自動對焦（Auto Focus, AF）是現代光學系統（如相機、手機攝像頭、監控設備等）的核心功能之一，其原理是通過檢測成像面的清晰度或測量物體距離，驅動透鏡組移動至最佳對焦位置。以下是自動對焦的詳細原理及技術分類：

一、自動對焦的核心原理

自動對焦的本質是通過機械或電子手段調整透鏡組與成像面（如傳感器）的相對位置，使物體在傳感器上形成最清晰的像。其核心步驟包括：

1. 距離檢測：測量物體與鏡頭之間的距離（主動式）或分析成像清晰度（被動式）。
2. 驅動控制：根據檢測結果計算透鏡組需移動的距離和方向。
3. 位置反饋：通過傳感器確認透鏡組是否到達目標位置，形成閉環控制。

二、自動對焦的技術分類

根據檢測方式的不同，自動對焦可分為主動式和被動式兩大類，后者又細分為相位檢測和對比度檢測兩種主流技術。

1. 主動式自動對焦（Active AF）

原理：通過發射輔助信號（如紅外線、超聲波、激光）測量物體距離，直接驅動透鏡組移動至對應位置。
典型技術：

• 紅外測距：
  • 發射紅外光并測量反射時間，計算物體距離。
  • 優勢：結構簡單、成本低。
  • 挑戰：受環境光干擾（如強光或反光表面），精度有限。
  • 應用：早期自動對焦相機、低端監控設備。
• 超聲波測距：
  • 發射超聲波并測量反射時間，計算距離。
  • 優勢：不受光線影響，適合低光環境。
  • 挑戰：響應速度慢，易受溫度、濕度影響。
  • 應用：部分工業檢測設備。
• 激光測距（ToF, Time of Flight）：
  • 發射激光脈沖并測量反射時間，快速計算距離。
  • 優勢：對焦速度快（毫秒級）、精度高（可達厘米級）。
  • 挑戰：成本較高，功耗較大。
  • 應用：智能手機（如iPhone的LiDAR）、AR/VR設備。

2. 被動式自動對焦（Passive AF）

原理：通過分析成像傳感器（CCD or CMOS）上的圖像信息（如對比度或相位差），間接判斷對焦狀態，無需發射輔助信號。
典型技術：

• 相位檢測對焦（PDAF, Phase Detection AF）：
  • 原理：
    1. 在成像傳感器前設置專用相位檢測像素（如雙像素PDAF或分離式PDAF）。
    2. 光線通過鏡頭后被分成兩束，分別照射到相位檢測像素的左右部分。
    3. 對比左右光線的相位差，計算像面偏移方向和距離。
    4. 驅動透鏡組移動至相位差為零的位置（即對焦完成）。
  • 優勢：對焦速度快（適合運動場景）、功耗低。
  • 挑戰：低光環境下精度下降，需專用硬件支持。
  • 應用：單反相機、高端手機攝像頭（如三星Galaxy S系列）。
• 對比度檢測對焦（CDAF, Contrast Detection AF）：
  • 原理：
    1. 通過成像傳感器實時分析畫面中物體的對比度（邊緣銳度）。
    2. 驅動透鏡組移動，并持續監測對比度變化。//多次對比
    3. 當對比度達到最大值時，透鏡組停止移動（即對焦完成）。
  • 優勢：精度高、無需專用傳感器，成本低。
  • 挑戰：對焦速度慢（需多次采樣）、低對比度場景失效。
  • 應用：微單相機、監控攝像頭、低端手機。
• 混合對焦（Hybrid AF）：
  • 原理：結合相位檢測和對比度檢測的優勢，實現快速且精準的對焦。
    • 相位檢測用于快速粗對焦（確定大致位置）。
    • 對比度檢測用于精細調整（確保最高清晰度）。
  • 優勢：兼顧速度與精度，適應多種場景。
  • 應用：旗艦手機攝像頭（如華為P系列）、高端無反相機。

三、自動對焦的驅動技術

自動對焦需通過電機或壓電陶瓷驅動透鏡組移動，常見技術包括：

1. 音圈電機（VCM, Voice Coil Motor）

• 原理：利用通電線圈在磁場中受力產生直線運動，驅動透鏡組移動。
• 優勢：結構簡單、成本低、響應速度快（毫秒級）。
• 挑戰：位移量有限（通常<1mm），需配合減速機構實現大范圍移動。
• 應用：智能手機攝像頭、消費級相機。

2. 步進電機（Stepper Motor）

• 原理：通過脈沖信號控制電機轉動角度，驅動透鏡組移動。
• 優勢：精度高（可達微米級）、控制簡單。
• 挑戰：響應速度慢，需配合減速機構降低振動。
• 應用：高端相機鏡頭、工業檢測設備。

3. 壓電陶瓷驅動（Piezoelectric Actuator）

• 原理：利用壓電陶瓷在電場作用下的形變產生微小位移，驅動透鏡組移動。
• 優勢：精度極高（可達納米級）、無機械磨損、壽命長。
• 挑戰：位移量有限（通常<100μm），需配合杠桿機構放大。
• 應用：顯微鏡、半導體檢測設備。

四、自動對焦的優化技術

為提升對焦性能，現代光學系統常采用以下技術：

1. 預對焦（Predictive AF）

• 原理：通過算法預測物體運動軌跡（如拋物線或直線），提前驅動透鏡組移動至預測位置。
• 應用：體育攝影、視頻拍攝（如追蹤運動員或車輛）。

2. 眼部對焦（Eye AF）

• 原理：利用AI識別畫面中的人眼或動物眼睛，優先對焦至眼部區域。
• 應用：人像攝影、寵物攝影（如索尼A1、佳能R5）。

3. 全像素雙核對焦（Dual Pixel AF）

• 原理：將成像傳感器的每個像素分為兩個光電二極管，分別接收左右光線，實現全畫面相位檢測。
• 優勢：對焦覆蓋范圍廣、低光性能強。
• 應用：佳能EOS R系列、三星Galaxy S23 Ultra。

五、技術挑戰與發展趨勢

1. 挑戰：
   • 低光環境：傳統相位檢測在暗光下失效，需結合激光測距或AI增強。
   • 高速運動：需提升驅動速度和算法預測精度。
   • 小型化：在有限空間內集成多傳感器和驅動機構。
2. 趨勢：
   • 計算光學融合：通過算法優化對焦路徑，減少機械移動次數。
   • 可變形透鏡：液態透鏡或彈性膜透鏡實現無機械對焦。
   • 多傳感器協同：結合ToF、LiDAR和RGB傳感器，實現全場景自動對焦。