Автофокус

Автофо́кус — устройство, наводящее оптическую систему объектива на резкость изображения в фокальной плоскости. Для обозначения автофокуса обычно используется аббревиатура АF.

Принцип работы системы автофокуса

Автофокусировка объектива проводится за несколько шагов:

• измерение параметра (А), чувствительного к резкости изображения в фокальной плоскости и его вектора (Â);
• генерация сигнала рассогласования системы автоматического регулирования автофокусировки;
• наведение оптической системы на резкость изображения в фокальной плоскости.

Обычно эти процессы происходят одновременно. Наведение оптической системы на резкость выполняется электро- или ультразвуковым двигателем.

Параметр (А), чувствительный к резкости изображения в фокальной плоскости, зависит от расстояния (r) до объекта съёмки; максимального контраста (к); фазового сдвига (f) составляющих выбранного луча после его расщеплении микропризмой на 2; времени задержки (t) прихода отраженного луча и т. д.

Измерение вектора (Â) необходимо для выбора направления изменения сигнала рассогласования. Время, затраченное на измерение вектора(Â), и время отработки сигнала рассогласования механикой объектива определяют быстродействие системы автофокусировки.

Виды систем автофокуса

Работа системы автофокуса по измерению параметра(А), чувствительного к резкости изображения в фокальной плоскости может основываться на различных принципах:

• активные; в настоящее время применяются редко
  • ультразвуковой (некоторые камеры Polaroid)
  • инфракрасный (некоторые компактные камеры, старые видеокамеры)
• пассивные
  • фазовый (зеркальные фотоаппараты)
  • контрастный (видеокамеры, незеркальные цифровые фотоаппараты)

Ультразвуковая и инфракрасные системы

Ультразвуковая и инфракрасные системы являются активными, так как они рассчитывают расстояние по времени возвращения от объекта съемки фронтов, излученных фотоаппаратом инфракрасных (ультразвуковых) волн.

Если между объектом съемки и камерой есть прозрачное препятствие, например стекло, то активные системы проводят автофокусировку объектива на это препятствие, а не на объект съемки.

Фазовый автофокус

Принцип действия фазового автофокуса (патент)

Фазовый автофокус применяется в современных зеркальных плёночных и цифровых фотоаппаратах. Основным элементом его являются специальные датчики, число которых может измеряться несколькими десятками. Датчики получают фрагменты светового потока от разных точек кадра с помощью специальных зеркал. Внутри датчика свет разделяется на две части, каждая из которых попадает на свой светочувствительный сенсор. В случае точной наводки на резкость два световых потока будут находиться друг от друга на определённом расстоянии, заданном конструкцией датчика. В противном случае, это расстояние будет больше или меньше. Датчик, измерив это расстояние, выдаёт на выходе сигнал, показывающий, в какую сторону и насколько надо сдвинуть линзы объектива, чтобы выполнить наводку на резкость.

Быстродействие такой системы очень высокое и определяется, в основном, быстродействием механики объектива. При этом главная нагрузка ложится на микропривод объектива (ультразвуковой мотор), который управляет движением линз внутри объектива при автоматической наводке на резкость. С каждым годом эти микроприводы совершенствуются. Чем быстрее микропривод фиксирует команду готовой наводки на резкость, тем качество снимка выше. Это очень важно при съемках движущихся объектоа на коротких выдержках. В настоящее время такие фирмы как Кэнон, Никон, Олимпус, Сигма применяют свои высокоточные, безшумные приводы, быстро фиксирующие и обеспечивающие точную наводку объектива на резкость.

Контрастный автофокус

Контрастный автофокус применяется в цифровых незеркальных фотоаппаратах. Принцип его работы основан на том, что микропроцессор фотоаппарата постоянно считывает изображение с матрицы, анализирует степень его контрастности и принимает решение о перемещении объектива.

Такой автофокус обладает довольно низким быстродействием, так как в каждый момент времени процессор не обладает данными о степени наводки объектива на резкость — изображение считается «размытым». Поэтому процессор каждый раз командует немного подвинуть объектив и проверяет наличие изменения контраста в сторону увеличения. Если контраст не изменяется, то процессор меняет знак команды на исполнительные двигатели и оптика сдвигается в другую сторону. До тех пор, пока процессор не вычислил максимум (минимум) контраста и не перешел его, двигателю дается команда перемещать объектив еще раз. Когда экстремум достигнут, то шаг назад будет сигналом процессора «есть резкий кадр» и автофокусировка прекращается.

Задержка между нажатием на спуск и собственно съёмкой кадра, характерная для большинства цифровых фотоаппаратов объясняется «медленной» работой пассивного контрастного автофокуса и тем, что в незеркальных фотоаппаратах процессор вынужден считывать с матрицы весь кадр, чтобы проанализировать на степень контрастности лишь некоторые его участки. Поэтому фотограф нажимает кнопку «спуск затвора» вначале до половины, а затем полностью.

Режимы работы автофокуса

В современных фотокамерах применяются интеллектуальные алгоритмы работы систем автофокуса, в основном предназначенные для фотографирования движущихся объектов. Проблема съёмки таких объектов заключается в том, что с момента наведения на резкость, между нажатием на кнопку спуска и до момента съёмки кадра проходит некоторое время. За это время объект может уйти из плоскости наводки на резкость. Для решения этой проблемы для систем автофокуса придуманы следующие режимы:

• Следящий — в этом режиме система непрерывно отслеживает положение объекта и держит его в фокусе, перемещая линзы в объективе. При длительном применении режима «Следящий» аккумулятор фотоаппарата разряжается быстрее.
• Упреждающий — в этом режиме система автофокуса определяет скорость движения объекта, рассчитывает его положение в момент съёмки и заранее перемещает линзы в объективе так, чтобы тот получился в фокусе. Этот режим поддерживается многими современными пленочными и цифровыми зеркальными камерами, однако у разных производителей он называется по разному: у Canon — AI Servo, у Nikon — Continuous servo AF.

В незеркальных (и многих зеркальных) фотоаппаратах для съёмки движущихся объектов применяется блокировка автофокуса. Фотограф наводит аппарат на нужный объект или, если это невозможно, на точку, находящуюся на таком же расстоянии как и объект, и нажимает на специальную кнопку. Объектив фокусируется, и при нажатии на кнопку спуска аппарат делает снимок мгновенно, не задействуя автофокус повторно.

Условия работы автофокуса

Современные системы автофокуса обладают характеристиками, позволяющими в большинстве случаев заменить ручную наводку. Однако, как для любой сложной системы, им требуются определённые условия для работы и умение их применять.

Чувствительность параметра А к резкости изображения в фокальной плоскости резко уменьшается при малой освещённости и низкой контрастности объекта съёмки, именно поэтому пассивные системы автофокуса плохо работают в темноте и фотоаппарат «зацикливается» при попытках навестись на однородный объект, например гладкую стену.

Достаточная яркость объекта съёмки и наличие на нём контрастных элементов — главное условие работы автофокуса пассивных (фазовой и контрастной) систем.

Проблему недостаточной яркости объекта в темноте призваны решать системы подсветки автофокуса. Для этой цели в фотоаппарате (или в корпусе продвинутых внешних фотовспышек) размещается специальная лампа, которая вспыхивает при нажатии на кнопку «спуск затвора» наполовину, то есть в начале работы системы автофокуса. В некоторых камерах для этой цели используются встроенная фотовспышка в специальном «стробоскопическом» режиме (Pentax *ist Ds).

Для наиболее надёжного принятия решения система подсветки автофокуса рисует на объекте контрастную «сетку». Таково устройство подсветки, например, на фотоаппаратах Pentax Z1p и Sony DSC F828.

Механическая часть системы автофокуса

Для настройки на резкость система автофокуса должна менять расстояние от объектива до светочувствительной поверхности (матрицы или плёнки). Изменение расстояния может произодиться путём передвижения линзы либо светочувствительной поверхности. Оно может осуществляться разными способами.

Ультразвуковой мотор

Ультразвуковой пьезоэлектрический мотор, применяемый в современных объективах, имеет выше КПД и скорость, менее шумен. Его применение заметно сокращает задержку автофокуса. Компания Canon называет ультразвуковые моторы USM (Ultra Sonic Motor), Nikon указывает маркировку SWM (Silent Wave Motor), Pentax — SDM (Super Direct-drive Motor), Sony/Minolta — SSM (Super Sonic Motor), а Sigma — HSM (Hyper Sonic Motor). На выставке PMA 2007 Olympus анонсировал несколько объективов с новым ультразвуковым мотором SWD (Supersonic Wave Drive).