对焦是如何工作的
在自动对焦出现之前，只有手动对焦。相机是一个不透光的盒子，用来将感光表面（胶片或数码传感器）暴露在光线下。为了将光线聚焦到感光表面上，大多数相机（以及你的眼睛）都使用镜头来引导光线。为什么我说“大多数”呢？因为市面上有很多类型的相机并不依赖镜头来聚焦光线。“针孔相机”就是一个盒子，一端有一个小孔，另一端是感光表面。光线穿过这个小孔，投射到盒子的后壁上。上网或查阅当地图书馆的资料就会发现，科学家和工程师们目前正在致力于开发无镜头相机，这种相机永远不会失焦，并且避免了光线穿过玻璃或塑料镜头时产生的不良特性。然而，就目前而言，我们几乎所有人都在使用通过镜头聚焦光线的相机。
对焦
镜头是一种光学器件，由允许光线穿过的曲面材料构成。根据设计，相机镜头（无论是内置于相机还是可更换的）都包含一个或多个镜片，这些镜片既能发散光线，又能会聚光线，从而将光线聚焦到感光面上，并将穿过光学元件的场景反射光线重新组合，最终形成图像。您可能会看到镜头规格中提及“镜片”和“镜片组”。每一片玻璃都是一个镜片，而相机内部的一个或多个镜片则被划分成若干组。
为什么我们需要弯曲光线来成像？其实，我们根本不需要弯曲光线。问题在于，胶片、传感器或眼球后壁通常比我们想要捕捉的景象小得多。因此，我们需要弯曲光线来缩小图像尺寸。否则，如何在不弯曲光线的情况下，将整座山或建筑物都呈现在相机传感器上呢？
镜头不仅会弯曲光线，还会减慢光线的速度。光速在穿过半透明材料时会发生变化。因此，光线在进入和离开镜头时都会发生弯曲和减速（具体取决于镜头的设计）。相机镜头的作用是将这些光线引导到胶片或传感器上。
在我们深入探讨之前，我想先声明一下：关于光的行为和透镜的物理原理，有很多东西值得学习。我不敢说自己对这个主题有深入的了解，我的大学物理成绩也表明，你最好忘掉你刚刚读到和即将读到的内容。但就本文而言，我会尽量保持讲解的简洁明了，以便我们能尽快进入正题——对焦。如果你想深入研究，当然可以。光学和光线确实非常酷炫迷人，但我需要确保本文与摄影师相关。拥有博士级别的专业知识并不能保证你成为一名更优秀的摄影师。
任何用放大镜试图在纸或树叶上烧出孔的人都能证明，光线的汇聚程度与照射物体的距离直接相关。当你试图用透镜将阳光聚焦成一个光点来生火时，你实际上是在聚焦来自单一光源的光线。而相机和你的眼睛，不仅要聚焦来自多个潜在光源的光线，还要聚焦来自场景中物体反射的无数光线。相机和镜头正是通过移动镜头与传感器或胶片之间的距离，来引导光线，从而清晰地再现图像。
如果无法调节相机和镜头的焦距，你就必须像用放大镜观察太阳那样，实际地靠近或远离拍摄对象。幸运的是，大多数相机都能自动完成这个移动。
让我们再从理论层面来巩固一下这个信息。假设你从根本上反对自拍，所以才给朋友拍肖像照，这样他们就不用自己拍照了。现在，让我们仔细观察一下拍摄对象。非常仔细地观察……睫毛尖。这根睫毛尖会反射来自光源（太阳、闪光灯、灯泡等等）的光线，而且反射方向是全方位的，而不仅仅是反射回相机。由于它几乎以无限多个角度反射光线，所以这些反射光会以不同的角度进入相机镜头。镜头的作用就是收集这些光线，并将它们汇聚到胶片或传感器上的一个点，这样我们才能在照片上准确地还原出我们肉眼看到的睫毛尖。如果光线在到达传感器之前就汇聚到一点，那么睫毛尖就会显得模糊，因为光线会汇聚到一点后继续传播，从该点发散开来。同样地，如果光线试图在胶片或传感器之外的某一点汇聚，那么照射到平面上的光线还不会汇聚到一点，就会产生同样的效果。
这是什么效果？它会产生一个失焦图像。睫毛尖会被还原成一团模糊的反射光，就像模糊的睫毛尖一样。现在，想象一下，场景中每一个光源或反射点都会产生无数次这样的效果。
除非你是杉本博司，否则你大概不会想拍出失焦的照片。或者，即使你想拍，你也需要控制失焦的程度。为了保证照片清晰，或者让你有意地拍出不对焦的照片，相机和镜头会协同工作，改变镜头与传感器或胶片之间的距离，从而控制光线的汇聚点。当光线精确地汇聚在胶片或传感器的平面上时，照片就清晰了。
因此，在带有旋转机械对焦环的镜头的相机上，通过转动这个环，你将物理移动对焦镜头或镜头对焦组，从而手动改变镜头和传感器之间的距离，并控制光线在相机中的汇聚位置。
自动对焦
现在我们已经基本了解了镜头如何将光线聚焦到传感器或胶片上，接下来就可以探讨自动对焦的奥妙了。随着技术的进步，相机公司找到了驱动机身和镜头的方法，从而控制对焦元件或对焦组靠近或远离传感器或胶片。如今绝大多数相机机身内部并没有自动对焦马达，而是依靠镜头中内置的微型马达，这些马达由相机本身控制。
其实这并不复杂，对吧？但是，相机是如何判断拍摄对象是否对焦清晰的呢？当我们手动对焦时，我们会通过取景器或液晶屏观察，用肉眼确认拍摄对象是否清晰。胶片时代的许多取景器中央都装有裂像微棱镜，可以辅助手动对焦。而自动对焦相机则需要在镜头靠近或远离传感器或胶片的过程中，通过电子方式计算对焦。幸运的是，对于我们这些视力不太好的人来说，现在的相机能够以极快的速度和极高的精度完成这项计算。
主动式与被动式
如今，你可能很少见到主动式自动对焦系统了，但我们还是要回顾一下这项技术。主动式自动对焦系统诞生于自动对焦技术的早期，它依靠相机向拍摄对象发射超声波或红外信号。拍摄对象会将声波或光波反射回相机的对焦传感器，相机通过计算接收反射信号所需的时间与声速或光速的关系，就能确定拍摄对象的距离。听起来是不是很酷很高科技？这其实就是把声呐和雷达装进了相机里。声呐和雷达很酷，主动式自动对焦也很酷。
在你为相机上拥有的开创性技术而兴奋不已之前，如果你相机上有所谓的自动对焦辅助灯，它的用途并不是主动自动对焦系统——它只是在黑暗场景中增强照明，以辅助被动系统。
被动式自动对焦是当今绝大多数相机的选择。被动式自动对焦系统主要分为两种：相位检测和对比度检测。本文最后将简要介绍这两种系统的工作原理，力求做到通俗易懂。
相位检测
相位检测是目前数码单反相机上最常见的对焦系统。众所周知，光线进入数码单反相机的镜头后，会照射到位于传感器或胶片前方的反光镜上。这束光被反射到棱镜中，然后射向相机背面的取景器。然而，您可能不知道的是，还有极少量的光线会穿过这面反光镜，照射到另一面反光镜上，并被反射到相机底部，也就是自动对焦传感器所在的位置。
自动对焦传感器包含两个或多个图像传感器，其上方装有微透镜。这些微型传感器构成了相机的自动对焦点。早期的被动式自动对焦相机只有一个中央对焦点。而如今的技术已经能够让我们拥有数十个可选对焦点的相机。
那么，这个自动对焦传感器是如何工作的呢？简单来说，相位检测的工作原理是将入射光分成两组图像，然后再进行比较。光线穿过主镜的透明部分时被分成两组，该区域起到分光镜的作用。两组不同的图像向下照射到前面提到的自动对焦传感器上，传感器会比较这两组图像并评估它们的位置关系。相机内部的计算机分析来自自动对焦传感器的信号，并控制镜头调整内部的对焦元件，直到两组图像完全重合。一旦两组图像重合，图像就对焦清晰了。
早期的传感器只能评估图像中的垂直细节。这存在局限性，因为系统难以对焦包含大量水平元素的简单场景。我记得以前为了骗过自动对焦传感器，我会把老式单反相机横过来！现在，许多被称为十字型对焦点的传感器可以同时读取水平和垂直信息。啊，科技真棒！
对比度检测
您可能已经注意到，相位检测系统结构复杂，包含许多组件。对比度检测则简单得多，它利用照射到主传感器上的光线进行对焦。这使得对比度检测比相位检测具有一个优势：自动对焦点的数量。相位检测的对焦点数量取决于反光镜的设计以及反光镜下方自动对焦传感器的数量。而对比度检测则几乎可以实现无限数量的对焦点。一些现代相机配备了触摸屏，只需用手指轻触屏幕，即可将相机对焦到图像中的任意一点。
它是如何工作的呢？简单来说，相机通过读取像素或像素组上光强度的变化，来控制镜头的对焦元件移动。最大光强度指示最清晰的区域。虽然这套系统的优点是简单，但缺点是相机必须不断地评估图像才能实现对焦。当光线第一次照射到传感器上时，相机并不知道光线是否处于最大强度，直到它改变镜头位置来改变光强度为止。这有点像在不知道重量的情况下用天平测量物体。你可以把配重放在天平的另一端，然后发现它正好合适、太重或太轻。相机获得初始图像，该图像可能已经对焦，但为了验证，它必须开始移动镜头，观察图像是变得更清晰还是更模糊。
这叫做“对焦搜索”。用过老式傻瓜相机的人可能还记得，在等待镜头对焦的过程中，画面中的精彩瞬间往往已经从眼前掠过，这种感觉或许并不美好。幸运的是，对比度检测自动对焦技术一直在不断进步，如今的无反相机和傻瓜相机都具备了极快的对焦速度。