Mr.OH!數位攝影講座第三十二講 - AF自動對焦原理與發展史(上）

Mr. OH!主述
ANAN 策劃 / 編輯
AF 自動對焦一詞
什麼是自動對焦？ 『AF』又代表了什麼意思？ 相機如何才有AF功能？『AF』係 Automatic Focus  自動對焦的英文縮寫，泛指相機以特定區域（一般指中央，但現在的系統已經可以指定在觀景窗內看到的任何一點角落），進行測距、進而調整鏡頭中鏡片形成焦點，使照相機內的影像看起來清晰之設計；相對於 MF 手動對焦，AF 已經成為現代相機科技的標準用語。

操作相機「手動對焦」動作的幾個步驟：一、轉動鏡頭移動鏡片，使鏡頭胴身伸長縮短、
二、判斷鏡頭調整後形成的影像是否清晰；三、清晰後，代表對焦完成。
為什麼相機採用了自動對焦系統後還需要等待的時間呢？比起純手動對焦，AF對焦分為被動式和主動式兩種。Mr.OH!簡述這兩種設計的原理，以下將闡明 AF 系統的開發過程。被動式自動對焦系統的基本原理是比較被攝物體的相位或分析其反差；主動式自動對焦系統是在曝光前由相機發射出一束紅外線或超音波，遇到物體後反射回來，再由相機讀取，並據此控制鏡頭的移動。
AF 自動對焦技術的影響
從傻瓜相機時代開始，你只要輕輕地半按相機快門，等候熟悉的『嗶』聲響起，再一路將快門推到底！『喀插』一聲，拍照就算完成了。這是攝影玩家再熟悉不過的全自動攝影流程，也是俗稱的傻瓜攝影技術。為了達到自動對焦的目的，背後科技發長達了40年努力。今日我們可以輕鬆擁有相機，EASY地按下快門拍照，也是這過去40年的努力讓專業照相機大幅度平民化，走入大眾的生活總結。

早期號稱『自動對焦』的相機擁有4個對焦點，加上這類相機常用廣角鏡頭，景深本來都很大，因而基本上都能獲得足夠的清晰度。但是，要相機精確地對焦在被攝物體的平面上，只能靠運氣。在大多數情況下，只能滿足于對焦在景深範圍之內。較新式的鏡間快門相機，通常有多於4個(有的多至8個以上)的對焦點，相對地取得較佳畫面清晰度的可能性也越大。
AF 自動對焦技術的發展起源
時光倒流，同學會發現手動照相技術十分複雜，必須仰賴人工測光、手動對焦、自助捲片等等，大量使用人力的結果，往往也容易出錯。特別是重要的場景，一旦錯過就無法重來，所以攝影師的素質成為這個時期拍照成功與否的重要因素。隨著50、60年代大幅度機械自動化的發展，越來越多人相信自動化是未來世界的指標。先一步完成的自動測光技術和電動捲片機，充分說明了攝影技術確實有可能邁向自動化，而其中最為關鍵的部分，也是決定拍照的速率決定步驟的重點『自動對焦系統』，也成為當時各家相機製造商的指標研發項目。

全世界第一台AF 35mm相機Konica C35 AF
照相機自動對焦系統的可以追溯到60年代。1963年，Canon公司曾在西德的科隆博覽會(Photokina)上展出一架具有自動對能力的照相機原型，這個時期的 AF 技術仍相當原始，雖然 AE 自動曝光技術已經逐步成熟，但對焦能力還是不良。1974年，Nikon公司也推出了一款具備自動對焦能力的原型機；但其設計仍十分仰賴機械結構，體積大、反應慢是最大的缺點。一直到1975年，美國Honeywell公司才發表了具有實用價值的自動對焦元件 VISITRONIC AUTOMATIC FOCUSING SYSTEM，又稱爲 VAF系統。很可惜，美國的創舉到最後卻反而為日本的相機工業帶來革命，1977年日本小西六寫真工業公司，也就是後來 Konica 柯尼卡有限公司的前身，向美國購買了這套系統改良專利權，而于同年11月製作出了世界上第一架自動對焦照相機 柯尼卡 C35 AF，成為世界上第一款有自動對焦能力的相機。
第一代 AF 自動對焦技術原理（被動式）
Konica C35 AF 是第一架實用的AF 135傳統照相機，應用 Honeywell 公司生産的自動對焦元件，屬於第一代被動式自動對焦技術。這個技術的基本原理是以分析來自景物主體的反光為參考指標。KONICA C35 AF 的 VAF 自動對焦系統是在兩個測距窗後置有一個的三菱鏡，三菱鏡負責折射光線到兩個反光鏡上，這兩個反光鏡又會將影像光線分別投影兩個位於機底的影像感測器中。影像感測器是由感光半導體（類似 CCD）和積體電路所組成的小型電腦。感測器藉由影像的明暗，也就是反差來分辨影像的內容。在相機進行對焦的過程中，其中一組反射鏡片固定不動，其影像自然固定不變成為對照組。另一反光鏡片則前後移動，這個鏡片的移動量透過小型電腦的計算，直接反應在鏡頭的鏡片移動上。一旦兩側的影像感測器都得到相同影像內容時，自動對焦完成，也代表鏡頭鏡片的移動量已經達到正確的對焦位置。

被動式對焦原理示意圖：兩組感測器或 CCD，其中一組為對照組，當兩組的反差都顯示正確，代表對焦完成。
由於這一系統的成功，導致相機工業的革命，可惜獲利最大的不是美國，而是日本公司，許多日本公司藉助這個設計成功的推出多樣的傻瓜型自動對焦相機，從70一直延燒到90年代，甚至今日多數的迷你型數位相機、全自動數位相機也都是應用這樣的原理在對焦工作。分析這種自動對焦方式優點在於相機自身不需要發射系統，因此耗能少、成本低，分光系統簡潔，有利於小型化。在室外陽光充足時使用能夠充分的自動對焦，甚至在逆光下或是對焦遠處景物，只要有亮度，這套系統通通都能完成對焦。

現代的數位相機大量使用 AF 輔助對焦燈彌補亮度的不足，顏色從早期的紅色到目前強調酷炫的綠色、藍色都有。
圖例中所展示的是 Nikon Coolpix SQ與 Fujifilm FinePix S9500 綠色對焦輔助燈
不過，由於該系統主要是接受外來光線的，因此，稱為『被動式』AF系統，也因為如此當光線過暗或主體反差太低時，VAF 是無法工作，加上對細線條的主體（例如：電線杆），VAF的自動對焦也較困難且精度不高(最近1.1公尺至無窮遠)。所以，傻瓜相機、低階的數位相機往往無法提供精確的微距拍攝能力，原因也在此。至於，在室內拍攝亮度不足的問題，後來的傻瓜以及數位相機，多採用了『輔助對焦燈』這樣的設計，來補強光線不足時的困擾。
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