單反相機自動對焦系統簡史

07-17

進入數碼時代之後，所有的數碼單反相機都有自動對焦功能。用久了習以為常就會覺得這是一項必備功能，於是對自動對焦怎麼來的課題就不再深究。事實上，今天的數碼單反相機自動對焦系統年紀並不大，從第一台成功打開自動對焦單反市場的美能達Maxxum 7000起（1985年）也不過25年。這25年中自動對焦技術年年進步。目前的數碼單反即使是入門級機身，也有多個對焦點及支持拍攝移動物體的各種功能。這在十多年前是高級機身的專利，二十多年前多半是幻想，和最早的Maxxum 7000相比更快速且準確。所以，這是一篇多少有些懷古的文章，大略介紹從最早自動對焦單反相機到獨樹一幟的康泰時AX（1996年）之間的演變，剩下來的就是大家耳熟能詳的發展了。

早期自動對焦原型機和量產機

自動對焦的研究起源甚早，譬如尼康在1971年的Photo Expo（美國芝加哥市）展出了裝在F2機身上的自動對焦鏡頭AF Nikkor 85mm f/4.2（見下圖），徠卡也在1976年Photokina上展出了帶自動對焦系統的Correfot原型機、又在1978年Photokina上展出了功能齊全的相機，不過這些機型都沒有正式量產上市。

第一台正式量產上市的自動對焦相機是柯尼卡C35 AF（1977年，下左圖），這是使用霍尼韋爾的Visitronic自動對焦系統的簡單（俗稱傻瓜）相機。第一台有自動對焦功能的單反相機是寶麗萊在1978年推出的SX-70 Sonar OneStep（下右圖）。它使用裝在機頂的聲納（sonar）透過超音波測量對焦距離進行自動對焦。

第一批自動對焦單反鏡頭

第一波有自動對焦能力的單反鏡頭在1981年前後出現，它們是佳能FD 35-70mm f/4 AF和啟能AF 50mm f/1.7（後來又加上了AF 35-70mm f/3.3-4.5）；下左照片是佳能AL-1機身配FD 35-70mm f/4 AF，下右是啟能CE-4s機身加上AF 50mm f/1.7。

佳能和啟能這兩個自動對焦鏡頭前方都有兩個小窗。啟能鏡頭使用紅外線，一個小窗後面有旋轉的紅外線發射器，另一個小窗內有接收器（見下圖）。自動對焦時，會旋轉的紅外線發射器不斷發出紅外線、對焦馬達驅動鏡頭移動，當接收器收到從被攝體反射回來最強的訊號時就停止對焦馬達，從發射的角度和兩個小窗之間的距離可以算出對焦距離。

佳能的系統比較複雜，不用紅外線也沒有移動的部份。鏡頭上兩個小窗後面各有一片反光鏡，兩片反光鏡之間是一個反光稜鏡，它後面是一個CCD數組（見下圖）。被攝體經過兩個稜鏡反射到反光稜鏡、再投射到CCD上產生兩個像，如果這兩個像相同就表示對焦正確。在對焦時，鏡頭內的對焦馬達驅動鏡頭，比較投射在CCD上的兩個像，直到對焦完成為止，從兩個像之間的距離就可以算出對焦距離。

佳能和啟能這兩個鏡頭與機身完全沒有通信，用戶把相機取景器中央的對焦點對準被攝體，再按住鏡頭上的對焦鍵進行對焦，成功後會發出提示音或亮燈（取景器中可見），然後按下快門拍攝。因為鏡頭和機身沒有通信，佳能的鏡頭可以在使用FD接環的機身上自動對焦；同理，啟能的鏡頭可以在使用賓得K接環的機身上對焦。另外，對焦馬達都在鏡頭內，需要安裝電池，所以鏡頭都很大且重，對焦速度相當慢、失誤率頗高。更重要的是，兩者都不是用鏡頭拍到的影像對焦，所以常會對錯對象，而且近距離時有平行視差。啟能鏡頭由於使用紅外線，很容易受被攝體和相機之間的物體（譬如玻璃）干擾導致對焦失誤，然而它卻可以在全黑的環境中對焦。

這兩個最早期的自動對焦鏡頭上市時間很短，因為接下來自動對焦系統的發展異常迅速，它們才上市就幾乎已經落伍了。

近代TTL自動對焦的雛型

下一個自動對焦的里程碑是在1982年上市的賓得ME-F，匹配的鏡頭是賓得AF 35-70mm f/2.8，這是近代單反相機自動對焦系統的雛型。在1983年又有兩台新機：奧林巴斯OM-F（也叫做OM-30）和尼康F3AF，前者配了Zuiko Auto Zoom 35-70mm f/4 AF鏡頭，後者則有AF 80mm f/2.8和AF 200mm f/3.5 ED IF鏡頭。最後，佳能也在1985年推出T-80，它使用FD接環而且配了三個鏡頭AC 50mm f/1.8、AC 35-70mm f/3.5-4.5和AC 75-200 f/4.5，但是這些鏡頭和1987年推出的EOS機身並不兼容。

這些機型都用TTL（Through The Lens、通過鏡頭）自動對焦方式。下左圖是賓得ME-F的反光鏡，將其略微掀起露出後方副鏡，下右圖是從機背方向看反光鏡室底部，它有一個小長方框、下方是自動對焦模塊。反光鏡中央部位、副鏡的前方是半透明的，這個部位對應著取景器中唯一的對焦點。自動對焦時，從鏡頭來的影像有一部份穿過反光鏡到達後方的副鏡，再被副鏡反射到反光鏡室底部的自動對焦模塊，從而驅動在鏡頭中的馬達對焦，所以賓得ME-F是第一台TTL自動對焦相機。TTL自動對焦的最大好處是和使用的鏡頭無關，而且沒有對焦點和視線之間的差異。

賓得ME-F與其它機型的鏡頭開始使用電子接點和機身溝通，操作也和今天的數碼單反類似；輕按快門對焦，對焦完成後取景器中合焦指示燈亮起。

尼康F3AF雖然採用類似的機制，但副鏡反射到反光鏡室底部的是測光用，自動對焦系統在五稜鏡模塊DX-1中，把DX-1換到其它F3（1980年推出）機身上就沒有自動對焦能力，但是提供合焦指示。另外，尼康F3AF自動對焦系統的（兩節AAA）電池是裝在DX-1中而不是在鏡頭內，所以鏡頭比同時期的自動對焦鏡頭來得輕巧。值得一提的是佳能AL-1，某種程度上AL-1也可以算是第一批自動對焦的機種（佳能叫做QF、亦即Quick Focus），它只有合焦指示而沒有匹配的自動對焦鏡頭。

這些機型用反差檢測原理實現自動對焦。反差檢測是基於一個很重要的現象：當對焦準確時，對焦區域的對比度最高；反之，對焦區域的對比度就較低，整個區域可能幾乎沒有細節。下面照片是個模擬的例子，這些畫面都是在不同對焦距離下拍攝、再把對焦區域裁下來的結果。第一張的對焦距離超過准焦點太遠，然後鏡頭逐漸拉近，於是越靠近准焦所在的畫面越有細節、對比度越高，到准焦所在對比最高（最後一張）。如果繼續把對焦距離拉近，畫面又開始模糊、對比度降低，這相當於把這幾個畫面自下向上看。在反差檢測原理下，自動對焦系統要有一個判定某區域中影像對比度的演算法，從計算出的對比度決定移動鏡頭的方向，直到對比度最高為止。

反差檢測的自動對焦比較慢、失誤機會大。雖然比第一代的技術進步很多，但仍然不夠健全。隨著圖像處理技術進步，數碼單反的Liveview、消費數碼相機、甚至無反光鏡可換鏡頭數碼相機都使用反差檢測的自動對焦，只有數碼單反清一色使用更快、更準確的相位檢測技術。

近代TTL自動對焦時代來臨

目前的數碼單反自動對焦系統是從美能達Maxxum 7000開始的（1985年）；這型相機在日本和亞州叫做A7000（或Alpha 7000）、在北美是Maxxum 7000。Maxxum 7000之所以留名相機史主要是它使用了一套全新的相位檢測技術，在自動對焦時比較快也比較準確，所以推出之後十分成功，變成各家追趕的對象，目前所有數碼單反相機都使用相位檢測自動對焦系統。

下左圖是一台美能達Maxxum 7000早期版本，從照片可以看出相機已經全部電子化，舊式的轉盤和旋鈕都改成按鍵，上片和倒片也變成自動的（沒有上片扳手和倒片旋鈕）。Maxxum 7000的自動對焦機制和上一代機型類似，反光鏡後面有副鏡、自動對焦系統在反光鏡室下方。除了相位檢測技術之外，美能達還發展出裝在機身內的小型對焦馬達，於是Maxxum 7000機身可以用四節AAA電池提供包含自動對焦在內的電力，使自動對焦鏡頭變小變輕、而且也比較便宜。Maxxum 7000鏡頭座有螺絲起子頭樣的機身對焦馬達轉軸，鏡頭後方則有螺絲頭驅動機制，這與目前有機身馬達的機型無異。

美能達Maxxum是第一台近代自動對焦機型，有相位檢測和機身內小型對焦馬達的創舉，這些都成為後來自動對焦機型的模。但是美能達面臨兩件法律上的糾紛。第一件是小事，Maxxum 7000在北美地區上市時，Maxxum的xx是寫成一個字（上右圖），但是這個寫法和Exxon石油公司的商標相似，所以Exxon要求美能達限期改善，因此只有最早期一批數量不多、銷北美地區的Maxxum 7000使用這個寫法。第二件卻是大事，當時開發出很多自動對焦系統專利的美國廠家霍尼韋爾控告美能達侵權，經過冗長的法律程序後，美國法院判決美能達敗訴，賠償霍尼韋爾一億兩千七百多萬美元。無論如何，美能達Maxxum 7000是開近代單反相機自動對焦先河的機種，此後自動對焦機型不斷湧現，各家做出無數的改良才有今天可靠、快速、準確的自動對焦系統。

簡化的相位檢測概念是這樣的。鏡頭的影像經過副鏡被反射到在反光鏡室底部的自動對焦模塊，模塊中有兩個小透鏡、各自擷取在對焦點區域兩邊影像的小部份，再投射到分成兩組的CCD數組上。概念上這兩個小透鏡的位置在感光晶元後方，它們把擷取到的影像在CCD數組上聚焦（見下圖）。如果鏡頭對焦準確，這兩個重新聚焦的像會在各自CCD數組中央（圖中黑線），兩者之間（預先知道）的距離是對焦準確時的相位（phase）。但若鏡頭成像位置在感光晶元前方（圖中藍線），CCD上像之間的距離比較近，也就是相位比較短；反之，但若鏡頭成像位置在感光晶元後方（圖中紅線），CCD上兩個像之間的距離比較遠，也就是相位比較長。所以，從比較准焦相位和非准焦相位之間的差異，就可以算出鏡頭對焦時的移動方向和距離，再向鏡頭下達移動的指令、一次把鏡頭放到定位，從而對焦成功。

L：鏡頭，S：感光晶元，M：小透鏡，C：CCD數組，d：CCD數組中心距離

上面是一個簡化的說明，但各家的相位檢測自動對焦技術差不多都是從這個基本型式演化出來，在此不作深入探討。

獨特的康泰時AX

講自動對焦系統很難不提到京瓷的康泰時AX。自動對焦到了1996年大致上已經發展成熟定型，但是京瓷就在1996年推出了獨一無二的康泰時AX（見下面圖），它可以用手動鏡頭自動對焦。

當時京瓷希望康泰時AX可以讓質量極高的卡爾·蔡司手動鏡頭自動對焦，所以在設計時讓反光鏡、稜鏡和底片一起移動，對焦到近距離時整個組合向機身後方移（下左圖），對焦到較遠處時整個組合向鏡頭方向移（下右圖）。所以，康泰時AX是唯一不靠轉動鏡頭、而是靠移動底片對焦的單反相機。但是焦距較長的鏡頭的對焦行程比機身內所能移動的空間更長，所以使用較長焦距鏡頭時得先對焦環對得差不多，再用自動對焦系統讓它完成最後的對焦步驟。

跑焦的困擾

有時候會發生機身指出對焦準確，但照片卻明顯有對焦不準的現象。換句話說，在拍攝時以被攝體某點（譬如眼睛）對焦，在操作正確的前提下，該點應該是十分清晰的，但是在照片中該點（眼睛）卻有點模糊，反而在對焦點前方某處（譬如鼻頭）或後方某處（譬如耳朶）變得清晰，這個現象俗稱跑焦。市面上有專業、業餘、甚至自己動手做的測試相機和鏡頭是否有跑焦現象的器材，而且一些較高級機種更有允許用戶微調自動對焦系統克服跑焦的功能。

影響跑焦的因素很多，比較明顯的不外乎反光鏡、副鏡、和對焦系統的位置。因為反光鏡、副鏡、甚至相位檢測系統中的透鏡把鏡頭的影像反射聚焦而在CCD上成像，只要有一者（甚至包含CCD數組）的位置有一點異動，就會影響到CCD數組上的成像，當然就會影響對焦的準確度。鏡頭本身也是一個重要因素。當自動對焦系統向鏡頭下達向前或向後移動多少距離的指令時，如果鏡頭和驅動對焦的馬達無法準確地停在指定的位置，縱使相位檢測系統準確，對焦仍然不準確。

在底片時代因為把照片放得很大的機會不多，跑焦現象不容易察覺，但數碼時代在顯示器上以100%顯示照片的機會很多，而且感測器解析度越來越高，於是跑焦現象變得十分明顯（假設用戶分得出跑焦和對焦不準）。一般而言，在景深範圍內的輕微跑焦影響並不大，但若發現有明顯跑焦時（在用大光圈望遠鏡頭時很容易發現），就應該把機身連同鏡頭一併送回廠家調校，這是數碼攝影的一個新問題。

整理

下表是從1977年第一台自動對焦相機到第一台近代自動對焦SLR之間以年代排列的機型，同年的產品以廠家名稱排列而非上市順序。