相位对焦的原理是什么？

关于相机对焦系统的知识都在这篇文章里了。关于微单和单反机相位对焦的原理是一样的。在后面，慢慢看。

在这里，我还对康泰时G系列进行了无情的揭露。德国镜头再好，没有对焦精度，都是扯淡。何况这康泰时G1/G2还不是德国的镜头。可惜往事无法回顾，今日很多人又在犯下同样的错误。

91拍照文青必读手册06 --- 一次模型展偶然牵出的相机故事 测距机的那点事

91拍照聊相机 2017-01-11 17:22:38

上一周上海模型展在众多模友的热烈捧场中召开了。作为摄影粉丝的局外人，我偶然间也被朋友拖去看了展览本届展览的展品还算非常出色，只可惜似乎少了一件展品。那就是著名的88炮。我只好跑到网上找几张看看。无论怎么找，只要是88炮的情景模型，里面总会有一个手持圆筒的兵人站在最前面。您可曾想过您的相机可能就是那个圆筒的缩小版。

上一篇，我讲了您的旁轴微单可能是伪微单，但是本文我要对资深的老法师说您的真旁轴相机也未必是真正的高精度Range finder camera。

所谓Range finder，就是测距仪的意思。而Range finder camera真正的意思并非旁轴取景相机，而是带测距仪的相机。

至今为止最经典的测距仪相机非徕卡的M系列莫属，而徕卡M型相机的测距方法属于最经典的三角测量法。而关于徕卡M型的测距精度，我曾经专门写过一篇文章来讲述。当然，结论是当仁不让的No.1。为了让大家看的清楚，我把以前几篇关于测距系统的精华再度浓缩一下。

从上图看出，当被摄物距离R趋向于增加时，测角误差随之增加。好在景深和R的平方成正比。所以理论上三角法测距在照相机上还是比较实用的一个方案。它只针对相对近距离的测距有效。

L就是测距基线（上图中的L），基线越长当然精度越高。假设取景器倍率为M。这里还要引入一个有效基线的概念。

有效基线ML=取景器倍率M x L

有效基线的长短才是决定测距精度的保证。此外，还有一个决定性的因素就是人的眼睛的分辨能力。

旁轴取景相机的基线长度很容易进行测定的。只要在目镜处反向射入一束激光，激光就会从测距器和取景器两个窗口同时射出，两束激光的距离就是基线长度。

那么把激光射入老式单反机的取景器会怎么样呢？我同样找出书上的照片。旧书了，照片实在太模糊，实验用的时一台尼康FM，同样有两束激光会从镜头射出。这两束激光就是单反机的测距基线。它们是由裂像棱镜形成的。

对！单反机也需要测距，也是有基线的。对应的基线计算公式如下：

无论是用过尼康FM2、还是美能达X700、还是海鸥DF的朋友，不会忘记在取景器里看见过的它吧！对！裂像棱镜！

L=2（n-1）af

n为裂像棱镜材料的折射率

a为裂像棱镜的顶角

f 为镜头焦距

由于实在无法从现在的资料中找到关于单反机测距存在基线的证据。还好在古老的书籍中还有一张依稀可辨的照片。图中的2束激光从尼康FM装备的50mm镜头中射出，2线的宽度便是它的测距基线长度。

仔细的看官可曾想过为啥现在找不到图片资料？

不论这个公式如何计算，我们会发现n和a都是常数，唯有镜头焦距是变量。我们代入一个最常用的50mm焦距试试。此时的基线仅仅为8mm左右。和旁轴测距的相机相比，这也太短了吧！要是换上广角镜头，那就等于没有对焦精度。当然要是换上焦距很长的镜头，单反机的测距精度一下子高了起来。

所以单反机虽然不是旁轴相机，但是也算是一种变形的Range finder camera，只不过在使用135mm以下焦距的时候，测距精度低一些。

没完！再来看看单反机进入AF时代的表现。

一幅典型的索尼现代AF数码单反机结构图。自动对焦组件(AF组件）躲在哪？熟悉的朋友都知道在反光镜箱的底部，那个AF SENSOR就是。

关于相位对焦的原理来了。

原理、实用化的机型？

早在70年代末期就有。现代的一脉相承，不断改进，一直没有原理性的突破。

那就是相位法。

上图是1979年上市的PENTAX ME-F自动对焦单反机的TTL -EFC原理。和现在的AF机型的唯一原理性区别就是：PENTAX使用的是AF分光棱镜，而从美能达a7000开始使用的都是一组成对的分光透镜。

很多人都认为世界上第一部实用的自动对焦单反机是1986年发布的美能达a7000，早在这之前很多公司都发布过自动对焦相机，其中自动对焦的单反机也不再少数，甚至徕卡都发布过原型机。只不过它们都没有成功占领市场。尽管这样，单反机所用到自动对焦的原理大同小异，直到今天也是如此。

不论系统如何升级，它们都需要使用一个分光透镜将光束分成2束，然后用CMOS或者其他的感光原件分析这2束光线的相位差。

只要知道分光透镜的焦距（等效顶角高度）和材料的折射率，以及镜头的焦距，就可以计算出单反机测距基线的长度。虽然没有一手的资料，但是可以根据元件的尺寸来推断，这种分光镜对应的顶角高度不会比30年前的单反机裂像棱镜的顶角高，材料也是类似的n=1.5左右的材料，选取50mm的物镜焦距。代入到上篇的公式里。

L=2（n-1）af

n为分光透镜材料的折射率

a将分光透镜折算成裂像棱镜的顶角

f 为镜头焦距

基线长度L不会超过10mm（实际上还是8mm左右）。

那么剩下来能决定对焦精度的因素只有AF聚焦组件的分辨能力了。除了网上大堆的广告宣传之外，范主手头同样也找不到任何来自厂家的对于AF组件的描述。不过这不要紧，这些组件无非是一些CCD或CMOS阵列，比感光成像用的小一些而已。根据现在的CMOS密度很容易进行推断。它们和眼睛视网膜锥状细胞的密度相比还稍低一些，比如佳能5D mark III的COMS单个像素尺寸是0.00625mm。（眼睛中最灵敏的视网膜锥状细胞的平均密度大约为387个/mm，单个尺寸0.00258mm） 可惜的是没有检索到AF SENOR能使用类似人眼的副尺视力的算法。实际上这意味着在单反机上的AF要比手动对焦的检测还要差劲许多。

最终可以近似的认为现代自动对焦单反机的检测能力和使用人眼对焦的上一代手动对焦单反机几乎是没有差异的。

我特地补充一下：

现在微单的相位对焦和单反机的相位对焦时一个原理。在CMOS上挖掉几个位置，做成对焦透镜，就可以实现相位对焦。

缺点有2个：

1. 人为造成了CMOS上的坏点。

2. 对焦速度时快了，但是对焦精度是不高的。所以还需要反差检测来辅助。

上图是手持的1米基线的测距机。（现在还在用哦）

3米基线测距机，手持拿不动了，只好车载，不过精度高很多。

上图是第二次世界大战时期一艘波兰驱逐舰上的测距机，基线更长。如果阅读战史的话，您会发现在大型军舰上出现基线长达十几米的光学测距机也很平常。

我们来看看常见的三角测距法的相机，徕卡M型的基线排名，只在中间位置。

第十五名 Leica CL 物理基线31.5mm 放大倍率0.6 有效基线 18.9mm

第十四名 福伦达R/禄来35RF 物理基线37mm 放大倍率0.7 有效基线 26mm

第十三名 Minolta CLE 徕卡M口 有效基线 29mm

第十二名 Leica M6/M7/MP(.58) 物理基线69.25mm 放大倍率0.58 有效基线40.17mm

第十一名 柯尼卡巧思HEXAR RF 物理基线69.2 放大倍率0.6 有效基线41.5mm

第十名 Leica M8/M9/M240(.68) 物理基线 69.25mm 放大倍率0.68 有效基线 47.1mm

第九名 CANON 7 物理基线59MM 放大倍率0.8,有效基线47.2MM

第八名 LEICA M2/M4/M5/M6(.72) 物理基线69.25mm 倍率0.72 有效基线49.86mm

第七名 蔡司伊康ZM 测量基线75mm 倍率0.74 有效基线55.9mm

第六名LEICA III物理基线38 放大倍率1.5 有效基线57mm

第五名LEICA M6/M7/MP(.85) 物理基线69.25 倍率0.85 有效基线58.56mm

并列第四名 CANON VT 物理基线长度43MM,最大倍率1.4 有效基线60mm

NIKON S2 和S3早期型号 物理基线60MM, 放大倍率1

第三名 CONTAX II III KIEV 物理基线98MM,放大倍率0.63 有效基线61.74mm

第二名 LEICA M3/MP(.92) 物理基线69.25mm 放大倍率0.92 有效基线63.71mm

第一名 CANON VI L 物理基线43MM 最大放大倍率1.55 有效基线66.5mm

可是，日本相机设计的前辈大师小仓磐夫先生根据计算却说徕卡M3的测距精度换算起来，优秀摄影操作徕卡M3的测距精度可以和最优秀的观察员操作的长门战列舰的15测距仪的测距精度一较高低。显然徕卡M型测距的精度不仅仅来自于基线长度。

大家可能没有用过基线长度排名第一的CANON VI L。但是我想告诉大家CANON VI L是虚像对焦，而徕卡一直是坚持实像对焦。

上图是模拟方法展示的最简单的虚像式对焦的视觉效果和简易的光学结构。不多说了，凤凰205这类的相机就是这样的。

这是徕卡M型、勃朗尼卡RF、巧思RF等高级相机才有的实像式对焦效果。

实像式对焦的好处是可以充分发挥视觉细胞的“副尺效应“将对焦精度再提升3倍。

引用木村伊兵卫老先生的老话。当他拿到徕卡新推出的LEICAFLEX的时候曾经评论说“LEICAFLEX的精华所在就是取景器很清晰。与之相比，日本的单反机就差远了，这完全是由于裂像棱镜和微棱镜把取景视场搞得杂乱无章，那真是外行人干的蠢事。”可是当他把LEICAFLEX拍摄的照片冲洗出来的时候发现，大部分照片都对焦失败。从物理的角度来分析一下，早期的LECIAFLEX是没有裂像辅助的，只是一片透明度极高的带有网状细格的对焦玻璃，而人眼有自动调节功能，可以清楚地看见离焦的空间像，因此他根本就没有对准物距。这点，现在在单反机上玩转接的朋友似乎有当年木村先生的同感。无论如何，木村先生把单反机搁起来了，重新用回了M型。

说到旁轴测距准或不准，先要回到物理的角度来计算一番。首先需要熟悉一下人的眼睛。人眼对2点和2线的分辨能力略有不同。

视网膜中央是分辨能力最高的黄斑部。上面布满了一个个呈六角形的蜂巢状的锥状细胞。六角形的对应的边距为P值，约为0.005mm。若眼睛的焦距f=15mm。则人眼对两点的极限分辨率可以表示为：

这个值相当于角度1’08”，可以近似1’

双线的分辨能力，只要每个细胞上有一部分收到光照，它便受到刺激。从下图中可以看到。A1-A2细胞没有受到刺激，而A3-A5细胞由于有一部分照到光线而受到刺激，这样以来A1-A2和A3-A5之间就会产生一个亮度的梯度差，其宽度为e。交错量e的取值公式如下：

再将e 代入下面的式子

由此可见，人眼对双线错位的分辨能力几乎是双点的三倍。我们将这种能力称为游标视觉锐度，简称副尺视力。

而获得这种能力的代价是需要有一套很复杂的机构来支持。

同样这类真正意义上的测距仪相机（徕卡M型、勃朗尼卡RF、巧思RF）之类，还要求使用者有很好的操作技巧。比如尽量利用上图中下面一种方法来对焦。总之，没有辅以一定的训练还真是发挥不出高级相机的作用。

虽然啰嗦了这么一堆，其实才刚想说出本文的主题，就是挖一下“伪测距相机”的老坟。而这个反面典型就是我一直很反对的CONTAX G系列。

在CONTAX G1的正面有4个窗口，从左往右，第一个是红外线测距仪的接收窗口，第二个是红外线测距仪的红外线发射窗口，第三个取景窗口，第四个是辅助红外线对焦装置的红外线发射窗口。

其中第一和第三窗口，才是真正的测距机部分。我解释一下第四窗口。第四窗口和现在大部分自动对焦单反机上的红外线辅助对焦照明灯是一个装置。用来在被摄物本身反差不足的情况下，由相机投射一个红外线光斑，帮助测距系统判断。大部分人可以看到这种光斑。

我们来看看红外线测距系统的工作原理。第三窗口发出红外线，被第一窗口接收。

第一窗口中的透镜将接收到的光线投射到后面的PSD原件上，原件根据不同的相位，输出不同的电压。

目前这类测距装置中探测距离最远的也只有5米，而小于1米则是这种测距装置的盲区。在设计的时候，需要做大量的电压测试，收集好电压对应的距离参数，而后根据这些原始数据做出自己的函数，最后把代码烧录到芯片中。大家一看，从2米到5米这段距离内，电压的变化非常有限，要探测准微弱的电压变化还真有难度。因此，实际的探测精度是很低的（尤其是2-5米之间）。

此外，红外线测距原件受到温度的影响也很大，设计参数是以20摄氏度为基准，然而实际情况和理论值的差异是很大的，还需要进行温差修正。

所以，在15年前我就和朋友们说：G1只不过是一个可以换镜头的傻瓜机。可是我的朋友中没有一个人相信我说的话可信。售价超过1万元的相机怎么可能是傻瓜机呢？

大家都可以意识到，高级照相机的对焦是讲究测距精度的，尤其是1米-15米这个距离之间，是我们最常用的物距范围。而一部5米以外都被判断为无穷远的相机，能称得上是高级相机吗？

我们再来留意一下，CONTAX G1的第二代相机 G2。大家数一下会发现它比G1多了1个窗口。其实G2是在为G1补测距盲区。第一和第五是新增的一对红外线测距机，第二和第三则是原来的那对红外线测距机。而原来的红外线辅助对焦照明灯则被取消了。所以G2有2套测距系统在同时工作，近距离的测距精度是有提升的，盲区范围也小。但是无论如何改，这毕竟是一部低级的傻瓜机。

非常幸运的是，我们终于摆脱了测距机，因为我们终于进入了微单时代（无反光镜相机时代），我们可以直接在”胶片“上对焦了。就像最原始的相机那样。

微单相机随时可以从CMOS传感器上读取数据，然后进行逐一的反差对比。我们业内将这种合焦判断称为”爬山算法“，就好比在一座大山中攀爬，通过攀爬来寻找最高的那座山峰。

然而，微单中居然还有一个例外。那就是松下的相机。松下的相机采用DFD对焦方式。

有些网友，甚至是有些摄影行业的大咖看了松下官网介绍，就直接引用了官网的说法DFD对焦技术理解为一种连续自动对焦。在连拍过程中，连续自动对焦一直在工作，也就是拍摄从远处飞过来的鸟，从连拍开始到结束，每一张拍摄主题都是清晰的。

其实这种理解是对DFD技术的极大的误解。这个是松下”先拍照后对焦“的绝技，而非真正对于DFD对焦的解释。

所谓DFD对焦，就是Depth from defocusing。也就是从离焦信息中计算出焦点位置。看上面一幅原理图，右侧有一个标注为2R的，这个2R就是没有合焦的影像在底片上形成的弥散圈直径。而DFD就是需要从这个2R中算出真正的焦距U0。

相比普通微单的”爬山算法“所需要获取的大量图像信息，DFD只需要调取4-5帧，就可以快速推算出非常精确的焦点。CPU的工作负荷可能只有”爬山算法'的百分之几。

所以对比松下的微单，您肯定会感觉到对焦的”快“字。上图中的红线为最新的GX8的对焦精度，相比上一代GX7（蓝线）有很大提升。当然其他微单相机通过在CMOS中加入相位检测单元，现在的对焦速度也是飞快。

不过我很庆幸能看到”测距机“还滋润地活在微单的时代。我也很庆幸地看到DFD这种测距机的算法还在不断地提升改进。

说完对焦的这么多事，您能坚持看完，就足以证明您是地道的摄影器材粉丝。让我们轻松一点，来看看模型展的精品。

“91拍照旗”下的微单摄影频道，为微单摄影爱好者提供最新鲜的微单资讯，讨论微单爱好者共同关心的话题：摄影、美器、美食、旅游、家居。让微单成为我们共同的轻奢话题。