[朝日相機2月號專欄]Auto Focus-對準焦點的機械之眼

翻譯自アサヒカメラ朝日相機2010年2月號
(譯按：為使閱讀方便原本翻譯為「單眼反光式相機」的改採用「單眼相機」一詞)
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Auto Focus-對準焦點的機械之眼

　　1977，決定了業界未來方向的相機發售了。全世界第一台具有自動對焦(以下簡稱AF)的KONIKA C35AF登場，通稱「ジャスピンコニカ」。從此之後，AF逐漸變成輕便相機的標準配備。另一方面，80年代單眼相機也吹起一股AF風潮，首先在鏡頭上加入了AF裝置。然後在1985年全世界第一台真正的AF單眼相機Minolta α-7000登場了。AF實用化後已隔30年了，數位相機上也開始採用了新式AF。

　　但是，真的瞭解AF的原理嗎？讓我們在這好好的學習一下AF的原理。


 現在的主流是被動方式，偵測來自被攝體的光線

　　底片時代的輕便相機，大多使用發射紅外線或超音波，偵測被攝體反彈訊號的角度或延遲時間計算距離的主動式AF方法。因為是從相機本身發射的故稱為主動式。主動式AF當透過玻璃攝影時，非常容易變成對焦在玻璃上，此外還有大口徑鏡頭合焦精確度不足等缺點。

　　數位時代(譯按：非指數位相機，僅指資訊數位化)之後主動式已廢用，改以相機被動接受光訊號的相位差偵測方式(以下簡稱「相位差AF)及反差偵測方式(以下簡稱「反差式AF」)為主流。被動方式中除了相位差AF利用通過鏡頭的光線(TTL=Through The Lens)測距離以外，非使用TTL光線的外部偵測AF也是有的，但現在已經幾乎沒了。


 相位差AF讓單眼相機得到了高速AF功能

　　相位差AF是單眼相機採用的AF方式。從古老的Minolta α-7000到最新的CANON EOS-1D MarkⅣ，所有單眼相機都是使用此方法。將通過鏡頭的光分為兩道，偵測這光的偏移量。MF單眼相機是將對焦屏的上下裂像調整至一致以達到合焦，想像將此方式電子化就會比較容易理解。測距的當下即時運算出對焦時需要的鏡頭移動量及方向(近端或無限遠端)，馬上透過AF驅動達到合焦點。相位差AF的特長是可以進行高速的AF驅動。

　　相位差AF的感應器位於機身下部，從鏡頭進入的光穿透過使用半透光鏡子(half mirror)製作的快速復位鏡(quick return mirror，俗稱反光板)，在經過副鏡(sub-mirror)和反射鏡反射後到達AF感應器。當然了，光線經過鏡子反射數次到達AF感應器的光路長度，設計必須要和光線到達底片或感光元件的光路長度一致。因此，AF感應器位置的設計是很嚴格的，例如CANON EOS-1D系列，可做機械面的六軸方向精密調整。

　　而且溫度的變化造成零件膨脹伸縮，造成到達AF感應器的光路長度變化，這問題可透過內藏的溫度感應器做補正。此外，攝影用的鏡頭會有效修正可見光的色散差的問題，但底片或感光元件的紅外線感度並沒有考慮到紅外線色散差的問題。AF感應器可感應到紅外線，攝影光源之中紅外線的色散差可能造成AF會有些微的誤差，於此，有些機種也會具有修正此誤差的功能。

　　有時鏡頭對著被攝體同一個點重複半按快門時，會發現每次的AF結果不太一樣，對焦環會有著些微的變化。這是測距所謂的「搖擺」現象，測距點的反差如果比較小就比較容易發生。
最近的AF相機，可以讓用戶自己微調整AF的機種變多了，如果要調整的時候，盡可能的使用黑底白線等反差大的被攝體，否則會降低AF的準確度。


 沒有反光板的數位相機則是反差式AF

　　單眼相機在按下快門前為止快速復位鏡一直都是處於放下的位置，所以才能將光線導向AF感應器。對於沒有快速復位鏡的輕便數位相機要設計AF專用感應器的構造是很困難的。

　　於是，採用了反差式AF利用感光元件擷取的畫面進行合焦的動作。不僅是輕便機種，無反光鏡的Micro4/3機種，以及各家單眼相機的LiveView模式皆是採用反差式AF。

　　反差式AF的原理是利用感光元件擷取的畫面判斷反差，以反差最高的點作為合焦點。如果以MF單眼相機為例，相位差AF是裂像對焦，反差式AF則類似磨砂屏合焦的方式。

　　反差式AF的長處就是構造簡單。和相位差AF不一樣，不需要AF專用感應器也不需要導引光線的副鏡，AF感應器的位置，溫度變化影響光路徑變化等等麻煩都沒有，直接使用畫面判斷精準度也高。
　　另一方面，也是有缺點的。因為要一點一點的移動焦點從擷取的畫面尋找合焦點，所以合焦速度容易變慢。且基本上是無法分辨焦點前還是焦點後的。

　　但是，為Micor4/3所開發的反差式AF，用稱為顫動(wobbling)的方式做短週期非常細微地前後移動焦點，判斷焦點前或焦點後，讓反差式AF實現了比平常還快的對焦速度。


 必須依AF的種類的搭配適合的馬達

　　數位單眼相機基本是使用相位差AF，LiveView的時候則必為是反差式AF。但是，單眼相機的反差式AF的合焦速度，實在是慢的嚇人。這是因為單眼相機用的鏡頭是以使用相位差AF為前提所設計的關係。
　　首先提出鏡頭或機身使用的馬達不同之處。相位差AF適合使用具扭力輸出可以一口氣轉至定位的馬達，因此採用了高速化的超音波馬達。另一方面，反差式AF適合使用可以一點一點驅動鏡片的馬達，步進馬達(stepping motor)或可精密地決定迴轉角度的馬達較適合。反之，相位差AF中代表高速驅動的超音波馬達，在反差式AF上反而成了絆腳石。

　　再者，相位差AF的目的是一口氣轉至指定焦點位置，只要達到單方向移動的精確度就沒啥問題，反之反差式AF則不得不使焦點做細微的前後移動，且為了減少往返驅動時造成的機械傷害，故不要求高速化。Micro4/3用的交換鏡頭已解決了此方面的問題，所以即使是反差式AF也可能達到高速的AF效果。

　　當然了，以望遠鏡頭的AF速度上來說相位差AF仍然比較有利。但是，速度以外反差式AF的優點是不會比較少的。例如相位差AF，因為不得不在測距點的位置配置感應器，除了可使用位置數量的限制外，畫面中央以外的點也會有精確度的誤差。因此，透過畫面做判斷的反差式AF不管使用任何位置都可以當作測距點。

　　以今後的進步這點來說，兩種方式在高速化及精確度方面的進步都還有很大的空間。不過，從感光元件的進步及AF速度提昇這幾點來看，反差式AF在性能向上成長的空間還是最大的。

　　今後會有多重視單眼相機的錄影機能仍是個未知數，為了讓錄影時AF功能更加的實用化，提昇反差式AF的性能將是不可少的目標。

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靠著破爛的三級日文和貧乏的相機知識終於翻譯完了
如有有翻錯的還請大家多多提出來m(_ _)m
圖片因為是用拍翻的，歪斜和顏色不統一的部分還請包涵

圖文版(PDF 1.07MB)