本文发表在 rolia.net 枫下论坛分析佳能对焦原理和跑焦原因
云淡风清
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入手350D三周了，除了刚买的第二天正是拍了一些照片，其它都是乱拍和测试跑焦。我是第一次玩单反，为350D配了个18-125，结果出现了严重的跑焦问题，由于严重到不能正常拍照，于是便专心研究起跑焦问题来了。由于工作关系，我暂时没机会换镜头试试跑焦问题，但读了很多网友和资深关于佳能跑焦的讨论后，觉得各有各的道理，但不能完全解释与跑焦有关的所有现象。在对相机对焦时的动作进行多次观察和研究了AF的原理后，得出了一个新的想法：佳能AF对焦系统其实不是闭环的！
简单解释就是：AF检测装置测出实际焦点离正确位置还有多远（测量AF检出器件脉冲间距），然后发指令，让镜头变焦机构动作，而镜头电机驱动的时间（也可能是圈数）是根据机身发出的指令决定的，在镜头变焦工作时，AF检测装置不工作，镜头变焦环会停在机身指令指定应该停留的位置。这个过程显然是一个完整的开环过程！简单来说就是测出焦点的偏离大小，根据大小换算成镜头变焦环应该转的角度。当然这焦点偏移和镜头变焦环角度之间的关系比较复杂，要考虑镜头的焦段和其它因素。这种开环是AF系统的优点是：反应极快，不拖泥带水。
估计所有人此时都会说：镜头种类这么多，特性各不相同。这样能对准吗？当然这种方式会有比较大的误差。但有一只镜头和机身刚好在这种AF系统下能完美配合也不是不可能的。
显然佳能不会这么放心采用这种开环AF方式。但经过这个对焦动作后焦点的误差确实会大大减少。那既然这种AF方式反应快，为什么不再动作一次呢？于是AF系统再次启动，测焦，发出指令，镜头变焦机构工作，对焦结束。由于第二次变焦环转动角度很小，而且几乎在第一次对焦结束后立即开始第二次对焦，于是基本上感觉不出AF系统其实已经工作了两次。但我感觉到了。因此姑且认为佳能AF系统一般每次对焦都是这么工作两次。如果AF检测到经过两次动作还有很大的误差，系统会第三次工作甚至更多。
在每次AF系统工作时系统处于开环状态，两次开环工作可以减少误差，如果无数次开环就变成闭环了。由于次数少，我认为这仍然是开环系统。这也许就是佳能单次AF的工作原理。这也解释了佳能AF系统特有的问题：跑焦。跑焦是镜头和机身以及佳能AF系统配合不完美造成的。跑焦来源于镜头变焦机构对机身指令的增益误差造成的。这解释了为什么调跑焦可以调机身，也可以调镜头。因此佳能这种AF系统在快速和准确之间不能完美协调，佳能似乎更偏重于快速。跑焦一定是既可能往前跑，也可能往后跑，每次都可能不一样。如果只往一边跑，就是焦点漂移。
而关于镜头不同焦段跑焦不一样的原因也很简单：同一镜头不同焦段对变焦指令的增益不一样或机身指令与这个镜头的这个焦段配合不好。由于这种AF系统是开环系统，因此不同镜头会有不同的跑焦表现。如果是闭环系统就可以彻底消除镜头和机身离散性带来的影响，可惜。可能改善跑焦的方法:每次对焦都多半按快门几次，可以减少误差。买镜头时带相机去选。如果这样还是跑，而且肯定往一边跑，那一定是相机发生焦点偏移了，不是跑焦。
附上我画的跑焦示意图
这种AF系统其实还有改进的余地，本人想出了一个方法：机身和镜头自动校准功能。每次换镜头之后，机身和镜头校准一次，校准变焦指令和镜头变焦机构的增益。方法是以一串最短指令组成的变焦指令驱动镜头变焦机构，AF系统工作尽可能多的次数，直到合焦，机身CPU描绘出指令和镜头变焦之间的曲线，以后指令就按这个曲线来发。当然这只能在一个焦段上很准确，但已经不错了。
因此从原理上讲，佳能有跑焦问题，尼康不会有跑焦问题（尼康采用闭环反馈AF系统），但都会有焦点飘移问题。由于20D也有发现有跑焦问题，估计也是采用这种AF方式，也许是网友把焦点漂移当成跑焦了。而佳能更高级的型号可能利用电子器件和CPU性能的提升来实现AF系统闭环反馈工作方式，从而彻底消除跑焦问题。
闭环反馈系统也可能出现跑焦。反馈系统的阻尼系数在根号2时比较好，但镜头变焦部分对指令的灵敏度和指令与AF感应器之间的比例关系影响了阻尼系数，过灵敏可能会降低阻尼系数，不灵敏会加大阻尼系数。欠阻尼会使焦点在正确位置附近做阻尼振荡，会来回跑，要比较长时间才能对准，欠阻尼则会加大合焦所需时间。但为了尽快合焦和对不同镜头的适应能力，厂家可能把合焦误差放得比较大。非DSLR数码相机对焦准，可是对焦慢可能就是这个原因。
关于自动校准镜头，目的是自动调整AF感应器到镜头变焦马达之间的增益，使得即使一次开环对焦也能对很准。机身内部可能还可以把几个镜头的曲线存起来，换镜头后只要调用相应的曲线就可以了。还有一个比较简单的方法，就是允许用户微调变焦增益，也就是说让用户自己调跑焦。估计佳能调跑焦就是这个原理。
通常镜头里电机只有停和开两种状态，故对焦曲线是直线，估计机身根据焦点偏差的距离算出驱动镜头所需的时间，然后发出指令。跑焦就是时间和镜头实际情况配合误差偏大造成的。机身调跑焦可能就是调整计算时间的偏差。镜头调跑焦就是调整曲线的斜率了，也就是电机转速。因此解释了机身和镜头调跑焦的原理。希望是正确的。还有佳能设定的合焦范围过大也是跑焦的原因之一。更多精彩文章及讨论，请光临枫下论坛 rolia.net
云淡风清
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入手350D三周了，除了刚买的第二天正是拍了一些照片，其它都是乱拍和测试跑焦。我是第一次玩单反，为350D配了个18-125，结果出现了严重的跑焦问题，由于严重到不能正常拍照，于是便专心研究起跑焦问题来了。由于工作关系，我暂时没机会换镜头试试跑焦问题，但读了很多网友和资深关于佳能跑焦的讨论后，觉得各有各的道理，但不能完全解释与跑焦有关的所有现象。在对相机对焦时的动作进行多次观察和研究了AF的原理后，得出了一个新的想法：佳能AF对焦系统其实不是闭环的！
简单解释就是：AF检测装置测出实际焦点离正确位置还有多远（测量AF检出器件脉冲间距），然后发指令，让镜头变焦机构动作，而镜头电机驱动的时间（也可能是圈数）是根据机身发出的指令决定的，在镜头变焦工作时，AF检测装置不工作，镜头变焦环会停在机身指令指定应该停留的位置。这个过程显然是一个完整的开环过程！简单来说就是测出焦点的偏离大小，根据大小换算成镜头变焦环应该转的角度。当然这焦点偏移和镜头变焦环角度之间的关系比较复杂，要考虑镜头的焦段和其它因素。这种开环是AF系统的优点是：反应极快，不拖泥带水。
估计所有人此时都会说：镜头种类这么多，特性各不相同。这样能对准吗？当然这种方式会有比较大的误差。但有一只镜头和机身刚好在这种AF系统下能完美配合也不是不可能的。
显然佳能不会这么放心采用这种开环AF方式。但经过这个对焦动作后焦点的误差确实会大大减少。那既然这种AF方式反应快，为什么不再动作一次呢？于是AF系统再次启动，测焦，发出指令，镜头变焦机构工作，对焦结束。由于第二次变焦环转动角度很小，而且几乎在第一次对焦结束后立即开始第二次对焦，于是基本上感觉不出AF系统其实已经工作了两次。但我感觉到了。因此姑且认为佳能AF系统一般每次对焦都是这么工作两次。如果AF检测到经过两次动作还有很大的误差，系统会第三次工作甚至更多。
在每次AF系统工作时系统处于开环状态，两次开环工作可以减少误差，如果无数次开环就变成闭环了。由于次数少，我认为这仍然是开环系统。这也许就是佳能单次AF的工作原理。这也解释了佳能AF系统特有的问题：跑焦。跑焦是镜头和机身以及佳能AF系统配合不完美造成的。跑焦来源于镜头变焦机构对机身指令的增益误差造成的。这解释了为什么调跑焦可以调机身，也可以调镜头。因此佳能这种AF系统在快速和准确之间不能完美协调，佳能似乎更偏重于快速。跑焦一定是既可能往前跑，也可能往后跑，每次都可能不一样。如果只往一边跑，就是焦点漂移。
而关于镜头不同焦段跑焦不一样的原因也很简单：同一镜头不同焦段对变焦指令的增益不一样或机身指令与这个镜头的这个焦段配合不好。由于这种AF系统是开环系统，因此不同镜头会有不同的跑焦表现。如果是闭环系统就可以彻底消除镜头和机身离散性带来的影响，可惜。可能改善跑焦的方法:每次对焦都多半按快门几次，可以减少误差。买镜头时带相机去选。如果这样还是跑，而且肯定往一边跑，那一定是相机发生焦点偏移了，不是跑焦。
附上我画的跑焦示意图
这种AF系统其实还有改进的余地，本人想出了一个方法：机身和镜头自动校准功能。每次换镜头之后，机身和镜头校准一次，校准变焦指令和镜头变焦机构的增益。方法是以一串最短指令组成的变焦指令驱动镜头变焦机构，AF系统工作尽可能多的次数，直到合焦，机身CPU描绘出指令和镜头变焦之间的曲线，以后指令就按这个曲线来发。当然这只能在一个焦段上很准确，但已经不错了。
因此从原理上讲，佳能有跑焦问题，尼康不会有跑焦问题（尼康采用闭环反馈AF系统），但都会有焦点飘移问题。由于20D也有发现有跑焦问题，估计也是采用这种AF方式，也许是网友把焦点漂移当成跑焦了。而佳能更高级的型号可能利用电子器件和CPU性能的提升来实现AF系统闭环反馈工作方式，从而彻底消除跑焦问题。
闭环反馈系统也可能出现跑焦。反馈系统的阻尼系数在根号2时比较好，但镜头变焦部分对指令的灵敏度和指令与AF感应器之间的比例关系影响了阻尼系数，过灵敏可能会降低阻尼系数，不灵敏会加大阻尼系数。欠阻尼会使焦点在正确位置附近做阻尼振荡，会来回跑，要比较长时间才能对准，欠阻尼则会加大合焦所需时间。但为了尽快合焦和对不同镜头的适应能力，厂家可能把合焦误差放得比较大。非DSLR数码相机对焦准，可是对焦慢可能就是这个原因。
关于自动校准镜头，目的是自动调整AF感应器到镜头变焦马达之间的增益，使得即使一次开环对焦也能对很准。机身内部可能还可以把几个镜头的曲线存起来，换镜头后只要调用相应的曲线就可以了。还有一个比较简单的方法，就是允许用户微调变焦增益，也就是说让用户自己调跑焦。估计佳能调跑焦就是这个原理。
通常镜头里电机只有停和开两种状态，故对焦曲线是直线，估计机身根据焦点偏差的距离算出驱动镜头所需的时间，然后发出指令。跑焦就是时间和镜头实际情况配合误差偏大造成的。机身调跑焦可能就是调整计算时间的偏差。镜头调跑焦就是调整曲线的斜率了，也就是电机转速。因此解释了机身和镜头调跑焦的原理。希望是正确的。还有佳能设定的合焦范围过大也是跑焦的原因之一。更多精彩文章及讨论，请光临枫下论坛 rolia.net