PDAF對焦技術原理解析及生產應用

蔡贊贊

摘要 PDAF是Phase DetectionAuto Focus（相位檢測對焦）的縮寫，將感光芯片采集到的相位差作為對焦的依據。本文旨在解析PDAF技術，從構造及算法原理，其分類及發展態勢，該技術的生產要點，以及如何在手機端應用，等等。本文作為一篇手機PDAF對焦技術理論結合實際應用的詳細解析報告，旨在為更多的行業工作者提供更多的信息參考，從根本上理解該技術，為該技術的應用和改善打下良好的基礎。

【關鍵詞】智能手機 相位差 對焦 生產 應用

手機攝像頭技術在近幾年也發生了突飛猛進的發展，自動對焦技術的發展便是其中重要的部分。以前的手機在拍照時，對焦會有一個拉風箱的效果，但是近期高端手機上的對焦，這種效果越來越短甚至于無，我們的相機似乎拍攝哪個畫面都會是清楚的，用戶幾乎感覺不到攝像頭在對焦，用戶體驗更優。在這其中，PDAF對焦技術扮演了重要的角色。

PDAF技術，英文全稱是相位對焦（PhaseDetection Auto Focus）。手機模組里面感應圖像的部分為感光芯片，每個像素點都在感應圖像。如果把間隔一段距離的對稱的兩個像素點，分別遮蓋像素點的左半邊和右半邊.相當于人的左右兩只眼睛，根據兩只眼睛看到物體的角度不同，可以計算出對焦是否準確，以上就是PDAF的基本原理。

1 PDAF的原理和算法詳解

PDAF的“左右眼睛”在看同一個物體的時候，會產生一定的視覺差異，即相位差（PD值），手機調用PD值作為對焦的計算，實現完整的PDAF過程。

Shield Pixel的能量值是以列為單位計算。分別提取每列的Left PD Pixel的信號值，和Right PD Pixel的信號值，并描成對應的曲線。提取Left PD曲線和Right PD曲線的峰值，兩者之間的差異值為相位差，相位差與L/R位移量有一定的轉換公式。

A： Effective Aperture;

D： PD值：

L：當前鏡頭與遠焦鏡頭位置的差異;

F：焦距：

m：鏡頭移動范圍。

PD值有正有負，當PD值接近于O時，說明該圖像對焦為清晰點。

2 PDAF技術現有的分類及發展趨勢

目前PDAF技術大致可以分為常規四大類，PDAF， 2PD， lx2PD， 4PD。

常規PDAF是最廣泛使用的PDAF模式。該技術最早被Sony半導體芯片推出，并運用于自己的CMOS芯片上。常規PDAF通過特殊材料遮像素點的右邊和左邊，以形成“左右眼睛”。

這種常規PDAF的工藝并不復雜，對于整個CMOS芯片的成本增加不大，二期其提升對焦速度的效果非常明顯，所以這種芯片一問世，便受到各大手機廠商的青睞。

2PD技術把傳統芯片的每個Pixel -分為2，可以理解為使每個像素點都包含左右眼睛。2PD的特點是PD PIXEL在芯片上的占比為100%，而常規PDAF僅有2-3%。2PD助力下的對焦速度從350ms提升至200ms，并且在黑暗環境中（20Lux以下）依舊能進行相位對焦。2PD價格相對更貴，其不僅對芯片廠的設計能力要求高，對半導體制程工藝的要求很高。

lx2PD是PD對焦中極為重要的一種，其推出時間雖然比2PD更晚，但是市場接受度卻更高，得益于它在暗態環境下對焦能力的顯著提升，而價格卻更加親民。lx2PD使用一個MICRO LENS罩住兩個PIXEL，PIXEL中間沒有遮蔽，從這對PIXEL的左右兩個PIXEL獲取PD信號，由于中間沒有遮蔽，PD感光能力更強，也更便于暗態對焦。

3 PDAF技術的生產要點

目前國內主要的幾家模組廠基本都具備PDAF量產能力。PDAF功能在生產時需要進行校正（Calibration），主要包括SPC（shieldpixel calibration）與DCC（defocus conversioncoefficient）。

SPC：為了實現PDAF功能，芯片表面部分Gpixel進行了遮光結構設計，光能信號比正常的G pixel要弱一些。因此，為了達到正常G pixel的能效水平，需要對此類型的Gpixel增加額外的增益，此動作稱之為SPC。

DCC：通過左右shield pixel之間的差異來將被攝物映射到鏡頭移動距離中的某個位置。系統在進行對焦的時候，需要將檢測到的相位差（phase difference）轉換為離焦率（Defocus Value），這個轉換過程應用到的表單數據稱為DCC。

4 PDAF技術的應用

傳統的對焦方式為反差對焦，以圖像畫面的對比度作為參考標準，對焦過程選取對比度最高的點作為對焦清晰點。馬達驅動鏡頭從最低點移動到最高點，并記錄每個位置的畫面對比度，等鏡頭走完全程后，將鏡頭移動到對比度最高的位置，完成反差對焦。

相位對焦相對于反差對焦，沒有馬達搜索全程的過程，而是通過判斷相位的差異，可以判斷馬達需要多少距離可以到清晰點，將鏡頭一下子推動到那個清晰位置，從而大大提高了對焦速度。

真正意義上手機端的相位對焦，其實是相位對焦和傳統反差對焦相結合的結果。這種方式很好的避免了在某些環境下相位對焦失效的情況，比如前面說到的低照度環境，如果單純使用相位對焦，在失效情況下可能會導致手機無法對焦的尷尬。

總的來說，PDAF技術為用戶帶來的手機對焦體驗著實不容小覷，這也難怪PDAF技術如此盛行。未來該技術會何去何從，是否還會有新的創新點，值得期待。

參考文獻

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