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自动对焦与自动对焦镜头

时间:2012-09-04来源:www.shixinhua.com石鑫华视觉网 作者:石鑫华 点击:

自动对焦与自动对焦镜头


自动对焦


自动对焦(Auto Focus)是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:一是主动式,另一个则是被动式。


自动对焦分类


        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。


自动对焦特点


  具备以下三点特性
  1.以某种方式自动判断拍摄者所拍摄的主体;
  2.以某种方式测量被摄主体与相机感光元件之间的距离
        3.驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相应的距离刻度。


自动对焦原理


        从基本原理来说,自动对焦可以分成两大类:一类是基于镜头与被拍摄目标之间距离测量的测距自动对焦,另一类是基于对焦屏上成像清晰的聚焦检测自动对焦。

1.测距自动对焦

  测距自动对焦主要有红外线测距法和超声波测距法。
  红外线测距法 该方法的原理是由照相机主动发射红外线作为测距光源,并由红外发光二极管间构成的几何关系,然后计算出对焦距离。
  超声波测距法 该方法是根据超声波在数码相机和被摄物之间传播的时间进行测距的。数码相机上分别装有超声波的发射和接收装置,工作时由超声振动发生器发出持续超声波,超声波到达被摄体后,立即返回被接收器感知,然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定对焦距离。
  红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的,称之为主动式自动对焦。

2.聚焦检测自动对焦

  聚焦检测方法主要有对比度法和相位法
  a 对比度法 该方法是通过检测图像的轮廓边缘实现自动对焦的。图像的轮廓边缘越清晰,则它的亮度梯度就越大,或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之,失焦的图像,轮廓边缘模糊不清,亮度梯度或对比度下降;失焦越远,对比度越低。利用这个原理,将两个光电检测器放在CCD前后相等距离处,被摄影物的图像经过分光同时成在这两个检测器上,分别输出其成像的对比度。当两个检测器所输出的对比度相差的绝对值最小时,说明对焦的像面刚好在两个检测器中间,即和CCD的成像表面接近,于是对焦完成。
  b 相位法 该方法是通过检测像的偏移量实现自动对焦的。
  在感光CCD的位置放置一个由平行线条组成的网格板,
  线条相继为透光和不透光。网络板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网络板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网络板重合时,通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当离焦时,光束只能先后到达两个受光元件,于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置,使聚焦面与网格板的平面重合。

3.各种自动对焦的特点

各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法,当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时,将使测距系统失灵或对焦不准确;而对比度法聚焦检测受光照条件的制约,当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时,对焦就会有困难,甚至失去作用。


自动对焦方式


DSLR大致包括如下3种自动对焦方式:
  1. 单次自动对焦
  2. 连续自动对焦
  3. 自动切换/人工智能伺服/最近主体先决的动态自动对焦
  首先,我们先来看看最为常用的单次自动对焦。其工作过程是通过半按快门来启动,在焦点未对准确前对焦过程一直在继续。一旦处理器认为焦点准确以后,只要将快门完全按下就完成了一次拍摄过程,同时自动对焦系统停止工作。
  如果在对焦完成提示音之后,全部按下快门之前,被摄物体移动了。由于是“单次”自动对焦所以在完全按下快门之后就可能看到一张模糊的图片。当然这是一种比较夸张的说话,这么说是为了更好为说明连续自动对焦做个铺垫。
  由于单次自动对焦的特点所至,在拍摄静止不动的物体时(如风景、微距摄影、人物合影等)是最为合适的选择。这种对焦完毕后焦点自动锁定,只要半按快门不放,就可以重新构图拍摄的方式操作非常简便。
  第二,我们再来看看最适合拍摄运动中物体的连续自动对焦。由于上面说到的单次自动对焦方式不能很好的“跟踪”运动中的物体,给一些拍摄带来了很大的麻烦,因此也就产生了连续自动对焦方式。
  与单次自动对焦不同的是,连续自动对焦在处理器“认为”对焦准确后,自动对焦系统继续工作,焦点也没有被锁定。其目的在于当被摄体移动时,自动对焦系统能够实时根据焦点的变化驱动镜头调节,从而使被摄物一直保持清晰状态。当然,相机的对焦框也要实时的对准被摄体,这样在完全按下快门的时候就不用担心被摄物对焦不准确的问题了。
  连续自动对焦多用在处于运动中的物体拍摄,比如体育比赛中拍摄运动员、新闻发布会中拍摄发言人以及扑捉运动中的动物的精彩瞬间等等。并且,针对于DSLR无须胶片的优势,只要结合高速的连拍功能就可以比较轻松的拍摄出一组精彩照片。
  最后,我们要来看看自动切换/人工智能伺服/最近主体先决的动态自动对焦是如何工作的(为了叙述方便,以下简称智能对焦)。
  从理论上说有了单次自动对焦和连续自动对焦,就应该能够满足各种不同拍摄场景的需要了。但是在长期的实际拍摄过程中,还是会发现一些问题,比如说长期处于连续自动对焦的DSLR的耗电量比较大的问题。当然,最主要的还是怕出现一个可能随时移动的被摄物从相对静止状态转换到运动状态,或者相反的情况。
  而智能对焦的出现很好的折中解决了上面提到的问题。这种将单次自动对焦和连续自动对焦结合起来的方式更加适合在被摄物动静不断切换的场景下使用。DSLR根据被摄物的移动速度自动选择对焦方式,内部的测距组件一直不断地测量自动对焦区域内的影像,并实时传送到处理器中。当被摄物静止不动时选择单次自动对焦,当被摄物运动时,选择连续自动对焦。由于切换工作交由处理器来完成,因此您只需要按动快门就可以了。
  需要注意的是,前两种提到的自动对焦方式是最普遍、最常用的,无论是哪家DSLR厂商基本上都按照上述名称命名。而第三种提到的方式无论各家起什么样的名字,其工作原理基本上是相同的都是根据主体离哪个对焦点近选择哪点进行自动对焦,而自动对焦点越多,相应的被摄物被准确对焦的概率也就大了。自动切换对焦多为柯美使用、人工智能伺服对焦用于佳能的产品而最近主体先决的动态自动对焦是在尼康的高端DSLR配备的。


自动对焦镜头类型


  就光学结构而言,AF镜头与手动聚焦镜头没有什么区别,但就其机械结构来看,两者有所不同。AF镜头的设计的基本点在于自动聚焦动力的传递途径。根据动力源的位置,目前市场上的AF镜头分为两大类:一类是机身驱动型,镜头内没有驱动马达,如美能达、尼康和宾得等镜头;另一类则是镜头驱动型,镜头内有AF马达,如佳能EF系列镜头。
  对于AF变焦镜头而言,根据变焦的动力来源,又可分为手动变焦镜头和电动变焦镜头两种。镜头的电动变焦早就在AF袖珍相机上实现了,而可更换AF变焦镜头的变焦电动化则是近几年才实现的。
  AF镜头与手动聚焦镜头的另一个区别点在于AF镜头都有电子触点,用于与机身交换各种参数。镜头内有用于存储镜头焦距、最大最小光圈、最近聚焦距离等参数的ROM芯片, 相机根据这些参数来设定相应的工作方式。如在程序自动曝光方式下,根据镜头焦距来选择相应的程序线等。
  各公司生产的AF镜头的触点数不尽相同,大都在5至8点之间。从现有AF镜头来看,用于交换参数用的电子触点数多数是在5点或6点,其他多增加的触点是用来输送电源动力,为镜头内的马达(AF马达、变焦马达或光圈控制马达)提供动力能源。


机身驱动型AF镜头


  机身驱动型AF镜头的驱动源来自AF单反机机身,镜头内有一传动机构与手动调焦环相连接, 当将机身上的"MF/AF"聚焦方式选择拨杆拨至"AF"档时,机身内的AF马达传动轴就伸出少许,与镜头上的传动轴相嵌合,由机身的AF马达来驱动。在自动聚焦时,镜头上的手动调焦环是在转动的。 当把机身上的"MF/AF"拨杆拨至"MF"档时,机身上的传动轴收缩,与镜头上的齿轮装置脱开,操作者就可以通过旋转调焦环来调焦,使用方法同手动聚焦镜头一样。
  机身驱动型AF镜头内部是由齿轮来带动调焦环的,在自动聚焦时,手动调焦环会随之转动,所以在使用AF方式时,不能触及镜头的调焦环。另外由于在设计时考虑到传动的顺畅性,调焦环的机械结构显得有些松散(与手动聚焦镜头相比)。


镜头驱动型AF镜头


镜头驱动型AF镜头的工作原理就不同了,机身只向镜头传送聚焦信号和电源动力,全部机械运动均在镜头内完成,镜头与机身没有任何机械联系。
自动对焦镜头
自动对焦镜头
Computar电动镜头
Computar电动镜头
富士能电动三可变镜头(C接口)
富士能电动三可变镜头(C接口
单反用的自动对焦镜头
单反用的自动对焦镜头


工业用自动对焦镜头


从上面的知识中了解到,自动对焦,其实是需要靠图像处理器进行处理后得到焦点是否正确。民用相机自身带有强大的图像处理器,因此相机本身就可以完成自动对焦过程。而工业相机不同,一般只是在镜头上集成了电机,如电动三可变镜头(焦距可变、光圈可变、对焦可变),而要完成自动对焦,还是得图像处理系统进行计算后,再控制电机进行相应的控制才可以完成。因此工业镜头,一般的电动三可变镜头,都具备了自动对焦的能力,但是能不能自动对焦,还得看软件处理够不够强大。
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