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日本近乎垄断!国产相机/镜头最大痛点:自动对焦技术
2017-11-15 20:55:27  出处:ZOL  作者:龚明 编辑:万南   点击可以复制本篇文章的标题和链接

自动对焦,这是大家最为熟悉的相机功能,但是对焦组件也是现代相机最核心的功能组件之一。对焦功能看似简单,我们抬手间就能完成,但是其实对焦功能是相机上科技含量最高的技术之一。

下面我们就来看一下从胶片时代到数码时代,相机对焦系统是如何发展的,现阶段的对焦技术又有着哪些瓶颈需要解决,为何中国相机制造业为何难有自己的相机对焦技术。

对焦起步 从对焦检测是理论支持

要了解中国自动技术的发展与现状,我们就必须从自动对焦的发展历史说起。在相机诞生后的一百多年内,手动对焦都是大家操纵相机拍摄的唯一方式,这种情况一直持续到上世纪六十年代才有了改变。

佳能公司在1963年的科隆博览会上展示了一款自动聚焦照相机,自动对焦这一技术概念第一次进入人们的视线。

随后的若干年,自动对焦始终停留在理论层面,直到1975年,美国亨尼威尔公司推出了第一款可以用于相机系统的自动聚焦系统Vistronic System,自动对焦才开始真正登上相机舞台。

自动对焦相机最早是佳能提出,然后由美能达发扬光大

相机对焦的第一个难题,在于如何解决对焦检测问题,也就是如何从人为判定相机对焦成功,变成相机自动识别对焦成功。自动对焦系统刚开始大规模应用于民用相机,是上世纪八十年代,当时的对焦系统分为两类系统,主动对焦检测和被动对焦检测。

所谓主动检测,就是相机本身发出超声波或者红外线等等,通过物理方式进行测距,类似于我们使用的雷达。相机内置信号发生设备,发出声波或者红外线,然后接受物体反射的信号,来检测相机距离被测物体的距离,从而依靠测定的距离进行自动对焦。

这些技术是主动对焦技术,这些技术的好处是在对焦检测不灵敏的时代,可以避免光线不好的情况下对焦失效,但是问题也在与此,遇到例如玻璃、或者会吸收红外线或者超声波的物体,主动对焦就无法正确判断距离了。

除了主动对焦检测,大家越来越发现,被动对焦检测其实是相对更加实用的,被动对焦检测,也是如今现代相机的对焦方式。说白了就是依靠镜头收集物体反射的光线信息,然后通过相机对物体的光线信息进行判定,从而判断是否合焦。

这种方式后来又分为了两种形式,对比度检测和相位检测。这两者的关系,我们会在随后为大家讲到。

从实际来看,对焦检测是相机相机迈向自动对焦的第一步,也是理论支持,也是任何一个公司想要发展对焦系统的前提和基础。有了对焦检测系统,自动对焦就需要进入第二个阶段,如何实现自动对焦。

这一过程的实现,比对焦判定来的更困难,经历了数十年的发展和改变,也是决定一个相机系统或者相机镜头对焦速度的重要因素。下一页,我们就来看一下对焦马达的发展概要。

对焦马达的进化 近代数码相机的焦点

相机能够判定对焦是第一步,所以有些胶片数码相机,虽然机身有对焦的合焦提示,但是并没有机身自动对焦功能,这很大一块是因为机身或者镜头并不具备对焦马达。相机需要一个工具,能够像人手一样推动镜头前后运动,实现对焦,这个工具,就是对焦马达。

最早的对焦镜头,以佳能和理光为例,并不是现在的设计,而是对焦检测组件和对焦马达都在镜头上,甚至于镜头上还带有了电池,为镜头提供对焦驱动力。在70年代,大部分自动对焦相机都是采用镜头内置对焦检测组件+对焦马达的方式,但是这种方式让镜头变得又大又沉。

不管怎么样,早期的马达真的是简单的对焦马达,而不是现代意义的镜头马达。

随后,大家为了推进对焦马达普及,采用了更多的策略,其中最重要的一项便是“变更卡口”。美能达为了自动对焦,从MD卡口变成了后来的A卡口,也奠定了美能达自动对焦相机的基础。

佳能在经过了早期的自动相机后,也改用了现在大家熟悉的EF卡口,其余厂商更不用多说,大部分现代卡口的奠定,与85年之后的自动对焦相机兴起有着很大的关系。当然,尼康并不愿意放弃数十年的F卡口,因此在很长时间内,尼康镜头的对焦马达都内置在了机身内。

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尼康在当时不换卡口,良好的兼容性得到了很大成功,但是后续发展上就缺乏竞争力了(F501是尼康第一台整合后的自动对焦相机)

相机马达,最早的马达就是大家熟悉的线性马达,如今在很多入门级镜头,例如佳能和尼康的老版本18-55mm上依然能够见得到。这类马达通俗来说就是微型电动机作为推动力,在运作时会发出“zeng zeng zeng”的声音。

这类马达结构简单,工艺成本低,是大量入门级镜头的首选,但是这类马达的推动力低下,很难推动大尺寸的长焦镜头或者大镜片的广角镜头,而且对焦速度慢,不适合在高端镜头上应用。

解决这一问题,数码相机迎来了最具重要性的设计原理:超声波马达。

超声波马达的原理这里不做过多介绍,但是超声波马达具有耗电低,扭矩大的特点,可以用很小的电量,快速且准确的推动大重量的对焦镜片组运动。超声波马达发展与上世纪80年代,在80年代末期开始得到应用,如今各家的马达基本都是超声波马达,具有环形/微型等不同型号,是现在最重要的对焦马达。

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超声波马达拆分开,核心部件就是这么一组组件

在近两年,高端镜头型号依然是坚守超声波马达阵地,但是一些入门级镜头,特别是APS-C套机镜头,逐渐开始使用步进式马达,佳能叫做STM马达,而尼康叫做AF-P马达,这类马达的特点是体积更小,而且对焦速度接近于超声波马达,这将是未来一段时间对焦马达的另一个发展方向。

国内对焦马达技术还处于日本厂商在90年代的起步水平,还有很长路要走

不管怎么说,相机马达是相机实现自动对焦的另一个层面。马达看似简单,实际上需要复杂的机械设计,而且对加工精度要求很高,特别是超声波马达,几乎仅有几家大公司有着成熟的技术支持。

国产相机要实现真正自主的对焦技术,马达方面是必须要攻克的技术难题。现在我们有着自己的对焦镜头,像永诺,像小蚁微单,但是并没有谁能够自主生产高规格对焦马达系统,所以真正意义上抗衡原厂,或者哪怕和腾龙适马甚至刚起步的三阳光学相媲美的对焦镜头,离我们都还有很长的时间差距。

相位检测与对比度检测 现代对焦系统的奠基者

对焦检测组件和对焦马达,是构成相机自动对焦系统的两大核心。但是只有核心还不够,我们知道现在的对焦系统很智能,可以单点对焦,可以多点对焦,可以单次对焦,也可能自动追焦,这都得得益于对焦检测系统的不断升级。

可以把对焦马达理解为自动对焦功能的“实践者”,那么对焦检测系统则是自动对焦功能的“指挥系统”。这套指挥系统的发展,经历了很长的过程,其中也淘汰了大量的厂商和产品。

对焦系统非常复杂,是相机中技术含量最高的组件之一

说到对焦检测的发展首先我们先要明白两套对焦检测系统。首先说一下相位检测,相位检测是单反系统上最常见的,也是胶片时代中二者的胜出者。简单来说,光线通过镜头之后,会分出一小部分传输到对焦组件上。

对焦组件会通过一个小光学镜片,将光线一分为二,通过电子元件将光线转化为电信号,对比两者的相对位置差异,达到符合的位置,就说明对焦合焦。相位对焦的特点是,我们可以判断出,相机对焦是出于前焦还是后焦,不用去猜测我们需要向什么位置进行对焦调整。

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相位对焦的优势在于,相机知道每次调整后的对焦状况

与相位对焦不同,对比度检测的方式,是通过连续的对焦侦测,找到画面中对比度最大的一个点,从而判断焦点。这套系统的优势在于,可以比相位检测更精准,机会不会出现对焦失误。

但是问题也在这里,我们需要不断侦测,相机并不知道现在的对焦状态是焦点太过于靠前,还是过于靠后,因此对焦速度要比相位对焦更慢,而且光线较弱的情况下对比度很低,对比度检测很难在弱光环境下实现对焦。

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对比度检测,相机并不知道每次的对焦位置,因此需要反复测试

可以说,相位检测对焦,奠定了现代单反相机的对焦基础,而对比度检测则奠定了卡片相机和微单的对焦基础。从实际应用来看,对焦系统还有一个问题,如何解决连续追焦问题。

连续追焦说白了就是对于运动物体的预判,判断物体的运动轨迹和运动方向,这里就要引出另一个对焦原理,十字型对焦点。

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追焦系统中,十字型对焦点非常重要,这也是为什么相位对焦模块追焦要比微单好很多

十字型对焦,顾名思义就是对焦检测模块中,一个对焦点的检测模块分成一个十字形状排列,这也是大家关注对焦时容易被忽略的问题。十字对焦点并不影响单点对焦的精准度,但是对追焦判定极为重要。

如今的对焦系统,其实依然并不完善,以至于很多旗舰型对焦系统,依然还是强调对焦点的覆盖面积和十字型对焦点覆盖面积。

对焦发展的很长一段时间,特别是相位对焦系统的发展,都将是以提升对焦点的数量,和改善追焦性能这两方面出发。

对于对焦系统来说,国产相机目前其实连像样的整机都没有,这一点来看,相机本身的对焦检测技术积累,对我们是不现实的。我们能做的还是从镜头出发,至于机身的层面,我们现在的主要技术都是集中在对比度检测上,对于相位检测技术,或者是混合对焦,对于国产相机厂商,还是陌生的领域。

实时取景对焦 现代相机的新挑战

在新时代,我们相机对焦遇到了一个新麻烦。在传统模式下,相位对焦不太适合安装在传感器上,这样一方面需要在传感器上埋点,一方面本身技术设计就比较麻烦。

所以在数码相机发展的开始十多年内,包括最近微单相机刚刚开始兴起,对比度检测都是实时取景,也就是卡片机/微单或者是单反实时取景拍摄下的唯一对焦手段。但是这种方法受制于对比度检测原理所限,对焦速度慢,追焦不给力,而且弱光下难以合焦。

但是微单注定是相机发展的下一个形态,所以解决实时取景下的对焦方案就是核心问题,从现有技术来看,最好的应用就是把相位对焦融入实时取景的对比度检测中,最常见的就好比索尼的混合对焦系统,随着像素提升,我们可以在相机上埋入更多的相位对焦检测点,这说白了还是依靠相位对焦的原理来提升微单的对焦性能。

所谓混合对焦系统,就是在传感器上安放相位对焦和对比度检测对焦。相位对焦是以埋点的形式出现,表现在对焦系统中,所有可以选择的对焦点(上图绿色点)就是埋入的对焦点。对焦点会占用像素,因此A9的传感器像素是2800万但是实际可用像素是2400万,多出来的400多万像素点就是被相位检测对焦系统所占用。

而对比度检测是依托于像素本身完成,因此以区域形式出现。两者协同工作,就构成了现在微单的核心对焦方式,混合对焦。

另一方面,相机领域像佳能推出了全像素双核,手机领域像三星也推出了全像素双核对焦,这是相位对焦的另一种形态。

传统的相位对焦需要“埋点”,也就是用相位检测点代替原有的像素点,而全像素双核则是依托于两个像素点来进行相对位置检测,原理是相似的,但是不用通过单独的光学镜片进行分光,只用像素来进行实现。

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另一个层面,全像素双核可以看作是相位对焦的改进版,也有利于提升对焦速度,但是追焦依然是传统的相位对焦模块更好

可以说,微单是相机发展的下一个形态,而微单相机中,对焦是重要的功能。未来的发展,微单的对焦形态是必不可少的竞争。

而对于单反相机,更多的对焦点,更多的十字型队的焦点,强化追焦性能,强化人脸识别,将会是传统对焦系统的发展方向。

虽然中国还没有自己的自主单反,但是微单相机国产化还是有希望的,所以或许我们可以弯道超车,在混合对焦系统上多下功夫,还是有希望在国产镜头或者国产机身上,看到中国制造的对焦系统的。

国产难题 卡口协议与马达制造

下面问题来了,中国相机发展也经历了很多年,从上世纪七十年代开始全面起步,到如今数码时代国产镜头再一次进入人们视线。

为什么中国不管是曾经一时辉煌的胶片相机,还是如今数码时代的国产镜头,生产自动对焦镜头都是件困难的事情,以至于到现在我们还没有自主的国产对焦系统,不管是对焦检测还是对焦马达。

首先,结合我们这篇文章中说到的,对焦系统主要分为两个部分:对焦检测组件和对焦马达。

对焦检测组件的核心是微电子技术,我们需要将光信号转化为可以侦测的电信号,然后对比,这一方面,一直是国产相机最弱势的部分。

纵观曾经辉煌的中国胶片相机市场,电子化始终是弱项中的弱项,也是最为短板的部分,从胶片时代到现在数码时代,对焦检测组件的制造技术依然掌握在少数企业手中,特别是相位对焦检测,中国企业的技术含量更少。

另外一个层面,对焦马达来看,对焦马达中最难制造的就是环形超声波马达。对焦马达的制造并不容易,我们需要马达兼具三个特点:高速、稳定、精确。这三点其实考验的并不全是研发实力,还有制造的精度和成品率。

现阶段的国产镜头厂商,还是多以小产线为特色,不具备高精度组装电子元件的可行性。

现阶段国产镜头的对焦马达还是有的,永诺有着最基础的线性马达自动对焦镜头,也就是我们说的“zeng zeng zeng”镜头。

这其实是对焦国产化的第一部,不过这一步其实并不容易,除了马达之外,还标志着一个问题开始解决,那就是卡口通信协议,我们只有获得卡口的通信协议,才能让对焦马达依照相机的对焦设定进行工作。

现阶段,相机的发展进入了白热化,对焦系统是各大相机厂商的重要战场。不管是对焦系统的进步,还是全新的无反对焦系统,都是影像大厂的努力方向。

对于国产厂商来说,国产镜头和国产数码相机刚刚起步,还摆脱不了模仿和学习。但是对于对焦技术来说,真正的核心技术是学不来的,必须经过长时间的研发和积累,才能形成自己的技术。

国产自动对焦,现在看来完全自主的国产对焦技术还是梦想,我们一来没有成熟的对焦检测组件,二来没有成熟的对焦马达加工技术。

如果我们需要实现国产镜头的自动化,从技术到生产上,依然还有着很长的路要走。但是,很长的路要走,并不代表我们没在进步,我们可以看到我们已经有了最入门阶段的对焦马达系统,有了最简单的卡口通信协议,但是未来我们要摆脱的,是这种入门状态,必须要向高端发展,才能让自动对焦技术,真正国产化。

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