自动对焦技术探究
— 101190039 黄建建
【图片鉴赏】
图中的“AF”意思是可自动对焦 图为相机自动对焦原理
图为相机上自动对焦的一些选项
【概念解析】
“自动对焦”（AF，是英文Auto Focus的缩写）又称为“自动调焦”，是照相机上所设的一种通过电子及机械装置自动完成对被摄物对焦，并达到使影像清晰的功能。自动对焦最主要的特点是聚焦准确性高，操作方便，特别是对被摄物的聚焦，自动对焦更具优势，同时也有利于摄影者把精力更多地集中在所拍摄的画面上。自动对焦可分为主动式自动对焦和被动式自动对焦两类。主动式自动对焦主要是利用发射红外线或超声波量度被摄物的距离，自动对焦系统根据所获得的距离资料驱动镜头调节像距，从而完成自动对焦；被动式自动对焦主要是通过接受来自被摄物的光线，以电子视测或相位差检测的方式完成自动对焦。
图为自动对焦概念图
【自动对焦分类】
作为成像系统的一项关键技术，自动对焦技术于20世纪70年代最初应用于照相系统，传统的对焦技术大部分是基于测距原理的1，如超声波测距法、反射能量法2、3和一些基于三角测距原理的方法4；随着电子技术和信号处理技术的发展，人们找到了一些手段对准确对焦图像的信号和离焦图像的信号进行鉴别，由此产生了基于视频信号分析的自动对焦技术，并应用于摄像系统5,6；进入20世纪90年代后，以CCD(或CMOS获取的图像作为对焦的基本信息，以图像分析与处理为基础的智能化自动对焦技术蓬勃发展，在以数字相机为代表的现代数字成像系统中广泛采用7
1．像偏移法
像偏移法
像偏移法应用三角测量原理，如图1-1所示。
由被摄物体所发出的光线，同时进入测距器的左、右两端，右端为可动扫描反光镜，左端为固定反光镜。从近距离到远距离，反光镜作大约1o扫描运动，测距计上左、右两光束，分别成像在两组各由五个硅光二极管组成的线阵接收元件上，通过两组间的信号比较，求得合适的对焦位置。用CCD代替硅光二极管作为接收元件可形成固态三角测距自动对焦系统.它的两侧光路中的反光镜均为固定方式，被摄物体的距离信息通过在CCD上的成像位置的差异反映出来，可直接由CCD元件进行检测和分辨。这种反光镜固定方式结构简单、可靠.但CCD元件与光电转换、运算系统的电路技术要求较高，成本也高.采用CCD作为对焦检测的方式，经过发展和改进被广泛应用在单镜头反光照相机自动对焦系统中。
2. PSD测距法
PSD测距系统是另一种基于三角测距原理的自动对焦技术8,9。如图1-2所示，由红外发光管经准直透镜向被摄目标发射红外辐射，用接收透镜收集经物体漫反射后的辐射，并汇聚在位里捡测器件PSD上.图中为被摄物距，
为接收和发射光轴的间距，
为接收透镜的焦距，D为PSD受光部分的长度。
根据PSD (Position Sensitive Device)器件结构特点，光线入射后产生光电子，使电阻层内的光电流与入射光强成正比，并与入射光束到各电极间的距离成正比。因此在电极A与电极B处，产生与入射点到相应电极间隔距离有关的对应电流几,
。设光束激发后的总光电流为
，入射光束到PSD中心的距离为
，则各量值之间的关系为
(1-1)
(1-2)
输出光电流的比值(
)与被摄物距
有如下关系
(1-3)
因此系统完全可以通过对电流比值的探测和运算得到被摄物距
，从而通过镜头控制系统达到自动对焦的目的。
3.对比度法
通过分析正确对焦的图像和离焦图像，有如下规律:当正确对焦时，对比度最强越偏离这个位置，对比度就越低.应用一维CCD元件作对比度检测时，假使将第n个光接收元件的输出设为，则对比度的评价函数
.式中m为一维CCD的总像素数。E在正确对焦的位置上为最大，
:在焦前、焦后位置，将会随着离焦量的增大而减小。若离焦偏移特别大时，则
.
对比度法自动对焦系统结构如图1-3所示，取景半透反光镜后端有一小尺寸辅助反光镜，它将光束转向照相机的底部，进入检测组件内。经红外滤光片后，在分像棱镜内分成相应两组像，一组相当于焦前等价面，另一组相当于焦后等价面
,
与
和成像平面相距
。在
、
位置上分别安置两组一维CCD元件。
当改变镜头位置时，分别和
得出相应的对比度变化曲线
和
。如镜头最初位置处于焦前点，对焦时向焦后方向移动，那么先是对比度曲线
达到极大值，继续使对比度曲线
达到极大值.相反，当镜头最初处于焦后位置，先是对比度曲线
达到极大值、然后
达到最大值。相应地，镜头处于准确对焦位置时，在焦前与焦后中间，对比度曲线
和
相同，如图1-4所示。
>
为焦前位置，
<
为焦后位置。
应用对比度原理，并以二组对比度值作相互比较的对焦方法，可以提高AF系统对比度检测精度和判别前、后方向，实现自动对焦。
【手机自动对焦原理】
手机自动对焦功能是通过将摄像头锁入音圈马达来实现的，音圈马达简称（VCM），它主要有线圈，磁铁组和弹片构成，线圈通过上下两个弹片固定在磁铁组内，当给线圈通电时，线圈会产生磁场，线圈磁场和磁石组相互作用，线圈会向上移动，而锁在线圈里的摄像头便一起移动，当断电时，线圈在弹片弹力下返回，这样就实现了自动对焦功能。
手机自动对焦的性能指标
行程：越大调焦范围越大 一般在２５０ｕｍ－４００ｕｍ之间 磁滞：越小说明精确度越高 一般０－１０
启动电流：越小越省电 一般５－２５ＭＡ
斜率：对焦的速度 一般３－８
倾角：越小说明精度越高 一般０－１５
洁净度：洁净度直接影响摄像头成像质量，世界各个厂家都很重视，但都没有很好的解决，除了人工清洁，吹气外，还没有很好的方法保证洁净度，即使是级别很高的无尘室。
