Автофокус

О фильме с таким же названием см. «Автофокусировка» .

Автофокус

Несколько зеленых точек/областей фокусировки, указывающих, где зафиксировался автофокус.

Одна выбранная зеленая точка фокусировки с использованием точечной автофокусировки

система автофокусировки и ( AF ) Оптическая использует датчик , систему управления двигатель для фокусировки на автоматически или вручную выбранной точке или области. У электронного дальномера вместо мотора имеется дисплей; регулировку оптической системы необходимо производить вручную до появления индикации. Методы автофокусировки различают активные , пассивные и гибридные.

Системы автофокусировки полагаются на один или несколько датчиков для определения правильной фокусировки. Некоторые системы автофокусировки полагаются на один датчик, в то время как другие используют набор датчиков. В большинстве современных зеркальных камер используются оптические датчики, проходящие через объектив , с отдельной матрицей датчиков, обеспечивающей замер освещенности , хотя последний можно запрограммировать на приоритет замера в той же области, что и один или несколько датчиков автофокусировки.

Оптическая автофокусировка через объектив обычно быстрее и точнее, чем ручная фокусировка с помощью обычного видоискателя, хотя более точную ручную фокусировку можно добиться с помощью специальных аксессуаров, таких как фокусировочная лупа. Точность автофокусировки в пределах 1/3 глубины резкости (ГРИП) при самой широкой диафрагме объектива характерна для профессиональных зеркальных фотоаппаратов с автофокусировкой.

Большинство камер с мультисенсорной автофокусировкой позволяют вручную выбирать активный датчик, а многие предлагают автоматический выбор датчика с использованием алгоритмов , которые пытаются определить местоположение объекта. Некоторые камеры с автофокусировкой способны определять, движется ли объект к камере или от нее, включая скорость и ускорение, и сохранять фокусировку — функция, используемая в основном в спортивной фотографии и других динамичных фотографиях. Камеры Canon называют это AI servo ; В камерах Nikon это называется «непрерывный фокус».

Данные, собранные с датчиков автофокусировки, используются для управления электромеханической системой, регулирующей фокус оптической системы. Разновидностью автофокуса является электронный дальномер , в котором данные о фокусировке передаются оператору, но настройка оптической системы по-прежнему производится вручную.

Скорость системы автофокусировки сильно зависит от самой широкой диафрагмы, предлагаемой объективом при текущем фокусном расстоянии. F-стопы около f / 2 до f / 2.8 обычно считаются лучшими по скорости и точности фокусировки. Более светосильные линзы, чем эти (например: f / 1,4 или f / 1.8), как правило, имеют очень низкую глубину резкости, а это означает, что для достижения правильной фокусировки требуется больше времени, несмотря на увеличенное количество света. Большинство потребительских систем камер надежно автофокусируются только с объективами, имеющими самую широкую диафрагму не менее f / 5.6, тогда как профессиональные модели зачастую могут справиться с самой широкой диафрагмой f / 8, что особенно полезно для объективов, используемых совместно с телеконвертерами .

История

Между 1960 и 1973 годами Лейтц (Leica) запатентовал ряд технологий автофокусировки и соответствующих сенсоров. На выставке Photokina 1976 года компания Leica представила камеру, основанную на своей предыдущей разработке, под названием Correfot, а в 1978 году они представили зеркальную камеру с полностью работоспособным автофокусом.

Первой серийной камерой с автофокусом была Konica C35 AF , простая модель «наведи и снимай» , выпущенная в 1977 году . Polaroid SX-70 Sonar OneStep была первой однообъективной зеркальной камерой с автофокусом , выпущенной в 1978 году.

Pentax ME-F , в котором использовались датчики фокусировки в корпусе камеры в сочетании с моторизованным объективом , стала первой 35-мм зеркальной камерой с автофокусировкой в ​​1981 году.

В 1983 году компания Nikon выпустила F3AF , свою первую камеру с автофокусировкой, основанную на концепции, аналогичной ME-F.

Minolta 7000 , выпущенная в 1985 году, была первой зеркальной камерой со встроенной системой автофокусировки. Это означало, что и датчики автофокусировки, и приводной двигатель были размещены в корпусе камеры, а также встроенное устройство предварительной намотки пленки, которое должно было стать стандартной конфигурацией. для зеркальных камер этого производителя, а также Nikon отказались от своей системы F3AF и интегрировали автофокус-мотор и датчики в корпус.

В 1987 году компания Canon решила отказаться от крепления FD и перешла на полностью электронное крепление EF с моторизованными объективами.

Компания Pentax была первой компанией, которая в 1991 году ввела измерение расстояния фокусировки для зеркальных фотоаппаратов с объективами серий FA и FA*. Их первые K _AF с байонетом объективы Pentax и автофокусировкой были представлены в 1989 году.

В 1992 году компания Nikon вернулась к моторам со встроенным объективом, выпустив линейку объективов AF-I и AF-S; сегодня их зеркалки начального уровня не имеют мотора фокусировки в корпусе из-за наличия моторов во всех новых разработанных AF-объективах .

Активный

Системы активной автофокусировки измеряют расстояние до объекта независимо от оптической системы и впоследствии настраивают оптическую систему для правильной фокусировки.

Существуют различные способы измерения расстояния, включая ультразвуковые звуковые волны и инфракрасный свет. В первом случае из камеры излучаются звуковые волны, и по измерению задержки их отражения рассчитывается расстояние до объекта съемки. Камеры Polaroid , включая Spectra и SX-70, были известны успешным применением этой системы. В последнем случае для триангуляции расстояния до объекта обычно используется инфракрасный свет. Компактные камеры, включая Nikon 35TiQD и 28TiQD , Canon AF35M и Contax T2 и T3 , а также ранние видеокамеры использовали эту систему. Новый подход, включенный в некоторые бытовые электронные устройства, такие как мобильные телефоны, основан на принципе времени пролета , который включает в себя освещение объекта лазерным или светодиодным светом и расчет расстояния на основе времени, необходимого свету для достижения цели. проезд до объекта и обратно. Эту технику иногда называют лазерной автофокусировкой , и она присутствует во многих моделях мобильных телефонов нескольких производителей. Он также присутствует в промышленности и медицине. устройства.

Исключением из двухэтапного подхода является механическая автофокусировка, предусмотренная в некоторых фотоувеличителях, которая регулирует объектив напрямую.

Пассивный

Системы пассивной автофокусировки определяют правильную фокусировку, выполняя пассивный анализ изображения, поступающего в оптическую систему. Обычно они не направляют на объект какую-либо энергию, такую ​​как ультразвуковой звук или инфракрасные световые волны. (Однако, когда света недостаточно для проведения пассивных измерений, требуется вспомогательный луч автофокусировки, обычно инфракрасный свет.) Пассивная автофокусировка может быть достигнута путем определения фазы или измерения контраста.

Обнаружение фазы

Фазовое обнаружение: на каждом рисунке (не в масштабе) фиолетовая линия горизонта представляет объект, на котором необходимо сфокусироваться, красная и зеленая линии представляют собой лучи света, проходящие через отверстия на противоположных сторонах линзы, а желтый прямоугольник представляет собой массивы датчиков ( по одному на каждую апертуру). На рисунках 1–4 показаны условия, когда линза сфокусирована (1) слишком близко, (2) правильно, (3) слишком далеко и (4) слишком далеко. Разность фаз между двумя профилями горизонта можно использовать, чтобы определить, в каком направлении и насколько нужно переместить объектив для достижения оптимальной фокусировки.

Фазовое обнаружение (ФД) достигается путем разделения падающего света на пары изображений и их сравнения. Пассивное фазовое обнаружение с регистрацией вторичного изображения через объектив (TTL SIR) часто используется в пленочных и цифровых зеркальных камерах . Система использует светоделитель (реализованный в виде небольшой полупрозрачной области главного зеркала, соединенной с небольшим вторичным зеркалом) для направления света на датчик автофокусировки в нижней части камеры. Две микролинзы улавливают лучи света, поступающие с противоположных сторон объектива, и направляют их на датчик автофокусировки, образуя простой дальномер с основанием в пределах диаметра объектива. Затем два изображения анализируются на предмет схожих характеристик интенсивности света (пики и спады) и вычисляется ошибка разделения, чтобы определить, находится ли объект в положении переднего или заднего фокуса . Это дает направление и оценку необходимой величины движения кольца фокусировки.

PD AF в режиме непрерывной фокусировки (например, «AI Servo» для Canon , «AF-C» для Nikon , Pentax и Sony ) представляет собой процесс управления с обратной связью . PD AF в режиме фиксации фокуса (например, «One-Shot» для Canon , «AF-S» для Nikon и Sony ) широко распространено мнение, что это процесс управления с разомкнутым контуром «одно измерение, одно движение» , но фокусировка подтверждается только тогда, когда датчик автофокусировки видит объект в фокусе. Единственные очевидные различия между этими двумя режимами заключаются в том, что режим блокировки фокуса останавливается при подтверждении фокуса, а режим непрерывной фокусировки имеет элементы прогнозирования для работы с движущимися целями, что предполагает, что это один и тот же процесс с замкнутым контуром.

Хотя датчики автофокусировки обычно представляют собой одномерные светочувствительные полоски (всего несколько пикселей в высоту и несколько десятков в ширину), некоторые современные камеры ( Canon EOS-1V , Canon EOS-1D , Nikon D2X ) имеют область TTL SIR. датчики прямоугольной формы, обеспечивающие двумерные диаграммы интенсивности для более мелкозернистого анализа. Точки фокусировки крестового типа имеют пару датчиков, ориентированных под углом 90° друг к другу, хотя для работы одного датчика обычно требуется большая апертура, чем другого.

Некоторые фотоаппараты ( Minolta 7 , Canon EOS-1V , 1D , 30D / 40D , Pentax K-1 , Sony DSLR-A700 , DSLR-A850 , DSLR-A900 ) также имеют несколько «высокоточных» точек фокусировки с дополнительным набором. призм и датчиков; они активны только со светосильными объективами с определенной геометрической апертурой (обычно диафрагменное число 2,8 и выше). Повышенная точность достигается за счет более широкой эффективной измерительной базы «дальномера».

Некоторые современные датчики (например, в Librem 5 ) содержат около 2% пикселей фазового определения на чипе. При наличии соответствующего программного обеспечения это обеспечивает автофокусировку с определением фазы.

Система фазовой регистрации: 7 – Оптическая система определения фокуса; 8 – Датчик изображения; 30 – Плоскость окрестности выходного зрачка оптической системы для фотосъемки; 31, 32 – Пара регионов; 70 – Окно; 71 – Маска поля зрения; 72 – Конденсаторная линза; 73, 74 – Пара отверстий; 75 – Маска диафрагмы; 76, 77 – Пара собирающих линз; 80, 81 – Пара светоприемных секций.

Обнаружение контраста

Автофокусировка с обнаружением контраста достигается путем измерения контраста (зрения) в поле датчика через линзу . Разница в интенсивности между соседними пикселями сенсора естественным образом увеличивается при правильной фокусировке изображения. Таким образом, оптическую систему можно регулировать до тех пор, пока не будет обнаружен максимальный контраст. В этом методе автофокусировка вообще не предполагает фактического измерения расстояния. Это создает серьезные проблемы при отслеживании движущихся объектов , поскольку потеря контраста не дает представления о направлении движения к камере или от нее.

Автофокусировка с определением контраста — распространенный метод в цифровых камерах , в которых отсутствуют затворы и зеркальные зеркала. Большинство зеркальных фотокамер используют этот метод (или гибрид контрастного и фазового автофокуса) при фокусировке в режимах просмотра в реальном времени . Заметным исключением являются цифровые камеры Canon с Dual Pixel CMOS AF. Беззеркальные камеры со сменными объективами обычно используют автофокусировку с измерением контраста, хотя определение фазы стало нормой для большинства беззеркальных камер, что обеспечивает им значительно лучшую производительность отслеживания автофокусировки по сравнению с обнаружением контраста.

Обнаружение контраста накладывает другие ограничения на конструкцию линз по сравнению с обнаружением фазы. В то время как фазовое определение требует, чтобы объектив быстро и прямо перемещал точку фокусировки в новое положение, автофокусировка с определением контраста вместо этого использует линзы, которые могут быстро перемещаться по диапазону фокусных расстояний, останавливаясь точно в точке, где обнаруживается максимальный контраст. Это означает, что объективы, предназначенные для определения фазы, часто плохо работают с камерами, использующими определение контраста.

Вспомогательная лампа

Вспомогательная подсветка (также известная как подсветка АФ) низкой освещенности и низкой контрастности в некоторых камерах «активирует» пассивные системы автофокусировки в условиях . Лампа проецирует на объект видимый или ИК- свет, который использует система автофокусировки камеры для достижения фокусировки.

Многие фотоаппараты и почти все камерофоны отсутствует специальная вспомогательная лампа автофокусировки. Вместо этого они используют встроенную вспышку, освещая объект вспышками света. Это помогает системе автофокусировки так же, как и специальная вспомогательная лампа, но имеет тот недостаток, что пугает или раздражает людей. Еще одним недостатком является то, что если камера использует помощь при фокусировке со вспышкой и установлена ​​в режим работы, который игнорирует вспышку, она также может отключить помощь при фокусировке. Таким образом, автофокус может не поймать объект.

Подобная стробоскопическая вспышка иногда используется для уменьшения эффекта красных глаз , но это предназначено только для сужения зрачков объекта перед съемкой.

Некоторые внешние вспышки оснащены встроенными вспомогательными лампами автофокусировки, которые заменяют стробоскопическую встроенную вспышку. Многие из них красные и менее навязчивые. Еще один способ помочь системам автофокусировки на основе контраста при слабом освещении — направить на объект лазерный луч. Лазерный метод имеет коммерческое название Hologram AF Laser и использовался в камерах Sony CyberShot Sony F707, F717 и F828 примерно в 2003 году, включая модели .

Гибридный автофокус

В гибридной системе автофокусировки фокусировка достигается путем объединения двух или более методов, таких как:

• Активные и пассивные методы
• Фазовое обнаружение и измерение контрастности

Двойное усилие обычно используется для взаимной компенсации внутренних недостатков различных методов с целью повышения общей надежности и точности или ускорения функции ФП.

Редким примером ранней гибридной системы является комбинация активной ИК- или ультразвуковой системы автофокусировки с пассивной системой определения фазы. ИК или ультразвуковая система, основанная на отражении, будет работать независимо от условий освещенности, но ее легко обмануть препятствиями, такими как оконные стекла, а точность обычно ограничивается довольно ограниченным количеством шагов. Фазовый автофокус без проблем «видит» сквозь оконные стекла и гораздо точнее, но не работает в условиях плохой освещенности или на поверхностях без контрастов или с повторяющимся узором.

Очень распространенным примером комбинированного использования является система фазовой автофокусировки, используемая в однообъективных зеркальных камерах с 1985-х годов. Пассивная фазовая автофокусировка требует некоторого контраста для работы, что затрудняет ее использование в условиях слабого освещения или на ровных поверхностях. Подсветка АФ будет освещать сцену и проецировать контрастные узоры на ровные поверхности, так что фазовая автофокусировка может работать и в этих условиях.

Более новая форма гибридной системы представляет собой комбинацию пассивной фазовой автофокусировки и пассивной контрастной автофокусировки, иногда с использованием активных методов, поскольку для работы обоих методов необходим некоторый видимый контраст. В их рабочих условиях автофокусировка с определением фазы происходит очень быстро, поскольку метод измерения предоставляет как информацию, так и величину смещения и направление, так что мотор фокусировки может перемещать объектив прямо в фокус (или близко к нему) без дополнительных усилий. измерения. Однако дополнительные измерения на лету могут повысить точность или помочь отслеживать движущиеся объекты. Однако точность фазового автофокуса зависит от его эффективной измерительной базы. Если база измерений велика, измерения будут очень точными, но могут работать только с объективами с большой геометрической апертурой (например, 1:2,8 или больше). Даже с высококонтрастными объектами фазовая автофокусировка вообще не может работать с объективами, скорость которых меньше эффективной основы измерения. Для работы с большинством объективов эффективная основа измерения обычно устанавливается в диапазоне от 1:5,6 до 1:6,7, чтобы автофокусировка продолжала работать с медленными объективами (по крайней мере, до тех пор, пока они не закрыты диафрагмой). Однако это снижает внутреннюю точность системы автофокусировки, даже если используются светосильные объективы. Поскольку эффективная основа измерения является оптическим свойством фактической реализации, ее нелегко изменить. Очень немногие камеры оснащены системами multi-PD-AF с несколькими переключаемыми базами измерения в зависимости от используемого объектива, чтобы обеспечить нормальную автофокусировку с большинством объективов и более точную фокусировку со светосильными объективами.Контрастная автофокусировка не имеет такого конструктивного ограничения точности, поскольку для работы ей требуется лишь минимальный контраст объекта. Как только это станет возможным, оно сможет работать с высокой точностью независимо от светосилы объектива; Фактически, пока это условие соблюдается, он может работать даже с закрытым объективом. Кроме того, поскольку контрастная автофокусировка продолжает работать в режиме остановки, а не только в режиме открытой диафрагмы, она невосприимчива к ошибки смещения фокуса, связанные с диафрагмой, страдают системы фазовой автофокусировки, поскольку они не могут работать в режиме остановки. Таким образом, контрастная автофокусировка делает ненужной произвольную настройку точной фокусировки пользователем. Кроме того, контрастная автофокусировка невосприимчива к ошибкам фокусировки из-за поверхностей с повторяющимся рисунком и может работать по всему кадру, а не только вблизи центра кадра, как это делает фазовая автофокусировка. Обратной стороной, однако, является то, что контрастная автофокусировка представляет собой замкнутый итеративный процесс быстрого последовательного перемещения фокуса вперед и назад. По сравнению с фазовой АФ, контрастная АФ медленная, поскольку скорость процесса итерации фокусировки механически ограничена, и этот метод измерения не дает никакой информации о направлении. Сочетая оба метода измерения, фазовая автофокусировка может помочь системе контрастной автофокусировки работать одновременно быстро и точно, компенсировать ошибки смещения фокуса, связанные с диафрагмой, и продолжать работать с выключенными объективами, как, например, , в режиме остановленного измерения или видео.

Последние разработки в области беззеркальных камер направлены на интеграцию датчиков фазовой автофокусировки в сам датчик изображения. Как правило, эти датчики фазовой автофокусировки не так точны, как более сложные автономные датчики, но поскольку точная фокусировка теперь осуществляется посредством контрастной фокусировки, датчикам фазовой автофокусировки достаточно лишь предоставить грубую информацию о направлении, чтобы ускорить процесс контрастной автофокусировки.

В июле 2010 года Fujifilm анонсировала компактную камеру F300EXR, которая включала гибридную систему автофокусировки, состоящую как из фазового, так и из контрастного элементов. Датчики, реализующие фазовую автофокусировку в этой камере, интегрированы в Super CCD EXR камеры. В настоящее время он используется Fujifilm FinePix Series, Fujifilm X100S , Ricoh , Nikon 1 серии , Canon EOS 650D/Rebel T4i и Samsung NX300 .

Сравнение активных и пассивных систем

Активные системы обычно не фокусируются через окна, поскольку звуковые волны и инфракрасный свет отражаются от стекла. В пассивных системах это обычно не проблема, если только окно не испачкано. Точность активных систем автофокусировки часто значительно меньше, чем у пассивных систем.

Активные системы также могут не сфокусироваться на объекте, находящемся очень близко к камере (например, при макросъемке ).

Пассивные системы могут не сфокусироваться при низком контрасте, особенно на больших одноцветных поверхностях (стенах, голубом небе и т. д.) или в условиях низкой освещенности. Пассивные системы зависят от определенной степени освещения объекта (естественного или иного), в то время как активные системы могут правильно фокусироваться даже в полной темноте, когда это необходимо. Некоторые камеры и внешние вспышки имеют специальный режим низкой освещенности (обычно оранжевый/красный свет), который можно активировать во время работы автофокусировки, чтобы камера могла сфокусироваться.

• 
  Система активной автофокусировки через инфракрасный порт — Canon AF35M (1979 г.)
• 
  Ранняя система пассивной автофокусировки, интегрированная в объектив Pentax ME-F (1981).
• 
  Современная (2014 г.) однообъективная зеркальная камера с автофокусом — Nikon D4

Ловушка фокуса

Метод, называемый по-разному: ловушка фокуса , ловушка фокуса или улавливание фокуса , использует автофокусировку для съемки, когда объект перемещается в фокальную плоскость (в соответствующую фокусную точку); это можно использовать для получения сфокусированного снимка быстро движущегося объекта, особенно при съемке спорта или дикой природы , или, в качестве альтернативы, для установки «ловушки», чтобы снимок можно было автоматически сделать без присутствия человека. Это делается с помощью автофокусировки для обнаружения, но не установки фокуса – использования ручной фокусировки для установки фокуса (или переключения на ручной режим после установки фокуса), но затем использования приоритета фокусировки для обнаружения фокуса и спуска затвора только тогда, когда объект находится в фокусе. Этот метод работает путем выбора регулировки фокуса (отключение AF), затем установки режима съемки «Покадровый» (AF-S) или, точнее, приоритета фокусировки, а затем нажатия затвора — когда объект перемещается в фокус, AF обнаруживает это (хотя и не меняет фокус), и делается снимок.

Первой зеркальной камерой , реализовавшей ловушку фокусировки, стала Yashica 230 AF . Трэп-фокусировка также возможна на некоторых Pentax (например, Kx и K-5 ), Nikon и Canon EOS камерах . EOS 1D может сделать это с помощью программного обеспечения на подключенном компьютере, тогда как такие камеры, как EOS 40D и 7D, имеют пользовательскую функцию (III-1 и III-4 соответственно), которая может остановить попытку камеры сфокусироваться после неудачи. На камерах EOS без настоящего трэп-фокуса можно использовать хак под названием «почти трэп-фокус», который позволяет добиться некоторых эффектов трэп-фокуса. Используя специальную прошивку Magic Lantern , некоторые зеркальные фотокамеры Canon могут выполнять ловушку фокусировки.

AI Сервопривод

AI Servo — это режим автофокусировки, который можно найти в зеркальных камерах Canon и других брендах, таких как Nikon , Sony и Pentax , под названием «непрерывный фокус» (AF-C). Также называемый отслеживанием фокуса , он используется для отслеживания объекта, когда он движется вокруг кадра или по направлению к камере и от нее. Во время использования объектив постоянно фокусируется на объекте, поэтому его обычно используют для съемки спортивных событий и боевых действий . ИИ относится к искусственному интеллекту : алгоритмам, которые постоянно предсказывают, где будет находиться объект, на основе данных о его скорости и ускорении, полученных от датчика автофокусировки.

Моторы фокусировки

Современная автофокусировка осуществляется с помощью одного из двух механизмов; либо двигатель в корпусе камеры и шестерни в объективе («винтовой привод»), либо электронная передача команды привода через контакты в монтажной пластине на двигатель в объективе. Двигатели на основе линз могут быть разных типов, но чаще всего это ультразвуковые или шаговые двигатели .

Некоторые корпуса камер, в том числе все корпуса Canon EOS и более бюджетные модели Nikon DX , не оснащены двигателем автофокусировки и, следовательно, не могут автофокусироваться с объективами, у которых нет встроенного двигателя. Некоторые объективы, такие как модели Pentax с обозначением DA* , хотя обычно используют встроенный двигатель, могут вернуться к работе с отверткой, когда корпус камеры не поддерживает необходимые контактные штифты.

См. также

• Круговой поляризатор , единственный поляризатор, работающий с некоторыми автофокусировщиками SLR.
• Объектив с фиксированным фокусом
• Список совместимых объективов Nikon со встроенным мотором автофокусировки
• Ручное переопределение фокуса
• Камера светового поля — камера, позволяющая фокусироваться на этапе постобработки.

Внешние ссылки

• интерактивная демонстрация Flash, показывающая, как работает фазовый автофокус.
• интерактивная демонстрация Flash, показывающая, как работает автофокусировка с обнаружением контраста.
• Как все работает – автофокус
• Объяснение автофокусировки зеркальной камеры Canon EOS