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1、 数字相机的自动对焦与测光 光电技术的进步正不断的改变着人类的生活：达到飞向太空的宇宙飞船，小到计算器上的太阳能电池。CCD传感器是一种成像半导体电路，因为CCD可以实现光信号向电信号的转换，我们才可以抛弃传统相机将光信号转换为化学信号的模式，走入一个快捷高效的读图时代，同时照相机的对焦方式也发生了很大的变化。要把远近不同的物体拍清楚就要调整照相机镜头的焦点，这个过程就叫对焦，也叫调焦。在相机发明后的大部分时间中，都采用手动对焦的方式，直到本世纪六十年代后期，微电子技术大发展并在相机上加以应用后，才出现自动对焦的概念。相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的过程，简单说其基本原理是将物体反射的光让
2、相机上的光电传感器接受，通过内部智能芯片处理，带动电动对焦装置进行对焦。一、照相机自动对焦的历史。照相机自动对焦系统的可以追溯到60年代。1963年，佳能公司曾在西德的科隆博览会上展出一架具有自动对能力的照相机原型，这个时期的自动对焦技术仍相当原始，1974年，尼康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VISITRONIC AUTOMATIC FOCUSING SYSTEM，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
3、日本小西六写真工业公司，也就是后来柯尼卡公司的前身，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 C35 AF，成为世界上第一款有自动对焦能力的相机。二、自动对焦的模式目前大多数数码相机的自动对焦，都采用被动式：即直接接收分析来自景物自身的反光,利用相位差原理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。对具有一定亮度和反差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，且能透过玻璃等透明障碍物对焦。但缺点是对细线条的被摄体自动对焦比较困难，在低反差，弱光下的对焦困难，对动体自
4、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。个别高档数码相机也同时结合了主动式自动对焦方式，即相机上有红外线或超声波甚至激光发生器，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，广泛应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。主动式对焦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，而且对细线条的被摄体和动体都能自动对焦，恰好弥补了被动式自动
5、对焦的不足。缺点是当被摄体能吸收光或波是对焦困难，还会被玻璃反射，故透过玻璃对焦困难。另外还要提到的一点是，现在大多数自动对焦镜头都为内聚焦镜头（internal focusing）。普通镜头对焦时是将镜头旋离胶片，使镜头筒延长。内聚焦镜头对焦时，是装于镜头筒内的部件移动聚焦，镜头筒没有延伸变化。三、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
6、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
7、,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
8、。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。 四数码相机的测光TTL测光数码相机一般都使用“TTL”测光，TTL是英文“Throngh the lens”的简写，它指的是相机测量到的光与传感器接收到的光是相
9、同的。根据对光线进行检测的图片（或帧）位置或区域的不同，可将TTL测光方式分为以下几种：中央重点，矩阵测光和点测光。对于普通要求的曝光，大部分相机要么采用中央重点测光，要么采用矩阵测光，这两种方法一般都能使测得的光线整个图片的曝光，使拍摄者得到曝光平均的图片。在一般的传统相机或民用高档数码相机都有点测光，点测光往往用于一些特殊的用途，如需要精确某一点光线而忽略图片其它部分的时候。中央重点测光中央重点测光是一种最普遍的测光系统，在有内置测光功能的相机中，大都有这种测光方式。它主要是综合测量进入相机的位于照片中央和图片帧四周的光线，但测量时，以中央区域为主，综合考虑图片帧四周的光线，基本上来说，测
10、得的光量中，80%来自于照片的中央区域，而只有20%来自图片帧四周区域。这种测光方式意味着任何位于画幅中央的被摄体都会对整个平均测光值产生较大影响。 简而言之，将相机指向黑色区域时，图片在该部分可能是曝光正常，但其它部分曝光过量，相反也则反之，这种情形在场景处于各种灯光情况下往往会发生，如一同时拥有阳光和阴影区域的场景，这种情况时，摄影师使用这种形式的测光往往会获得一个比较平均的值，先选择黑暗区域进行测光，然后选择照亮区域，然后平均这两值设定光圈和快门速度，以让整个区域都被准确曝光。矩阵测光 (中央部分测光)矩阵测光对场景光线的分析更为准确，这种测光系统将纳入取景框的景物分为几个部分进行分别测
11、光，然后得出不同区域的测光值，然后相机会对这些数值进行综合，得出了一个总的测光数值，这样检测到的数值与决定曝光的最终平均值可能相差很大。不同的相机制造商使用不同的测光系统和矩阵图，以此决定相机的快门速度和光圈的优先设置，这一测光指数已成为衡量相机性能好坏的标准之一。点测光点测光是另一种决定相机曝光设置的方法，它所测得的光取决于照片中央的一个很小的区域，而并不会受其它区域光线的影响。这种方式在摄影师聚焦于某一特定区域，而需要忽视其它场景时非常有用。点测光可为所选定的区域提供准确的曝光，而使照片的其它部分要么曝光过量，要么曝光不足，以达到需要的效果。评价测光（或称分隔测光）评价测光方式是一种比较新
12、的测光技术，出现时间不超过20年，最早由尼康（Nikon）公司率先开发这种独特的分割测光方式。评价测光（或称分隔测光）测光方式与中央重点测光最大的不同就是评价测光（或称分隔测光）将取景画面分割为若干个测光区域，每个区域独立测光后在整体整合加权计算出一个整体的曝光值。最开始推出的评价测光（或称分割测光）一般分割数比较少，例如尼康是将测光区域分割为八个部分，各自独立测光后通过相机的中央处理器以及内建数据-56区域测光功能，佳能、美能达、宾德等品牌的相机也都有类似的测光模式设计，区别仅在于测光区域分布或者分析算法不同。例如佳能顶级机器上设计的21区域TTL测光准确并且快速，这不仅仅依赖于相机本身的硬
13、件性能，还和相机的处理能力以及数据分析算法关系紧密。五应用分析目前市场的消费级数码相机很多采用对比度法进行自动对焦，从对比度法的原理可知，当两个检测器所输出的对比度差值绝对值最小时是最佳状态，我们假定两个检测器所输出的对比度差值的绝对值为m, 要使m最小，必须多次移动镜头后再利用差值法逐次逼近.多次移动镜头需要耗费很多时间，而数码相机对于对焦时间又有一定的要求，这本身是一对矛盾，所以折中的办法就是，在满足使用的情况下，给定一个值，我们暂且假定为Q,只要m Q ，我们就认为是对焦成功。 所以我们可以得出下列结论： a Q值设定的越小自动对焦的精度就越高，对焦的速度越慢。反之Q值越大，对焦精度就越
14、低，对焦的速度就越快。 b 图像的反差越大，光线强，差值法逐次逼近的速度越快，容易满足对焦条件。 c 图像的反差越小，光线弱，差值法逐次逼近的速度越慢，不易对焦，光线很弱时，根本无法完成对焦。 从而我们即可知道在不同的情况下，根据我们的需要来设定这个Q值，以满足要求。目前的数码相机的对焦速度是不可调整的，已经固化在fireware中，但我们可以从相机的不同设定中看到对焦速度的差别。 我们可以简单将数码相机的应用分为以下几档： a 高精度档 此档对焦最慢，对光线要求高。 b 普通精度档 此档对焦最一般，对光线要求不是太苛刻。 c 次精度档 此档对焦速度稍快，但精度有所下降。 d 低精度档 此档对焦速度最快，但对焦的精度很低。相信随着光电技术的进一步发展，我们的照相机会变得更加智能、准确，更好的为人类服务。
