Кіріспе
Сенсормен басқарылатын оптикалық фокус
Автофокус (немесе AF) оптикалық жүйесі сенсорды, басқару жүйесін және моторды автоматты немесе қолмен таңдалған нүктеге немесе аймаққа фокус қою үшін пайдаланады. Электрондық диапазондық іздегіште мотордың орнына дисплей болады; оптикалық жүйені көрсеткіш белгісіне дейін қолмен реттеу қажет. Автофокус әдістері белсенді, пассивті немесе гибридті типтерге бөлінеді. Автофокус жүйелері дұрыс фокусты анықтау үшін бір немесе бірнеше сенсорларға сүйенеді. Кейбір АФ жүйелері бір ғана сенсорды пайдаланады, ал басқалары сенсорлар массивін қолданады. Көптеген қазіргі заманғы SLR камералары линза арқылы оптикалық сенсорларды қолданады, ал бөлек сенсорлар массиві жарық өлшеуді қамтамасыз етеді, бірақ соңғысын бір немесе бірнеше АФ сенсорлары сияқты бірдей аймаққа басымдық беру үшін бағдарламалауға болады. Линза арқылы оптикалық автофокустау әдетте қарапайым видоискательмен қолмен фокустауға қарағанда жылдам және дәл болады, бірақ фокустау лупалары сияқты арнайы аксессуарлармен қолмен фокустауға да жоғары дәлдікке қол жеткізуге болады. Кәсіби АФ SLR камераларында объективтің ең кең диафрагмасындағы тереңдік өрісінің (DOF) 1/3-і ішінде автофокус дәлдігі жиі кездеседі. Көптеген көп сенсорлы АФ камералар белсенді сенсорды қолмен таңдауға мүмкіндік береді, ал көптегендері сенсорды автоматты түрде таңдауға мүмкіндік береді, бұл алгоритмдер нысананың орнын анықтауға тырысады. Кейбір АФ камералар нысананың камераға қарай немесе одан алыстап бара жатқанын, соның ішінде жылдамдығы мен үдеуін анықтап, фокусты ұстап тұруға қабілетті – бұл функция негізінен спорт және басқа да динамикалық фотосуретке түсіруде қолданылады. Canon камералары бұл мүмкіндікті AI Servo деп атайды; Nikon камералары оны «үздіксіз фокус» деп атайды. АФ сенсорларынан алынған деректер оптикалық жүйенің фокусын реттейтін электромеханикалық жүйені басқару үшін қолданылады. Автофокустың бір түрі – электрондық диапазондық іздегіш, онда операторға фокус туралы деректер беріледі, бірақ оптикалық жүйені реттеу әлі де қолмен жүргізіледі. АФ жүйесінің жылдамдығы қазіргі фокустық қашықтықта линзаның ұсынатын ең кең диафрагмасына тікелей байланысты. F сандары шамамен 2-ден 2,8-ге дейін жылдамдық пен дәлдік үшін ең жақсы деп саналады. Бұған қарағанда жарық өткізгіштігі жоғары линзалар (мысалы, 1.4 немесе 1.8) әдетте өте төмен тереңдік өрісіне ие, яғни жарық мөлшері артқанмен де дұрыс фокусқа жету үшін көбірек уақыт қажет. Көптеген тұтынушы камера жүйелері тек ең үлкен диафрагмасы кемінде 5,6 болатын линзалармен ғана сенімді түрде автофокус жасайды, ал кәсіби модельдер көбінесе 8 диафрагмамен жұмыс істей алады, бұл телеконвертерлермен бірге қолданылатын линзалар үшін өте пайдалы.
Тарих
1960 және 1973 жылдар аралығында Лейц (Лейка) автофокус және тиісті сенсорлық технологиялардың бірнешеуін патенттеді. 1976 жылы Photokina көрмесінде Leica бұрынғы әзірлемелеріне негізделген Correfot деп аталған камераны ұсынды, ал 1978 жылы толыққанды автоматты фокусқа ие SLR камерасын көрсетті. Автофокуспен жұмыс істейтін алғашқы камера 1977 жылы шыққан Konica C35 AF болды. Polaroid SX 70 Sonar OneStep 1978 жылы шыққан алғашқы автофокусты бір линзалы рефлекс камерасы еді. 1981 жылы Pentax ME F, камера корпусындағы фокус сенсорларын моторлы линзамен үйлестірген, автофокусқа ие алғашқы 35 мм SLR болды. 1983 жылы Nikon компаниясы ME F-ге ұқсас концепцияға негізделген F3AF, өзінің алғашқы автофокус камерасын шығарды. 1985 жылы шыққан Minolta 7000 – AF сенсорлары мен жетекші қозғалтқышы камера корпусында орналасқан интегралдық автофокус жүйесі бар алғашқы SLR болды, сондай-ақ интегралды пленка орағышы – бұл аталған өндірушінің SLR камералары үшін стандартты конфигурацияға айналды, ал Nikon F3AF жүйесінен бас тартып, автофокус моторы мен сенсорларын корпусқа біріктірді. Canon компаниясы 1987 жылы FD ұстағышын тоқтатып, моторлы линзалары бар толыққанды электрондық EF ұстағышына көшті. Pentax 1991 жылдан бастап FA және FA* сериялы линзаларымен SLR камералар үшін фокустық қашықтықты өлшеуді алғаш рет енгізді. Олардың алғашқы KAF ұстағышы бар Pentax линзалары 1989 жылы таныстырылды. 1992 жылы Nikon AF I және AF S линзаларымен линзаға енгізілген моторларға қайта өтті; бүгінде олардың бастапқы деңгейдегі DSLR-лерінде барлық жаңа әзірленген AF линзаларында моторлардың болуына байланысты корпуста фокус моторы жоқ.
The Minolta 7000, released in 1985, was the first SLR with an integrated autofocus system, meaning both the AF sensors and the drive motor were housed in the camera body, as well as an integrated film advance winder — which was to become the standard configuration for SLR cameras from this manufacturer, and also Nikon abandoned their F3AF system and integrated the autofocus motor and sensors in the body. Canon decided to discontinue their FD mount and switched to the completely electronic EF mount with motorised lenses in 1987. Pentax was the first to introduce focusing distance measurement for SLR cameras with the FA and FA* series lenses from 1991. Their first KAF mount Pentax lenses with AF had been introduced in 1989. In 1992, Nikon changed back to lens integrated motors with their AF I and AF S range of lenses; today their entry level DSLRs do not have a focus motor in the body due to the availability of motors in all new developed AF Lenses.
Белсенді
Активті AF жүйелері оптикалық жүйеге тәуелсіз нысанға дейінгі қашықтықты өлшеуге және одан кейін оптикалық жүйені дұрыс фокусқа келтіруге мүмкіндік береді. Қашықтықты өлшеудің әртүрлі тәсілдері бар, оның ішінде ультрадыбыстық дыбыс толқындары мен инфрақызыл жарық. Бірінші жағдайда камерадан дыбыс толқындары шығарылады, ал олардың шағылысу кешігуін өлшеу арқылы нысанға дейінгі қашықтық есептеледі. Polaroid камералары, оның ішінде Spectra және SX 70 осы жүйені табысты қолданғаны мәлім. Екінші жағдайда инфрақызыл жарық көбінесе нысанға дейінгі қашықтықты үшбұрыш арқылы анықтау үшін қолданылады. Nikon 35TiQD және 28TiQD, Canon AF35M, Contax T2 және T3 сияқты ықшам камералар, сондай-ақ алғашқы бейнекамералар осы жүйені пайдаланды. Жаңа тәсіл, кейбір тұтынушылық электрондық құрылғыларда, мысалы, ұялы телефондарда, уақытты ұшу принципіне негізделген, ол лазерлік немесе LED жарығын нысанаға бағыттауды және жарықтың нысанға және кері жолға жұмсаған уақытына сүйене отырып қашықтықты есептеуді қамтиды. Бұл техника кейде лазерлік автофокус деп аталады және бірнеше өндірушілердің көптеген ұялы телефондарында қолданылады. Ол сондай-ақ өнеркәсіптік және медициналық құрылғыларда да қолданылады. Екі қадамдық тәсілден ерекшелік – кейбір үлкейту құралдарындағы механикалық автофокус, ол линзаны тікелей реттейді.
Пассивті
Пассивті AF жүйелері оптикалық жүйеге кіретін бейнені пассивті талдау арқылы дұрыс фокусты анықтайды. Олар әдетте нысанаға ультрадыбыстық дыбыс немесе инфрақызыл жарық толқындары сияқты ешқандай энергия бағыттамайды. (Дегенмен, пассивті өлшеулер жасау үшін жеткілікті жарық болмаған жағдайда, көбінесе инфрақызыл жарық сәулесі автоматты фокустауға көмекші ретінде қажет болады.) Пассивті автофокус фазалық айырманы анықтау немесе контраст өлшеу арқылы іске асырылады.
Фазалық анықтау
Фазалық анықтау (PD) кіріс жарығын кескіндер жұптарына бөліп, оларды салыстыру арқылы жүзеге асырылады. Линза арқылы екінші реттік кескіндерді тіркеу (TTL SIR) пассивті фазалық анықтау көбінесе пленкалық және цифрлық SLR камераларында қолданылады. Жүйе сәуле бөлушіні (негізгі рефлекс айнаның кішкентай жартылай өткізгіш бөлігі ретінде жасалған, кішкентай қосымша айнамен жұптасқан) пайдаланып, жарықты камераның төменгі жағындағы AF сенсорына бағыттайды. Екі микролинза линзаның қарама-қарсы жақтарынан келетін жарық сәулелерін ұстап, оларды AF сенсорына бағыттап, линза диаметрінің ішіндегі базасы бар қарапайым диапазондық іздеу құралын (rangefinder) құрайды. Екі кескіндегі жарық қарқындылығының ұқсас үлгілері (жоғарғы нүктелер мен төмендіктер) талданады және нысан алдындағы немесе артқы фокус жағдайында екенін анықтау үшін қателік есептеледі. Бұл бағытты және фокус сақинасын қозғалысқа келтіруге қажетті мөлшерді бағалауға мүмкіндік береді. Үздіксіз фокустау режиміндегі PD AF (мысалы, Canon үшін "AI Servo", Nikon, Pentax және Sony үшін "AF C") – жабық циклды басқару процесі. Фокусты бекіту режиміндегі PD AF (мысалы, Canon үшін "One Shot", Nikon және Sony үшін "AF S") көбінесе "бір өлшеу, бір қозғалыс" ашық циклды басқару процесі деп есептеледі, бірақ фокус AF сенсоры фокустағы нысанды көргенде ғана расталады. Екі режимнің арасындағы басты айырмашылық – фокусты бекіту режимі фокус расталғанда тоқтайды, ал үздіксіз фокустау режимі қозғалатын нысандармен жұмыс істеу үшін болжамдық элементтерге ие, бұл олардың бірдей жабық циклды процесс екенін көрсетеді. AF сенсорлары әдетте бір өлшемді жарық сезгіш жолақтар (биіктігі бірнеше пиксел, ені бірнеше ондаған пиксел) болса да, кейбір заманауи камералар (Canon EOS 1V, Canon EOS 1D, Nikon D2X) ұсақ бөлшектерді талдау үшін екі өлшемді қарқындылық үлгілерін ұсынатын тіктөртбұрышты пішіндегі TTL аймақтық SIR сенсорларымен жабдықталған. Кросс-типті фокус нүктелерінде бір-біріне 90° бұрышпен орналасқан екі сенсор болады, бірақ бір сенсордың жұмыс істеуі үшін екіншісінен үлкен диафрагма қажет болуы мүмкін. Кейбір камераларда (Minolta 7, Canon EOS 1V, 1D, 30D/40D, Pentax K 1, Sony DSLR A700, DSLR A850, DSLR A900) қосымша призмалар мен сенсорлар жиынтығы бар бірнеше "жоғары дәлдікті" фокус нүктелері бар; олар белгілі бір геометриялық диафрагмалары бар "жылдам линзалармен" ғана жұмыс істейді (әдетте f саны 2.8 және одан кіші). Көтерілген дәлдік "диапазондық іздеу құралының" кеңейтілген тиімді өлшеу базасынан туындайды. Кейбір заманауи сенсорлар (мысалы, Librem 5 сенсоры) чипте шамамен 2% фазалық анықтау пиксельдерін қамтиды. Тиісті бағдарламалық қолдаумен бұл фазалық анықтау автофокусын іске қосуға мүмкіндік береді.
Қарама-қайшылықты анықтау
Контрастты анықтау автофокусы линза арқылы сенсор өрісіндегі контрасты (көріністі) өлшеу арқылы жүзеге асырылады. Сенсордың жанындағы пиксельдердің арасындағы қарқындылық айырмашылығы дұрыс бейнеге фокус келгенде табиғи түрде артады. Осылайша, оптикалық жүйе максималды контраст анықталғанға дейін реттеледі. Бұл әдісте автофокус нақты қашықтықты өлшеуге тікелей қатыспайды. Бұл, қозғалатын нысандарды бақылау кезінде елеулі қиындықтар тудырады, себебі контрасттың жоғалуы нысанның камераға жақындап келе ме, әлде алыстап бара ма екенін көрсетпейді. Контрастты анықтау автофокусы – жалюзисі мен рефлекс айнасы жоқ цифрлық камераларда жиі қолданылатын әдіс. Көптеген DSLR камералары тікелей көрініс режимінде фокусқа келтіру кезінде осы әдісті (немесе контрастты және фазалық анықтау автофокусының комбинациясын) пайдаланады. Canon компаниясының Dual Pixel CMOS AF технологиясымен жабдықталған камералары осы ереженің ерекшелігі болып табылады. Айнасыз, алмастырылатын линзалы камералар көбінесе контрастты өлшеу автофокусын қолданды, бірақ фазалық анықтау көптеген айнасыз камераларда стандартқа айналды, бұл оларға контрастты анықтаумен салыстырғанда автофокус бақылауының айтарлықтай жақсы нәтижелерін ұсынады. Контрастты анықтау, фазалық анықтаумен салыстырғанда линза дизайнына басқа талаптар қояды. Фазалық анықтау линзадан фокус нүктесін жылдам және тікелей жаңа орынға жылдыруды талап етеді, ал контрастты анықтау автофокусы максималды контраст байқалатын нүктеде дәл тоқтайтын, фокустық қашықтықты жылдам аралап өтетін линзаларды қолданады. Бұл фазалық анықтау үшін жасалған линзалар, контрастты анықтауды қолданатын камера корпустарында тиімсіз жұмыс істеуі мүмкін дегенді білдіреді.
Көмекші шам
Көмекші жарық (кейде автофокус жарық көзі деп те аталады) кейбір камераларда нашар жарық және контраст жағдайында пассивті автофокус жүйелерін "қосады". Лампа нысанаға көрінетін немесе инфрақызыл сәулені бағыттайды, оны камераның автофокус жүйесі фокусқа жету үшін пайдаланады. Көптеген камераларда және дерлік барлық камералы телефондарда арнайы автофокусқа көмектесетін шам болмайды. Олардың орнына, кіріктірілген сыртқы жарығын пайдаланып, нысананы жарық шоғымен жарықтандырады. Бұл арнайы көмекші жарық сияқты автофокус жүйесіне көмектеседі, бірақ адамдарды қорқыту немесе жалықтыру әсері болуы мүмкін. Тағы бір кемшілік – егер камера сыртқы жарықпен автофокусқа көмектесетін болса және сыртқы жарықтың жұмысын тоқтату режиміне орнатылса, автофокусқа көмек те өшірілуі мүмкін. Осылайша, автофокус нысананы анықтай алмайды. Қызыл көз эффектін азайту үшін ұқсас жылдам жарқырау қолданылады, бірақ бұл көбінесе суретке түсіру алдында нысананың көзінің қарамағын тарылту үшін жасалады. Кейбір сыртқы сыртқы жарықтарда кіріктірілген автофокусқа көмектесетін шамдар бар, олар камерадағы жылдам жарқырауды алмастырады. Олардың көпшілігі қызыл түсті және көзге аса іріктелмейді. Контрастқа негізделген автофокус жүйелеріне нашар жарықта көмектесудің тағы бір жолы – нысанаға лазерлік үлгіні бағыттау. Лазерлік әдіс коммерциялық түрде Hologram AF Laser деп аталады және 2003 жыл шамасында Sony CyberShot камераларында, соның ішінде Sony F707, F717 және F828 модельдерінде қолданылған.
Белсенді және пассивті жүйелерді салыстыру
Әдетте, белсенді жүйелер терезе арқылы фокустауға келмейді, себебі дыбыс толқындары мен инфрақызыл сәулелер шыныдан шағылысады. Пассивті жүйелерде бұл, әдетте, терезеге бояу жағылмаса, мәселе тудырмайды. Активті автофокус жүйелерінің дәлдігі көбінесе пассивті жүйелерге қарағанда әлдеқайда төмен болады. Белсенді жүйелер камераға тым жақын объектіге (мысалы, макрофотографияда) фокус таба алмайды. Пассивті жүйелер контраст төмен болғанда, әсіресе үлкен, біртүсті беттерде (қабырғалар, көк аспан сияқты) немесе жарық жетіспегенде фокусқа келе алмайды. Пассивті жүйелер объектінің белгілі бір деңгейде жарықтандырылуына (табиғи немесе жасанды) тәуелді, ал белсенді жүйелер қажет болған жағдайда толық қараңғыда да дұрыс фокусқа келе алады. Кейбір камералар мен сыртқы сыртқы жарықтандырғыштарда автоматты фокус жұмыс істеген кезде қосылатын, арнайы төмен деңгейлі жарықтандыру режимі (әдетте қызыл/сары жарық) болады, ол камераға фокус қоюға көмектеседі.
Тұзаққа назар аудару
Қапшық фокус, фокус тұзақ немесе фокуста ұстап алу әдісі автофокусты объектінің фокустық жазықтыққа (тиісті фокустық нүктеге) қозғалған кезде сурет түсіру үшін қолданылады; бұл әдіс жылдам қозғалатын объектінің нақтырақ суретін алуға, әсіресе спорттық немесе жабайы табиғатты суретке түсіруде немесе "тұзақ" орнатуға мүмкіндік береді, сонда сурет адамның қатысуынсыз автоматты түрде түсіріледі. Бұл AF-ты фокусты анықтау үшін, бірақ фокусты өзгерту үшін емес, қолмен фокусты пайдалану арқылы (немесе фокус орнатылғаннан кейін қолмен ауысу арқылы) және содан кейін фокус басымдығын пайдаланып, объекті фокуста болған кезде ғана сөндіргішті босату арқылы жасалады. Бұл техника фокусты реттеуді таңдау (AF-ты өшіру), содан кейін түсіру режимін "Жалғыз" (AF S) немесе нақтырақ фокус басымдылығын орнату арқылы жұмыс істейді, содан кейін сөндіргішті басу керек – объекті фокусқа келген кезде AF мұны анықтайды (бірақ фокусты өзгертеді), және сурет түсіріледі. Тұзақ фокусын алғаш рет іске асырған SLR камерасы Yashica 230 AF болды. Trap focus кейбір Pentax (мысалы, K x және K 5), Nikon және Canon EOS камераларында да қолдануға болады. EOS 1D оны қоса берілген компьютердегі бағдарламалық жасақтама арқылы жасай алады, ал EOS 40D және 7D сияқты камераларда арнайы функциялар (III 1 және III 4 сәйкесінше) бар, олар камера фокус қоюға тырысқаннан кейін сәтсіз аяқталса, тоқтата алады. Шынайы тұзақ фокусы жоқ EOS камераларында "шамамен тұзақ фокусы" деп аталатын хак қолданылуы мүмкін, ол тұзақ фокусының кейбір әсерлеріне қол жеткізеді. Magic Lantern арнайы бағдарламалық жасақтамасын пайдалану арқылы кейбір Canon DSLR камералары тұзақ фокусын жасай алады.
АИ Серво
AI Servo – Canon SLR камераларында және Nikon, Sony және Pentax сияқты басқа брендтерде "үздіксіз фокус" (AF C) деген атаумен кездесетін автофокус режимі. Сонымен қатар, нысананы қадағалау режимі деп те аталады, ол кадр ішінде қозғалатын немесе камераға жақындап, алыстап келе жатқан нысананы қадағалау үшін қолданылады. Бұл режимде объектив нысанаға үздіксіз фокус сақтайды, сондықтан ол көбінесе спорттық және динамикалық фотосуреттерге қолданылады. AI – жасанды интеллектті білдіреді: автофокус сенсорынан алынған жылдамдық және үдеу деректеріне сүйене отырып, нысананың болашақта қайда болатынын болжайтын алгоритмдер.
Фокустық қозғалтқыштар
Қазіргі заманғы автофокус екі механизмнің бірі арқылы іске асырылады: камера корпусындағы мотор мен линзадағы тісті шегерлер ("бұрандалы жетек") немесе линзадағы моторға монтаждау пластинасындағы контактілер арқылы жетек нұсқауларын электрондық түрде беру арқылы. Линзаға орнатылған моторлар түрлі болуы мүмкін, бірақ көбінесе ультрадыбыстық немесе қадамдық моторлар болып табылады. Кейбір камера корпустары, оның ішінде барлық Canon EOS камералары және Nikon DX модельдерінің бюджеттік нұсқалары автофокусқа арналған моторды қамтымайды, сондықтан өздеріне енгізілген моторы жоқ линзалармен автофокус жасай алмайды. Кейбір линзалар, мысалы Pentax DA* деп белгіленген модельдер, әдетте енгізілген моторды пайдаланса да, егер камера корпусы қажетті контактілік тіреулерді қолдамаса, бұрандалы жетек режиміне көше алады.