相机自动对焦(AF)系统的深度技术解析:从光学原理到智能算法

一、光学成像与对焦的物理本质

1. 对焦的核心目标:最小弥散圆理论
  • 当物体发射的光线通过镜头后,在传感器上形成的光斑称为 “弥散圆”。当物体位于准确焦平面时,弥散圆直径最小(理想状态下为一个点),此时图像最清晰。
  • 数学表达:设允许的最大弥散圆直径为 c,则焦深范围 \(ΔL\) 可表示为 \(ΔL = \frac{2cL^2}{fD}\)(L 为物距,f 为焦距,D 为光圈直径)。
2. 镜头移动的光学逻辑
  • 镜头组由多片镜片组成,对焦时通过步进电机或音圈马达(VCM)移动部分镜片,改变像距 v,使物距 u 与焦距 f 满足成像公式 \(\frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v}\)。
二、对焦检测技术的两大技术体系
▌相位检测 AF(PDAF):速度优先的光学方案
1. 硬件架构与工作流程
  • 单反相机的相位检测模块

    • 结构:光线经五棱镜反射至独立的相位检测传感器(如佳能的 “十字对焦点” 由水平 / 垂直两组检测单元组成)。
    • 工作原理:光线被分光棱镜分为两束,通过比较两束光在检测像素上的位置偏移(相位差),计算出镜头需要移动的距离(公式:偏移量 \(Δx = \frac{Bf}{L}\),B 为基线距离)。
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