自動(dòng)對(duì)焦（AF）是攝影史上最重要的進(jìn)步之一。從 1977 年首款自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)柯尼卡 C35 AF，到首款真正意義上的自動(dòng)對(duì)焦可換鏡頭相機(jī)美能達(dá) Maxxum 7000，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)不斷發(fā)展。盡管手動(dòng)對(duì)焦仍有其忠實(shí)擁躉 —— 尤其是在微距、風(fēng)光或復(fù)古攝影等需要深思熟慮的領(lǐng)域，但自動(dòng)對(duì)焦已成為大多數(shù)現(xiàn)代攝影師的默認(rèn)選擇。

無(wú)論是捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的表情、快速移動(dòng)的野生動(dòng)物，還是電影級(jí)的視頻片段，自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)都旨在讓被攝體保持清晰、反應(yīng)靈敏且呈現(xiàn)準(zhǔn)確。但在這種便捷背后，是相機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)與鏡頭內(nèi)置馬達(dá)之間復(fù)雜的相互作用。

要理解自動(dòng)對(duì)焦的工作原理，以及為何有些系統(tǒng)在特定場(chǎng)景中表現(xiàn)出色而另一些則不盡如人意，我們必須探究相機(jī)如何確定對(duì)焦位置，以及鏡頭如何實(shí)際執(zhí)行這一指令。這兩個(gè)組件協(xié)同工作，其中一個(gè)的有效性往往取決于另一個(gè)的精度。自動(dòng)對(duì)焦并非單一的系統(tǒng)，而是由光學(xué)、電子和機(jī)械過(guò)程構(gòu)成的分層架構(gòu)，不同品牌、甚至不同鏡頭之間都存在差異。

基于相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)

自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程的前半部分發(fā)生在相機(jī)機(jī)身內(nèi)部。在這里，系統(tǒng)通過(guò)各種檢測(cè)策略分析場(chǎng)景并測(cè)量清晰度，從而 “決定” 對(duì)焦位置。

對(duì)比度檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦

對(duì)比度檢測(cè)是最直觀且在數(shù)學(xué)上最簡(jiǎn)單的自動(dòng)對(duì)焦方法。它基于一個(gè)大家熟悉的原理：最清晰的圖像是局部對(duì)比度最高的圖像，就像人們瞇起眼睛對(duì)焦時(shí)的感受一樣。

在采用這種方法的數(shù)碼相機(jī)中，傳感器通過(guò)測(cè)量相鄰像素之間的亮度差異來(lái)評(píng)估對(duì)比度。隨著對(duì)焦變化，對(duì)比度會(huì)逐漸增加直至達(dá)到峰值。此時(shí)相機(jī)停止對(duì)焦，因?yàn)樗汛_定達(dá)到了最大清晰度。這個(gè)過(guò)程是迭代且非預(yù)測(cè)性的，鏡頭必須越過(guò)最佳對(duì)焦位置再返回，以確認(rèn)找到最清晰的對(duì)比度點(diǎn)。

雖然在靜態(tài)場(chǎng)景中精度很高，但對(duì)比度檢測(cè)在速度上存在不足。由于它無(wú)法預(yù)先知道鏡頭需要移動(dòng)的方向和距離，在低光環(huán)境或拍攝低對(duì)比度被攝體時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) “對(duì)焦 hunting（反復(fù)搜索）” 現(xiàn)象。這可能導(dǎo)致在動(dòng)作攝影中出現(xiàn)延遲，錯(cuò)失對(duì)焦瞬間。不過(guò)，這種方法的精度使其在拍攝靜態(tài)被攝體、 studio 工作或視頻場(chǎng)景中很有價(jià)值，因?yàn)樵谶@些情況下，精度比速度更重要。

相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦

相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦將對(duì)焦轉(zhuǎn)化為一個(gè)幾何問(wèn)題。與對(duì)比度檢測(cè)在移動(dòng)鏡頭后評(píng)估清晰度不同，相位檢測(cè)在開始移動(dòng)鏡頭之前，就能估算出所需的移動(dòng)方向和幅度。這種預(yù)先計(jì)算使相位檢測(cè)的速度快得多。

在單反系統(tǒng)中，相位檢測(cè)通常涉及位于相機(jī)機(jī)身內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立 AF 模塊，它利用反光鏡和分光鏡將部分入射光導(dǎo)向?qū)Ｓ脗鞲衅?。在無(wú)反系統(tǒng)中，相位檢測(cè)像素直接嵌入圖像傳感器中。這使得相機(jī)能夠同時(shí)捕捉圖像和分析對(duì)焦情況。

該系統(tǒng)的工作原理是比較從鏡頭兩側(cè)投射的兩個(gè)版本的圖像。當(dāng)這兩個(gè)投影同相時(shí)，圖像即處于對(duì)焦?fàn)顟B(tài)。如果它們不同相，系統(tǒng)能立即判斷鏡頭需要移近還是移遠(yuǎn)，以及大致的移動(dòng)量。這種速度和方向性使相位檢測(cè)非常適合拍攝快速移動(dòng)的被攝體和進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)對(duì)焦追蹤。

然而，在單反結(jié)構(gòu)中，相位檢測(cè)容易出現(xiàn)校準(zhǔn)誤差。由于 AF 傳感器和圖像傳感器在物理上是分離的，可能會(huì)出現(xiàn)輕微的對(duì)齊偏差，即所謂的前對(duì)焦或后對(duì)焦。帶有傳感器上相位檢測(cè)的無(wú)反系統(tǒng)在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題，將精度與速度結(jié)合起來(lái)。

混合自動(dòng)對(duì)焦

認(rèn)識(shí)到對(duì)比度檢測(cè)和相位檢測(cè)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)后，許多制造商現(xiàn)在將這兩種技術(shù)結(jié)合成混合系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，相位檢測(cè)提供快速的粗略對(duì)焦估計(jì)，而對(duì)比度檢測(cè)則對(duì)結(jié)果進(jìn)行細(xì)化，以實(shí)現(xiàn)精確的清晰度。

這種協(xié)同作用減少了對(duì)焦搜索，同時(shí)保持了精度，已成為大多數(shù)現(xiàn)代無(wú)反相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)方法?；旌舷到y(tǒng)在視頻自動(dòng)對(duì)焦中尤其有效，因?yàn)槠交倪^(guò)渡和準(zhǔn)確的追蹤至關(guān)重要。這些技術(shù)的融合還能在更廣泛的拍攝場(chǎng)景中提供更好的性能，從高速運(yùn)動(dòng)到安靜的采訪都適用。

佳能雙像素自動(dòng)對(duì)焦

佳能的雙像素 CMOS 自動(dòng)對(duì)焦（DPAF）是一種獨(dú)特的（且專有的）相位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方式，完全依賴于圖像傳感器。佳能沒(méi)有專門分配部分像素用于相位檢測(cè)，而是將傳感器上的每個(gè)像素分成兩個(gè)光電二極管。這些雙光電二極管各自從略有不同的角度收集光線，使每個(gè)像素都能充當(dāng)自己的微型相位檢測(cè)器。

由于幾乎每個(gè)像素都同時(shí)參與圖像創(chuàng)建和對(duì)焦檢測(cè)，DPAF 實(shí)現(xiàn)了近乎 100% 的 AF 覆蓋范圍和非常流暢的被攝體追蹤。該系統(tǒng)在視頻領(lǐng)域特別有價(jià)值，它能夠跟隨被攝體進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)而不會(huì)出現(xiàn)對(duì)焦搜索或跳動(dòng)，因此廣受贊譽(yù)。這也是佳能 C 系列電影機(jī)在紀(jì)錄片和真人秀拍攝中極為流行的原因。它在靜態(tài)攝影中也非常有效，尤其是在涉及不可預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)對(duì)焦場(chǎng)景中。

佳能不斷改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，推出了雙像素 CMOS AF II，增加了改進(jìn)的物體識(shí)別、眼部追蹤，甚至動(dòng)物檢測(cè)功能。DPAF 的優(yōu)勢(shì)不僅在于速度或精度，還在于它在實(shí)時(shí)錄制過(guò)程中調(diào)整對(duì)焦的流暢、自然方式 —— 這是傳統(tǒng)系統(tǒng)歷來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的。

松下離焦深度（DFD）

松下在其許多微四分之三和早期全畫幅機(jī)型中缺乏傳感器上相位檢測(cè)，因此開發(fā)了一種完全不同的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，稱為離焦深度（DFD）。這種方法依賴于計(jì)算建模，而不僅僅是相位比較或?qū)Ρ榷仍u(píng)估。

DFD 的工作原理是分析快速連續(xù)拍攝的兩張失焦圖像。通過(guò)將這些幀的模糊特征與內(nèi)置的鏡頭配置文件數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，相機(jī)估算出被攝體距離和所需的鏡頭移動(dòng)量。該系統(tǒng)比純對(duì)比度檢測(cè)更快，但在拍攝視頻時(shí)確實(shí)存在一些抖動(dòng)和奇怪的過(guò)渡。

然而，由于其依賴鏡頭特定數(shù)據(jù)，DFD 與原生松下鏡頭配合使用時(shí)性能最佳。當(dāng)與第三方或轉(zhuǎn)接鏡頭一起使用時(shí)，結(jié)果可能不一致。此外，在快節(jié)奏環(huán)境中，DFD 的精度和追蹤性能無(wú)法與先進(jìn)的相位檢測(cè)系統(tǒng)相比（這也是最近的松下相機(jī)轉(zhuǎn)向混合檢測(cè)的原因）。

基于 AI 的自動(dòng)對(duì)焦和被攝體識(shí)別

越來(lái)越多的現(xiàn)代自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合。這些系統(tǒng)不僅能基于對(duì)焦指標(biāo)，還能通過(guò)模式識(shí)別和預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)來(lái)檢測(cè)并優(yōu)先處理特定被攝體 —— 人臉、眼睛、動(dòng)物、車輛等。這些算法分析視覺(jué)數(shù)據(jù)，并對(duì)場(chǎng)景中哪個(gè)部分應(yīng)該保持清晰做出具有上下文感知的決策，即使被攝體部分被遮擋或運(yùn)動(dòng)不可預(yù)測(cè)。

索尼、佳能和尼康在其旗艦無(wú)反相機(jī)中都采用了先進(jìn)的被攝體識(shí)別自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。索尼 A1、佳能 R3 和尼康 Z9 使用經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，通過(guò)被攝體的形狀、行為和運(yùn)動(dòng)模式來(lái)識(shí)別它們。這些系統(tǒng)能夠區(qū)分飛行中的鳥和騎自行車的人，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)焦區(qū)域。

AI 自動(dòng)對(duì)焦不僅使追蹤更準(zhǔn)確，還更直觀。它讓攝影師可以專注于時(shí)機(jī)和構(gòu)圖，相信相機(jī)將處理技術(shù)精度方面的問(wèn)題。

基于鏡頭的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)

雖然相機(jī)決定對(duì)焦位置，但鏡頭負(fù)責(zé)執(zhí)行這一決定。鏡頭內(nèi)的自動(dòng)對(duì)焦馬達(dá)物理移動(dòng)內(nèi)部元件以調(diào)整焦平面。這些馬達(dá)在性能、噪音和視頻兼容性方面差異很大。

微型馬達(dá)

微型馬達(dá) —— 通常是簡(jiǎn)單的直流馬達(dá) —— 代表了最早一代的自動(dòng)對(duì)焦機(jī)制。它們使用基本的齒輪傳動(dòng)裝置，緩慢地將對(duì)焦元件旋轉(zhuǎn)到所需位置。這些馬達(dá)往往噪音大、不精確且速度慢，尤其是在入門級(jí)鏡頭中。它們通常也不支持全時(shí)手動(dòng)對(duì)焦覆蓋，這意味著切換到手動(dòng)對(duì)焦需要撥動(dòng)開關(guān)，否則可能損壞馬達(dá)。

盡管價(jià)格低廉，對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)還算可用，但微型馬達(dá)在很大程度上已被更先進(jìn)的替代品所取代。

超聲波馬達(dá)（USM、SWM、HSM、SSM）

超聲波馬達(dá)在 20 世紀(jì) 90 年代徹底改變了自動(dòng)對(duì)焦，并仍然是專業(yè)鏡頭中的主流。這些馬達(dá)使用高頻超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。佳能的 “USM”、尼康的 “SWM”、適馬的 “HSM” 和索尼的 “SSM” 都是這一原理的不同實(shí)現(xiàn)。

超聲波馬達(dá)主要有兩種類型：環(huán)形和微型。環(huán)形 USM 馬達(dá)功率更大，通常用于高端長(zhǎng)焦或變焦鏡頭。微型 USM 馬達(dá)更小、更便宜，但效率較低。

超聲波馬達(dá)因其速度、扭矩和近乎靜音的操作而備受青睞。它們還支持全時(shí)手動(dòng)對(duì)焦覆蓋 —— 用戶可以隨時(shí)抓住對(duì)焦環(huán)而無(wú)需切換模式。這些特性使它們?cè)谝吧鷦?dòng)物、體育攝影以及任何需要謹(jǐn)慎和快速響應(yīng)的場(chǎng)景中特別有用。

步進(jìn)馬達(dá)（STM）

步進(jìn)馬達(dá)（或 “步進(jìn)電機(jī)”）以精確的步長(zhǎng)逐步移動(dòng)鏡頭元件。這種刻意的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了非常平滑和安靜的對(duì)焦過(guò)渡，使 STM 鏡頭在視頻拍攝者中特別受歡迎。

在靜態(tài)攝影中，STM 可能比超聲波馬達(dá)稍慢，尤其是在從近處對(duì)焦到遠(yuǎn)處時(shí)。然而，對(duì)于人像、風(fēng)光和大多數(shù)普通攝影，性能差異可以忽略不計(jì)。對(duì)于視頻，STM 具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗a(chǎn)生的對(duì)焦噪音更小，對(duì)焦過(guò)渡更自然。

佳能是最早在其 EF-S 和 EF-M 鏡頭中采用 STM 的廠商之一，隨后尼康在其 AF-P 系列中采用，索尼也在多款 E 卡口設(shè)計(jì)中使用。

線性馬達(dá)

線性馬達(dá)完全擺脫了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些馬達(dá)不通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪或旋轉(zhuǎn)螺絲，而是利用電磁推進(jìn)力使對(duì)焦組沿直線軌道直接移動(dòng)。這種方法實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)加速、近乎即時(shí)停止和零可察覺(jué)延遲。

線性馬達(dá)的安靜操作和高精度使其非常適合高速攝影和電影級(jí)視頻。富士、索尼和適馬現(xiàn)在在其高端鏡頭中大量使用線性馬達(dá)。例如，索尼 70-200mm f/2.8 GM OSS II 使用四個(gè) XD（極端動(dòng)態(tài)）線性馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)對(duì)焦組，實(shí)現(xiàn)了變焦鏡頭中前所未有的最快自動(dòng)對(duì)焦性能。

這些馬達(dá)還能實(shí)現(xiàn)更好的防塵防水性能和緊湊的結(jié)構(gòu)，這在無(wú)反系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)樵跓o(wú)反系統(tǒng)中，尺寸和重量比以往任何時(shí)候都更關(guān)鍵。

音圈馬達(dá)（VCM）

音圈馬達(dá)是另一種形式的線性馬達(dá)，類似于音頻揚(yáng)聲器中使用的技術(shù)。它們利用線圈和固定磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)移動(dòng)對(duì)焦元件。由于它們能夠平滑且安靜地調(diào)整位置，非常適合帶有小型對(duì)焦組的鏡頭，如緊湊型定焦鏡頭或微距鏡頭。

奧林巴斯和索尼已在部分鏡頭中嘗試使用 VCM，它們的緊湊性和精度使其非常適合連續(xù) AF 或高速連拍。

壓電馬達(dá)

壓電馬達(dá)使用在施加電壓時(shí)會(huì)輕微膨脹或收縮的材料。這些細(xì)微的運(yùn)動(dòng)可以高精度、低噪音地驅(qū)動(dòng)鏡頭元件。雖然不太常見(jiàn)，但壓電馬達(dá)為工程設(shè)計(jì)提供了另一種工具，特別是在空間和振動(dòng)阻尼至關(guān)重要的小眾或?qū)I(yè)光學(xué)設(shè)備中。

結(jié)論

自動(dòng)對(duì)焦不再僅僅是一種便利，而是攝影師與被攝體互動(dòng)方式的基本方面。從相位檢測(cè)的快速計(jì)算到對(duì)比度檢測(cè)的刻意細(xì)化，從佳能優(yōu)雅的雙像素設(shè)計(jì)到松下獨(dú)特的 DFD 方法，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)如同支持它們的鏡頭和機(jī)身一樣多種多樣。在機(jī)械方面，微型馬達(dá)、超聲波馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)、線性馬達(dá)或音圈馬達(dá)的選擇會(huì)影響從速度到聲音再到觸感的方方面面。

隨著相機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，自動(dòng)對(duì)焦仍然是激烈創(chuàng)新的領(lǐng)域。了解這些系統(tǒng) —— 不僅是它們是什么，還有它們?nèi)绾喂ぷ?—— 使攝影師能夠在設(shè)備和技術(shù)方面做出更明智的決策。在一個(gè)日益被速度、自動(dòng)化和 AI 主導(dǎo)的世界中，清晰地了解對(duì)焦工具對(duì)于專注于圖像本身至關(guān)重要。