1，反差對焦

作為最早的自動對焦技術(shù)，其技術(shù)原理是最簡單的，同時也是最自然的，因?yàn)槿搜蹖顾诘脑硪彩欠床钍健ㄟ^大腦對畫面的反差信息之判斷從而調(diào)節(jié)晶狀體的對焦。

“反差”的具體判斷原理為：當(dāng)物體不在焦內(nèi)時，畫面虛化成一個個彌散圓疊加在一起，此時彌散圓的半徑遠(yuǎn)大于點(diǎn)，因此亮度和對比度都低；而當(dāng)對焦準(zhǔn)確時，焦內(nèi)是一個個的點(diǎn)，畫面銳利因此對比度高。

也就是說，對焦不準(zhǔn)確之時整個畫面都是模糊的，沒有明顯的反差信息；而當(dāng)對焦準(zhǔn)確之時，焦點(diǎn)范圍圖像是最清晰的狀態(tài)，而焦點(diǎn)之外的區(qū)域則表現(xiàn)為模糊狀態(tài)，反差非常明顯。

判斷原理說完，那么具體的工作原理就很好理解了。當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)被拍攝物體時，對焦模組的馬達(dá)便會驅(qū)動鏡片從底部向頂部移動，在這個過程中傳感器會進(jìn)行全面檢測。

同時傳感器還會持續(xù)記錄所檢測到的對比度等反差數(shù)值，當(dāng)找到反差最大的位置后，運(yùn)動到頂部的鏡片便會回到這個位置從而完成最終的對焦。

在這個過程中，會看到取景框內(nèi)容有一系列的模糊清晰之反復(fù)變化過程，與此對應(yīng)的術(shù)語便是“拉風(fēng)箱”。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡單且成本低，但缺點(diǎn)也很明顯——耗時太長了！

2，相位對焦 / 激光對焦 / TOF 對焦

有趣的是，相位對焦（Phase Detection Auto Focus，簡稱為PDAF）技術(shù)其實(shí)也與人眼有關(guān)，只不過其相關(guān)的是“人眼測距”原理——雙眼由于位置不同故接收光線會形成視差從而得知物體遠(yuǎn)近。

根據(jù)這個人眼仿生原理，手機(jī)CIS會設(shè)置一些“掩蔽式相位對焦像素”，即有些像素上面的彩色濾光片會被屏蔽左一半或右一半，而這些左、右掩蔽式相位對焦像素便配成了一對從而得以模擬人眼檢測光信號的距離信息。

然后檢測到的信息會交給 ISP 計(jì)算相位差，最終計(jì)算結(jié)果出來之后就可以直接指引鏡片移動到合適的位置以完成合焦。由于這個過程是一步到位的，所以實(shí)際對焦速度明顯比反差式對焦更快。

那么具體的計(jì)算判斷過程如何呢？原來在合焦?fàn)顟B(tài)下，投影在感光區(qū)的光線距離是有既定數(shù)值且會對應(yīng)一部分配對的相位對焦像素點(diǎn)——此為事先設(shè)計(jì)好的焦點(diǎn)檢測基準(zhǔn)。

在此基礎(chǔ)之下，代表被攝物體距離偏近的前焦?fàn)顟B(tài)，其所投射之較小間距便會顯示波峰向中心偏移，而這個波峰的偏移量便是相位差。

根據(jù)波峰的偏移方向以及相位差信息，鏡片就會知道移動的方向以及移動的距離。同理，代表被攝物體距離偏遠(yuǎn)的后焦?fàn)顟B(tài)之工作方式照此反推即可

雖然這種對焦方式不需要來回試探，只需一次鏡片移動即可完成對焦，但為了提高對焦精度還是需要與反差對焦組合使用——先用相位對焦快速移動鏡片再以反差式對焦微調(diào)。

理論上來說，用于相位對焦的像素越多則對焦速度越快，但由于掩蔽式相位對焦像素不參與成像，所以增加過多的相位差檢測像素便會造成后期插補(bǔ)圖像信息困難，使得圖像畫質(zhì)下降。

此外，這些相位差檢測像素的數(shù)量瓶頸又限制了暗光環(huán)境對焦性能。為了解決暗光對焦問題，首先引入的是激光對焦傳感器——其能發(fā)射紅外光線進(jìn)行物理測距從而輔助對焦。

但是，這種采用意法半導(dǎo)體方案的激光對焦有距離限制（一般2米以內(nèi)），于是后面索尼就出場了。

索尼方案具體可分兩種，一種是原理與激光對焦一樣的 dTOF 方案。

索尼的 dTOF 功率更大適合遠(yuǎn)距離對焦，故很快便替代了意法半導(dǎo)體方案，成為各大旗艦首選。

另一種則是成本更高的 iTOF 鏡頭方案，其通過投射面光源，再積存反射光并檢測與光源的相位差，從而間接測定深度信息。

iTOF 方案雖然只適合中近距離對焦，但其卻有精度更高的優(yōu)點(diǎn)。

那些用在前置 3D TOF 人臉識別模組上的便是這種方案，另外一些老款頂級旗艦還會將其用在后置影像模組中參與混合對焦。

3，全像素雙核對焦 / “2×1 OCL”雙核對焦

雖然 TOF 方案可以輔助暗光對焦，但掩蔽式相位對焦在畫質(zhì)損失方面的缺點(diǎn)卻無法解決；為此基于雙PD共享 OCL（片上微透鏡）像素結(jié)構(gòu)的全像素雙核對焦技術(shù)，便登上了歷史舞臺。

其具體原理，就是讓這兩個 PD（光電二極管）組成全新形式的一對“眼睛”，再通過雙PD的“一開一合”獲得相位差檢測能力。且由于兩個PD的信息可以相加，因此得以消除相位差影響并最終獲得無損畫質(zhì)。

這樣結(jié)果就很明顯了，以往的掩蔽式相位對焦僅有少量的像素參與對焦，而這個雙核對焦直接就是全像素皆可對焦！關(guān)鍵其還能獲得全部的進(jìn)光量，使得暗光對焦性能也不會被削減！

也就是說全像素雙核對焦一問世，便直接解決了以往掩蔽式相位對焦所存在的對焦像素量少、畫質(zhì)易受損、暗光對焦性能弱等三大頑疾！一躍成為了當(dāng)年旗艦傳感器的首選對焦技術(shù)。

但全像素雙核對焦啥都好，就是有個很明顯的缺點(diǎn)——由于要放置兩個PD因此其像素尺寸不能太小，于是“2×1 OCL”雙核對焦就冒出來了。

也就是說有兩個像素共用了一個大的微透鏡，并以此組成一對“眼睛”進(jìn)行相位對焦。這樣不管像素尺寸有多小，只要有個大的微透鏡能罩住它倆，就能組成一種全新形式的“雙核對焦”。

“2×1 OCL”雙核對焦由于沒有掩蔽損耗，故其進(jìn)光量相較于掩蔽式相位對焦直接就翻倍了！

不過這些“2×1 OCL”像素并不參與成像，所以其只能和掩蔽式像素一樣部分存在于CIS上。雖然其各方面性能都比不上全像素雙核對焦，但這并不妨礙手機(jī)廠商故意將其簡稱為“雙核對焦”以蹭全像素雙核對焦的光。

那么在手機(jī)宣傳中該怎么分辨這兩種技術(shù)呢？其實(shí)很簡單，就看有沒有“全像素”這個前綴即可。

知識插補(bǔ)：Quad Bayer 排列

為了講清楚以下的對焦技術(shù)，這個知識點(diǎn)還是得補(bǔ)充一下的。如上圖所示，Quad Bayer 排列的每個顏色之濾片皆覆蓋了四個像素，感覺好像是 Bayer 排列的“放大版”。

實(shí)際確實(shí)如此，那為何要多此一舉呢？剛開始的時候，是因?yàn)橄袼爻叽缣V色片工藝跟不上，只能采用這種“曲線救國”的方式，順帶還能在營銷環(huán)節(jié)大肆吹噓一波。

后面隨著“卷大底”潮流盛行，大像素開始受到重視，這種情況就不復(fù)存在了，但其依然沒被淘汰——可見是有“真本事”的。下面就詳細(xì)講一下，其轉(zhuǎn)為高像素模式的工作原理。

首先，Quad Bayer 排列要進(jìn)行PD補(bǔ)償和壞點(diǎn)補(bǔ)償。然后由于所覆蓋的子像素位置不同，導(dǎo)致感光能力有一定差別，所以就需要引入 Crosstalk。

具體來說就是將全圖分成多個 ROI 方塊，然后計(jì)算各像素通道的能量并確定其補(bǔ)償數(shù)據(jù)，最終使用這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從而讓原本不均勻狀態(tài)的能量分布變得更為平衡。

落到實(shí)處的效果就是，Crosstalk 校準(zhǔn)補(bǔ)償可以去除由于信號差別造成的格子、鋸齒狀等色塊干擾——這種干擾現(xiàn)象在拍攝單一色塊時尤為明顯。

經(jīng)過這些補(bǔ)償操作后，就正式開始進(jìn)入 Remosaic 環(huán)節(jié)了，這個過程也分為三步。

第一步：利用插值算法，將 Quad Bayer Raw 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三組RGB數(shù)據(jù)。

第二步：再用將 RGB Image 轉(zhuǎn)Bayer的算法，將其分解為三組 Bayer Raw Image。

第三步：將三組數(shù)據(jù)合為正常的 Bayer 排列，并送到ISP進(jìn)行“去馬賽克”處理。

熟悉“去馬賽克”算法的朋友，看到這個 Remosaic 環(huán)節(jié)估計(jì)會很熟悉，畢竟有些步驟是一樣的。當(dāng)然，這只是最基礎(chǔ)的一套 Remosaic 算法。

后面隨著 Quad Bayer 技術(shù)的發(fā)展，索尼還研究出了其它更先進(jìn)的轉(zhuǎn)換排列算法。于是，低光照情況下像素合成以擴(kuò)展進(jìn)光量，高光照情況下轉(zhuǎn) Bayer 排列以獲得高解析力，就成為了這個技術(shù)的宣傳點(diǎn)。

但是，凡事有利必有弊，這個技術(shù)先天就有個明顯缺點(diǎn)——即采樣空間精度下降這個難題，畢竟 Bayer 陣列本來就是靠猜色插值來輸出圖像的！

4，全像素全向?qū)?/p>

隨著 Quad Bayer 技術(shù)的發(fā)展，索尼還拓展出了一種全新的對焦技術(shù)——直接用 Quad Bayer 排列的四個像素去對焦。

前面說到，“2×1 OCL”雙核對焦雖然可以應(yīng)對像素尺寸很小的傳感器，但在綜合性能方面卻明顯弱于全像素雙核對焦，那么有沒有兩全其美的方案呢？

這時候如果每一片微透鏡都能覆蓋四個像素，那么在 Quad Bayer 排列的加持下，那不就相當(dāng)于“全像素四核對焦”了嗎？

而且全像素雙核對焦還有個缺點(diǎn)，那就是在面對缺少圖案變化的拍攝物體時不太敏感，也就是說其橫向紋理對焦能力偏弱。

這就好像傳統(tǒng)單反上的“一字對焦點(diǎn)”，只能檢測豎向紋理，那要加強(qiáng)對焦性能該怎么辦呢？首先就是增加橫向紋理的對焦能力，從而組成“十字”對焦點(diǎn)陣列。

這時候如果一個微透鏡能夠覆蓋四個像素，那不就可以分割成左右、上下、斜向來檢測相位差嗎？而這就是所謂的“米字”對焦。

同時在暗光環(huán)境下，還可以利用“像素四合一”模式和全像素對焦特點(diǎn)最大程度地拓展進(jìn)光量，故其暗光對焦性能非常強(qiáng)。

不過，這個對焦技術(shù)有個很大缺點(diǎn)，那就是在微透鏡數(shù)量巨幅減少的情況下，切換到高像素模式時其解析力和默認(rèn)的像素合成狀態(tài)沒啥明顯區(qū)別。

這就是為什么采用局部“2×2 OCL”結(jié)構(gòu)的豪威OV64B（下圖左邊所示），能在長焦望遠(yuǎn)方面發(fā)揮大作用的根本原因。

那為什么全像素“2×2 OCL”結(jié)構(gòu)會讓高像素模式接近形同虛設(shè)呢？簡單來說可以回想全像素雙核對焦，有沒有因?yàn)閱蜗袼囟鄠€PD提高了解析力？

具體來說，則是又回到了 Quad Bayer 排列所面臨的采樣空間精度下降問題：本來濾色片這么玩就影響到解析力了，結(jié)果微透鏡還跟著這么玩！

總的來說還是歸因于算法不能憑空增加細(xì)節(jié)這個本質(zhì)，雖然如今在 AI 加持下高像素算法已經(jīng)很牛了，那么在像素結(jié)構(gòu)層面能不能有更好的方案呢？

5，全像素八核對焦

沒錯，最終的答案就是結(jié)合了 Quad Bayer 排列和單像素雙PD結(jié)構(gòu)的全像素八核對焦，如今索尼的頂級旗艦傳感器皆采用了這個技術(shù)。

按照索尼官方的說法，這個對焦技術(shù)最大的特點(diǎn)就是在進(jìn)行HDR拍攝時，長曝光、中曝光和短曝光的所有像素皆能獲取相位差。

這就是 QBC3-HDR 技術(shù)所展現(xiàn)的奇效，在對焦時可以不受目標(biāo)物亮度的影響，這在面對大光比場景時其對焦性能便能得到酣暢淋漓的發(fā)揮。

同時全像素八核對焦，還向下兼容全像素雙核對焦的所有優(yōu)點(diǎn)！此外在高像素模式解析力表現(xiàn)方面，相較于全像素全向?qū)挂灿忻黠@的先天優(yōu)勢。

但是，在全向?qū)剐阅芊矫嫫湟廊徊蝗缛袼亍?×2 OCL”結(jié)構(gòu)，雖然其綜合表現(xiàn)已經(jīng)非常極致了。

于是為了最牛的視頻錄制對焦性能，蘋果便向索尼定制了手機(jī)界獨(dú)一無二的，全像素八核對焦結(jié)合掩蔽式相位對焦之超級復(fù)合對焦技術(shù)。

但果子此舉就沒有副作用嗎？答案顯然是否定的。因?yàn)槠溲诒问较辔粚瓜袼氐拿芏群芨?，這對于拍照的解析力表現(xiàn)而言非常不利。

當(dāng)然，大家都知道果子真正關(guān)心的還是視頻錄制性能，所以這個對焦方案對于拍照解析力的影響對其而言并無大礙，本來這世上就沒有真正完美的技術(shù)方案。

和果子一樣在視頻錄制對焦性能方面出奇招的，還有那款曇花一現(xiàn)的華為定制傳感器IMX608，其負(fù)責(zé)對焦的像素結(jié)構(gòu)如下圖所示非常特別。

具體來說就是在像素十六合一模式下，斜向相連的那八個掩蔽式像素每兩對合成一組相位對焦結(jié)構(gòu)，這像不像普通的掩蔽式相位對焦像素對？

要知道IMX608的原生像素尺寸為1.12微米，那么十六合一后就是巨大的4.48微米了！這種級別的掩蔽式相位對焦，無論是暗光對焦性能還是錄像對焦性能皆會有出色表現(xiàn)。

其實(shí)三星傳感器也有全像素八核對焦，只不過其又發(fā)展出了另一種特色技術(shù)方案——即綠色子像素通過斜切的光電二極管獲得全向?qū)鼓芰Α?/p>

總結(jié)：

 ①，反差對焦（CDAF）——功能機(jī)時代就存在的古老技術(shù)，可以精準(zhǔn)找到對比度最高的對焦點(diǎn)并自動對焦，技術(shù)簡單成本低但是耗時過長。

②，掩蔽式相位對焦（PDAF）——由iPhone6系列首發(fā)，能夠根據(jù)相位差信息計(jì)算出對焦點(diǎn)從而快速對焦，缺點(diǎn)是對焦性能受限于對焦像素數(shù)量、暗光對焦性能弱和掩蔽式結(jié)構(gòu)有損畫質(zhì)。

③，全像素雙核對焦（Dual PD）——由三星S7系列首發(fā)，通過全像素雙PD結(jié)構(gòu)一舉解決了 PDAF 的全部缺點(diǎn)，但橫向紋理檢測能力弱。

④，“2×1 OCL”雙核對焦（Dual PDAF）——由OPPO R9s系列首發(fā)，通過部分不參與成像之共享微透鏡的雙像素獲得相位對焦能力，暗光對焦性能雖然比 PDAF 強(qiáng)但其它缺點(diǎn)兩者皆一樣。

⑤，全像素全向?qū)梗?×2 OCL）——由OPPO Find X2 Pro首發(fā)，通過 Quad Bayer 排列四像素共享大微透鏡的結(jié)構(gòu)，獲得極致暗光對焦性能和全向?qū)鼓芰?，缺點(diǎn)是高像素模式接近形同虛設(shè)。

⑥，全像素八核對焦（Octa PD）——由華為P40系列首發(fā)，通過 Quad Bayer 排列和 Dual PD 的結(jié)合，在高像素模式解析力無憂情況下還額外擁有超牛HDR對焦能力，但橫向紋理檢測能力弱。