相位对焦原理：微透镜阵列与像素分光结构，相位差计算基础
相位对焦，说白了就是让相机自己当“测距仪”。它不靠猜，而是靠算。我当年第一次拆开一颗专业级 CMOS 时，看到像素表面那层密密麻麻的微透镜阵列，才真正理解——原来对焦这件事，从硬件层面就已经被“设计”好了。
2.1 微透镜阵列：光线的“分岔路口”
传统像素上方只有一个微透镜，光线汇聚后直接进入感光区。但相位对焦像素不同——每个微透镜下方，被一堵“墙”隔成了左右两个光电二极管。
核心结构：一个微透镜 + 两个光电二极管（左/右） = 一个相位检测像素对。
你想想看，光线穿过微透镜后，会被这堵墙“劈开”。如果镜头合焦，左右两个二极管接收到的光强完全一致。如果镜头前移或后移，光线就会偏向某一侧。这个“偏向”就是相位差。
我在项目中遇到过一种情况：某款传感器的微透镜阵列与片上透镜距离偏差了 0.3μm，结果整批模组的对焦精度都飘了。后来我们重新校准了微透镜的曲率半径，才把相位一致性拉回来。
2.2 像素分光结构：左眼与右眼
相位检测像素的分光结构，本质上是在模拟“双眼视差”。
| 结构类型 | 实现方式 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 半遮挡式 | 像素上方金属遮光层只开左半/右半 | 早期 DSLR 相位模块 |
| 双光电二极管式 | 同一微透镜下两个独立 PD | 索尼 2PD、佳能双核 |
| 片上透镜偏移式 | 微透镜中心相对 PD 偏移 | 部分安森美传感器 |
我个人习惯把双光电二极管式叫做“真·相位对焦”。因为它不牺牲像素数量，每个像素都能同时成像和对焦。嗯，代价就是工艺难度翻倍。
避坑指南：我曾经调试过一款 48MP 传感器，它的相位像素只分布在 30% 的阵列区域。结果在低照度下，非相位区域和相位区域的响应曲线不一致，导致对焦时出现“跳焦”。后来我强制在 ISP 里做了增益补偿，才稳住。
2.3 相位差计算基础：从光强到偏移量
相位差的计算，本质上是一个“相关性搜索”问题。我们来看最基础的实现流程：
- 提取左右信号：从相位像素对中读出左眼序列 L(x) 和右眼序列 R(x)。
- 计算相关曲线：将 R(x) 逐像素平移，计算与 L(x) 的差值值之和（SAD）。
- 找到谷底：SAD 最小的平移量，就是相位差。
// 简化的 SAD 相位差计算（C 风格伪代码）
float computePhaseShift(int16_t* L, int16_t* R, int len) {
float minSAD = INFINITY;
int bestShift = 0;
for (int shift = -len/2; shift < len/2; shift++) {
float sad = 0.0f;
for (int i = 0; i < len; i++) {
int idxR = i + shift;
if (idxR < 0 || idxR >= len) continue;
sad += abs(L[i] - R[idxR]);
}
if (sad < minSAD) {
minSAD = sad;
bestShift = shift;
}
}
return bestShift; // 单位：像素
}
这段代码看着简单，但实际工程里坑很多。比如边界处理、噪声抑制、亚像素插值。我见过有人直接用整数平移，结果对焦精度永远卡在 1 个像素以内——说白了就是没做亚像素拟合。
注意：相位差计算对信号质量极其敏感。如果左右通道的增益不一致，或者存在固定模式噪声（FPN），相关曲线的谷底会变“平”，导致对焦犹豫。我曾经在实验室用均匀光源照射传感器，发现左右通道的暗电流差了 12%，后来通过双通道校准表才解决。
2.4 相位差与镜头移动量的关系
相位差算出来了，怎么转成镜头步进？这里有个关键参数：基线长度。
基线长度 = 左右相位像素的光学中心距离。它决定了相位差对离焦量的灵敏度。
| 基线长度 | 灵敏度 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 短基线（< 10μm） | 低 | 大光圈、低照度 |
| 中基线（10~30μm） | 中 | 日常拍摄 |
| 长基线（> 30μm） | 高 | 长焦、高精度对焦 |
公式很简单：镜头移动量 = 相位差 × 像素间距 / 基线长度 × 镜头灵敏度系数。但实际调试时，这个系数往往不是理论值。我习惯在产线做一次“全行程标定”——从最近到最远，记录每个位置的相位差，然后拟合出一条映射曲线。
我的经验：相位差映射曲线通常不是线性的。尤其是微距端，由于光学像差的影响，相位差和实际离焦量会偏离线性关系。我建议至少用 5 阶多项式拟合，或者分段线性插值。
2.5 相位对焦的典型流程
下面这张 SVG 图展示了从像素读出到镜头驱动的完整链路：
这个流程里，我最想强调的就是那条虚线反馈回路。很多工程师只关注前向链路，忽略了“迭代收敛”的重要性。我调试过一款模组，相位差计算本身很准，但每次驱动镜头后不做二次校验，结果在微距端反复震荡——说白了就是缺了闭环。
2.6 相位对焦的局限与补偿
相位对焦不是万能的。我列几个常见问题：
- 光线不足：左右信号信噪比下降，相关曲线谷底变浅。我建议在 EV < 2 时切换到对比度对焦辅助。
- 重复纹理：比如百叶窗、网格，相关曲线会出现多个谷底。我曾经用“峰值置信度”指标来过滤这种歧义。
- 镜头像差：尤其是大光圈边缘，光线斜入射导致左右通道响应不一致。嗯，这个只能靠标定表补偿。
小技巧：在产线标定时，不要只用均匀光源。我习惯用“星图”或“斜边”靶标，这样能同时标定相位差映射和 MTF 响应。一次标定，两套数据。
相位对焦的核心，就是利用微透镜阵列和像素分光结构，把“对焦”这个模糊问题变成了一个精确的“偏移量测量”问题。你只要把左右信号算准、把映射关系标定好，剩下的就是让镜头乖乖听话。