相位檢測自動對焦的工作原理是什麼？

在討論數位單眼相機技術時，相位偵測自動對焦（PDAF）的工作原理常常令人困惑。雖然很多人可能對此並不感興趣，但如果您想了解相機自動對焦問題出現的原因和機制，本文將解釋您拍照時相機內部的工作原理。佳能 5D Mark III、Nikon D800、賓得 K-5 等高階數位單眼相機都存在自動對焦問題，相關的負面評價不勝枚舉。大多數攝影師似乎並未意識到，問題的根源並非在於相機的特定型號或類型，而在於這些相機獨特的對焦方式。只需快速搜尋互聯網，您就會發現成千上萬篇關於各種數位單眼相機自動對焦問題的報告，最早可追溯到十多年前。因此，我們在現代相機中看到的對焦問題並非新鮮事；自第一台配備相位檢測感測器的數位單眼相機問世以來，這些問題就一直存在。

單眼相機的工作原理是什麼？

要更深入地理解這個問題，首先必須了解單眼相機的工作原理。典型的單眼相機示意圖通常只顯示一個以 45 度角放置的反射鏡。然而，這些示意圖沒有顯示的是反射鏡後面的輔助鏡，它會將部分光線反射到相位偵測感測器上。請看下面這張簡化的示意圖，它是我根據一張典型的尼康 D800 圖片繪製的：

以下是對上圖中每個數字的說明：

1. 光束
2. 主鏡/反射鏡
3. 副鏡，也稱為“子鏡”
4. 相機快門和影像感測器
5. 用於調整主鏡的偏心銷（1.5mm 六角形）
6. 用於調整副鏡的偏心銷（1.5mm六角形）
7. 相位檢測感測器（AF感測器）
8. 五棱鏡
9. 取景器

讓我們來看看拍照時相機內部發生了什麼。光線進入鏡頭 (1) 並到達相機內部。半透明的主鏡 (2) 以 45 度角放置，將大部分光線垂直反射到五棱鏡 (8)。五稜鏡將垂直光線轉換為水平光線並反射，這樣您就能透過觀景窗 (9) 看到畫面。一小部分光線穿過主鏡，被同樣傾斜一定角度的副鏡 (3) 反射（如上圖所示，在許多現代尼康相機中為 54 度）。然後，光線到達相位檢測/自動對焦感測器 (7)，該感測器將光線重新定向到感測器陣列（每個自動對焦點對應兩個感測器）。相機隨後分析並比較這些感測器的影像（類似於旁軸相機的對焦方式），如果影像不一致，相機會指示鏡頭進行相應的調整（詳見下文）。

雖然上述過程看似簡單明了，但這種方法有一個主要問題。相位偵測感應器指示鏡頭進行必要的調整，而影像的捕捉則由完全不同的裝置－相機背面的感應器－完成。為什麼這會是個問題呢？請記住，當您拍照時，主鏡和副鏡都會升起，快門打開，鏡頭發出的光線直接照射到相機感光元件上（4）。為了使相位檢測自動對焦正常工作，鏡頭卡口到相機感應器的距離，以及鏡頭卡口到相位檢測感應器的距離必須完全相同。即使有輕微的偏差，自動對焦​​也會出錯。此外，如果副鏡的角度不夠精確，也會導致自動對焦問題。

相位檢測感測器的工作原理是什麼？

相位檢測感測器的工作原理基於光學相位比較，其工作方式與測距相機類似。從副鏡反射的光線被安裝在微透鏡上的微型影像感測器陣列（兩個或多個，取決於自動對焦系統中的對焦點數量）接收。對於取景器中看到的每個對焦點，都有兩個專門用於檢測相位差的微型感測器——一個位於透鏡的兩側，如第 (7) 頁頂部的示意圖所示（該示意圖透過顯示兩束光分別到達兩個不同的感測器來誇大這種現象）。

事實上，現代相位檢測裝置所包含的感測器遠不止兩個，而且這些感測器彼此距離很近。當光線照射到這兩個感光元件上時，如果物體清晰對焦，來自鏡頭邊緣的光線會直接匯聚到每個感光元件的中心（就像影像感測器一樣）。在這種情況下，兩個感測器會得到完全相同的影像，表示物體完全清晰對焦。如果物體失焦，光線就不會匯聚，而是會照射到感光元件的不同側面，如下圖所示（圖片來自維基百科）：

圖 1 至圖 4 分別顯示了焦點位置分別為 (1) 過近、(2) 正確、(3) 過遠和 (4) 過遠的情況。這些圖表表明，兩個輪廓之間的相位差不僅可以用來確定焦點應該改變的方向，還可以用來確定改變的幅度，從而實現最佳對焦效果。要注意的是，實際上移動的是鏡頭，而不是感光元件。

由於相位偵測系統能夠判斷主體是位於畫面前還是畫面後，因此它可以向相機鏡頭發送精確的指令，控制對焦方向和旋轉幅度。以下是相機對焦拍攝主體時（閉環自動對焦）的工作原理：

1. 兩個影像感測器會對穿過鏡頭邊緣的光線進行評估。
2. 根據光線到達影像感測器的方式，自動對焦​​系統可以確定物體是前焦還是後焦，以及這種偏差有多大。
3. 然後，自動對焦​​系統會指示鏡頭調整焦距。
4. 上述步驟會重複多次，直到達到完美對焦。如果無法對焦，鏡頭會自動重新調整並再次開始搜尋焦點，這就是所謂的「自動搜尋對焦」現象。
5. 一旦達到完美對焦，自動對焦​​系統會傳送確認訊息，表示物體已對焦（例如觀景窗內的綠點、提示音等）。

所有這些操作都在一瞬間完成，因此相位檢測系統比對比度檢測系統快得多（對比度檢測系統依賴來回改變焦點直到達到焦點，並在影像感測器層級進行大量的影像資料分析）。

相位偵測自動對焦 (AF) 系統非常複雜，隨著高階專業相機系列的不斷更新換代，該系統也持續改進。多年來，自動對焦​​點的數量顯著增加，其中更可靠的十字型自動對焦點數量也大幅增加。例如，Canon 1D X 和佳能 5D Mark III 相機擁有令人印象深刻的 61 個自動對焦點，其中 41 個為十字型對焦點。讓我們來看看相機中這些精密的自動對焦感測器陣列：

自動對焦點的數量不僅增加了，其可靠性也顯著提高。如今大多數現代專業相機都配備了超高速、高精準度的自動對焦系統，能夠持續追蹤主體並實現精準對焦。

單眼相機自動對焦問題

單眼相機的自動對焦問題是許多攝影師面臨的挑戰，因為相位偵測自動對焦系統需要極高的精確度才能獲得準確的對焦效果。至關重要的是，相位檢測/自動對焦系統必須在製造過程中正確安裝和校準。即使是製造過程中常見的微小偏差，也會導致自動對焦不準確。這正是自第一台配備相位檢測感測器的單眼相機問世以來，相位檢測系統一直飽受爭議的主要原因。鑑於這些潛在的偏差，所有單眼相機製造商都開發了高精度校準系統，該系統能夠考慮到這些偏差，並在檢驗和品質保證 (QA) 過程中對每台相機進行單獨校準。

如果偵測到相位偵測感測器對準問題，系統會執行電腦自動測試，逐一檢查每個對焦點，並在相機內進行手動調整。不準確的對焦點會被重新校準和調整，補償值隨後會寫入相機韌體。此過程類似於相位檢測等級的自動對焦微調/自動對焦微調，但它是針對每個自動對焦點單獨執行的。