Автофокус

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Автофо́кус — система, обеспечивающая автоматическую фокусировку объектива фотоаппарата, кинокамеры или видеокамеры на один или несколько объектов съёмки. Автофокус состоит из датчика, управляющей системы и привода, перемещающего оправу объектива или его отдельные линзы. Разновидностью автофокуса можно считать электронный дальномер без исполнительного механизма, но с индикацией направления фокусировки и её завершения. Для обозначения автофокуса обычно используется аббревиатура AF.

Привод автофокуса фотоаппарата Nikon D70

Технологии[править | править вики-текст]

Для автоматической фокусировки необходимо определить точное расстояние от фокальной плоскости до объекта съёмки. В зависимости от способа определения этого параметра все существующие системы автофокуса делятся на два основных типа: активные и пассивные[1]. Активные системы получили своё название из-за наличия элементов, взаимодействующих с объектом съёмки, таких как ультразвуковой или инфракрасный локатор[П 1]. Подобные устройства позволяют вычислить расстояние, на которое фокусируется объектив, при помощи эхолокации или триангуляции[2]. Ультразвуковой активный автофокус получил широкое распространение в фотоаппаратах одноступенного процесса Polaroid (англ. Sound Navigation Ranging, SONAR) и бытовых кино- и видеокамерах. Активные системы не зависят от условий освещения и могут наводиться в полной темноте на объекты без контрастных деталей. Вместе с тем, они обладают рядом недостатков, одним из которых считается невозможность точной фокусировки, если между объектом и камерой есть прозрачное препятствие, например стекло. Кроме того, в связи с трудностями получения направленного пучка ультразвука, фокусировка на конкретный объект съёмки затруднена, и система часто срабатывает на ближайшее препятствие.

По этим причинам активные системы вышли из употребления с появлением более совершенных пассивных. Пассивный автофокус основан на анализе световых пучков, попадающих внутрь камеры, и ничего не излучает в окружающее пространство. Первая такая система, основанная на измерении света, прошедшего через оптический дальномер, разработана фирмой Leica Camera в 1970 году. Дальнейшие разработки этой технологии использовалось, главным образом в компактных любительских фотоаппаратах, в том числе в единственном советском фотоаппарате с автофокусировкой «Эликон-автофокус»[3][4]. Современные системы основаны на измерении максимального контраста изображения, формируемого объективом, или на сравнении противоположных частей пучка света, формирующего изображение точки. Эти технологии называются контрастным и фазовым автофокусом.

Контрастный автофокус[править | править вики-текст]

Контрастный автофокус может применяться в любых видеокамерах и цифровых фотоаппаратах, в том числе незеркальных. Принцип его работы основан на том, что микропроцессор камеры сравнивает контраст мелких деталей изображения, получаемого на матрице при разных положениях объектива[2]. Такая технология предполагает перемещения объектива в обоих направлениях от положения точной наводки, чаще всего неоднократное.

В силу заложенного принципа быстродействие и точность такого автофокуса невысоки. До тех пор, пока процессор не вычислил максимум контраста и не перешел его, двигателю дается команда перемещать объектив еще раз. Когда экстремум пройден, выполняется шаг назад, возвращающий оптику в пройденную точку, и процесс фокусировки прекращается. Задержка между нажатием на спуск и собственно съёмкой кадра, характерная для большинства компактных цифровых фотоаппаратов, объясняется именно «медленной» работой пассивного контрастного автофокуса. Кроме того, «следящая» фокусировка движущихся объектов невозможна. К достоинствам контрастного автофокуса относятся ненужность сложных юстировок оптического тракта и независимость от светосилы объектива. При этом может выбираться любая часть кадра, которая выделяется процессором, как сюжетно важная для фокусировки. Число таких возможных зон и их размер при контрастном автофокусе не ограничены.

Впервые контрастный автофокус был использован в бытовых видеокамерах и зеркальной плёночной фотоаппаратуре. В аналоговых видеокамерах контраст деталей вычисляется на основе частотного спектра получаемого видеосигнала. Первым серийным фотоаппаратом, использующим измерение контраста через объектив, в 1981 году стал «Pentax ME-F»[5][1]. При этом датчик, расположенный под вспомогательным зеркалом на дне камеры, сравнивал контраст двух изображений, получаемых светоделительной призмой. Таким же образом действовал автофокус более поздних «Nikon F3 AF» и «Canon T80»[6][7]. В дальнейшем в зеркальной аппаратуре такая технология уступила место более совершенному фазовому автофокусу, прототип которого под названием «Визитроник ТСЛ» (англ. Visitronic Through Camera Lens) в 1980 году разработан компанией «Honeywell»[3]. Похожая технология «нулевого контраста» в 1963 году разработана в СССР М. Я. Шульманом[8][1].

Фазовый автофокус[править | править вики-текст]

На схеме фазового автофокуса цифрами обозначены: 30выходной зрачок объектива; 72коллективная линза; 70 — окно ограничительной рамки; 75 — маска; 76, 77 — микрообъективы; 8 — сенсор; 80, 81ПЗС-линейки

Фазовый автофокус может применяться только в однообъективных зеркальных фотоаппаратах и кинокамерах с зеркальным обтюратором, потому что требует отдельного оптического тракта, позволяющего разбивать пучки света на две части. Его основным элементом является детектор фокусировки, который устанавливается в нижней части фотоаппарата под зеркалом. Свет попадает к детектору при помощи вспомогательного зеркала, закреплённого на шарнире под полупрозрачным основным. При этом длина оптического пути света от объектива до детектора должна точно совпадать с длиной пути до фотоматериала или матрицы. Это условие достигается юстировкой фотоаппарата, от точности которой зависит точность работы автофокуса[П 2].

Детектор (на рисунке) состоит из конденсора 72, расположенного в фокальной плоскости объектива, и сенсора 8 с ПЗС-линейками 80 и 81. В процессе фокусировки сравниваются противоположные области 31 и 32 выходного зрачка 30 объектива[9]. Для этого в маске 75, на которой конденсор строит действительное изображение выходного зрачка объектива, устанавливаются два микрообъектива 76 и 77, формирующих на линейках 80 и 81 изображения объекта съёмки, видимого через разные половины выходного зрачка. Размер изображений ограничивается окном 70 рамки 71 конденсора. В случае, если объектив сфокусирован точно, изображения объекта находятся в центрах соседних ПЗС-линеек. Таким образом, сигналы, получаемые процессором с разных линеек, совпадают (находятся «в фазе»)[П 3]. При неточной фокусировке эти изображения из-за параллакса смещаются внутрь или наружу линеек в зависимости от направления ошибки, и сигналы перестают совпадать[10]. На основе разности фаз сигналов формируется команда для привода, производящего фокусировку[9].

В современной фотоаппаратуре, чаще всего, используются одновременно несколько таких детекторов, каждый из которых оценивает фокусировку разных частей кадра, позволяя наводить резкость не только по его центру. В зависимости от ситуации включается один из этих детекторов или сравниваются результаты измерения нескольких, работающих одновременно. Фазовый автофокус обеспечивает максимальное быстродействие, поскольку в отличие от контрастного не требует сравнения резкости для разных положений объектива, а величина и направление его перемещения известны сразу. В результате, фокусировка может завершиться одним движением оправы[П 4]. Точность фокусировки находится в прямой зависимости от величины базиса между сравниваемыми зонами 31 и 32 выходного зрачка. Следствием этого является низкая эффективность фазового автофокуса при небольших относительных отверстиях объектива, когда оценочные зоны оказываются на краях или за пределами выходного зрачка[9]. Поэтому автофокус этого типа должен использоваться в фотоаппаратуре совместно с прыгающей диафрагмой, закрывающейся до рабочего значения только в момент съёмки.

Современные камеры могут оснащаться дублирующими детекторами автофокуса, работоспособными при разных значениях светосилы объектива. При этом те, которые рассчитаны на максимальное отверстие (как правило, f/2,8 и более), обладают наибольшими точностью и быстродействием за счёт увеличенного расстояния между оценочными зонами[10]. Крестообразный датчик автофокуса состоит из двух детекторов, расположенных перпендикулярно друг к другу. Такая конструкция делает систему одинаково эффективной для изображения с деталями, ориентированными в разных направлениях[11]. Часто крестообразные детекторы рассчитаны на разную предельную светосилу для горизонтального и вертикального датчиков, обеспечивая универсальность[2]. Со светосильной оптикой работают оба датчика, а при использовании объективов с низкой светосилой работоспособным остаётся один из них, чаще всего горизонтальной ориентации. Самые совершенные профессиональные фотоаппараты (например, «Canon EOS-1D X») оснащаются двойными крестообразными датчиками, расположенными под углом 45° друг к другу[11].

Гибридный автофокус[править | править вики-текст]

В процессе совершенствования систем автофокуса предпринимались попытки совместить активный и пассивный методы в одном устройстве. Многие современные компактные фотоаппараты и видеокамеры сочетают активный инфракрасный автофокус с пассивным контрастным[2]. Такие камеры оснащаются излучателем, расположенным на передней стенке и автоматически включающимся при недостатке освещения, когда эффективность контрастного автофокуса невысока. При этом, фотоприёмник, расположенный на корпусе или за объективом, на основе отражённого света определяет расстояние до объекта съёмки, ускоряя работу пассивной системы или заменяя её.

В некоторых случаях дополнительная подсветка не является частью активного автофокуса, обеспечивая более эффективную работу фазовой системы. По такому принципу работает инфракрасный прожектор, встраиваемый во внешние системные фотовспышки. Срабатывая одновременно с автофокусом камеры (за исключением следящего режима), подсветка создаёт на объекте съёмки дополнительную освещённость, обеспечивая работу системы даже в темноте. В некоторых камерах для этой цели используются встроенная фотовспышка в специальном «стробоскопическом» режиме (например, в «Pentax *ist Ds»). Некоторые системы подсветки автофокуса проецируют на объект контрастную «сетку», которая служит ориентиром для пассивной системы. Такое устройство подсветки используется, например, в фотоаппаратах «Pentax Z1p» и «Sony DSC F828».

Современные разработки гибридного автофокуса основаны на комбинации фазовой и контрастной технологий, позволяющей использовать достоинства обоих методов. Наиболее актуальны такие решения для беззеркальных фотоаппаратов, конструктивно непригодных для классического фазового автофокуса. Новейшие модели таких фотоаппаратов предусматривают установку фазовых детекторов непосредственно в матрицу Супер-ПЗС (англ. Cuper CCD EXR, Fujifilm Hybrid Focus)[12]. В настоящее время по такой технологии работают беззеркальные фотоаппараты серий «Fujifilm FinePix», «Nikon 1», «Samsung NX300», а также зеркальные «Canon EOS 650D» и «Canon EOS 70D»[13]. Фазовые детекторы, встроенные в матрицу, менее эффективны, чем классические, из-за небольшого базиса считывания, поэтому по сравнению с автофокусом зеркальных камер такой менее эффективен и служит в качестве вспомогательного основному контрастному методу. В зеркальной аппаратуре, штатно оснащаемой фазовым автофокусом, контрастный используется в режиме Live View, когда основная система неработоспособна из-за поднятого зеркала.

Приводы автофокуса[править | править вики-текст]

Первые системы автофокуса для перемещения оправы объектива использовали шаговые электродвигатели, расположенные в корпусе камеры. Такая конструкция пригодна для фотоаппаратов и видеокамер с несменной оптикой. Первые сменные объективы, разработанные для зеркальных фотоаппаратов, содержали датчики автофокуса, процессор с элементами питания и привод фокусировки в приливе оправы. Самым первым из них считается AF-Nikkor 4,5/80, разработанный в 1971 году, но так и не запущенный в серийное производство[8][6]. Похожую конструкцию имел зум Canon New FD 35—70/4 AF, в приливе которого размещался датчик активного инфракрасного автофокуса и привод фокусировки[14]. Такие объективы могли работать с обычными фотоаппаратами, но фокусировка их была крайне медленной и неточной.

Развитие заобъективных датчиков и появление фазового принципа вынудили конструкторов размещать весь автофокус в корпусе фотоаппарата. При этом вращение привода передавалось в объектив передаточным механизмом с разъёмной муфтой, вмонтированной в байонет. Характерным примером можно считать так называемый «отвёрточный автофокус» Nikon, полумуфта которого оснащалась плоским шлицем[15].

Такой принцип оказался несовершенным, поскольку мощность встроенного в фотоаппарат двигателя была недостаточна для тяжёлой длиннофокусной оптики. Устаревшие к середине 1980-х системы автофокуса с приводом, встроенным в объектив, оснащались сравнительно сложным редуктором, обладавшим значительным моментом инерции и снижавшим быстродействие. Решением стала технология компании Canon, встроившей специально разработанные кольцевые пьезоэлектрические двигатели в оправы всех сменных объективов.

Этот тип привода, впервые использованный в 1987 году в объективах для фотоаппарата «Canon EOS 650», позволил исключить редукторы, соединив статор и ротор непосредственно с оправой[3]. Кроме того, мощность и быстродействие мотора подбираются в соответствии с характеристиками конкретного объектива, повышая скорость. В течение последующего десятилетия большинство производителей фотоаппаратуры отказались от двигателей, встроенных в корпус фотоаппарата в пользу кольцевых моторов. Встроенные в объектив редукторные приводы на сегодняшний день остались только в бюджетной оптике любительского класса.

Компания Canon, разработавшая объективы с кольцевыми двигателями, присвоила технологии название «USM» (англ. Ultra Sonic Motor). Из-за патентных ограничений другие производители не имеют права использовать то же торговое название, поэтому присвоили своим разработкам другие обозначения. Nikon указывает маркировку «SWM» (англ. Silent Wave Motor), Pentax — «SDM» (англ. Super-sonic Direct-drive Motor), Samsung — «SSA» (англ. Super Sonic Actuator), Sony/Minolta — «SSM» (англ. Super Sonic Motor), Tamron — «USD» (англ. Ultrasonic Drive), а Sigma — «HSM» (англ. Hyper Sonic Motor). На выставке PMA 2007 Olympus продемонстрировал несколько объективов с новым ультразвуковым двигателем «SWD» (англ. Supersonic Wave Drive). Все эти обозначения являются лишь торговыми названиями, описывающими одну и ту же технологию с незначительными отличиями.

Режимы фокусировки[править | править вики-текст]

Основным режимом работы автофокуса, доступным для любых его систем, считается покадровый (англ. One Shot, Single Servo Mode)[16]. В этом режиме автофокус срабатывает один раз, фокусируясь на объект съёмки, совпадающий с положением датчика. В большинстве фотоаппаратов автофокус срабатывает после поджатия спусковой кнопки наполовину, однако в настроечном меню некоторых моделей для этого можно назначить другую кнопку. После срабатывания автофокуса и достижения резкости привод автофокуса блокируется, прекращая дальнейшую работу до тех пор, пока не сработает затвор или не будет отпущена кнопка[17]. Захват фокуса и блокировка отображаются индикацией на дисплеях, которая дублируется звуковым сигналом. При смещении объекта из зоны резкости процедуру необходимо повторить. Съёмка движущихся объектов для контрастного автофокуса затруднена, но в бытовых видеокамерах следящий режим появился одновременно с пассивным автофокусом. В видеотехнике он работает постоянно и считается основным.

В фотоаппаратах, оснащённых фазовым автофокусом, применяется более совершенный алгоритм следящего режима, поскольку такой тип датчиков позволяет вычислять скорость и направление перемещения объекта съёмки. Эта технология получила название упреждающий («предиктивный») автофокус и заранее фокусирует объектив на расстояние, соответствующее вычисленному положению объекта съёмки с учётом задержки срабатывания затвора[17]. Наблюдаемое в видоискателе изображение в этом режиме может казаться не в фокусе, потому что попадает в него только при срабатывании затвора и поднятом зеркале. При этом блокировка, в отличие от покадрового режима, никогда не срабатывает и фокусировка происходит непрерывно, отслеживая все перемещения объектов и изменения кадрировки. Поэтому индикация и звуковой сигнал в этих режимах не работают[17]. Технология поддерживается всеми современными камерами с фазовым автофокусом, однако у разных производителей он называется по разному: у Canon — AI Servo, у Nikon — Continuous servo AF. Среди фотолюбителей более востребован автоматический режим выбора метода фокусировки, когда микропроцессор самостоятельно принимает решение о включении наиболее подходящего способа: покадрового или следящего[16]. Последний включается, если детектор регистрирует движение объекта съёмки. В большинстве современных профессиональных и полупрофессиональных фотоаппаратов выбор покадрового или следящего режимов так или иначе взаимосвязан с режимом выбора точки (конкретного датчика) фокусировки в пределах кадра и режимами автоматического управления экспозицией.

В некоторых случаях, когда основной неподвижный объект не совпадает с положением датчика, необходима блокировка автофокуса (англ. AF-lock). Она автоматически срабатывает в покадровом режиме после поджатия спусковой кнопки и завершения фокусировки. После этого кадр можно перекомпоновать в соответствии с замыслом и произвести съёмку. Основной объект при этом получается резким, несмотря на то, что в момент съёмки датчик находится на других объектах или фоне. В следящем режиме блокировка включается отдельной кнопкой на фотоаппарате. В профессиональных моделях для этого предусматривается отдельная кнопка AF-stop, расположенная на оправе сменных объективов, как правило, длиннофокусных. Такая кнопка останавливает фокусировку, позволяя избежать ошибки в случае внезапного появления в кадре предметов на более близких дистанциях, или непредвиденной фокусировки на фон из-за смещения сюжетно важного объекта.

Ещё одна технология — ловушка автофокуса (англ. Focus Trap) — позволяет автоматическую съёмку при попадании движущегося объекта в фокус[18]. Режим доступен в большинстве зеркальных фотоаппаратов профессионального и потребительского уровня при соответствующих настройках. При нажатой спусковой кнопке затвор срабатывает в тот момент, когда датчик автофокуса подтверждает пересечение зоны резкости.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Инфракрасная подсветка, используемая в современных фотовспышках, служит для облегчения работы пассивного автофокуса в темноте, и не относится к активным системам
  2. Современные цифровые зеркальные фотоаппараты, оснащённые функцией Live View предусматривают программную коррекцию юстировки при помощи сравнения результатов работы фазового и контрастного автофокуса, независимого от механических погрешностей [1]
  3. Патент США 5053799 A [2]
  4. Современные алгоритмы фазовых систем предусматривают случаи неуверенного захвата фокуса малоконтрастных объектов в темноте, когда необходимы повторные циклы фокусировки

Источники[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Советское фото, 1986, с. 42
  2. 1 2 3 4 Системы автофокуса цифровых фотоаппаратов (рус.). Ремонт фотоаппаратов. Фоторемонт (21 апреля 2010). Проверено 23 августа 2014.
  3. 1 2 3 Vladimir Dorofeev. История систем автофокуса (рус.). Info. Фотография для любителей. Проверено 24 августа 2014.
  4. Эликон-автофокус (1986) (рус.). Фотолюбитель (31 января 2014). Проверено 24 августа 2014.
  5. Фотокурьер, 2005, с. 7
  6. 1 2 Foo Leo. Introduction to the F3 AF (англ.). Modern Classic SLRs Series. Photography in Malaysia. Проверено 24 августа 2014.
  7. Canon T80 Camera (англ.). Main Features Part II. Photography in Malaysia. Проверено 24 августа 2014.
  8. 1 2 Фотокурьер, 2005, с. 3
  9. 1 2 3 Foto&video, 2002
  10. 1 2 Vladimir Dorofeev. Об автофокусе простыми словами (рус.). Info. Фотография для любителей (август 2010). Проверено 22 августа 2014.
  11. 1 2 Доступно о датчиках автофокуса (рус.). Info. Фотография для любителей (март 2012). Проверено 22 августа 2014.
  12. Дмитрий Крупский. Гибридный автофокус в матрицах Fujifilm (рус.). OnPhoto (14 февраля 2013). Проверено 23 августа 2014.
  13. Владимир Медведев. Пара мыслей про Canon 70D (рус.). LiveJournal (2 июля 2013). Проверено 23 августа 2014.
  14. AF Zoom New FD 35-70 f/4.0 (англ.). Canon FD Resources. Photography in Malaysia. Проверено 24 августа 2014.
  15. Константин. Автофокус. В чём разница между AF-S и AF объективами (рус.). Про Фото. Проверено 24 августа 2014.
  16. 1 2 Режимы фокусировки One-Shot и AI-Servo: правила применения (рус.). On-line журнал о фотографии (3 октября 2012). Проверено 25 августа 2014.
  17. 1 2 3 Онищенко Александр. О работе автофокуса в камерах Nikon (рус.). LiveJournal. Проверено 25 августа 2014.
  18. Аркадий Шаповал. Фотохитрости (рус.). Мысли про Фото. Радожива (15 декабря 2012). Проверено 24 августа 2014.

Литература[править | править вики-текст]

  • Ю. Волков, Н. Капустина, В. Коротков Системы автоматической фокусировки (рус.) // «Советское фото» : журнал. — 1986. — № 11. — С. 42. — ISSN 0371-4284.
  • Борис Бакст Pentax и автофокус (рус.) // «Фотокурьер» : журнал. — 2005. — № 1/97. — С. 3—10.

Ссылки[править | править вики-текст]