PDAF对焦技术原理解析及生产应用

蔡赞赞

摘要 PDAF是Phase DetectionAuto Focus（相位检测对焦）的缩写，将感光芯片采集到的相位差作为对焦的依据。本文旨在解析PDAF技术，从构造及算法原理，其分类及发展态势，该技术的生产要点，以及如何在手机端应用，等等。本文作为一篇手机PDAF对焦技术理论结合实际应用的详细解析报告，旨在为更多的行业工作者提供更多的信息参考，从根本上理解该技术，为该技术的应用和改善打下良好的基础。

【关键词】智能手机 相位差 对焦 生产 应用

手机摄像头技术在近几年也发生了突飞猛进的发展，自动对焦技术的发展便是其中重要的部分。以前的手机在拍照时，对焦会有一个拉风箱的效果，但是近期高端手机上的对焦，这种效果越来越短甚至于无，我们的相机似乎拍摄哪个画面都会是清楚的，用户几乎感觉不到摄像头在对焦，用户体验更优。在这其中，PDAF对焦技术扮演了重要的角色。

PDAF技术，英文全称是相位对焦（PhaseDetection Auto Focus）。手机模组里面感应图像的部分为感光芯片，每个像素点都在感应图像。如果把间隔一段距离的对称的两个像素点，分别遮盖像素点的左半边和右半边.相当于人的左右两只眼睛，根据两只眼睛看到物体的角度不同，可以计算出对焦是否准确，以上就是PDAF的基本原理。

1 PDAF的原理和算法详解

PDAF的“左右眼睛”在看同一个物体的时候，会产生一定的视觉差异，即相位差（PD值），手机调用PD值作为对焦的计算，实现完整的PDAF过程。

Shield Pixel的能量值是以列为单位计算。分别提取每列的Left PD Pixel的信号值，和Right PD Pixel的信号值，并描成对应的曲线。提取Left PD曲线和Right PD曲线的峰值，两者之间的差异值为相位差，相位差与L/R位移量有一定的转换公式。

A： Effective Aperture;

D： PD值：

L：当前镜头与远焦镜头位置的差异;

F：焦距：

m：镜头移动范围。

PD值有正有负，当PD值接近于O时，说明该图像对焦为清晰点。

2 PDAF技术现有的分类及发展趋势

目前PDAF技术大致可以分为常规四大类，PDAF， 2PD， lx2PD， 4PD。

常规PDAF是最广泛使用的PDAF模式。该技术最早被Sony半导体芯片推出，并运用于自己的CMOS芯片上。常规PDAF通过特殊材料遮像素点的右边和左边，以形成“左右眼睛”。

这种常规PDAF的工艺并不复杂，对于整个CMOS芯片的成本增加不大，二期其提升对焦速度的效果非常明显，所以这种芯片一问世，便受到各大手机厂商的青睐。

2PD技术把传统芯片的每个Pixel -分为2，可以理解为使每个像素点都包含左右眼睛。2PD的特点是PD PIXEL在芯片上的占比为100%，而常规PDAF仅有2-3%。2PD助力下的对焦速度从350ms提升至200ms，并且在黑暗环境中（20Lux以下）依舊能进行相位对焦。2PD价格相对更贵，其不仅对芯片厂的设计能力要求高，对半导体制程工艺的要求很高。

lx2PD是PD对焦中极为重要的一种，其推出时间虽然比2PD更晚，但是市场接受度却更高，得益于它在暗态环境下对焦能力的显著提升，而价格却更加亲民。lx2PD使用一个MICRO LENS罩住两个PIXEL，PIXEL中间没有遮蔽，从这对PIXEL的左右两个PIXEL获取PD信号，由于中间没有遮蔽，PD感光能力更强，也更便于暗态对焦。

3 PDAF技术的生产要点

目前国内主要的几家模组厂基本都具备PDAF量产能力。PDAF功能在生产时需要进行校正（Calibration），主要包括SPC（shieldpixel calibration）与DCC（defocus conversioncoefficient）。

SPC：为了实现PDAF功能，芯片表面部分Gpixel进行了遮光结构设计，光能信号比正常的G pixel要弱一些。因此，为了达到正常G pixel的能效水平，需要对此类型的Gpixel增加额外的增益，此动作称之为SPC。

DCC：通过左右shield pixel之间的差异来将被摄物映射到镜头移动距离中的某个位置。系统在进行对焦的时候，需要将检测到的相位差（phase difference）转换为离焦率（Defocus Value），这个转换过程应用到的表单数据称为DCC。

4 PDAF技术的应用

传统的对焦方式为反差对焦，以图像画面的对比度作为参考标准，对焦过程选取对比度最高的点作为对焦清晰点。马达驱动镜头从最低点移动到最高点，并记录每个位置的画面对比度，等镜头走完全程后，将镜头移动到对比度最高的位置，完成反差对焦。

相位对焦相对于反差对焦，没有马达搜索全程的过程，而是通过判断相位的差异，可以判断马达需要多少距离可以到清晰点，将镜头一下子推动到那个清晰位置，从而大大提高了对焦速度。

真正意义上手机端的相位对焦，其实是相位对焦和传统反差对焦相结合的结果。这种方式很好的避免了在某些环境下相位对焦失效的情况，比如前面说到的低照度环境，如果单纯使用相位对焦，在失效情况下可能会导致手机无法对焦的尴尬。

总的来说，PDAF技术为用户带来的手机对焦体验着实不容小觑，这也难怪PDAF技术如此盛行。未来该技术会何去何从，是否还会有新的创新点，值得期待。

参考文献

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