Автофокус: принципы работы и развитие

Введение

Оптическая фокусировка с сенсорным управлением

Система автоматической фокусировки (или АФ) использует датчик, систему управления и мотор для фокусировки на автоматически или вручную выбранной точке или области. Электронный дальномер имеет дисплей вместо мотора; регулировка оптической системы должна производиться вручную до получения показаний. Методы автофокусировки различаются на активные, пассивные или гибридные типы. Системы автофокусировки опираются на один или несколько датчиков для определения правильной фокусировки. Некоторые системы АФ используют один датчик, в то время как другие – массив датчиков. Большинство современных зеркальных камер используют оптические датчики, расположенные за объективом, с отдельным массивом датчиков для экспозамера, хотя последний может быть запрограммирован на приоритетное измерение в той же области, что и один или несколько датчиков АФ. 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 лупы для фокусировки. Точность автофокусировки в пределах 1/3 глубины резкости (ГРП) при самой открытой диафрагме объектива является обычным явлением в профессиональных зеркальных камерах с АФ. Большинство многодатчиковых камер АФ позволяют вручную выбирать активный датчик, а многие предлагают автоматический выбор датчика с использованием алгоритмов, которые пытаются определить местоположение объекта. Некоторые камеры АФ способны обнаруживать, движется ли объект к камере или от неё, включая скорость и ускорение, и поддерживать фокус – функция, используемая в основном в спортивной и динамичной съемке. Камеры Canon называют это AI Servo, а камеры Nikon – "следящая фокусировка". Данные, собранные с датчиков АФ, используются для управления электромеханической системой, которая регулирует фокус оптической системы. Вариацией автофокуса является электронный дальномер, в котором данные о фокусе предоставляются оператору, но настройка оптической системы по-прежнему выполняется вручную. Скорость системы АФ сильно зависит от максимально открытой диафрагмы, предлагаемой объективом при текущем фокусном расстоянии. Диафрагменные числа около 2–2.8 обычно считаются оптимальными для скорости и точности фокусировки. Объективы с большей светосилой (например, 1.4 или 1.8) обычно имеют очень малую ГРП, что означает, что для достижения правильной фокусировки требуется больше времени, несмотря на большее количество света. Большинство камер для потребительского сегмента будут надежно фокусироваться автоматически только с объективами, имеющими максимально открытую диафрагму не менее 5.6, в то время как профессиональные модели часто могут работать с максимально открытой диафрагмой 8, что особенно полезно для объективов, используемых в сочетании с телеконвертерами.

An autofocus (or AF) optical system uses a sensor, a control system and a motor to focus on an automatically or manually selected point or area. An electronic rangefinder has a display instead of the motor; the adjustment of the optical system has to be done manually until indication. Autofocus methods are distinguished as active, passive or hybrid types. Autofocus systems rely on one or more sensors to determine correct focus. Some AF systems rely on a single sensor, while others use an array of sensors. Most modern SLR cameras use through the lens optical sensors, with a separate sensor array providing light metering, although the latter can be programmed to prioritize its metering to the same area as one or more of the AF sensors. Through the lens optical autofocusing is usually speedier and more precise than manual focus with an ordinary viewfinder, although more precise manual focus can be achieved with special accessories such as focusing magnifiers. Autofocus accuracy within 1/3 of the depth of field (DOF) at the widest aperture of the lens is common in professional AF SLR cameras. Most multi sensor AF cameras allow manual selection of the active sensor, and many offer automatic selection of the sensor using algorithms which attempt to discern the location of the subject. Some AF cameras are able to detect whether the subject is moving towards or away from the camera, including speed and acceleration, and keep focus — a function used mainly in sports and other action photography. Canon cameras call this AI servo; Nikon cameras call it "continuous focus". The data collected from AF sensors is used to control an electromechanical system that adjusts the focus of the optical system. A variation of autofocus is an electronic rangefinder, in which focus data are provided to the operator, but adjustment of the optical system is still performed manually. The speed of the AF system is highly dependent on the widest aperture offered by the lens at the current focal length. F stops of around 2 to 2.8 are generally considered best for focusing speed and accuracy. Faster lenses than this (e. g.: 1.4 or 1.8) typically have very low depth of field, meaning that it takes longer to achieve correct focus, despite the increased amount of light. Most consumer camera systems will only autofocus reliably with lenses that have a widest aperture of at least 5.6, whilst professional models can often cope with a widest aperture of 8, which is particularly useful for lenses used in conjunction with teleconverters.

История

В период с 1960 по 1973 год компания Leitz (Leica) запатентовала ряд технологий автофокусировки и соответствующих датчиков. На Photokina 1976 года Leica представила камеру, основанную на своих предыдущих разработках, под названием Correfot, а в 1978 году продемонстрировала зеркальную камеру с полностью функционирующей автофокусировкой. Первой массово производимой камерой с автофокусом стала Konica C35 AF – простая камера типа «наведи и снимай», выпущенная в 1977 году. Polaroid SX 70 Sonar OneStep стала первой однообъективной зеркальной камерой с автофокусом, выпущенной в 1978 году. Pentax ME F, использовавшая датчики фокусировки в корпусе камеры в сочетании с моторизованным объективом, стала первой 35-мм зеркальной камерой с автофокусом в 1981 году. В 1983 году Nikon выпустила F3AF – свою первую камеру с автофокусом, основанную на аналогичной концепции, что и ME F. Minolta 7000, выпущенная в 1985 году, стала первой зеркальной камерой с интегрированной системой автофокуса, то есть как датчики автофокуса, так и приводной двигатель были размещены в корпусе камеры, а также с интегрированным механизмом автоматического перемотки пленки, который впоследствии стал стандартной конфигурацией для зеркальных камер этого производителя. Nikon также отказалась от системы F3AF и интегрировала двигатель автофокуса и датчики в корпус. Canon решила прекратить выпуск байонета FD и в 1987 году перешла на полностью электронный байонет EF с моторизованными объективами. Pentax первой внедрила измерение расстояния фокусировки для зеркальных камер с объективами серий FA и FA* начиная с 1991 года. Первые объективы Pentax с байонетом KAF и автофокусом были представлены в 1989 году. В 1992 году Nikon вернулась к двигателям, интегрированным в объективы, с линейкой объективов AF I и AF S; сегодня их зеркальные камеры начального уровня не имеют двигателя фокусировки в корпусе благодаря наличию двигателей во всех новых разработанных объективах AF.

Активный

Активные системы автофокусировки измеряют расстояние до объекта независимо от оптической системы и затем настраивают оптическую систему для обеспечения правильной фокусировки. Существуют различные способы измерения расстояния, включая ультразвуковые волны и инфракрасный свет. В первом случае камера излучает звуковые волны, и, измеряя задержку отраженного сигнала, вычисляется расстояние до объекта. Камеры Polaroid, в том числе Spectra и SX 70, были известны успешным применением этой системы. Во втором случае для триангуляции расстояния до объекта обычно используется инфракрасный свет. Компактные камеры, такие как Nikon 35TiQD и 28TiQD, Canon AF35M, а также Contax T2 и T3, и ранние видеокамеры использовали эту систему. Более новый подход, применяемый в некоторых потребительских электронных устройствах, например, в мобильных телефонах, основан на принципе времени прохождения сигнала, который заключается в направлении лазерного или светодиодного луча на объект и вычислении расстояния на основе времени, необходимого свету для прохождения до объекта и обратно. Этот метод иногда называют лазерной автофокусировкой, и он используется во многих моделях мобильных телефонов от различных производителей. Он также применяется в промышленных и медицинских приборах. Исключением из двухэтапного подхода является механическая автофокусировка, реализованная в некоторых увеличителях, которые регулируют объектив напрямую.

Пассивный

Пассивные системы автофокусировки определяют правильную фокусировку, проводя пассивный анализ изображения, поступающего в оптическую систему. Обычно они не направляют на объект какую-либо энергию, такую как ультразвук или инфракрасные световые волны. (Однако, для проведения пассивных измерений требуется вспомогательный луч, как правило инфракрасный, когда недостаточно освещения.) Пассивная автофокусировка может быть реализована с помощью фазового обнаружения или измерения контраста.

Фассовое обнаружение

Фазовое обнаружение (ФД) достигается путем разделения входящего света на пары изображений и их сравнения. Пассивное фазовое обнаружение через регистрацию вторичного изображения объектива (TTL SIR) часто используется в пленочных и цифровых зеркальных камерах. Система использует делитель луча (реализованный в виде небольшой полупрозрачной области главного зеркала, в сочетании с небольшим вторичным зеркалом) для направления света на датчик автофокуса (AF) в нижней части камеры. Две микролинзы захватывают световые лучи, приходящие с противоположных сторон объектива, и направляют их на датчик AF, создавая простой дальномер с базой, равной диаметру объектива. Затем два изображения анализируются на предмет схожих паттернов интенсивности света (пиков и впадин), а погрешность расхождения вычисляется для определения, находится ли объект в переднем или заднем фокусе. Это дает направление и оценку необходимого перемещения кольца фокусировки. PD AF в режиме непрерывной фокусировки (например, "AI Servo" для Canon, "AF C" для Nikon, Pentax и Sony) представляет собой процесс управления замкнутым контуром. PD AF в режиме фиксации фокусировки (например, "One Shot" для Canon, "AF S" для Nikon и Sony) обычно считается процессом управления разомкнутым контуром типа "одно измерение, одно движение", но фокусировка подтверждается только тогда, когда датчик AF видит объект в фокусе. Единственное очевидное различие между этими двумя режимами заключается в том, что режим фиксации фокусировки останавливается после подтверждения фокусировки, а режим непрерывной фокусировки имеет предсказательные элементы для работы с движущимися объектами, что позволяет предположить, что это один и тот же процесс управления замкнутым контуром. Хотя датчики автофокуса обычно представляют собой одномерные светочувствительные полосы (всего несколько пикселей в высоту и несколько десятков в ширину), некоторые современные камеры (Canon EOS 1V, Canon EOS 1D, Nikon D2X) оснащены датчиками TTL SIR, имеющими прямоугольную форму и обеспечивающими двумерные паттерны интенсивности для более детального анализа. Точки фокусировки крестового типа имеют пару датчиков, ориентированных под углом 90° друг к другу, хотя для работы одного из датчиков обычно требуется более широкая диафрагма, 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 значениями диафрагмы (обычно f/2.8 и меньше). Повышенная точность достигается за счет более широкой эффективной базы измерения "дальномера". Некоторые современные датчики (например, в Librem 5) включают около 2% пикселей фазового обнаружения на чипе. При соответствующей программной поддержке это позволяет реализовать автоматическую фокусировку с использованием фазового обнаружения.

Phase detection (PD) is achieved by dividing the incoming light into pairs of images and comparing them. Through the lens secondary image registration (TTL SIR) passive phase detection is often used in film and digital SLR cameras. The system uses a beam splitter (implemented as a small semi transparent area of the main reflex mirror, coupled with a small secondary mirror) to direct light to an AF sensor at the bottom of the camera. Two micro lenses capture the light rays coming from the opposite sides of the lens and divert it to the AF sensor, creating a simple rangefinder with a base within the lens's diameter. The two images are then analysed for similar light intensity patterns (peaks and valleys) and the separation error is calculated in order to find whether the object is in front focus or back focus position. This gives the direction and an estimate of the required amount of focus ring movement. PD AF in a continuously focusing mode (e. g. "AI Servo" for Canon, "AF C" for Nikon, Pentax and Sony) is a closed loop control process. PD AF in a focus locking mode (e. g. "One Shot" for Canon, "AF S" for Nikon and Sony) is widely believed to be a "one measurement, one movement" open loop control process, but focus is confirmed only when the AF sensor sees an in focus subject. The only apparent differences between the two modes are that a focus locking mode halts on focus confirmation, and a continuously focusing mode has predictive elements to work with moving targets, which suggests they are the same closed loop process. Although AF sensors are typically one dimensional photosensitive strips (only a few pixels high and a few dozen wide), some modern cameras (Canon EOS 1V, Canon EOS 1D, Nikon D2X) feature TTL area SIR sensors that are rectangular in shape and provide two dimensional intensity patterns for a finer grain analysis. Cross type focus points have a pair of sensors oriented at 90° to one another, although one sensor typically requires a larger aperture to operate than the other. Some cameras (Minolta 7, Canon EOS 1V, 1D, 30D/40D, Pentax K 1, Sony DSLR A700, DSLR A850, DSLR A900) also have a few "high precision" focus points with an additional set of prisms and sensors; they are only active with "fast lenses" with certain geometrical apertures (typically f number 2.8 and faster). Extended precision comes from the wider effective measurement base of the "range finder". Some modern sensors (for example one in Librem 5) include about 2% phase detection pixels on the chip. With suitable software support, that enables phase detection auto focus.

Контрастное обнаружение

Автофокусировка по контрасту достигается путем измерения контраста (резкости) в поле датчика через объектив. Разница в интенсивности между соседними пикселями датчика естественным образом возрастает при правильной фокусировке изображения. Оптическая система может быть отрегулирована до тех пор, пока не будет обнаружен максимальный контраст. При этом методе автофокусировка не предполагает фактического измерения расстояния. Это создает значительные трудности при отслеживании движущихся объектов, поскольку потеря контраста не указывает на направление движения к камере или от нее. Автофокусировка по контрасту – распространенный метод в цифровых камерах, не имеющих затвора и зеркала. Большинство зеркальных фотоаппаратов используют этот метод (или гибрид контрастной и фазовой автофокусировки) при фокусировке в режиме Live View. Примечательным исключением являются цифровые камеры Canon с Dual Pixel CMOS AF. Беззеркальные камеры со сменной оптикой обычно использовали автофокусировку по контрасту, хотя фазовое определение стало стандартом для большинства беззеркальных камер, обеспечивая значительно лучшую производительность отслеживания автофокуса по сравнению с контрастной. Контрастная автофокусировка предъявляет иные требования к конструкции объективов, чем фазовая. В то время как фазовая автофокусировка требует от объектива быстрого и прямого перемещения точки фокусировки в новое положение, контрастная автофокусировка использует объективы, способные быстро просматривать диапазон фокусировки, останавливаясь точно в точке, где обнаружен максимальный контраст. Это означает, что объективы, разработанные для фазовой автофокусировки, часто показывают плохие результаты на камерах, использующих контрастную автофокусировку.

Световой ассистент

Ассистентный свет (также известный как осветитель автофокуса) "активирует" пассивные системы автофокусировки в условиях низкой освещенности и недостаточного контраста в некоторых камерах. Лампа проецирует видимый или инфракрасный свет на объект, который система автофокусировки камеры использует для достижения фокусировки. Многие камеры и почти все камеры телефонов не имеют выделенной лампы помощи в автофокусировке. Вместо этого они используют встроенную вспышку, освещая объект серией вспышек. Это помогает системе автофокусировки аналогично выделенной лампе помощи, но имеет недостаток – может напугать или раздражать людей. Другой недостаток заключается в том, что если камера использует вспышку для помощи в фокусировке и настроена на режим работы, отключающий вспышку, то и помощь в фокусировке может быть отключена. В результате автофокус может не захватить объект. Подобная стробоскопическая вспышка иногда используется для уменьшения эффекта красных глаз, но предназначена лишь для сужения зрачков объекта съемки перед снимком. Некоторые внешние вспышки имеют встроенные лампы помощи в автофокусировке, заменяющие стробоскопическую вспышку камеры. Многие из них красные и менее заметные. Другой способ помощи контрастным системам автофокусировки в условиях низкой освещенности – проецирование лазерного рисунка на объект. Этот лазерный метод коммерчески известен как Hologram AF Laser и использовался в камерах Sony CyberShot примерно в 2003 году, включая модели Sony F707, F717 и F828.

Сравнение активных и пассивных систем

Активные системы, как правило, не фокусируются через окна, поскольку звуковые волны и инфракрасный свет отражаются от стекла. В пассивных системах это обычно не представляет проблемы, если только окно не тонированное. Точность активных систем автофокусировки часто значительно ниже, чем у пассивных. Активные системы также могут не фокусироваться на объекте, находящемся очень близко к камере (например, при макросъемке). Пассивные системы могут испытывать трудности с фокусировкой при низком контрасте, особенно на больших одноцветных поверхностях (стенах, голубом небе и т.п.) или в условиях недостаточной освещенности. Пассивные системы требуют определенного уровня освещения объекта (естественного или искусственного), в то время как активные системы могут фокусироваться правильно даже в полной темноте, при необходимости. Некоторые камеры и внешние вспышки имеют специальный режим подсветки низкого уровня (обычно оранжевым/красным светом), который можно активировать во время работы автофокуса, чтобы обеспечить фокусировку камеры.

Фокус ловушки

Метод, известный как "фокус-ловушка", "ловушка фокуса" или "поймать в фокус", использует автофокус для съемки, когда объект попадает в плоскость фокусировки (в соответствующей точке фокусировки). Это позволяет получить четкий снимок быстро движущегося объекта, особенно в спортивной или дикой природе, либо установить "ловушку", чтобы снимок мог быть сделан автоматически без присутствия человека. Это достигается за счет использования автофокуса для обнаружения, но не для установки фокусировки – с помощью ручной фокусировки для установки фокуса (или переключения на ручную после установки), а затем использования приоритета фокусировки для обнаружения, когда объект находится в фокусе, и только после этого происходит спуск затвора. Техника работает следующим образом: выбирается ручная настройка фокусировки (отключается автофокус), затем режим съемки устанавливается в "Одиночный" (AF S) или, более конкретно, приоритет фокусировки, после чего нажимается кнопка спуска затвора. Когда объект попадает в фокус, автофокус это обнаруживает (но не изменяет фокусировку), и делается снимок. Первой зеркальной камерой, реализовавшей функцию "фокус-ловушка", была Yashica 230 AF. "Фокус-ловушка" также возможен на некоторых камерах Pentax (например, Kx и K 5), Nikon и Canon EOS. EOS 1D может использовать эту функцию с помощью программного обеспечения на подключенном компьютере, в то время как камеры, такие как EOS 40D и 7D, имеют пользовательскую функцию (III 1 и III 4 соответственно), которая может остановить попытки камеры фокусироваться после неудачи. На камерах EOS, не поддерживающих полноценную "фокус-ловушку", можно использовать "почти фокус-ловушку", которая позволяет добиться частичного эффекта. С помощью сторонней прошивки Magic Lantern некоторые зеркальные камеры Canon могут выполнять функцию "фокус-ловушка".

Аи Серво

AI Servo — это режим автофокусировки, который встречается на зеркальных фотоаппаратах Canon, а также под названием "непрерывный фокус" (AF C) у других производителей, таких как Nikon, Sony и Pentax. Также известный как следящая фокусировка, он используется для отслеживания движущегося объекта в кадре, а также при его приближении или удалении от камеры. В этом режиме объектив постоянно поддерживает фокус на объекте, поэтому он широко применяется в спортивной и динамичной съемке. AI (искусственный интеллект) означает использование алгоритмов, которые постоянно прогнозируют положение объекта, основываясь на данных о его скорости и ускорении, получаемых от датчика автофокусировки.

Фокусные двигатели

Современная автофокусировка осуществляется одним из двух механизмов: либо мотором в корпусе камеры и шестернями в объективе ("винтовой привод"), либо посредством электронной передачи команды привода через контакты в байонете к мотору в объективе. Моторы в объективе могут быть разных типов, но часто используются ультразвуковые или шаговые двигатели. Некоторые корпуса камер, включая все Canon EOS и более бюджетные модели Nikon DX, не имеют мотора автофокусировки и, следовательно, не могут автоматически фокусироваться с объективами, не оснащенными встроенным мотором. Некоторые объективы, например модели Pentax с обозначением DA*, хотя обычно используют встроенный мотор, могут переключаться на работу с винтовым приводом, если корпус камеры не поддерживает необходимые контакты.