所有数码单反相机都使用相位检测自动对焦系统。

下左图是一台美能达Maxxum 7000早期版本，从照片可以看出相机已经全部电子化，旧式的转盘和旋钮都改成按键，上片和倒片也变成自动的（没有上片扳手和倒片旋钮）。Maxxum 7000的自动对焦机制和上一代机型类似，反光镜后面有副镜、

自动对焦系统在反光镜室下方。除了相位检

测技术之外，美能达还发展出装在机身内的小型对焦马达，于是Maxxum 7000机身可以用四节AAA 电池提供包含自动对焦在内的电力，使自动对焦镜头变小变轻、而且也比较便宜。Maxxum 7000镜头座有螺丝起子头样的机身对焦马达转轴，镜头后方则有螺丝头驱动机制，这与目前有机身马达的机型无异。

美能达Maxxum 是第一台近代自动对焦机型，有相位检测和机身内小型对焦马达的创举，这些都成为后来自动对焦机型的模。但是美能达面临两件法律上的纠纷。第一件是小事，Maxxum 7000在北美地区上市时，Maxxum 的xx 是写成一个字（上右图），但是这个写法和Exxon 石油公司的商标相似，所以Exxon 要求美能达限期改善，因此只有最早期一批数量不多、销北美地区的Maxxum 7000使用这个写法。第二件却是大事，当时开发出很多自动对焦系统专利的美国厂家霍尼韦尔控告美能达侵权，经过冗长的法律程序后，美国法院判决美能达败诉，赔偿霍尼韦尔一亿两千七百多万美元。无论如何，美能达Maxxum 7000是开近代单反相机自动对焦先河的机种，此后自动对焦机型不断涌现，各家做出无数的改良才有今天可靠、快速、准确的自动对焦系统。

简化的相位检测概念是这样的。镜头的影像经过副镜被反射到在反光镜室底部的自动对焦模块，模块中有两个小透镜、各自撷取在对焦点区域两边影像的小部份，再投射到分成两组的CCD 数组上。概念上这两个小透镜的位置在感光芯片后方，它们把撷取到的影像在CCD 数组上聚焦（见下图）。如果镜头对焦准确，这两个重新聚焦的像会在各自CCD 数组中央（图中黑线），两者之间（预先知道）的距离是对焦准确时的相位（phase ）。但若镜头成像位置在感光芯片前方（图中蓝线），CCD 上像之间的距离比较近，也就是相位比较短；反之，但若镜头成像位置在感光芯片后方（图中红线），CCD 上两个像之间的距离比较远，也就是相位比较长。所以，从比较准焦相位和非准焦相位之间的差异，就可以算出镜头对焦时的移动方向和距离，再向镜头下达移动的指令、一次把镜头放到定位，从而对焦成功。

L ：镜头，S ：感光芯片，M ：小透镜，C ：CCD 数组，d ：CCD 数组中心距离

上面是一个简化的说明，但各家的相位检测自动对焦技术差不多都是从这个基本型式演化出来，在此不作深入探讨。

独特的康泰时AX

讲自动对焦系统很难不提到京瓷的康泰时AX 。自动对焦到了1996年大致上已经发展成熟定型，但是京瓷就在1996年推出了独一无二的康泰时AX （见下面图），它可以用手动镜头自动对焦。

当时京瓷希望康泰时AX 可以让质量极高的卡尔·蔡司手动镜头自动对焦，所以在设计时让反光镜、棱镜和底片一起移动，对焦到近距离时整个组合向机身后方移（下左图），对焦到较远处时整个组合向镜头方向移（下右图）。所以，康泰时AX 是唯一不靠转动镜头、而是靠移动底片对焦的单反相机。但是焦距较长的镜头的对焦行程比机身内所能移动的空间更长，所以使用较长焦距镜头时得先对焦环对得差不多，再用自动对焦系统让它完成最后的对焦步骤。

跑焦的困扰

有时候会发生机身指出对焦准确，但照片却明显有对焦不准的现象。换句话说，在拍摄时以被摄体某点（譬如眼睛）对焦，在操作正确的前提下，该点应该是十分清晰 的，但是在照片中该点（眼睛）却有点模糊，反而在对焦点前方某处（譬如鼻头）或后方某处（譬如耳朶）变得清晰，这个现象俗称跑焦。市面上有专业、业余、甚至自己动手做的测试相机和镜头是否有跑焦现象的器材，而且一些较高级机种更有允许用户微调自动对焦系统克服跑焦的功能。

影响跑焦的因素很多，比较明显的不外乎反光镜、副镜、和对焦系统的位置。因为反光镜、副镜、甚至相位检测系统中的透镜把镜头的影像反射聚焦而在CCD 上成像，只要有一者（甚至包含CCD 数组）的位置有一点异动，就会影响到CCD 数组上的成像，当然就会影响对焦的准确度。镜头本身也是一个重要因素。当自动对焦系统向镜头下达向前或向后移动多少距离的指令时，如果镜头和驱动对焦的马达无法准确地停在指定的位置，纵使相位检测系统准确，对焦仍然不准确。

在底片时代因为把照片放得很大的机会不多，跑焦现象不容易察觉，但数码时代在显示器上以100%显示照片的机会很多，而且传感器分辨率越来越高，于是跑焦现象变得十分明显（假设用户分得出跑焦和对焦不准）。一般而言，在景深范围内的轻微跑焦影响并不大，但若发现有明显跑焦时（在用大光圈望远镜头时很容易发现），就应该把机身连同镜头一并送回厂家调校，这是数码摄影的一个新问题。

整理

下表是从1977年第一台自动对焦相机到第一台近代自动对焦SLR 之间以年代排列的机型，同年的产品以厂家名称排列而非上市顺序。