摘要：本文讨论了红外能量法二点式自动对焦系统． 对系统的结构和电路作7分析． 导
出7对焦系统6々设计计算公式。对能量绥自动对焦系统所特有6々误差—— 被摄物漫反射率变
化；i入的误差作了较详细的分析，并提出j处理这个误差的重叠设计法
l-引言
目前，能量法二点式自动对焦系统已广
泛应用在普及型照相机
中，从理论上讲，用
几个特定的对焦点只能使几个特定的摄影距
离获得精晰的照片。在其它距离上的拍摄均
将在底片上产生弥散园。因而， 自动对焦必
须是连续式的。但由于人限的分辨率有限．只
要这个弥散园在一定范围内， 人们还是可以
接受的。由于一般摄影者只将照片扩印到5
，而很少再放大．同时由于普及型照相机焦距
较短，光圈数值较大，使得自动对焦的对焦
点数减少到二点，仍能满足一般摄影要求，因
而本文试就红外能量德二点式自动对焦系统
作一讨论，包括结构和电路原理，对焦系统
的设计计算，井分析漫反射率变化将给对焦
带入的误差，最后提出处理该误差的方法
2．结构l原理
红外能量法二点式自动对焦系统的各组
成部分及其相互关系如图l所示 红外发射
元件可选用辐射功率较大的红外发光二极
管．接收光电器件用红外光敏三极管。这两
种器件通常可在市场上配对赡买。发射元件
发射的红外脉冲经发射透镜会聚在被摄物
上，被披摄物漫反射后经接收透镜，由接收
元件接收到。当被摄物较近时，接收元件接
收到的光信号较强，最后控利电路输出状态
&&emsp123; ，使电磁铁吸台．摄影镜头在手按快门按
钮时由于被电磁铁吸住而不髓转动，镜头对
焦在近距离。反之， 当被摄物较远时，接收
到的信号较弱．控制电路输出状态&&emsp8943;0．电
磁铁不吸合，摄影镜头在手按快门按钮时在
弹簧力作用下跟着转动，镜头便向底片面收
缩，对焦在这距离。这两种状态分别保证了
两段摄影范围获得清晰照片，实现自动对焦
3． 控制电路分析
自动对焦控制电路如图2所示。k 、k ，
c 和红外led组成了红外发射电路。k 和
k 为联动开关，在准备状态时k 闭合，k 断
开，电原e对主电容c 充电。当按下照相机
快门按钮时，k 断开、k 闭合、电容c 快速
向红外发光二极管led放电，led即发射出
红外脉冲。红外脉冲经发射透镜照射到被摄
物上·经技摄物漫反射后，被装在接收透镜
后的红外光敏三极管接收，产生光电流。当
披摄物离相机较近时，红外光敏三极管产生
白争光电流较大，rt上压降v 的交流成份较
1
大，经隔直、放大后的v：值将超过闷值电平
vt。比较器a 输出低电平。晶体管bg 导遥·
电磁铁mg吸合．使快门按钮按下时摄影物
镜不能转动。定焦在近对焦点． 图中反馈二
k总
极管d在这里起了保持作用，以保证在信号
结柬后仍能使v 保持高电平．确保电磁铁吸
合．
田1 自动对蔫系缱组成部分
田2 控埘电路原理田
当被撮物离相机较远时，光敏三极管接
收到的光信号较小，经光电转挽、隔直放大
后的vt值很小．比较器az继续输出高电平t
b0 截止，电磁铁mi；不吸合．在快门按钮按
下时摄影镜头转动，定焦在远对焦点．
在完成一次摄影操作，或需重新对焦时，
放开快门按钮、k 重新合上、k 断开、红外
发射主电容c-再次充电，为下次发射贮备能
量．接收电路中由于晶体管bg-发射极断电
而无榘电极电流，电磁铁复位。 ．
圈3为控制电路各主要工作点在被摄物
2
远和近两种状态下的典型波形。
4．对焦系统设计计算
4．1 选定反转点位置时的对焦点和清晰范
围
如图4所示．镜头焦距为f，光圈值为f
在反转点时弥散园。即最大允许弥赦园为6o，
反转点lln已确定． 由高斯公式
l粤仲一 j (1)
并由几何关系．得远对焦点a与反转点t口
的像方距离
霉皋
。一筹·oa'一 (2)
由于摄影铴距总是远大于镜头焦距，即1 》
f，则
“ 一f 一 。
代入(2)式得
a't 。一鲁·，一如·
再由几何关系
“ fm — ar = fj 一 f
由高斯公式可得远对焦点位置
：
l ：= ：￡： (。)
t" 一 f— l
式中1 可由式(1)求得．
状态 被摄物较近时 被12全文查看摄物较远时
v】 i八 f～ 。
v 0i &&emsp125;== 一：== 一 ‘ t
v，
v i
f ，
k kul f
． t
镜头对焦 近 远
田3 拉脚电路备主薹工作点典型波形
田4 物像关幕示意田
同样可得远清晰点物距n。近对焦点m和近清晰点物距12
3
‘
一‘ r j
． ( + 如f)·
“ =了
(4) 关键点也以f一4，f 蝎 和 o·0
为倒． ，
衰2 不商远清晰距鼻时的对焦点
(5) 反转点和近清晰点(单位 m)
：— 等 呵 ㈣
表1列出了应用公式(1)和(3)一
(6)的例子，设f一4，ff一35ram 一
0．08ram 。
4．2 选定远清晰距离时的对焦点，反转点4
和近清晰距离
当远清晰距离1 选定后，可以从下列公
式
衰1 不同反转点时的对焦点
和清晰范围 (单位：m)
0 fi h l k
3 13．2 l_7l 1．20
2 t．ol 1．33 1．00
1．5 2．4l 1．09 6．28 0．86
求得反转点 ，对焦点“和fh．近清晰点物
距 ．(推导与上面相类似．从略。)
= 【7)
“ =
：
。：
(8)
f
口 f
3．86 l_95 1．31 0．99
20 25 1．78 1．23 0．95
1o 2．8o 1．64 1．17 0．91
3 选定近清晰距离时的对焦点、反转点
和远情晰距离
同样很容易得出选定近清晰距离f2后
的各关键点f!、上
，f_和 的计算公式
(12)一式(16)。其示例列于表3中。
(12)
b 一0d 一r
一
一 j
一
(13)
(15)
忙 ㈣
衰3 不同近清晰矩离时的对焦点、反
转点和远清晰点 (单位：m)
(9) 表中设f=4 f=35ram bo=0．08ram
(10)
如= &&emsp8943;
同样，表2所列的选定远清晰点后的各
fz f
d f“
0．8o 0．99 1．3l 1．95 3．85
0．90 1．15 1．6l 2．72 9_03
1．00 1．33 1．98 3．99
显然。设计者也可以先礴定近对焦点或
远对焦点，其它各点也可有相应的公式求得，
这里不再罗列。总之，在镜头参数， 即镜头
焦甩和相对孔径以及允许弥散园已知时，在
清 花圈、对焦点和反转点五个关键点中，只
要有一个确定，其它各个也髓之确定。设计
时．可按不同用途 不同条件选一种方法来
设计各关键点，必要时可反复计算，适当修
改，以使各个数据都较合理。
量重叠设计法
量t 被摄物漫反射率变化引入的误差
在艟量法二点式自动对焦系统中被摄物
攫反射草变化 电源电压变化、被摄静偏离
中心镜头定位不准等均将使对焦引起误差。
为筒单起见，本文仅就最大的一顶．即第一
习f作一次讨论 其它各项从略。
在竣系统中，控错屯路是根据所接收到
盼红外辐舯衡量大小来决定被摄物的远近
的。显然，当被摄物漫反射率e不同于设计定
标甩的定幅板反射率e。时，测距将带入误
差t郎反转点发生飘移．从而使反转点附近
摄影时像的弥戴屠增大，分辨率卞降。
从光学原理可知，若梭摄物体足够大．对
焦系统发射出的红外辐射能全部落在被摄物
上，即射到被摄物上的红外辐射能e 与摄影
距离无关，或etocl。e。，式中eo为发射系统
的发射能量，而对焦接收系统接牧到的被摄
物漫反射后的能量与摄影距离平方成反出，
与被摄物漫反射率成正比。即有 。cl p
∞ l- eb．即
= kel一
式中k为常数，而控制电路的反转阚值能量
er在定标时已固定．令e —er，则得反转点
1t所满足的关系式：
ei = er = 常数 (17)
当被摄物体比对焦红外光斑小时，则由
光度学知，射到被摄物上的红外辐射能按l
衰减即e 。cl e。、e —k·e1～ ，反转点i 所
j菏足的关系式变成
· 1 一常数 (18)
我 取上述二种情况的中间值。即反转
点lt 2菏足(19)式为我们计算的依据：
e·i = 常数 (19)
它适合于被摄物大小适中，或长方形时的情
形 反映极大多数摄影场合。
显然，装摄物淹反射率e的变化将使电
路决定的反转距离发生变化：
= ( ’ (2o)
式中 为设计的反转点．％ 为定标时用的被
摄物攫反射率。
参看图5，实际反转点像距为
措一 篙
田5 反转点飘移光学原理图
5
而该像点离远对焦点像点的距离为
= 一 + o (22)
式中 为设计的反转点像距．可由高斯公式
求出
。
· ，
函 了
= = +(
而a t 即为 ·f，将它们代入(22)式得
= 一 +
所以，以递对焦点对焦时，1t点的弥散团为
(如o)“0fmr (e／eo)“ 一， 一 ] (23)
同样． 以近对焦点对焦时， 点的弥散园可由下式表示：(推导从略)
=南+[ 一 ] ，
因此．漫反射率为e时的反转点可能存 的最大弥散团为
= 酬郇 如+】黟一 惫哥
最小分辨率为 一 1 ( )
以设计反转点 =2来为倒-各种漫反
射率时反转点附近可能存在的最大弥散团
和最小分辨率q列．于表4中．设6。一
0’o8mm、f=
4、f
35mm、定标板漫反射率
eo一24％
表4 不同漫反射率时的最大弥散园和最小分辨率
e(蛳 72 48 36 24 18 12 8 。
6 (mm) 0．13 0．11 0．09 0．08 0．10 0．12 15
(=蕞lfnm) 7．8 89 10．6 10．4 10．4 8．2 6．6
由表4示例可见 这种设计方法由于被
摄物体漫反射率e的变化会带入较大的对焦
弥散团，有时弥散固会超出人们可接受的范
围，因此我们引入下面的重叠设计法。
5．2 重叠设计法
重叠设计法以常用的漫反射率为基础．
在反转点上有重叠区域．在比原先缩小的整
个区域内满足反射率变化的需要，使对焦弥
散园保持在预定的范围内
设被摄物体平均漫反射率为eo，而e 一
6
e。为通常的坡摄物漫反射率范围，且e。 时的反转点物距和像距为： f，j (el ) ， f 一(eteo) ·， 面 面 (27) 因et o．所以er· 围最近点。为使该反转点摄影时弥散固不超 过允许值，系绕的远对焦点必须前移。远对 焦点像距应为： = ． 1— 6 对应的物距t “ = = 可 ‘㈣28 ) 远清晰点像距和物距为： fi 一 一2 f 一 = 丽 = (㈣ 0，) 同理．反转点飘移范围最远点 即为涟反射 率为ez时的反转点 ． 一(罟) in"= (e／ eo)丽'／lit f, (3o) 系统的近对焦点和最近摄影距离亦可求得： = + f = -f 260f (31) f!i ： 曹千瓦可(3 2) 式(27)一式(32)为重叠设计法在反转点 优先确定时各关键点的计算公式．当然．也 可以先确定对焦点或者最远摄影距离或最近 摄影距离，然后确定其它工作点。计算公式 也可类似推导出。这里不再累述．最后我们 给出应用式(27)一式(32)计算的重叠设 计法实例。以1to=2．00m．6。=0．08ram．f= &&emsp123;，fj一35ram，e。一24 计算．结果列于表5 中．最后一栏还给出了使用f 保证摄影清晰范围．以结果可见．无论依据 e一18—32另计算。还是按12一‘8 计算．其 结果均是比较合理拍．景探范围仍然较大． 衰5 t叠设计法计算实例 f8时 i b fl fi 一 18— 32 1．82 2．20 3-37 1．42 25．9 1．05 co- 0．84 12— 48 1．59 2．52 2．65 1．54 8．25 1．12 ∞ 一0．8812全文查看摘要：本文讨论了红外能量法二点式自动对焦系统． 对系统的结构和电路作7分析． 导 出7对焦系统6々设计计算公式。 对能量绥自动对焦系统所特有6々误差—— 被摄物漫反射率变 化；i入的误差作了较详细的分析，并提出j处理这个误差的重叠设计法 l-引言 目前，能量法二点式自动对焦系统已广 泛应用在普及型照相机 中，从理论上讲，用 几个特定的对焦点只能使几个特定的摄影距 离获得精晰的照片。在其它距离上的拍摄均 将在底片上产生弥散园。因而， 自动对焦必 须是连续式的。但由于人限的分辨率有限．只 要这个弥散园在一定范围内， 人们还是可以 接受的。由于一般摄影者只将照片扩印到5 而很少再放大．同时由于普及型照相机焦距 较短，光圈数值较大，使得自动对焦的对焦 点数减少到二点，仍能满足一般摄影要求，因 而本文试就红外能量德二点式自动对焦系统 作一讨论，包括结构和电路原理，对焦系统 的设计计算，井分析漫反射率变化将给对焦 带入的误差，最后提出处理该误差的方法 2．结构l原理 红外能量法二点式自动对焦系统的各组 成部分及其相互关系如图l所示 红外发射 元件可选用辐射功率较大的红外发光二极 管．接收光电器件用红外光敏三极管。这两 种器件通常可在市场上配对赡买。发射元件 发射的红外脉冲经发射透镜会聚在被摄物 上，被披摄物漫反射后经接收透镜，由接收 元件接收到。当被摄物较近时，接收元件接 收到的光信号较强，最后控利电路输出状态 &&emsp123; ，使电磁铁吸台．摄影镜头在手按快门按 钮时由于被电磁铁吸住而不髓转动，镜头对 焦在近距离。反之， 当被摄物较远时，接收 到的信号较弱．控制电路输出状态&&emsp8943;0．电 磁铁不吸合，摄影镜头在手按快门按钮时在 弹簧力作用下跟着转动，镜头便向底片面收 缩，对焦在这距离。这两种状态分别保证了 两段摄影范围获得清晰照片，实现自动对焦 3． 控制电路分析 自动对焦控制电路如图2所示。k 、k ， c 和红外ld组成了红外发射电路。k 和 k 为联动开关，在准备状态时k 闭合，k 断 开，电原对主电容c 充电。当按下照相机 快门按钮时，k 断开、k 闭合、电容c 快速 向红外发光二极管ld放电，ld即发射出 红外脉冲。红外脉冲经发射透镜照射到被摄 物上·经技摄物漫反射后，被装在接收透镜 后的红外光敏三极管接收，产生光电流。当 披摄物离相机较近时，红外光敏三极管产生 白争光电流较大，r上压降v 的交流成份较 1 大，经隔直、放大后的v：值将超过闷值电平 v。比较器 输出低电平。晶体管b 导遥· 电磁铁m吸合．使快门按钮按下时摄影物 镜不能转动。定焦在近对焦点． 图中反馈二 k总 极管d在这里起了保持作用，以保证在信号 结柬后仍能使v 保持高电平．确保电磁铁吸 合． 田1 自动对蔫系缱组成部分 田2 控埘电路原理田 当被撮物离相机较远时，光敏三极管接 收到的光信号较小，经光电转挽、隔直放大 后的v值很小．比较器z继续输出高电平 b0 截止，电磁铁mi；不吸合．在快门按钮按 下时摄影镜头转动，定焦在远对焦点． 在完成一次摄影操作，或需重新对焦时， 放开快门按钮、k 重新合上、k 断开、红外 发射主电容c-再次充电，为下次发射贮备能 量．接收电路中由于晶体管b-发射极断电 而无榘电极电流，电磁铁复位。 ． 圈3为控制电路各主要工作点在被摄物 2 远和近两种状态下的典型波形。 4．对焦系统设计计算 4．1 选定反转点位置时的对焦点和清晰范 围 如图4所示．镜头焦距为f，光圈值为f 在反转点时弥散园。即最大允许弥赦园为6o， 反转点lln已确定． 由高斯公式 l粤仲一 j (1) 并由几何关系．得远对焦点与反转点口 的像方距离 霉皋 。一筹·o'一 (2) 由于摄影铴距总是远大于镜头焦距，即1 》 f，则 “ 一f 一 。 代入(2)式得 ' 。一鲁·，一如· 再由几何关系 “ fm — r = fj 一 f 由高斯公式可得远对焦点位置 ： l ：= ：￡： (。) " 一 f— l 式中1 可由式(1)求得． 状态 被摄物较近时 被[]摄物较远时 v】 i八 f～ 。 v 0i &&emsp125;== 一：== 一 ‘ v， v i f ， k kul f ． 镜头对焦 近 远 田3 拉脚电路备主薹工作点典型波形 田4 物像关幕示意田 同样可得远清晰点物距n。近对焦点m和近清晰点物距12 3 ‘ 一‘ r j ． ( + 如f)· “ =了 (4) 关键点也以f一4，f 蝎 和 o·0 为倒． ， 衰2 不商远清晰距鼻时的对焦点 (5) 反转点和近清晰点(单位 m) ：— 等 呵 ㈣ 表1列出了应用公式(1)和(3)一 (6)的例子，设f一4，ff一35rm 一 0．08rm 。 4．2 选定远清晰距离时的对焦点，反转点4 和近清晰距离 当远清晰距离1 选定后，可以从下列公 式 衰1 不同反转点时的对焦点 和清晰范围 (单位：m) 0 fi h l k 3 13．2 l_7l 1．20 2 ．ol 1．33 1．00 1．5 2．4l 1．09 6．28 0．86 求得反转点 ，对焦点“和fh．近清晰点物 距 ．(推导与上面相类似．从略。) = 【7) “ = ： 。： (8) f 口 f 3．86 l_95 1．31 0．99 20 25 1．78 1．23 0．95 1o 2．8o 1．64 1．17 0．91 3 选定近清晰距离时的对焦点、反转点 和远情晰距离 同样很容易得出选定近清晰距离f2后 的各关键点f!、上 ，f_和 的计算公式 (12)一式(16)。其示例列于表3中。 (12) b 一0d 一r 一 一 j 一 (13) (15) 忙 ㈣ 衰3 不同近清晰矩离时的对焦点、反 转点和远清晰点 (单位：m) (9) 表中设f=4 f=35rm bo=0．08rm (10) 如= &&emsp8943; 同样，表2所列的选定远清晰点后的各 fz f “ 0．8o 0．99 1．3l 1．95 3．85 0．90 1．15 1．6l 2．72 9_03 1．00 1．33 1．98 3．99 显然。设计者也可以先礴定近对焦点或 远对焦点，其它各点也可有相应的公式求得， 这里不再罗列。总之，在镜头参数， 即镜头 焦甩和相对孔径以及允许弥散园已知时，在 清 花圈、对焦点和反转点五个关键点中，只 要有一个确定，其它各个也髓之确定。设计 时．可按不同用途 不同条件选一种方法来 设计各关键点，必要时可反复计算，适当修 改，以使各个数据都较合理。 量重叠设计法 量 被摄物漫反射率变化引入的误差 在艟量法二点式自动对焦系统中被摄物 攫反射草变化 电源电压变化、被摄静偏离 中心镜头定位不准等均将使对焦引起误差。 为筒单起见，本文仅就最大的一顶．即第一 习f作一次讨论 其它各项从略。 在竣系统中，控错屯路是根据所接收到 盼红外辐舯衡量大小来决定被摄物的远近 的。显然，当被摄物漫反射率不同于设计定 标甩的定幅板反射率。时，测距将带入误 差郎反转点发生飘移．从而使反转点附近 摄影时像的弥戴屠增大，分辨率卞降。 从光学原理可知，若梭摄物体足够大．对 焦系统发射出的红外辐射能全部落在被摄物 上，即射到被摄物上的红外辐射能 与摄影 距离无关，或ocl。。，式中o为发射系统 的发射能量，而对焦接收系统接牧到的被摄 物漫反射后的能量与摄影距离平方成反出， 与被摄物漫反射率成正比。即有 。cl p ∞ l- b．即 = kl一 式中k为常数，而控制电路的反转阚值能量 r在定标时已固定．令 —r，则得反转点 1所满足的关系式： i = r = 常数 (17) 当被摄物体比对焦红外光斑小时，则由 光度学知，射到被摄物上的红外辐射能按l 衰减即 。cl 。、 —k·1～ ，反转点i 所 j菏足的关系式变成 · 1 一常数 (18) 我 取上述二种情况的中间值。即反转 点l 2菏足(19)式为我们计算的依据： ·i = 常数 (19) 它适合于被摄物大小适中，或长方形时的情 形 反映极大多数摄影场合。 显然，装摄物淹反射率的变化将使电 路决定的反转距离发生变化： = ( ’ (2o) 式中 为设计的反转点．％ 为定标时用的被 摄物攫反射率。 参看图5，实际反转点像距为 措一 篙 田5 反转点飘移光学原理图 5 而该像点离远对焦点像点的距离为 = 一 + o (22) 式中 为设计的反转点像距．可由高斯公式 求出 。 · ， 函 了 = = +( 而 即为 ·f，将它们代入(22)式得 = 一 + 所以，以递对焦点对焦时，1点的弥散团为 (如o)“0fmr (／o)“ 一， 一 ] (23) 同样． 以近对焦点对焦时， 点的弥散园可由下式表示：(推导从略) =南+[ 一 ] ， 因此．漫反射率为时的反转点可能存 的最大弥散团为 = 酬郇 如+】黟一 惫哥 最小分辨率为 一 1 ( ) 以设计反转点 =2来为倒-各种漫反 射率时反转点附近可能存在的最大弥散团 和最小分辨率q列．于表4中．设6。一 0’o8mm、f= 4、f 35mm、定标板漫反射率 o一24％ 表4 不同漫反射率时的最大弥散园和最小分辨率 (蛳 72 48 36 24 18 12 8 。 6 (mm) 0．13 0．11 0．09 0．08 0．10 0．12 15 (=蕞lfnm) 7．8 89 10．6 10．4 10．4 8．2 6．6 由表4示例可见 这种设计方法由于被 摄物体漫反射率的变化会带入较大的对焦 弥散团，有时弥散固会超出人们可接受的范 围，因此我们引入下面的重叠设计法。 5．2 重叠设计法 重叠设计法以常用的漫反射率为基础． 在反转点上有重叠区域．在比原先缩小的整 个区域内满足反射率变化的需要，使对焦弥 散园保持在预定的范围内 设被摄物体平均漫反射率为o，而 一 6 。为通常的坡摄物漫反射率范围，且。&l;o &l; ．由式(20)推导出被摄物漫反射率为 时的反转点物距和像距为： f，j (l ) ， f 一(o) ·， 面 面 (27) 因 o．所以r·&l;n 1即为反转点飘移范 围最近点。为使该反转点摄影时弥散固不超 过允许值，系绕的远对焦点必须前移。远对 焦点像距应为： = ． 1— 6 对应的物距 “ = = 可 ‘㈣28 ) 远清晰点像距和物距为： fi 一 一2 f 一 = 丽 = (㈣ 0，) 同理．反转点飘移范围最远点 即为涟反射 率为z时的反转点 ． 一(罟) in"= (／ o)丽'／li f, (3o) 系统的近对焦点和最近摄影距离亦可求得： = + f = -f 260f (31) f!i ： 曹千瓦可(3 2) 式(27)一式(32)为重叠设计法在反转点 优先确定时各关键点的计算公式．当然．也 可以先确定对焦点或者最远摄影距离或最近 摄影距离，然后确定其它工作点。计算公式 也可类似推导出。这里不再累述．最后我们 给出应用式(27)一式(32)计算的重叠设 计法实例。以1o=2．00m．6。=0．08rm．f= &&emsp123;，fj一35rm，。一24 计算．结果列于表5 中．最后一栏还给出了使用f
保证摄影清晰范围．以结果可见．无论依据
一18—32另计算。还是按12一‘8 计算．其
结果均是比较合理拍．景探范围仍然较大．
衰5 叠设计法计算实例
f8时
i b fl fi
一
18— 32 1．82 2．20 3-37 1．42 25．9 1．05 co- 0．84
12— 48 1．59 2．52 2．65 1．54 8．25 1．12 ∞ 一0．88
