自动对焦（AF）是判断相机好坏的重要指标，主要从准确度和速度两个方面来进行考察。

一、凸透镜成像原理

如图所示：凸透镜成像与离焦。物距u决定像距v，感光面固定不动，像面一旦不落在感光面上就产生弥散圆。把镜片（或CMOS）沿光轴移动Δ，使像面与感光面重合，即完成对焦。

对焦的物理基础是薄透镜成像。设焦距为f，物距为u，像距为v，三者满足：

1/f=1/u+1/v→v=u·f/(u-f)

由这个式子可以直接读出三条结论：

物距变，像距就得跟着变。u变小（物体靠近），v变大（像面向后跑）；u变大（物体远离），v变小。只有u→∞时，v才恰好等于f。

感光面是固定的，像面是移动的。CMOS焊在模组里不会自己动（除少数带sensor位移防抖/对焦的机型），所以物距一变，像面就落到CMOS前面或后面，形成离焦——一个物点被摊成一个圆斑，即弥散圆，图像变糊。

对焦的本质就是让像面与感光面重合。手段只有两种：移动镜片组（改变镜片与CMOS的相对距离，即“镜筒伸出量”），或者直接移动CMOS。

换句话说，自动对焦真正要控制的物理量，就是镜片（或sensor）需要移动的方向和距离。后面所有算法，区别只在于“怎么把这两个量算出来”。

二、三种对焦方法

既然公式已经把“距离”和“镜片位移”绑在一起，那么最直接的想法就是：给相机装一个测距仪。测距仪精度越高，镜头位移算得越准，成像就越清晰。在这个思路驱动下，主动式对焦应运而生——在大部分不计成本的领域（工业、军工、专业设备），主动式对焦一直很受欢迎。

但在很多场合，尤其是民用市场，给相机装一个高精度测距仪代价太高。有没有别的办法？有——就是物理实验里最朴素的那种：穷举试探。让镜头与CMOS之间的距离不断变化，总能找到成像最好的那个位置。这就是被动式对焦：不额外测距，直接拿入射光本身做判断。它主要包括两个分支：以额外硬件为代价的相位法，和纯靠软件的对比度法。

目前主流的自动对焦方案大致有三种：CDAF、PDAF和Laser Assist AF。前两种属于被动式——相机不需要额外的探测手段，直接用入射光线判断；第三种属于主动式——需要激光辅助探测。

1.CDAF（Contrast Detection Auto Focus，反差/对比度检测对焦）

CDAF的核心假设只有一句：对焦成功时，相邻像素之间的对比度最大。它是所有方案里光学设计最简单的一种——不需要分光、不需要特殊sensor，只要能把图像读出来做统计就行。

做法是：在画面里取一个对焦框（或干脆只取一行像素），统计这一区域各像素的亮度，用最亮与最暗的差值作为“对比度”的度量；然后移动镜片，看这个差值怎么变。

关键在于——它不知道峰值在哪，也不知道该往哪边走。失焦时对比度低；往对的方向移动，曲线逐渐变陡；但它无法判断什么时候到顶，只能越过峰值、看到曲线下降，才知道“刚刚过头了”，再往回退。反复几次后得到曲线上的一个局部梯度最大值，就认为对焦成功。

如图所示，CDAF原理：①取对焦框内（或一行）像素；②统计每个像素的亮度；③用最亮−最暗的差值作为对比度，绘制“对比度–镜头位置”曲线；④单向扫描，越过峰值发现曲线下降后回退到峰值处。

优点：

光学设计简单——不分光、不需要专用sensor，成本最低。

缺点：

速度慢。面对失焦图像，机器无法判断该移动多少，甚至不知道往哪个方向移动镜头才能聚焦；到了峰值也不知道，必须移动过了以后再往回走，来回几次才能落到对焦点上。

低对比场景会失败。物体本身对比度低时（雪景、无云的蓝天、各种纯色表面），亮度差始终很小，曲线几乎是平的，无从判断峰值在哪。

2.PDAF（Phase Detection Auto Focus，相位检测对焦）

2.1 单反上的光路

相位对焦最早用在单反上，也是目前最常用的被动式方案，但它的光学通路相对复杂。

拍照前，白色入射光先被一块45°的主反光镜拦截：一部分向上分光到对焦屏，供取景预览和AE测光使用——此时取景器里看到的画面与最终拍到的是一致的；剩下的光穿过主反光镜，被下方的副反光镜折向底部的AF模块。按下快门时反光镜抬起，光才直达主CMOS。

如图所示，单反相位对焦的光路与AF模块。左：45°主反光镜把光分向对焦屏（预览/AE）与副反光镜，后者再把光折向AF模块；右：AF模块中成对的微透镜＋一维线阵（CCD1/CCD2）构成一个对焦点，两路光各自成峰，峰的位置差就是相位差。

2.2 相位差如何变成“方向和距离”

失焦时，红光与绿光（可理解为通过光瞳左右两侧的两束光）在传感器上的位置是错开的，两路信号的“峰”无法对齐；而画面中央其实是一个硬币之类的目标，为了方便观察，通常把它抽象成一个黑色背景上的白点，真实的信号曲线要复杂得多。当移动主镜头时，两路光的相位会慢慢靠近，直至完全重合——重合即对焦成功。

在图像处理中，识别相位重合的方法有很多，互相关（Cross-correlation）就是其中一种：把两路一维信号做相关运算，相关峰最大的位移量就是相位差。由于相位差可以准确换算出主镜头需要移动的方向与距离，PDAF比只能试探的CDAF快得多。

如图所示，前焦、后焦时两路信号的峰错开，合焦时两峰重合。相位检测只测“偏移量”——它给出的信号是“焦点准/不准，偏多少、偏向哪侧”，对焦系统据此直接驱动镜片一次到位，无需试探。

2.3 手机上的PDAF：拿sensor做文章

由于对焦速度快，PDAF在2014年左右被全面引入手机。但手机上根本没有足够空间实现单反那样复杂的光学通路（反光镜、副反光镜、独立 AF 模块都放不下），于是业界就从sensor本身下手：

在原有的(a) Bayer CFA sensor基础上，把一部分G像素替换成(b) PD像素（像素上做半遮挡，只让一侧光线进来），整片sensor就变成了(c) PDAF sensor。这样无需改变原有光学通路，直接用这些PD像素对算出的相位差来移动镜头即可。

代价是：这些被PD像素取代的像素点必须根据周围像素的值做补偿，具体补偿方式由各家ISP厂商决定。

如图，手机PDAF的sensor改造。Bayer CFA 阵列中两个G被替换成一对左右半遮挡的PD像素，整片sensor因此具备相位检测能力；被遮挡像素的值由ISP依据邻域补偿。

优点：

速度快——一次算出偏差，直接驱动镜头到位。

缺点：

需要专用的PDAF sensor，并且存在精度损失（部分像素被遮挡）；

暗处效果较差，无法完全取代CDAF——所以手机上常见的是“PDAF 粗对焦+ CDAF 精对焦”的混合方案。

3.Laser Assist AF

激光辅助对焦属于主动式。它在单反上的前身是潜艇的超声波测距系统：发出一组超声波，接收器根据回波时间计算距离；到了相机上，就把超声波换成一束红外光，同样按接收时间算距离——本质就是一个小型的光飞行时间（ToF）测距仪。

优点：它很好地补上了两个短板——PDAF在弱光下信噪比不足，以及CDAF在低对比场景（白墙、雪地、暗处）下无从判断。所以在暗光下打开手机的对焦辅助灯，往往能立刻对上焦。

缺点：

所谓激光其实是红外线。当物体本身在发射红外线时（烛光、人脸、白炽灯），接收器会被目标自身的红外辐射干扰而失效。

红外线无法穿透玻璃。隔着玻璃拍摄时，测到的是玻璃的距离，对焦会落在玻璃上而不是玻璃后面的物体。

相位法与对比度法：两种判据的分野

回头看，被动式对焦的两条路线差别其实只有一句话：判据不同。

相位法是直接通过硬件计算出当前成像位置处在真正相平面的哪一侧的方法，输出的是偏移量与方向。它回答的是差多少、往哪边，所以能一步到位。

对比度法则没有任何先验信息，只能靠把图像调清楚一点、再调清楚一点来逼近。很多资料把它叫作“反差法”，但对照其原理，叫对比度法更准确。它的完整过程是：

（1）选一行像素，统计各像素亮度，计算最亮与最暗的差值，作为当前对比度保存；

（2）尝试往一个方向移动镜片（或CMOS）。如果差值变小，说明方向错了，需要反向移动；

（3）如果差值变大就继续移动，直到差值经过某个值之后开始变小——说明该值就是对比度最大值；

（4）镜片（或CMOS）反向移动回对比度最大的位置，对焦结束。

对比度法的四步爬山：①记录起点对比度；②单向移动，差值变大说明方向正确；③差值开始变小，说明刚刚越过峰值；④反向退回对比度最大值处，完成对焦。

4.三种方案横向对比