自動對焦（AF）是攝影史上最重要的進步之一。從 1977 年首款自動對焦相機柯尼卡 C35 AF，到首款真正意義上的自動對焦可換鏡頭相機美能達 Maxxum 7000，自動對焦技術(shù)不斷發(fā)展。盡管手動對焦仍有其忠實擁躉 —— 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，但自動對焦已成為大多數(shù)現(xiàn)代攝影師的默認選擇。

無論是捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的表情、快速移動的野生動物，還是電影級的視頻片段，自動對焦系統(tǒng)都旨在讓被攝體保持清晰、反應(yīng)靈敏且呈現(xiàn)準確。但在這種便捷背后，是相機的檢測系統(tǒng)與鏡頭內(nèi)置馬達之間復(fù)雜的相互作用。

要理解自動對焦的工作原理，以及為何有些系統(tǒng)在特定場景中表現(xiàn)出色而另一些則不盡如人意，我們必須探究相機如何確定對焦位置，以及鏡頭如何實際執(zhí)行這一指令。這兩個組件協(xié)同工作，其中一個的有效性往往取決于另一個的精度。自動對焦并非單一的系統(tǒng)，而是由光學(xué)、電子和機械過程構(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。

基于相機的自動對焦系統(tǒng)

自動對焦過程的前半部分發(fā)生在相機機身內(nèi)部。在這里，系統(tǒng)通過各種檢測策略分析場景并測量清晰度，從而 “決定” 對焦位置。

對比度檢測自動對焦

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

在采用這種方法的數(shù)碼相機中，傳感器通過測量相鄰像素之間的亮度差異來評估對比度。隨著對焦變化，對比度會逐漸增加直至達到峰值。此時相機停止對焦，因為它已確定達到了最大清晰度。這個過程是迭代且非預(yù)測性的，鏡頭必須越過最佳對焦位置再返回，以確認找到最清晰的對比度點。

雖然在靜態(tài)場景中精度很高，但對比度檢測在速度上存在不足。由于它無法預(yù)先知道鏡頭需要移動的方向和距離，在低光環(huán)境或拍攝低對比度被攝體時，經(jīng)常會出現(xiàn) “對焦 hunting（反復(fù)搜索）” 現(xiàn)象。這可能導(dǎo)致在動作攝影中出現(xiàn)延遲，錯失對焦瞬間。不過，這種方法的精度使其在拍攝靜態(tài)被攝體、 studio 工作或視頻場景中很有價值，因為在這些情況下，精度比速度更重要。

相位檢測自動對焦

相位檢測自動對焦將對焦轉(zhuǎn)化為一個幾何問題。與對比度檢測在移動鏡頭后評估清晰度不同，相位檢測在開始移動鏡頭之前，就能估算出所需的移動方向和幅度。這種預(yù)先計算使相位檢測的速度快得多。

在單反系統(tǒng)中，相位檢測通常涉及位于相機機身內(nèi)的一個獨立 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?。在無反系統(tǒng)中，相位檢測像素直接嵌入圖像傳感器中。這使得相機能夠同時捕捉圖像和分析對焦情況。

該系統(tǒng)的工作原理是比較從鏡頭兩側(cè)投射的兩個版本的圖像。當(dāng)這兩個投影同相時，圖像即處于對焦?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，以及大致的移動量。這種速度和方向性使相位檢測非常適合拍攝快速移動的被攝體和進行連續(xù)自動對焦追蹤。

然而，在單反結(jié)構(gòu)中，相位檢測容易出現(xiàn)校準誤差。由于 AF 傳感器和圖像傳感器在物理上是分離的，可能會出現(xiàn)輕微的對齊偏差，即所謂的前對焦或后對焦。帶有傳感器上相位檢測的無反系統(tǒng)在很大程度上解決了這個問題，將精度與速度結(jié)合起來。

混合自動對焦

認識到對比度檢測和相位檢測的互補優(yōu)勢后，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，相位檢測提供快速的粗略對焦估計，而對比度檢測則對結(jié)果進行細化，以實現(xiàn)精確的清晰度。

這種協(xié)同作用減少了對焦搜索，同時保持了精度，已成為大多數(shù)現(xiàn)代無反相機的標(biāo)準方法?；旌舷到y(tǒng)在視頻自動對焦中尤其有效，因為平滑的過渡和準確的追蹤至關(guān)重要。這些技術(shù)的融合還能在更廣泛的拍攝場景中提供更好的性能，從高速運動到安靜的采訪都適用。

佳能雙像素自動對焦

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

由于幾乎每個像素都同時參與圖像創(chuàng)建和對焦檢測，DPAF 實現(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)域特別有價值，它能夠跟隨被攝體進行復(fù)雜的運動而不會出現(xiàn)對焦搜索或跳動，因此廣受贊譽。這也是佳能 C 系列電影機在紀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)測運動的連續(xù)對焦場景中。

佳能不斷改進這項技術(shù)，推出了雙像素 CMOS AF II，增加了改進的物體識別、眼部追蹤，甚至動物檢測功能。DPAF 的優(yōu)勢不僅在于速度或精度，還在于它在實時錄制過程中調(diào)整對焦的流暢、自然方式 —— 這是傳統(tǒng)系統(tǒng)歷來難以實現(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型中缺乏傳感器上相位檢測，因此開發(fā)了一種完全不同的自動對焦系統(tǒng)，稱為離焦深度（DFD）。這種方法依賴于計算建模，而不僅僅是相位比較或?qū)Ρ榷仍u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)庫進行比較，相機估算出被攝體距離和所需的鏡頭移動量。該系統(tǒng)比純對比度檢測更快，但在拍攝視頻時確實存在一些抖動和奇怪的過渡。

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性能最佳。當(dāng)與第三方或轉(zhuǎn)接鏡頭一起使用時，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法與先進的相位檢測系統(tǒng)相比（這也是最近的松下相機轉(zhuǎn)向混合檢測的原因）。

基于 AI 的自動對焦和被攝體識別

越來越多的現(xiàn)代自動對焦系統(tǒng)與人工智能相結(jié)合。這些系統(tǒng)不僅能基于對焦指標(biāo)，還能通過模式識別和預(yù)測學(xué)習(xí)來檢測并優(yōu)先處理特定被攝體 —— 人臉、眼睛、動物、車輛等。這些算法分析視覺數(shù)據(jù)，并對場景中哪個部分應(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動不可預(yù)測。

索尼、佳能和尼康在其旗艦無反相機中都采用了先進的被攝體識別自動對焦系統(tǒng)。索尼 A1、佳能 R3 和尼康 Z9 使用經(jīng)過大量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的機器學(xué)習(xí)模型，通過被攝體的形狀、行為和運動模式來識別它們。這些系統(tǒng)能夠區(qū)分飛行中的鳥和騎自行車的人，實時動態(tài)調(diào)整對焦區(qū)域。

AI 自動對焦不僅使追蹤更準確，還更直觀。它讓攝影師可以專注于時機和構(gòu)圖，相信相機將處理技術(shù)精度方面的問題。

基于鏡頭的自動對焦系統(tǒng)

雖然相機決定對焦位置，但鏡頭負責(zé)執(zhí)行這一決定。鏡頭內(nèi)的自動對焦馬達物理移動內(nèi)部元件以調(diào)整焦平面。這些馬達在性能、噪音和視頻兼容性方面差異很大。

微型馬達

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

盡管價格低廉，對普通用戶來說還算可用，但微型馬達在很大程度上已被更先進的替代品所取代。

超聲波馬達（USM、SWM、HSM、SSM）

超聲波馬達在 20 世紀 90 年代徹底改變了自動對焦，并仍然是專業(yè)鏡頭中的主流。這些馬達使用高頻超聲波振動來驅(qū)動運動。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現(xiàn)。

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

超聲波馬達因其速度、扭矩和近乎靜音的操作而備受青睞。它們還支持全時手動對焦覆蓋 —— 用戶可以隨時抓住對焦環(huán)而無需切換模式。這些特性使它們在野生動物、體育攝影以及任何需要謹慎和快速響應(yīng)的場景中特別有用。

步進馬達（STM）

步進馬達（或 “步進電機”）以精確的步長逐步移動鏡頭元件。這種刻意的運動帶來了非常平滑和安靜的對焦過渡，使 STM 鏡頭在視頻拍攝者中特別受歡迎。

在靜態(tài)攝影中，STM 可能比超聲波馬達稍慢，尤其是在從近處對焦到遠處時。然而，對于人像、風(fēng)光和大多數(shù)普通攝影，性能差異可以忽略不計。對于視頻，STM 具有明顯優(yōu)勢，因為它產(chǎn)生的對焦噪音更小，對焦過渡更自然。

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)計中使用。

線性馬達

線性馬達完全擺脫了旋轉(zhuǎn)運動。這些馬達不通過轉(zhuǎn)動齒輪或旋轉(zhuǎn)螺絲，而是利用電磁推進力使對焦組沿直線軌道直接移動。這種方法實現(xiàn)了瞬時加速、近乎即時停止和零可察覺延遲。

線性馬達的安靜操作和高精度使其非常適合高速攝影和電影級視頻。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。例如，索尼 70-200mm f/2.8 GM OSS II 使用四個 XD（極端動態(tài)）線性馬達獨立驅(qū)動對焦組，實現(xiàn)了變焦鏡頭中前所未有的最快自動對焦性能。

這些馬達還能實現(xiàn)更好的防塵防水性能和緊湊的結(jié)構(gòu)，這在無反系統(tǒng)中至關(guān)重要，因為在無反系統(tǒng)中，尺寸和重量比以往任何時候都更關(guān)鍵。

音圈馬達（VCM）

音圈馬達是另一種形式的線性馬達，類似于音頻揚聲器中使用的技術(shù)。它們利用線圈和固定磁體產(chǎn)生的磁場來移動對焦元件。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

壓電馬達使用在施加電壓時會輕微膨脹或收縮的材料。這些細微的運動可以高精度、低噪音地驅(qū)動鏡頭元件。雖然不太常見，但壓電馬達為工程設(shè)計提供了另一種工具，特別是在空間和振動阻尼至關(guān)重要的小眾或?qū)I(yè)光學(xué)設(shè)備中。

結(jié)論

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

隨著相機系統(tǒng)的發(fā)展，自動對焦仍然是激烈創(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。在一個日益被速度、自動化和 AI 主導(dǎo)的世界中，清晰地了解對焦工具對于專注于圖像本身至關(guān)重要。