自动对焦（AF）是摄影史上最重要的进步之一。从 1977 年首款自动对焦相机柯尼卡 C35 AF，到首款真正意义上的自动对焦可换镜头相机美能达 Maxxum 7000，自动对焦技术不断发展。尽管手动对焦仍有其忠实拥趸 —— 尤其是在微距、风光或复古摄影等需要深思熟虑的领域，但自动对焦已成为大多数现代摄影师的默认选择。

无论是捕捉转瞬即逝的表情、快速移动的野生动物，还是电影级的视频片段，自动对焦系统都旨在让被摄体保持清晰、反应灵敏且呈现准确。但在这种便捷背后，是相机的检测系统与镜头内置马达之间复杂的相互作用。

要理解自动对焦的工作原理，以及为何有些系统在特定场景中表现出色而另一些则不尽如人意，我们必须探究相机如何确定对焦位置，以及镜头如何实际执行这一指令。这两个组件协同工作，其中一个的有效性往往取决于另一个的精度。自动对焦并非单一的系统，而是由光学、电子和机械过程构成的分层架构，不同品牌、甚至不同镜头之间都存在差异。

基于相机的自动对焦系统

自动对焦过程的前半部分发生在相机机身内部。在这里，系统通过各种检测策略分析场景并测量清晰度，从而 “决定” 对焦位置。

对比度检测自动对焦

对比度检测是最直观且在数学上最简单的自动对焦方法。它基于一个大家熟悉的原理：最清晰的图像是局部对比度最高的图像，就像人们眯起眼睛对焦时的感受一样。

在采用这种方法的数码相机中，传感器通过测量相邻像素之间的亮度差异来评估对比度。随着对焦变化，对比度会逐渐增加直至达到峰值。此时相机停止对焦，因为它已确定达到了最大清晰度。这个过程是迭代且非预测性的，镜头必须越过最佳对焦位置再返回，以确认找到最清晰的对比度点。

虽然在静态场景中精度很高，但对比度检测在速度上存在不足。由于它无法预先知道镜头需要移动的方向和距离，在低光环境或拍摄低对比度被摄体时，经常会出现 “对焦 hunting（反复搜索）” 现象。这可能导致在动作摄影中出现延迟，错失对焦瞬间。不过，这种方法的精度使其在拍摄静态被摄体、 studio 工作或视频场景中很有价值，因为在这些情况下，精度比速度更重要。

相位检测自动对焦

相位检测自动对焦将对焦转化为一个几何问题。与对比度检测在移动镜头后评估清晰度不同，相位检测在开始移动镜头之前，就能估算出所需的移动方向和幅度。这种预先计算使相位检测的速度快得多。

在单反系统中，相位检测通常涉及位于相机机身内的一个独立 AF 模块，它利用反光镜和分光镜将部分入射光导向专用传感器。在无反系统中，相位检测像素直接嵌入图像传感器中。这使得相机能够同时捕捉图像和分析对焦情况。

该系统的工作原理是比较从镜头两侧投射的两个版本的图像。当这两个投影同相时，图像即处于对焦状态。如果它们不同相，系统能立即判断镜头需要移近还是移远，以及大致的移动量。这种速度和方向性使相位检测非常适合拍摄快速移动的被摄体和进行连续自动对焦追踪。

然而，在单反结构中，相位检测容易出现校准误差。由于 AF 传感器和图像传感器在物理上是分离的，可能会出现轻微的对齐偏差，即所谓的前对焦或后对焦。带有传感器上相位检测的无反系统在很大程度上解决了这个问题，将精度与速度结合起来。

混合自动对焦

认识到对比度检测和相位检测的互补优势后，许多制造商现在将这两种技术结合成混合系统。在这些系统中，相位检测提供快速的粗略对焦估计，而对比度检测则对结果进行细化，以实现精确的清晰度。

这种协同作用减少了对焦搜索，同时保持了精度，已成为大多数现代无反相机的标准方法。混合系统在视频自动对焦中尤其有效，因为平滑的过渡和准确的追踪至关重要。这些技术的融合还能在更广泛的拍摄场景中提供更好的性能，从高速运动到安静的采访都适用。

佳能双像素自动对焦

佳能的双像素 CMOS 自动对焦（DPAF）是一种独特的（且专有的）相位检测实现方式，完全依赖于图像传感器。佳能没有专门分配部分像素用于相位检测，而是将传感器上的每个像素分成两个光电二极管。这些双光电二极管各自从略有不同的角度收集光线，使每个像素都能充当自己的微型相位检测器。

由于几乎每个像素都同时参与图像创建和对焦检测，DPAF 实现了近乎 100% 的 AF 覆盖范围和非常流畅的被摄体追踪。该系统在视频领域特别有价值，它能够跟随被摄体进行复杂的运动而不会出现对焦搜索或跳动，因此广受赞誉。这也是佳能 C 系列电影机在纪录片和真人秀拍摄中极为流行的原因。它在静态摄影中也非常有效，尤其是在涉及不可预测运动的连续对焦场景中。

佳能不断改进这项技术，推出了双像素 CMOS AF II，增加了改进的物体识别、眼部追踪，甚至动物检测功能。DPAF 的优势不仅在于速度或精度，还在于它在实时录制过程中调整对焦的流畅、自然方式 —— 这是传统系统历来难以实现的。

松下离焦深度（DFD）

松下在其许多微四分之三和早期全画幅机型中缺乏传感器上相位检测，因此开发了一种完全不同的自动对焦系统，称为离焦深度（DFD）。这种方法依赖于计算建模，而不仅仅是相位比较或对比度评估。

DFD 的工作原理是分析快速连续拍摄的两张失焦图像。通过将这些帧的模糊特征与内置的镜头配置文件数据库进行比较，相机估算出被摄体距离和所需的镜头移动量。该系统比纯对比度检测更快，但在拍摄视频时确实存在一些抖动和奇怪的过渡。

然而，由于其依赖镜头特定数据，DFD 与原生松下镜头配合使用时性能最佳。当与第三方或转接镜头一起使用时，结果可能不一致。此外，在快节奏环境中，DFD 的精度和追踪性能无法与先进的相位检测系统相比（这也是最近的松下相机转向混合检测的原因）。

基于 AI 的自动对焦和被摄体识别

越来越多的现代自动对焦系统与人工智能相结合。这些系统不仅能基于对焦指标，还能通过模式识别和预测学习来检测并优先处理特定被摄体 —— 人脸、眼睛、动物、车辆等。这些算法分析视觉数据，并对场景中哪个部分应该保持清晰做出具有上下文感知的决策，即使被摄体部分被遮挡或运动不可预测。

索尼、佳能和尼康在其旗舰无反相机中都采用了先进的被摄体识别自动对焦系统。索尼 A1、佳能 R3 和尼康 Z9 使用经过大量数据集训练的机器学习模型，通过被摄体的形状、行为和运动模式来识别它们。这些系统能够区分飞行中的鸟和骑自行车的人，实时动态调整对焦区域。

AI 自动对焦不仅使追踪更准确，还更直观。它让摄影师可以专注于时机和构图，相信相机将处理技术精度方面的问题。

基于镜头的自动对焦系统

虽然相机决定对焦位置，但镜头负责执行这一决定。镜头内的自动对焦马达物理移动内部元件以调整焦平面。这些马达在性能、噪音和视频兼容性方面差异很大。

微型马达

微型马达 —— 通常是简单的直流马达 —— 代表了最早一代的自动对焦机制。它们使用基本的齿轮传动装置，缓慢地将对焦元件旋转到所需位置。这些马达往往噪音大、不精确且速度慢，尤其是在入门级镜头中。它们通常也不支持全时手动对焦覆盖，这意味着切换到手动对焦需要拨动开关，否则可能损坏马达。

尽管价格低廉，对普通用户来说还算可用，但微型马达在很大程度上已被更先进的替代品所取代。

超声波马达（USM、SWM、HSM、SSM）

超声波马达在 20 世纪 90 年代彻底改变了自动对焦，并仍然是专业镜头中的主流。这些马达使用高频超声波振动来驱动运动。佳能的 “USM”、尼康的 “SWM”、适马的 “HSM” 和索尼的 “SSM” 都是这一原理的不同实现。

超声波马达主要有两种类型：环形和微型。环形 USM 马达功率更大，通常用于高端长焦或变焦镜头。微型 USM 马达更小、更便宜，但效率较低。

超声波马达因其速度、扭矩和近乎静音的操作而备受青睐。它们还支持全时手动对焦覆盖 —— 用户可以随时抓住对焦环而无需切换模式。这些特性使它们在野生动物、体育摄影以及任何需要谨慎和快速响应的场景中特别有用。

步进马达（STM）

步进马达（或 “步进电机”）以精确的步长逐步移动镜头元件。这种刻意的运动带来了非常平滑和安静的对焦过渡，使 STM 镜头在视频拍摄者中特别受欢迎。

在静态摄影中，STM 可能比超声波马达稍慢，尤其是在从近处对焦到远处时。然而，对于人像、风光和大多数普通摄影，性能差异可以忽略不计。对于视频，STM 具有明显优势，因为它产生的对焦噪音更小，对焦过渡更自然。

佳能是最早在其 EF-S 和 EF-M 镜头中采用 STM 的厂商之一，随后尼康在其 AF-P 系列中采用，索尼也在多款 E 卡口设计中使用。

线性马达

线性马达完全摆脱了旋转运动。这些马达不通过转动齿轮或旋转螺丝，而是利用电磁推进力使对焦组沿直线轨道直接移动。这种方法实现了瞬时加速、近乎即时停止和零可察觉延迟。

线性马达的安静操作和高精度使其非常适合高速摄影和电影级视频。富士、索尼和适马现在在其高端镜头中大量使用线性马达。例如，索尼 70-200mm f/2.8 GM OSS II 使用四个 XD（极端动态）线性马达独立驱动对焦组，实现了变焦镜头中前所未有的最快自动对焦性能。

这些马达还能实现更好的防尘防水性能和紧凑的结构，这在无反系统中至关重要，因为在无反系统中，尺寸和重量比以往任何时候都更关键。

音圈马达（VCM）

音圈马达是另一种形式的线性马达，类似于音频扬声器中使用的技术。它们利用线圈和固定磁体产生的磁场来移动对焦元件。由于它们能够平滑且安静地调整位置，非常适合带有小型对焦组的镜头，如紧凑型定焦镜头或微距镜头。

奥林巴斯和索尼已在部分镜头中尝试使用 VCM，它们的紧凑性和精度使其非常适合连续 AF 或高速连拍。

压电马达

压电马达使用在施加电压时会轻微膨胀或收缩的材料。这些细微的运动可以高精度、低噪音地驱动镜头元件。虽然不太常见，但压电马达为工程设计提供了另一种工具，特别是在空间和振动阻尼至关重要的小众或专业光学设备中。

结论

自动对焦不再仅仅是一种便利，而是摄影师与被摄体互动方式的基本方面。从相位检测的快速计算到对比度检测的刻意细化，从佳能优雅的双像素设计到松下独特的 DFD 方法，自动对焦技术如同支持它们的镜头和机身一样多种多样。在机械方面，微型马达、超声波马达、步进马达、线性马达或音圈马达的选择会影响从速度到声音再到触感的方方面面。

随着相机系统的发展，自动对焦仍然是激烈创新的领域。了解这些系统 —— 不仅是它们是什么，还有它们如何工作 —— 使摄影师能够在设备和技术方面做出更明智的决策。在一个日益被速度、自动化和 AI 主导的世界中，清晰地了解对焦工具对于专注于图像本身至关重要。