PDAF對(duì)焦技術(shù)原理解析及生產(chǎn)應(yīng)用

蔡贊贊

摘要 PDAF是Phase DetectionAuto Focus（相位檢測(cè)對(duì)焦）的縮寫(xiě)，將感光芯片采集到的相位差作為對(duì)焦的依據(jù)。本文旨在解析PDAF技術(shù)，從構(gòu)造及算法原理，其分類及發(fā)展態(tài)勢(shì)，該技術(shù)的生產(chǎn)要點(diǎn)，以及如何在手機(jī)端應(yīng)用，等等。本文作為一篇手機(jī)PDAF對(duì)焦技術(shù)理論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的詳細(xì)解析報(bào)告，旨在為更多的行業(yè)工作者提供更多的信息參考，從根本上理解該技術(shù)，為該技術(shù)的應(yīng)用和改善打下良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】智能手機(jī) 相位差 對(duì)焦 生產(chǎn) 應(yīng)用

手機(jī)攝像頭技術(shù)在近幾年也發(fā)生了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的發(fā)展便是其中重要的部分。以前的手機(jī)在拍照時(shí)，對(duì)焦會(huì)有一個(gè)拉風(fēng)箱的效果，但是近期高端手機(jī)上的對(duì)焦，這種效果越來(lái)越短甚至于無(wú)，我們的相機(jī)似乎拍攝哪個(gè)畫(huà)面都會(huì)是清楚的，用戶幾乎感覺(jué)不到攝像頭在對(duì)焦，用戶體驗(yàn)更優(yōu)。在這其中，PDAF對(duì)焦技術(shù)扮演了重要的角色。

PDAF技術(shù)，英文全稱是相位對(duì)焦（PhaseDetection Auto Focus）。手機(jī)模組里面感應(yīng)圖像的部分為感光芯片，每個(gè)像素點(diǎn)都在感應(yīng)圖像。如果把間隔一段距離的對(duì)稱的兩個(gè)像素點(diǎn)，分別遮蓋像素點(diǎn)的左半邊和右半邊.相當(dāng)于人的左右兩只眼睛，根據(jù)兩只眼睛看到物體的角度不同，可以計(jì)算出對(duì)焦是否準(zhǔn)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(gè)物體的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一定的視覺(jué)差異，即相位差（PD值），手機(jī)調(diào)用PD值作為對(duì)焦的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)完整的PDAF過(guò)程。

Shield Pixel的能量值是以列為單位計(jì)算。分別提取每列的Left PD Pixel的信號(hào)值，和Right PD Pixel的信號(hào)值，并描成對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換公式。

A： Effective Aperture;

D： PD值：

L：當(dāng)前鏡頭與遠(yuǎn)焦鏡頭位置的差異;

F：焦距：

m：鏡頭移動(dòng)范圍。

PD值有正有負(fù)，當(dāng)PD值接近于O時(shí)，說(shuō)明該圖像對(duì)焦為清晰點(diǎn)。

2 PDAF技術(shù)現(xiàn)有的分類及發(fā)展趨勢(shì)

目前PDAF技術(shù)大致可以分為常規(guī)四大類，PDAF， 2PD， lx2PD， 4PD。

常規(guī)PDAF是最廣泛使用的PDAF模式。該技術(shù)最早被Sony半導(dǎo)體芯片推出，并運(yùn)用于自己的CMOS芯片上。常規(guī)PDAF通過(guò)特殊材料遮像素點(diǎn)的右邊和左邊，以形成“左右眼睛”。

這種常規(guī)PDAF的工藝并不復(fù)雜，對(duì)于整個(gè)CMOS芯片的成本增加不大，二期其提升對(duì)焦速度的效果非常明顯，所以這種芯片一問(wèn)世，便受到各大手機(jī)廠商的青睞。

2PD技術(shù)把傳統(tǒng)芯片的每個(gè)Pixel -分為2，可以理解為使每個(gè)像素點(diǎn)都包含左右眼睛。2PD的特點(diǎn)是PD PIXEL在芯片上的占比為100%，而常規(guī)PDAF僅有2-3%。2PD助力下的對(duì)焦速度從350ms提升至200ms，并且在黑暗環(huán)境中（20Lux以下）依舊能進(jìn)行相位對(duì)焦。2PD價(jià)格相對(duì)更貴，其不僅對(duì)芯片廠的設(shè)計(jì)能力要求高，對(duì)半導(dǎo)體制程工藝的要求很高。

lx2PD是PD對(duì)焦中極為重要的一種，其推出時(shí)間雖然比2PD更晚，但是市場(chǎng)接受度卻更高，得益于它在暗態(tài)環(huán)境下對(duì)焦能力的顯著提升，而價(jià)格卻更加親民。lx2PD使用一個(gè)MICRO LENS罩住兩個(gè)PIXEL，PIXEL中間沒(méi)有遮蔽，從這對(duì)PIXEL的左右兩個(gè)PIXEL獲取PD信號(hào)，由于中間沒(méi)有遮蔽，PD感光能力更強(qiáng)，也更便于暗態(tài)對(duì)焦。

3 PDAF技術(shù)的生產(chǎn)要點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)主要的幾家模組廠基本都具備PDAF量產(chǎn)能力。PDAF功能在生產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行校正（Calibration），主要包括SPC（shieldpixel calibration）與DCC（defocus conversioncoefficient）。

SPC：為了實(shí)現(xiàn)PDAF功能，芯片表面部分Gpixel進(jìn)行了遮光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光能信號(hào)比正常的G pixel要弱一些。因此，為了達(dá)到正常G pixel的能效水平，需要對(duì)此類型的Gpixel增加額外的增益，此動(dòng)作稱之為SPC。

DCC：通過(guò)左右shield pixel之間的差異來(lái)將被攝物映射到鏡頭移動(dòng)距離中的某個(gè)位置。系統(tǒng)在進(jìn)行對(duì)焦的時(shí)候，需要將檢測(cè)到的相位差（phase difference）轉(zhuǎn)換為離焦率（Defocus Value），這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程應(yīng)用到的表單數(shù)據(jù)稱為DCC。

4 PDAF技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的對(duì)焦方式為反差對(duì)焦，以圖像畫(huà)面的對(duì)比度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焦過(guò)程選取對(duì)比度最高的點(diǎn)作為對(duì)焦清晰點(diǎn)。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏡頭從最低點(diǎn)移動(dòng)到最高點(diǎn)，并記錄每個(gè)位置的畫(huà)面對(duì)比度，等鏡頭走完全程后，將鏡頭移動(dòng)到對(duì)比度最高的位置，完成反差對(duì)焦。

相位對(duì)焦相對(duì)于反差對(duì)焦，沒(méi)有馬達(dá)搜索全程的過(guò)程，而是通過(guò)判斷相位的差異，可以判斷馬達(dá)需要多少距離可以到清晰點(diǎn)，將鏡頭一下子推動(dòng)到那個(gè)清晰位置，從而大大提高了對(duì)焦速度。

真正意義上手機(jī)端的相位對(duì)焦，其實(shí)是相位對(duì)焦和傳統(tǒng)反差對(duì)焦相結(jié)合的結(jié)果。這種方式很好的避免了在某些環(huán)境下相位對(duì)焦失效的情況，比如前面說(shuō)到的低照度環(huán)境，如果單純使用相位對(duì)焦，在失效情況下可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)無(wú)法對(duì)焦的尷尬。

總的來(lái)說(shuō)，PDAF技術(shù)為用戶帶來(lái)的手機(jī)對(duì)焦體驗(yàn)著實(shí)不容小覷，這也難怪PDAF技術(shù)如此盛行。未來(lái)該技術(shù)會(huì)何去何從，是否還會(huì)有新的創(chuàng)新點(diǎn)，值得期待。

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