被动式自动对焦的数学模型及其机构

    1　引　　言

　　在摄影时,把物象调清的步骤,俗称调焦或对焦,是摄影成败的关键之一.在早期是凭人眼判定象的清晰度后,来改变镜头在光轴上的位置,使象达到清晰为止,这称为人工对焦.由于手动对焦存在着费时和不够精确的弊端,会出现错失良机和影象模糊的现象,因此近年据物距大小,自动地沿着自身光轴方向迅速移动到恰当的位置,使被摄物在感光胶片上所成的象达到清晰的过程.按照相机自动对焦时获取的测距信息的方法不同,自动对焦机构又可分为两类:一类是由相机发出的信号(红外光、超声波等),经被摄物反射到相机的接受系统,经过电子电路处理后,使镜头自动移动并停留在恰当的位置上,这种方式称为主动对焦方式;另一种是相机直接接收由被摄物发出的光信号,经过电子电路处理,使镜头自动移动后,停止在恰当位置上,这种方式称为被动式对焦方式.无论是主动对焦或是被动对焦方式,其目的都是让镜头自动移动后,其移动量满足几何光学中的物象关系,得到清晰的图象.

    2　镜头位移量$A与物距E的关系

    设对焦之前,焦距为f的镜头处在光轴上合适位置O点之前的O′处,即靠近物方,要想使象清晰,必须将镜头移到O处,如图1所示.图1中,S为物体,P为感光胶片,E为物体至镜头的距离,可视为物距,A为对焦前镜头至感光胶片的距离,$A为镜头应向后(胶片处)的移动量,由物象关系式[1]可得

    一般地Em$A,所以式(1)可化为

    由(2)式得

　　式(3)揭示了自动调焦时,镜头的位移量$A与物距E之间的关系,它说明物距大时,$A也大;物距小时,$A亦随之变小.这正与事实相吻合.因此自动对焦机构中,所有器件的动作,都是本着式(3)所揭示的规律为目的的.

    3　实现自动对焦的机构

    前已述及自动对焦有主动式和被动式两大类,因篇幅所限,现仅以被动式自动对焦为例,作以简单介绍.

    图2是日本小西六公司推出的柯尼卡(Konica)C35AF相机内所用的被动式自动对焦类中的双象重合式光电自动对焦机构[2]的示意图.

    图2中所有可动元件所处的状态,均为卷过前一张胶片且又准备照相的状态,称为准备状态.在卷过已照胶片的同时,由连动机构将镜头推至最前端,与镜头相连的棘条被启动爪勾住,镜头制动电磁铁得电,将制动爪吸离棘条,使镜头处于自动调焦的准备状态.

    当被摄物选好后,按动快门钮,启动爪脱离(释放)与镜头一体的棘条,预先伸出并被弹簧拉紧的镜头开始向内(朝着胶片方向)移动.这时扫描杠杆下侧的凸缘先爬上,后滑下与镜头相连的角形棱脊,使可动反光镜对镜头前方先由远及近、后由近及远地进行扫描(搜索被摄物体).当第一次扫描到被摄物体时,上、下光敏元件上所得的图象对称,下方光敏元件上产生的电信号与上方光敏元件上产生的电信号电平同高,使大规模集成电路输出的信号最强,电子电路[3]并记住了这个电平;当第二次扫描到该被摄物时,又使大规模集成电路输出的信号最强,被后续电子电路识别,与记忆的最强信号比较后,发出信号,使镜头制动电磁铁断电,制动爪便在支点左端拉簧的作用下,卡在棘条中,使镜头自动移动停止,至此完成了自动调焦步骤,遂转入自动曝光,完成一次拍照.当卷过本次已照胶片后,又将镜头推至最前端,为下次自动调焦作准备,重复上述过程.