自动聚焦原理.doc

基于智能相机的三可变镜头自动控制系统KOWA镜头 有视频处理电路实现自动聚焦博世视频自动光圈可变（AI视频）自动聚焦变焦镜头TM20Z1024AFP自动光圈自动（AI视频驱动）聚焦电动/自动/预置变焦电动/预置▼KZ0660AF系列▼KZ0880AF系列▼KZ75112AF系列▼KZ10200AF系列▼KZ15300AF系列▼KZ8585AFIR系列▼KZ86154AFIR系列自动对焦原理(转载) 此帖对""的评论在数码相机中，对焦是保证所记录的影像取得清晰效果的关键步骤对焦机构就是用来调节镜头和CCD之间的距离，使得像平面落在CCD的成像表面目前，常用的数码相机中多采用自动对焦，即根据被拍摄目标的距离，由电路驱动马达移动镜片到相应的位置上，从而使被拍摄目标自动清晰成像从基本原理来说，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4.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5.实例说明 下面结合FZ10我们分析一下不同的对焦速度的应用： 做为数码相机的应用，我们就很容易的将FZ10的各种固化模式进行归类：微距模式就是FZ10的小花模式应该属于高精度档，一般拍时光线不错，自动对焦慢点没关系，主要是要获得最高清晰的图像A/S/M等FZ10的模式应该属于普通精度档, 这是一种折中的模式，虽然不是最高精度，但可以得到很好的自动对焦速度. 跟踪对焦模式就是FZ10的运动拍模式，对焦速度稍快. FZ10录像模式精度很低，同时要求快的对焦速度，低精度档对它适合后面是二张测试图，分别用FZ10的小花模式和M模式，曝光参数完全相同，用三角架和自动对焦拍摄加自拍，距离约为6m,焦距为432mm. 从对FZ10的实际测试，微距模式对焦速度明显慢于普通模式，但对焦的精度高于普通模式自动聚焦镜头类型 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、尼康和潘太克斯等镜头；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镜头的剖面图见图 4-10 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被动式自动聚焦被动式自动聚焦通常由单反（Single-Lens Reflex, SLR）自动聚焦相机采用，它通过对图像本身进行计算机分析来确定物体的距离相机实际上是对着场景前后移动镜头来搜索最佳聚焦点 典型的自动聚焦传感器是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device, CCD），用于为计算实际画面元素的对比度提供数据CCD通常是由100或200个像素组成的单条像素带场景的光线一照射到此像素带，微处理器即查看每个像素的值。

下面的图像有助于理解相机看到的内容：焦点外场景焦点外像素带焦点内场景焦点内像素带相机中的微处理器将查看像素带，并查看相邻像素间的强度差异如果场景在焦点之外，则相邻像素具有非常相似的强度微处理器移动镜头，再次查看CCD的像素以了解相邻像素间的强度差异是增大还是变小然后，微处理器会搜索相邻像素间具有最大强度差异的点，即最佳聚焦点请看以上两个红框中的像素差异：在上面的框中，相邻像素间的强度差异很小，而在下面的框中则很大这就是微处理器在前后操纵镜头移动的过程中所要寻找的内容被动式自动聚焦必须在有光线和图像对比的条件下才能正常工作为了能够提供对比，图像中必须有细节内容如果尝试拍摄一堵白墙或单一颜色的大型对象，则相机会由于无法比较相邻像素而不能聚焦被动式自动聚焦没有物距限制，而主动式自动聚焦系统的红外线有物距限制 被动式自动聚焦通过窗户也可以很好地发挥作用，这是因为此系统透过窗户查看物体的方式就和你透过窗户看物体一样被动式自动聚焦系统通常对垂直细节有反应当水平持握相机时，被动式自动聚焦系统要聚焦地平线上的小船会很困难，却可以轻易聚焦旗杆或任何其他垂直内容如果按照惯常方式水平持握相机，则将聚焦在物体外表面的垂直边缘上。

如果垂直持握相机，则将聚焦在水平细节上为了解决此问题，在新设计的、更昂贵的相机上同时配备了垂直传感器和水平传感器不过，为了使相机的传感器能够聚焦具有单一颜色的对象，仍然需要相机使用者进行适当操作通过取景器查看空白墙壁上的一幅小画或电灯开关，就可以知道相机自动聚焦传感器所覆盖的范围 从左向右移动相机，查看自动聚焦系统在何处变得无法工作自动聚焦编辑本段自动聚焦 Automatic Focu　　本内容做说的自动聚焦其作用就是自动聚焦相机镜头同样也称“Auto Focus”自动将相机镜头聚焦到被摄物体最常见的系统之一就是“主动式自动聚焦”，通过由相机发射红外线、超声波或其它声波至计算聚焦距离同样，也可通过“相位微分检测”根据从被摄物体反射回来的红外线相位微分计算距离另一种方式就是“红外亮度检测”，通过CCD的图像对比度的差异计算范围 自动对焦（Auto Focus）　　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。