Оптическая система автофокусировки ( AF ) использует датчик , систему управления и двигатель для фокусировки на автоматически или вручную выбранной точке или области. Электронный дальномер имеет дисплей вместо двигателя; настройка оптической системы должна выполняться вручную до появления индикации. Методы автофокусировки различаются как активные , пассивные или гибридные.
Системы автофокусировки полагаются на один или несколько датчиков для определения правильного фокуса. Некоторые системы АФ полагаются на один датчик, в то время как другие используют массив датчиков. Большинство современных зеркальных камер используют оптические датчики через объектив , с отдельным массивом датчиков, обеспечивающим экспозамер , хотя последний можно запрограммировать на приоритет его измерения в той же области, что и один или несколько датчиков АФ.
Оптическая автофокусировка через объектив обычно быстрее и точнее, чем ручная фокусировка с обычным видоискателем, хотя более точная ручная фокусировка может быть достигнута с помощью специальных аксессуаров, таких как фокусировочные увеличители. Точность автофокусировки в пределах 1/3 глубины резкости (ГРИП) при самой широкой диафрагме объектива является обычной для профессиональных зеркальных камер с автофокусом.
Большинство камер с многосенсорным автофокусом позволяют вручную выбирать активный датчик, а многие предлагают автоматический выбор датчика с использованием алгоритмов , которые пытаются определить местоположение объекта. Некоторые камеры с автофокусом способны определять, движется ли объект к камере или от нее, включая скорость и ускорение, и сохранять фокус — функция, используемая в основном в спортивной и другой экшн-фотографии. Камеры Canon называют это AI servo ; камеры Nikon называют это «непрерывной фокусировкой».
Данные, собранные с датчиков АФ, используются для управления электромеханической системой, которая регулирует фокус оптической системы. Разновидностью автофокуса является электронный дальномер , в котором данные фокусировки предоставляются оператору, но регулировка оптической системы по-прежнему выполняется вручную.
Скорость работы системы АФ сильно зависит от максимальной диафрагмы, которую может обеспечить объектив при текущем фокусном расстоянии. Диафрагма составляет околож /2 кж /2.8 обычно считаются лучшими для скорости и точности фокусировки. Более быстрые объективы, чем этот (например:ж /1.4 илиж /1.8) обычно имеют очень низкую глубину резкости, что означает, что для достижения правильной фокусировки требуется больше времени, несмотря на увеличенное количество света. Большинство систем потребительских камер будут надежно автофокусироваться только с объективами, имеющими самую широкую апертуру не менееж /5,6, в то время как профессиональные модели зачастую справляются с самой широкой диафрагмойж /8, что особенно полезно для объективов, используемых совместно с телеконверторами . [ необходима ссылка ]
Между 1960 и 1973 годами Leitz (Leica) [1] запатентовала ряд технологий автофокусировки и соответствующих датчиков. В 1976 году Leica представила камеру, основанную на их предыдущей разработке на photokina , названную Correfot, а в 1978 году они продемонстрировали зеркальную камеру с полностью работоспособной автофокусировкой.
Первой серийной камерой с автофокусировкой была Konica C35 AF — простая компактная модель, выпущенная в 1977 году. Polaroid SX-70 Sonar OneStep была первой однообъективной зеркальной камерой с автофокусировкой , выпущенной в 1978 году.
В 1981 году Pentax ME-F , использовавшая датчики фокусировки в корпусе камеры в сочетании с моторизованным объективом , стала первой 35-мм зеркальной фотокамерой с автофокусировкой .
В 1983 году Nikon выпустила F3AF , свою первую камеру с автофокусировкой, которая была основана на концепции, схожей с ME-F. [2]
Minolta 7000 , выпущенная в 1985 году, была первой зеркальной фотокамерой со встроенной системой автофокусировки, то есть и датчики АФ, и приводной двигатель были размещены в корпусе камеры, как и встроенный механизм перемотки пленки, что стало стандартной конфигурацией для зеркальных фотокамер этого производителя. Кроме того, Nikon отказалась от своей системы F3AF и интегрировала привод автофокусировки и датчики в корпус.
В 1987 году компания Canon решила прекратить выпуск крепления FD и перешла на полностью электронное крепление EF с моторизованными объективами.
Компания Pentax первой внедрила измерение фокусного расстояния для зеркальных фотокамер с объективами серий FA и FA* в 1991 году. Первые объективы Pentax с креплением K AF и автофокусом были представлены в 1989 году. [3]
В 1992 году компания Nikon вернулась к использованию встроенных в объектив моторов в своих объективах серий AF-I и AF-S; сегодня их цифровые зеркальные фотокамеры начального уровня не имеют мотора фокусировки в корпусе из-за наличия моторов во всех новых разработанных объективах AF .
Активные системы автофокусировки измеряют расстояние до объекта независимо от оптической системы, а затем настраивают оптическую систему для правильной фокусировки.
Существуют различные способы измерения расстояния, включая ультразвуковые звуковые волны и инфракрасный свет. В первом случае звуковые волны испускаются камерой, и путем измерения задержки их отражения вычисляется расстояние до объекта. Камеры Polaroid , включая Spectra и SX-70, были известны успешным применением этой системы. В последнем случае инфракрасный свет обычно используется для триангуляции расстояния до объекта. Компактные камеры, включая Nikon 35TiQD и 28TiQD , Canon AF35M и Contax T2 и T3 , а также ранние видеокамеры, использовали эту систему. Более новый подход, включенный в некоторые потребительские электронные устройства, такие как мобильные телефоны, основан на принципе времени пролета , который включает в себя освещение объекта лазером или светодиодным светом и расчет расстояния на основе времени, необходимого для прохождения света до объекта и обратно. Этот метод иногда называется лазерной автофокусировкой и присутствует во многих моделях мобильных телефонов от нескольких поставщиков. Он также присутствует в промышленных и медицинских [4] устройствах.
Исключением из двухэтапного подхода является механическая автофокусировка, предусмотренная в некоторых увеличителях, которые настраивают объектив напрямую.
Пассивные системы АФ определяют правильную фокусировку, выполняя пассивный анализ изображения, поступающего в оптическую систему. Обычно они не направляют никакой энергии, например, ультразвуковых или инфракрасных световых волн, на объект. (Однако, когда недостаточно света для проведения пассивных измерений, требуется вспомогательный луч автофокусировки, обычно инфракрасного света.) Пассивная автофокусировка может быть достигнута путем фазового обнаружения или измерения контраста.
Фазовое обнаружение (PD) достигается путем разделения входящего 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 (реализован как небольшая полупрозрачная область главного зеркала отражения, соединенная с небольшим вторичным зеркалом) для направления света на датчик АФ в нижней части камеры. Две микролинзы улавливают световые лучи, идущие с противоположных сторон объектива, и отклоняют их на датчик АФ, создавая простой дальномер с основанием в пределах диаметра объектива. Затем два изображения анализируются на предмет схожих картин интенсивности света (пики и впадины), и вычисляется ошибка разделения, чтобы определить, находится ли объект в переднем или заднем фокусном положении. Это дает направление и оценку необходимого количества движения фокусировочного кольца. [5]
PD AF в режиме непрерывной фокусировки (например, «AI Servo» для Canon , «AF-C» для Nikon , Pentax и Sony ) — это процесс управления с замкнутым контуром . PD AF в режиме блокировки фокуса (например, «One-Shot» для Canon , «AF-S» для Nikon и Sony ) широко считается процессом управления с открытым контуром «одно измерение, одно движение» , но фокус подтверждается только тогда, когда датчик АФ видит объект в фокусе. Единственные очевидные различия между двумя режимами заключаются в том, что режим блокировки фокуса останавливается при подтверждении фокусировки, а режим непрерывной фокусировки имеет предиктивные элементы для работы с движущимися целями, что предполагает, что они представляют собой один и тот же процесс с замкнутым контуром. [6]
Хотя датчики АФ 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 ) оснащены датчиками SIR области TTL [ требуется цитата ] , которые имеют прямоугольную форму и обеспечивают двумерные шаблоны интенсивности для более точного анализа. Точки фокусировки перекрестного типа имеют пару датчиков, ориентированных под углом 90° друг к другу, хотя для работы одного датчика обычно требуется большая апертура, чем для другого.
Некоторые камеры ( 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 с « быстрыми объективами » с определенными геометрическими апертурами (обычно f-число 2,8 и больше). Повышенная точность достигается за счет более широкой эффективной измерительной базы «дальномерного искателя»
Некоторые современные датчики (например, один в Librem 5 ) включают около 2% пикселей фазовой детекции на чипе. При соответствующей поддержке программного обеспечения это позволяет автофокусировать фазовую детекцию.
Контрастная автофокусировка достигается путем измерения контраста (зрения) в поле датчика через объектив . Разница в интенсивности между соседними пикселями датчика естественным образом увеличивается при правильной фокусировке изображения. Таким образом, оптическую систему можно настраивать до тех пор, пока не будет обнаружен максимальный контраст. В этом методе АФ вообще не включает измерение фактического расстояния. Это создает значительные проблемы при отслеживании движущихся объектов , поскольку потеря контраста не дает никаких указаний на направление движения к камере или от нее.
Контрастная автофокусировка — распространенный метод в цифровых камерах, в которых отсутствуют затворы и зеркала. Большинство зеркальных фотокамер используют этот метод (или гибрид контрастной и фазовой автофокусировки) при фокусировке в режимах live-view . Заметным исключением являются цифровые камеры Canon с Dual Pixel CMOS AF. Беззеркальные камеры со сменными объективами обычно используют контрастную автофокусировку, хотя фазовая детекция стала нормой для большинства беззеркальных камер, что значительно повышает производительность отслеживания АФ по сравнению с контрастной детекцией.
Контрастное обнаружение накладывает другие ограничения на конструкцию объектива по сравнению с фазовым обнаружением. В то время как фазовое обнаружение требует, чтобы объектив быстро и напрямую перемещал свою точку фокусировки в новое положение, контрастная автофокусировка вместо этого использует линзы, которые могут быстро перемещаться по фокусному диапазону, останавливаясь точно в точке, где обнаружен максимальный контраст. Это означает, что линзы, предназначенные для фазового обнаружения, часто плохо работают на корпусах камер, которые используют контрастное обнаружение.
Вспомогательный свет (также известный как подсветка АФ) «активирует» пассивные системы автофокусировки в условиях слабого освещения и низкой контрастности в некоторых камерах. Лампа проецирует видимый или ИК- свет на объект, который система автофокусировки камеры использует для достижения фокуса.
Во многих камерах и почти во всех телефонах с камерой [a] 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 подсветка, но имеет недостаток, пугая или раздражая людей. Другим недостатком является то, что если камера использует вспомогательную вспышку для фокусировки и установлена в режим работы, который переопределяет вспышку, она также может отключить вспомогательную фокусировку. Таким образом, автофокусировка может не захватить объект.
Подобная стробоскопическая вспышка иногда используется для уменьшения эффекта красных глаз , но она предназначена только для сужения зрачков объекта перед снимком.
Некоторые внешние вспышки имеют встроенные лампы автофокусировки, которые заменяют стробоскопическую вспышку на камере. Многие из них красные и менее навязчивые. Другой способ помочь системам АФ на основе контраста при слабом освещении — направить лазерный узор на объект. Лазерный метод коммерчески называется Hologram AF Laser и использовался в камерах Sony CyberShot примерно в 2003 году, включая модели Sony F707, F717 и F828 .
В гибридной системе автофокусировки фокусировка достигается путем комбинирования двух или более методов, таких как:
Двойное усилие обычно используется для взаимной компенсации внутренних недостатков различных методов с целью повышения общей надежности и точности или ускорения функции автофокусировки.
Редким примером ранней гибридной системы является сочетание активной ИК- или ультразвуковой системы автофокусировки с пассивной системой фазового обнаружения. 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 ограничена довольно ограниченным количеством шагов. Фазовая автофокусировка «видит» через оконные стекла без проблем и намного точнее, но она не работает в условиях низкой освещенности или на поверхностях без контрастов или с повторяющимися узорами.
Очень распространенным примером комбинированного использования является система фазовой автофокусировки, используемая в однообъективных зеркальных камерах с 1985 года. Пассивная фазовая автофокусировка требует некоторого контраста для работы, что затрудняет ее использование в условиях низкой освещенности или на ровных поверхностях. Подсветка АФ освещает сцену и проецирует контрастные узоры на ровные поверхности, так что фазовая автофокусировка может работать и в этих условиях.
Более новая форма гибридной системы — это комбинация пассивной фазовой автофокусировки и пассивной контрастной автофокусировки, иногда с помощью активных методов, поскольку обоим методам требуется некоторый видимый контраст для работы. В своих рабочих условиях фазовая автофокусировка очень быстра, поскольку метод измерения предоставляет как информацию, так и величину смещения и направление, так что фокусировочный двигатель может перемещать объектив прямо в фокус (или близко к нему) без дополнительных измерений. Однако дополнительные измерения на лету могут повысить точность или помочь отслеживать движущиеся объекты. Однако точность фазовой автофокусировки зависит от ее эффективной измерительной базы. Если измерительная база большая, измерения очень точны, 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, более медленными, чем ее эффективная измерительная база. Для работы с большинством объективов эффективная база измерения обычно устанавливается в диапазоне от 1:5,6 до 1:6,7, так что АФ продолжает работать с медленными объективами (по крайней мере, пока они не закрыты). Однако это снижает внутреннюю точность системы автофокусировки, даже если используются быстрые объективы. Поскольку эффективная база измерения является оптическим свойством фактической реализации, ее нельзя легко 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 с быстрыми объективами. Контрастная АФ не имеет этого неотъемлемого ограничения конструкции по точности, поскольку для работы ей требуется только минимальный контраст объекта. Как только это становится доступным, она может работать с высокой точностью независимо от скорости объектива; фактически, пока это условие выполняется, она может работать даже с закрытым объективом. Кроме того, поскольку контрастная АФ продолжает работать в режиме закрытой диафрагмы, а не только в режиме открытой диафрагмы, она невосприимчива к ошибкам смещения фокуса, связанным с диафрагмойСистемы фазовой АФ страдают, так как не могут работать в режиме с прикрытой диафрагмой. Таким образом, контрастная АФ делает произвольные точные настройки фокуса пользователем ненужными. Кроме того, контрастная АФ невосприимчива к ошибкам фокусировки из-за поверхностей с повторяющимися узорами и может работать по всему кадру, а не только около центра кадра, как фазовая АФ. Однако недостатком является то, что контрастная АФ представляет собой замкнутый итеративный процесс смещения фокуса вперед и назад в быстрой последовательности. По сравнению с фазовой АФ контрастная АФ медленная, так как скорость процесса итерации фокусировки механически ограничена, и этот метод измерения не предоставляет никакой направленной информации. Объединяя оба метода измерения, фазовая АФ может помочь системе контрастной АФ быть быстрой и точной одновременно, компенсировать ошибки смещения фокуса на основе диафрагмы и продолжать работать с объективами, прикрытыми диафрагмой, как, например, в режиме измерения с прикрытой диафрагмой или видео.
Недавние разработки в направлении беззеркальных камер стремятся интегрировать датчики фазовой АФ в сам датчик изображения. Обычно эти датчики фазовой АФ не так точны, как более сложные автономные датчики, но поскольку тонкая фокусировка теперь осуществляется с помощью контрастной фокусировки, датчики фазовой АФ нужны только для предоставления грубой информации о направлении, чтобы ускорить процесс контрастной автофокусировки.
В июле 2010 года компания Fujifilm анонсировала компактную камеру F300EXR, которая включала гибридную систему автофокусировки, состоящую из фазовых и контрастных элементов. Датчики, реализующие фазовую автофокусировку в этой камере, интегрированы в Super CCD EXR камеры. [7] В настоящее время она используется в Fujifilm FinePix Series, [8] Fujifilm X100S , Ricoh , Nikon 1 series , Canon EOS 650D/Rebel T4i и Samsung NX300 .
Активные системы обычно не фокусируются через окна, поскольку звуковые волны и инфракрасный свет отражаются стеклом. С пассивными системами это обычно не будет проблемой, если только окно не запятнано. Точность активных систем автофокусировки часто значительно ниже, чем у пассивных систем.
Активные системы также могут не сфокусироваться на объекте, который находится очень близко к камере (например, при макросъемке ).
Пассивные системы могут не находить фокус при низком контрасте, особенно на больших одноцветных поверхностях (стены, голубое небо и т. д.) или в условиях слабого освещения. Пассивные системы зависят от определенной степени освещенности объекта (естественной или иной), в то время как активные системы могут правильно фокусироваться даже в полной темноте, когда это необходимо. Некоторые камеры и внешние вспышки имеют специальный режим слабого освещения (обычно оранжевый/красный свет), который можно активировать во время работы автофокуса, чтобы позволить камере сфокусироваться.
Метод, который по-разному называют фокусировкой с ловушкой , фокусировкой с ловушкой или захватом в фокусе, использует автофокусировку для съемки, когда объект перемещается в фокальную плоскость (в соответствующей точке фокусировки); это может использоваться 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 АФ для обнаружения , но не установки фокуса — с помощью ручной фокусировки для установки фокуса (или переключения на ручной режим после установки фокуса), но затем с помощью приоритета фокусировки для обнаружения фокуса и спуска затвора только тогда, когда объект находится в фокусе. Техника работает путем выбора настройки фокуса (отключения АФ), затем установки режима съемки на «Одиночный» (AF-S) или, более конкретно, приоритет фокусировки, затем нажатия на спуск затвора — когда объект перемещается в фокус, АФ обнаруживает это (хотя и не меняет фокус), и делается снимок. [9] [10] [11]
Первой зеркальной камерой, реализовавшей фокусировку с помощью ловушки, была Yashica 230 AF. Фокусировка с помощью ловушки также возможна на некоторых камерах Pentax (например, Kx и K-5 ), Nikon и Canon EOS . EOS 1D может делать 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 попытки камеры сфокусироваться после неудачи. [ требуется цитата ] На камерах EOS без настоящей фокусировки с помощью ловушки можно использовать хак, называемый «почти фокусировка с помощью ловушки», который позволяет достичь некоторых эффектов фокусировки с помощью ловушки. [12] Используя пользовательскую прошивку Magic Lantern , некоторые цифровые зеркальные камеры Canon могут выполнять фокусировку с помощью ловушки.
AI Servo — это режим автофокусировки, который можно найти в зеркальных камерах Canon и других брендах, таких как Nikon , Sony и Pentax , под названием «непрерывная фокусировка» (AF-C). [13] Также известный как отслеживание фокусировки , он используется для отслеживания объекта по мере его перемещения по кадру или к камере и от нее. При использовании объектив будет постоянно фокусироваться на объекте, поэтому его обычно используют для спортивной и экшн-фотографии . ИИ относится к искусственному интеллекту : алгоритмы, которые постоянно предсказывают, где будет находиться объект, на основе данных о его скорости и ускорении с датчика автофокусировки.
Современная автофокусировка осуществляется с помощью одного из двух механизмов: либо двигателя в корпусе камеры и шестеренок в объективе («винтовой привод»), либо посредством электронной передачи команды привода через контакты в монтажной пластине к двигателю в объективе. Двигатели на основе линз могут быть разных типов, но часто это ультразвуковые двигатели или шаговые двигатели .
Магниты часто используются в электромагнитных двигателях, таких как двигатели с звуковой катушкой (VCM) и шаговые двигатели , которые перемещают элементы линзы для достижения точной фокусировки. [14] Магнитное поле взаимодействует с катушками, создавая движение для быстрой и точной регулировки положения линзы в зависимости от требований фокусировки. [15] Магниты идеально подходят для этой цели, поскольку они обеспечивают плавную и быструю регулировку без прямого физического контакта, что повышает долговечность и время отклика. [16]
Некоторые корпуса камер, включая все корпуса Canon EOS и более бюджетные модели Nikon DX , не имеют мотора автофокусировки и поэтому не могут выполнять автофокусировку с объективами, у которых нет встроенного мотора. Некоторые объективы, такие как модели Pentax' DA* , хотя обычно используют встроенный мотор, могут прибегнуть к отвертке, когда корпус камеры не поддерживает необходимые контактные штырьки.
.jpg/1280px-My_Canon_AF35M_(4307694589).jpg)
