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AF系统:主动型自动调焦系统


   作者:Xitek

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主动型自动调焦系统

主动型(Active)AF系统又称有源型AF系统,系指AF系统能发出光线,主动地测量被摄体与照相机之间的距离。该系统由调焦距离测量(测距)焦点调节两部分组成。测距部分的作用是测量被摄体与照相机之间的距离;焦点调节部分的作用则是根据测距部分给出的测距值来设定镜头上的调焦距离。

主动型AF系统通常见于平视旁轴取景的照相机(即所谓的袖珍照相机)。测距部分由两个窗口组成,一个用来发射红外线,另一个用来接收返回的红外线.

测距部分的工作过程是由红外发射器发出波长约为900nm左右的红外光线束(采用红外线而不用闪光灯作为发射光,是因为闪光灯的闪光持续时间短,测距速度跟不上;若用自然光发射,则无法区分发射光和自然光),通过一块非球面调焦透镜射出。当遇到被摄体时,红外光线会反射,并由红外接收器接收。红外接收器是由一组透镜和排列的感光元件组成(现大多数采用位置传感二极管,PSD——Position Senser Diode)。距离不同的被摄体,会使反射光线进入红外接收器的入射角度改变,从而也由不同的感光元件所接收。感光元件在受到红外光线的照射后,产生电信号,该信号通过放大和转换电路,进入机内的焦点调节装置来调节镜头的调焦距离。

这类测距系统的特点是:红外发射器的功率愈大,红外光束所能达到的距离也就愈远,信号的处理也就愈容易。但是由于受到电源和成本的限制,也由于被摄体反射率条件的不同,红外测距系统的测距范围是有限的,可测范围大致为8~15m。当接收器测不到返回光线时,焦点调节机构会自动地将镜头焦点调整在无穷远位置上。在一些新型的红外测距系统中,如混合相机Canon EPOCA,在被摄体较远时,会自动增加红外线的发光强度,使测距更为准确。

从主动型AF系统的工作原理可看出:当被摄体处于无穷远位置时(例如拍摄风景照),AF系统根本就接收不到返回来的红外光线,此时,AF系统失效。所以现有许多袖珍相机都设有焦点无穷远锁定功能,当无法接收到返回的红外线或检测到的红外线很弱时,直接将焦点置于无穷远处。

红外线主动型AF系统的构造比较简单,因此价格也比较便宜。主动型AF系统的优点是在低亮度和低反差情况下,仍能自动调焦。

主动型AF系统在测量出焦点距离之后,一次就将镜头焦点设置为所需的距离,至于其调焦距离设置是否准确就不知道了,因为没有反馈测量元件来测量。而且,红外线的发射和接收都不是透过镜头的。整个AF系统的准确性完全取决于焦点测量和焦点调节两部分的精度,只要其中有一部分不准确,会导致整个AF系统的精确度降低。从系统控制论的角度来看,主动型AF系统等于是开环控制系统,其工作原理方框图如图2-2所示。从图中可看到,镜头的焦点设置并没有任何反馈回路与测距部分给出的调焦距离值进行比较。

图 2-2 主动型AF系统框图

由于其所基于的反射原理,主动型AF系统对测距条件有一定的限制。在下列情况下,主动型AF系统会失效:

(1) 被摄体亮度太大,如太阳、霓虹灯等;

(2) 反射率很高的平面,如水面、镜面等;

(3) 不坚固的实体,如火焰、烟花、头发等;

(4) 纯黑色物体及反射率很低的平面;

(5) 不能透过玻璃拍摄;

前面介绍的主动型AF系统的基本构造是一个红外线发射窗和一个红外线接收窗,因此可以称为"两眼"式AF系统。我们知道,光束在发射出去之后是不断扩散的,所以投影在被摄主体上的红外光束已经不再是一个点了,而是一个区域(尽管不太大),其原理有点像手电筒的光束。如果这些光线没有完全照射在被摄体上,或者偏离反射光的亮度中心,例如光束的一半照射在人脸上,而另一半则在头发上,由于头发是全黑的,反射率极低,红外接收器所接收到的光线强度自然就会减弱,所以有时会造成测量误差。

解决的办法是采用两个接收器,在红外发射窗两旁对称地各装一个,即构成“三眼”式AF系统。两个接收器所接收的反射光是相互补充的,一个接收的光线强,另一个就弱。这样就等于有两套测距装置,将两个测量结果相加后,再加以平均处理,从而达到正确的测距,其测距精度要高于“两眼”式AF系统。这种处理方法,有点类似于数字处理中的滤波方法。第一架实现“三眼”式AF系统的是柯尼卡于1991年推出的定焦袖珍相机Konica HEXAR。

由发射器IRED发射红外光线投影在人脸上,有部分为头发,无反射光。
位置传感器PSD1和PSD2分别测量到距离值L+X和L-X,两者相平均则得到正确的距离值L。

  三眼式AF系统

从【从固定焦点到自动调焦】中知道,红外接收器中排列的感光元件数量愈多,其测距精度也就愈高。但由于厂家在生产时考虑到成本问题,故在大多数中低档袖珍相机中只装有为数不多的感光元件,因此主动型AF系统的精度普遍不高,目前绝大多数主动型AF照相机是采用分级的方法来实现自动调焦。如某一照相机的最近调焦距离为1m和AF级数为2级时,那么镜头的调焦距离只有两个位置可调节。级与级之间的"空档"则靠景深来弥补。显然,这类照相机的AF级数愈多愈好,当然价格也会愈来愈贵。目前市面上所见到的价格在价格低廉的AF袖珍相机,其AF级数只有2到3级,在选购时务必要仔细地查看说明书。

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