单反相机的自动对焦（Auto Focus，AF）系统是现代摄影的核心技术之一，它通过光学、电子和机械的协同工作，自动调整镜头对焦环的位置，使拍摄主体成像清晰，与手动对焦依赖人眼判断不同，自动对焦利用传感器和算法快速、精准地完成对焦，极大提升了拍摄效率，尤其在抓拍、运动摄影等场景中不可或缺，要理解其原理，需从核心工作模式、系统结构、关键技术及发展历程展开。
自动对焦的核心工作模式：对比度检测与相位检测
单反相机的自动对焦主要依赖两种技术：对比度检测对焦（Contrast Detection AF，CD-AF）和相位检测对焦（Phase Detection AF，PD-AF），二者原理截然不同,各有优劣。
对比度检测对焦（CD-AF）：基于图像清晰度的“搜索式”对焦
对比度检测对焦的原理是：当镜头对焦准确时，成像传感器（如CMOS或CCD）上的图像对比度最高——即主体边缘的明暗过渡最锐利（黑色线条与白色背景的交界处差异明显）；对焦不准时，图像边缘模糊，对比度降低，相机通过驱动镜头马达（如超声波马达或步进马达）前后移动镜片，实时检测传感器上图像的对比度变化，找到对比度峰值点即完成对焦。
这种方式的优点是对焦精度高：直接基于最终成像传感器的数据，对焦结果与实际成像完全一致，且无需校准；缺点是速度慢：需要反复“搜索”对比度峰值，在低对比度场景（如纯色墙面、弱光环境）下容易“拉风箱”（镜头来回移动无法锁定对焦），CD-AF在视频录制或实时取景模式下较常用,但单反相机在光学取景模式下极少依赖此模式。
相位检测对焦（PD-AF）：基于光线偏移的“直接计算式”对焦
相位检测对焦是单反相机在光学取景模式下的核心对焦方式，其原理类似人眼的双视差：通过特殊光学元件将进入镜头的光线分成两路，分别投射到独立的相位检测传感器上，形成两个略有错位的“像”，传感器通过计算这两个像的偏移量（偏移方向和距离），直接得出镜头需要移动的方向（前移或后移）和距离，无需反复搜索，因此速度极快。
单反相机利用其独特的反光板结构实现相位检测：在非实时取景状态下，反光板将镜头光线反射至五棱镜，再进入取景器供摄影师观察；反光板中央的半透区域（或副反光板）会将一小部分光线导向机身底部的对焦模块，对焦模块内部包含数十至数百个微透镜和光电二极管，组成“对焦点”（如十字对焦点可检测水平和垂直线条，双十字对焦点增加对角线检测，提升低光和弱对比度下的对焦能力），当半透光线到达对焦模块时，相位检测传感器即可快速计算出对焦参数，驱动镜头马达完成对焦。
PD-AF的优点是速度极快：直接计算对焦方向和距离，适合抓拍动态主体（如奔跑的运动员、飞鸟）；缺点是精度依赖校准：对焦模块与成像传感器的位置需严格校准，否则可能出现“ front-focus”（对焦偏前）或“ back-focus”（对焦偏后）问题；PD-AF需要独立的光学路径和传感器，结构复杂,成本较高。
单反自动对焦系统的核心结构
单反相机的自动对焦系统是一个精密的光机电一体化系统，主要由以下部件组成：
- 反光板：核心光学部件，取景时反射光线至五棱镜，对焦时落下让光线到达对焦模块（部分单反在高速连拍时反光板会预升，减少对焦延迟）。
- 对焦模块：位于机身底部，包含相位检测传感器、微处理器和驱动电路，是PD-AF的“大脑”，对焦模块的性能取决于对焦点数量（如入门级单反9点，专业级可达数百点）、对焦点类型（十字/双十字）和低光对焦能力（如-3EV低光下仍能对焦）。
- 镜头马达：负责驱动镜头镜片移动，分为超声波马达（USM，安静、快速、精准）和步进马达（STM，平滑、低功耗，适合视频）。
- 主控处理器：整合对焦模块、镜头马达、快门等信号，根据拍摄模式（单次/连续）、主体状态（静止/移动）调整对焦策略。
自动对焦模式：适应不同拍摄场景
单反相机提供多种对焦模式，以适应静态、动态等不同场景：
- 单次对焦（AF-S/One-Shot）：半按快门时，相机完成一次对焦后锁定焦距，主体移动或重新构图需重新对焦，适合拍摄静态主体（如风光、静物、人像摆拍）。
- 连续对焦（AF-C/AI Servo）：半按快门期间，相机持续对焦，跟踪主体移动，适合拍摄动态主体（如体育、野生动物、儿童）。
- 自动对焦（AF-A/AI Focus）：相机自动判断主体状态：静止时使用单次对焦，移动时切换至连续对焦，适合动静不定的场景（如活动抓拍）。
影响自动对焦性能的关键因素
- 镜头最大光圈：大光圈镜头（如f/1.4）比小光圈镜头（如f/5.6）能收集更多光线，使相位检测传感器信号更强，对焦更快、低光表现更好（f/2.8及以上镜头通常配备高精度对焦点）。
- 对焦点数量与分布：对焦点越多、覆盖范围越广（如专业单焦的对焦点覆盖整个取景框），越方便在复杂构图下快速锁定主体。
- 对焦辅助系统：包括对焦辅助灯（发射红外光或可见光，帮助传感器识别主体）、对焦扩展（如佳能的“对焦区域扩展”，优先追踪已对焦主体）等，可提升低光或弱对比度下的对焦成功率。
现代单反自动对焦技术的发展
随着技术进步，单反自动对焦系统不断升级：
- 双像素CMOS AF（Canon）：通过在CMOS传感器上集成双光电二极管，实现实时取景模式下的相位检测对焦，解决了传统单反实时取焦慢的问题。
- 混合对焦：结合PD-AF和CD-AF的优势，先用PD-AF快速锁定主体，再用CD-AF微调精度，兼顾速度与准确性。
- 智能对焦算法：通过AI技术识别主体（如人脸、眼睛、动物、车辆），自动选择对焦点并跟踪，如尼康的“动物检测对焦”、佳能的“眼部检测对焦”。
对比度检测与相位检测对优缺点对比
| 特性 | 对比度检测对焦（CD-AF） | 相位检测对焦（PD-AF） |
|---|---|---|
| 工作原理 | 检测图像对比度峰值，驱动镜头搜索 | 计算光线偏移量，直接得出对焦方向和距离 |
| 对焦速度 | 较慢（需搜索） | 极快（无需搜索） |
| 对焦精度 | 高（基于最终成像传感器） | 略低于CD-AF（依赖对焦模块校准） |
| 适用场景 | 静态场景、实时取景 | 动态场景、光学取景 |
| 功耗 | 较高（镜头马达频繁工作） | 较低（计算量小） |
| 低光表现 | 差（对比度低时易拉风箱） | 优（大光圈镜头下信号强） |
相关问答FAQs
Q1：为什么单反相机在实时取景模式下对焦速度明显慢过光学取景模式？
A：实时取景模式下，单反需抬起反光板，光线直接照射到CMOS图像传感器，此时无法使用机身底部的独立相位检测对焦模块，只能切换为基于CMOS的对比度检测对焦，对比度检测需要反复驱动镜头移动“搜索”对比度峰值，速度较慢；而光学取景模式下，反光板落下，光线通过相位检测模块，可直接计算对焦方向和距离，速度极快，部分高端单反通过“双像素CMOS AF”等技术，可在实时取景下模拟相位检测，但速度仍略逊于光学取景。
Q2：大光圈镜头（如f/1.4）为何比小光圈镜头（如f/5.6）对焦更快？
A：自动对焦（尤其是相位检测）依赖进入对焦模块的光线强度，大光圈镜头能通过更大的光圈孔径收集更多光线，使相位检测传感器上的成像更明亮、信号更强，传感器更容易计算光线偏移量，从而加快对焦速度，大光圈镜头在低光环境下仍能保持足够的进光量，避免因光线不足导致对焦模块无法工作（对焦“hunting”）；而小光圈镜头在弱光下进光量少，传感器信号弱,对焦速度和成功率都会下降。
