Autofokus är ett adaptivt system som automatiskt fokuserar objektivet på en kamera , filmkamera eller videokamera på ett eller flera motiv. Autofokus består av en sensor , ett kontrollsystem och en drivning som flyttar linshylsan eller enskilda objektiv . En mängd olika autofokus kan betraktas som en elektronisk avståndsmätare utan ställdon, men med en indikation på fokuseringsriktningen och dess slutförande. Den internationella förkortningen AF används ofta för att hänvisa till autofokus .
I mindre utsträckning hänvisar begreppet autofokus till system för automatisk justering av skärpan på projektionsenheter . Till exempel, mekaniska förstoringsmönster utformade för att bibehålla exakt fokus när projektionshuvudet rör sig i förhållande till basen kallas vanligtvis inte för autofokus.
För automatisk fokusering är det nödvändigt att bestämma det exakta avståndet från fokusplanet till motivet. Beroende på hur denna parameter bestäms delas alla befintliga autofokussystem in i två huvudtyper: aktiva och passiva [1] . Aktiva system har fått sitt namn från närvaron av element som interagerar med motivet, såsom ultraljud eller infraröd radar [* 1] . Sådana enheter låter dig beräkna avståndet på vilket linsen fokuserar, med hjälp av ekolokalisering eller triangulering [2] . Ultraljudsaktiv autofokus har blivit utbredd i kameror med en enstegs Polaroid - process ( engelsk sound navigation ranging, SONAR ) och konsumentfilm- och videokameror. Infraröd autofokuslokator användes första gången 1979 i Canon AF-35M kompaktkamera [3] .
Aktiva system är inte beroende av ljusförhållandena och kan riktas i totalt mörker mot föremål utan kontrasterande detaljer. De har dock ett antal nackdelar, varav en är omöjligheten av exakt fokusering om det finns ett genomskinligt hinder mellan objektet och kameran, som glas . Utsläpp från sådana system, som inte uppfattas av människor, kan skrämma djur eller utgöra en fara för synen. . På grund av svårigheterna att få en riktad ultraljudsstråle är det dessutom svårt att fokusera på ett specifikt motiv, ofta utlöses det närmaste hindret. Av dessa skäl förföll aktiva system i och med tillkomsten av mer avancerade passiva. Passiv autofokus är baserad på analysen av ljusstrålar som kommer in i kameran och avger ingenting till det omgivande utrymmet.
Det första sådana systemet, baserat på mätning av ljus som passerar genom en optisk avståndsmätare , utvecklades av Leica Camera 1970. Ytterligare utvecklingar av denna teknik användes främst i kompakta amatörkameror. En mer allmänt använd metod som kallas "Visitronic" ( eng. Visitronic ), som utvecklades av Honeywell för enlinsreflexkameror [4] [5] . Systemet användes också i icke-spegelutrustning, inklusive den enda sovjetiska kameran med autofokus, " Elikon-autofokus " [5] [6] . Moderna system bygger på att mäta den maximala kontrasten hos en bild som produceras av en lins, eller på att jämföra motsatta delar av en ljusstråle som bildar en bild av en punkt. Dessa tekniker kallas kontrast- och fasdetekteringsautofokus.
Kontrast autofokus kan användas i alla videokameror och digitalkameror , inklusive icke-spegelkameror. Principen för dess funktion är baserad på det faktum att kamerans mikroprocessor jämför kontrasten för små detaljer i bilden som erhålls på matrisen vid olika linspositioner [2] . Denna teknik innebär sökandet efter den högsta kontrasten genom att flytta linsen i båda riktningarna från finriktningspositionen, oftast upprepade gånger.
På grund av den underliggande principen är hastigheten och noggrannheten för sådan autofokus låg. Tills processorn har räknat ut den maximala kontrasten och inte har passerat den, får motorn kommandot att flytta linsen en gång till. När extremumet passeras, tas ett steg tillbaka, återför optiken till den passerade punkten och fokuseringsprocessen stoppas. Fördröjningen mellan att trycka på avtryckaren och faktiskt ta bilden, vilket är typiskt för de flesta kompakta digitalkameror , förklaras exakt av den "långsamma" driften av den passiva kontrastautofokusen. Dessutom är "spårning" med fokus på rörliga föremål inte möjligt. Fördelarna med kontrastautofokus inkluderar onyttigheten av komplexa justeringar av den optiska vägen och oberoende av objektivets bländarförhållande . I det här fallet kan vilken del av bilden som helst som tilldelas av processorn väljas som viktig för fokusering. Antalet sådana möjliga zoner och deras storlek med kontrast autofokus är inte begränsade.
För första gången användes kontrastautofokus i konsumentvideokameror och SLR-filmkameror. I analoga videokameror beräknas detaljkontrasten baserat på frekvensspektrumet för den mottagna videosignalen . Den första massproducerade kameran som använde kontrastmätning genom lins var Pentax ME-F 1981 [7] [1] . I det här fallet jämförde en sensor placerad under hjälpspegeln i botten av kammaren kontrasten hos två bilder erhållna av ett stråldelande prisma [8] . Autofokusen för senare Nikon F3 AF och Canon T80 fungerade på samma sätt (Nikon har en sådan sensor placerad i en pentaprisma ) [9] [10] . Senare, inom spegelutrustning, gav denna teknik plats för en mer avancerad fasautofokus "Visitronic TCL" ( eng. Visitronic TCL, Through Camera Lens ), som blev prototypen för moderna system [5] [11] . En liknande "noll kontrast"-teknologi utvecklades i Sovjetunionen 1963 av M. Ya. Shulman [12] [1] . Det var tänkt att användas i designen av Zenit-8-kameran, vars lansering var planerad till 1965, men aldrig implementerades [13] .
Fasdetekteringsautofokus implementerades först i enlinsreflexkameror och dess klassiska design kräver en separat optisk väg som rymmer fokusdetektorn. Den är installerad i botten av kameran, och ljuset kommer in i den med hjälp av en extra spegel, monterad på ett gångjärn under den genomskinliga huvuden. I detta fall måste längden på den optiska ljusbanan från linsen till detektorn under iakttagelse och fokusering exakt matcha längden på vägen till det fotografiska materialet eller matrisen under exponeringen [14] . Detta tillstånd uppnås genom att justera kameran, vars noggrannhet avgör noggrannheten för autofokusen [* 2] .
Detektorn (i figuren) består av en kondensor 72 placerad i objektivets fokalplan och en sensor 8 med CCD-uppsättningar 80 och 81 . Under fokuseringsprocessen jämförs bilderna konstruerade av ljuset som passerar genom de motsatta områdena 31 och 32 av linsens utgångspupill 30 [16] [17] . För att göra detta, i masken 75 , på vilken kondensorn bygger en verklig bild av linsens utgångspupill, installeras två mikrolinser 76 och 77 , vilka bildar på linjalerna 80 och 81 bilder av objektet som fotograferas, synliga genom olika halvor av utgångspupillen. Storleken på bilderna begränsas av fönstret 70 på ramen 71 på kondensorn. Om linsen fokuseras korrekt, är bilderna av objektet placerade i mitten av angränsande CCD-linjer. Således sammanfaller de signaler som tas emot av processorn från olika linjer (är "i fas") [* 3] . Med felaktig fokusering förskjuts dessa bilder inuti eller utanför linjalerna på grund av parallax , beroende på felriktningen, och signalerna sammanfaller inte längre [19] . Baserat på signalernas fasskillnad bildas ett kommando för drivenheten som ger fokusering [14] .
I modern fotografisk utrustning används oftast flera sådana detektorer samtidigt, som var och en utvärderar fokus för olika delar av ramen, så att du inte bara kan fokusera på dess mitt. Beroende på situationen slås en av dessa detektorer på eller mätresultaten från flera som arbetar samtidigt jämförs. Fasdetekteringsautofokus ger maximal prestanda, eftersom den, till skillnad från kontrastautofokus, inte kräver jämförelse av skärpan för olika linspositioner, och mängden och riktningen av dess rörelse är omedelbart kända. Som ett resultat kan fokuseringen slutföras med en enda rörelse av ramen [* 4] . Fokuseringsnoggrannheten är direkt beroende av avståndet (basis) mellan de jämförda zonerna 31 och 32 av utgångspupillen. Konsekvensen av detta är förlusten av funktionsduglighet för fasdetekteringsautofokus med små relativa bländare hos linsen, när utvärderingszonerna är vid kanterna eller utanför utgångspupillen, vilket är för smalt på grund av objektivets låga bländare eller reducerat med en stängd öppning [16] . Därför bör autofokus av denna typ användas i fotografisk utrustning tillsammans med en hoppöppning , som närmar sig arbetsvärdet endast vid fotograferingstillfället.
Moderna kameror kan utrustas med dubbla autofokusdetektorer som fungerar med olika bländarvärden . Samtidigt har de som är designade för det maximala hålet (som regel f / 2,8 eller mer) den högsta noggrannheten och hastigheten på grund av den ökade basen mellan de uppskattade zonerna [14] [19] . Den så kallade korsformade autofokussensorn består av två detektorer, vars CCD-linjer är orienterade vinkelrätt mot varandra. Denna design gör systemet lika effektivt för att fokusera på objekt med konturer riktade i olika riktningar [20] . Ofta är korsformade detektorer utformade för olika maximal ljusstyrka för horisontella och vertikala sensorer, vilket ger mångsidighet [2] . Båda sensorerna arbetar med optik med hög bländare, och vid användning av linser med låg bländare förblir en av dem, oftast horisontellt orienterad, i drift. De mest avancerade professionella kamerorna är utrustade med dubbla korsformade sensorer placerade i en vinkel på 45° mot varandra [20] . Alla 61 punkter på sensorn, som tillkännagavs den 1 februari 2016 för Canon EOS-1D X Mark II- kameran , förblir i drift vid låga bländare ner till f /8 [21] .
I processen att förbättra autofokussystem gjordes försök att kombinera aktiva och passiva metoder i en enhet. Många moderna kompaktkameror och videokameror kombinerar aktiv infraröd autofokus med passivt kontrastförhållande [2] . Sådana kameror är utrustade med en sändare placerad på framväggen och slås automatiskt på när det är brist på belysning, när effektiviteten för kontrastautofokus är låg. Samtidigt bestämmer en fotodetektor placerad på kroppen eller bakom linsen, baserat på det reflekterade ljuset, det ungefärliga avståndet till motivet, påskyndar det passiva systemets arbete eller ersätter det.
Ofta är den sekundära belysningen inte en del av den aktiva autofokusen, vilket ger ett mer effektivt fassystem. En infraröd belysning inbyggd i externa systemblixtenheter fungerar enligt denna princip . Genom att arbeta samtidigt med kamerans autofokus (med undantag för spårningsläget), skapar bakgrundsbelysningen ytterligare belysning av motivet, vilket säkerställer att systemet fungerar även i totalt mörker. Vissa kameror använder den inbyggda blixten i ett speciellt "stroboskopiskt" läge för detta ändamål (till exempel i " Pentax *ist Ds "). Vissa AF-hjälpsystem projicerar ett "rutnät" med hög kontrast på motivet som fungerar som vägledning för det passiva systemet. En sådan belysningsanordning används till exempel i kamerorna Pentax Z1p och Sony DSC F828. Vissa moderna kameratelefonmodeller använder en halvledarlaser med låg effekt som en infraröd belysning , vilket skapar flera fokuspunkter för förhållanden med svagt ljus. [22] [23] I kombination med kontrastautofokus och det stora skärpedjupet hos ett objektiv med relativt kort längd, kan denna lösning höja prestanda till nivån för autofokus med fasdetektering hos SLR-kameror. Till exempel är den så kallade laserautofokusen på LG G3 - smarttelefonen helt fokuserad på 0,276 sekunder. Den begränsade kraften hos lasern, som garanterar säkerhet för andra människors ögon, säkerställer dock att det aktiva autofokuselementet endast fungerar på korta avstånd och inte är applicerbart utan passivt stöd över hela räckvidden. [22] [23]
Modern utveckling inom hybrid autofokus är baserad på en kombination av fas- och kontrastteknik, vilket gör att du kan använda fördelarna med båda metoderna. Sådana lösningar är mest relevanta för spegellösa kameror , som är strukturellt olämpliga för klassisk fas autofokus. De senaste modellerna av sådana kameror tillhandahåller installation av fasdetektorer direkt i Super-CCD-matrisen ( Eng. Cuper CCD EXR, Fujifilm Hybrid Focus ) [24] . För närvarande fungerar spegellösa kameror i Fujifilm FinePix, Nikon 1, Samsung NX300- serien, såväl som SLR Canon EOS 650D och Canon EOS 70D [25] med denna teknik . Fasdetektorer inbyggda i matrisen är mindre effektiva än klassiska på grund av en liten avläsningsbas, så de är mindre effektiva än autofokus på SLR-kameror och används i kombination med kontrastmetoden. I spegelutrustning som är utrustad med fasautofokus används kontrast i Live View -läge när huvudsystemet inte fungerar på grund av en upphöjd spegel.
Canon EOS 5D Mark IV , som introducerades i augusti 2016, är utrustad med den senaste "dubbelpixel" CMOS-sensorn, vilket för första gången Live View-autofokusprestandan närmare klassisk fasfokus [26] . Dessutom tillåter en sådan matrisanordning, inom ett litet område, att korrigera fokus på färdiga bilder [27] [28] .
Tidiga autofokussystem använde stegmotorer i kamerahuset för att flytta linshylsan . Denna design är lämplig för kameror och videokameror med fasta objektiv. De första utbytbara linserna designade för SLR-kameror innehöll autofokussensorer, en processor med batterier och en fokusenhet i kanten av fälgen. Den allra första av dem anses vara AF - Nikkor 4,5 / 80, utvecklad 1971, men aldrig satt i massproduktion [9] [12] [29] [30] . Canon New FD 35-70/4 AF -zoom hade en liknande design , i det tidvatten som autofokussensorn i det engelska systemet var belägen. Solid State-triangulering, SST och fokusdrift [11] [31] . Sådana objektiv kunde fungera med konventionella kameror, men deras fokusering var extremt långsam och felaktig.
Utvecklingen av sensorer bakom objektivet och fasprincipens utseende tvingade designers att placera all autofokus i kamerahuset. I det här fallet överfördes drivningens rotation till linsen av en transmissionsmekanism med en löstagbar koppling monterad i bajonetten . Ett typiskt exempel är den så kallade "skruvmejselautofokusen" Nikon , vars kopplingshalva var utrustad med en platt slits [32] .
Denna princip visade sig vara ofullkomlig, eftersom kraften hos den inbyggda motorn i kameran var otillräcklig för tung optik med lång fokus [33] . Föråldrade i mitten av 1980- talet var autofokussystem med en drivning inbyggd i objektivet utrustade med en relativt komplex växellåda , som hade ett betydande tröghetsmoment och reducerad hastighet. Lösningen var Canons teknologi , som byggde in specialdesignade ringformade piezoelektriska motorer i ramarna på alla utbytbara objektiv [17] .
Denna typ av drivning, som först användes 1987 med objektiv för Canon EOS 650-kameran , eliminerade växlar genom att ansluta statorn och rotorn direkt till ramringarna [5] . Dessutom är motorns kraft och hastighet anpassad till egenskaperna hos en viss lins, vilket ökar hastigheten. En annan fördel med en sådan drivning jämfört med tidigare typer är ljudlöshet. Under det kommande decenniet övergav de flesta kameratillverkare motorer inbyggda i kamerahuset till förmån för ringmotorer. Kugghjulsdrifter inbyggda i objektivet (till exempel Canon AFD-motorer) finns i dag endast kvar i budgetoptik av amatörklass.
Canon, som utvecklade linser med ringmotorer, gav teknologin namnet "USM" ( eng. Ultra Sonic Motor ) [* 5] . På grund av patentrestriktioner har andra tillverkare inte rätt att använda samma handelsnamn, så de tilldelade andra beteckningar till sina utvecklingar. Nikon indikerar märkningen "SWM" ( engelsk Silent Wave Motor ), Pentax - "SDM" ( engelsk Super-sonic Direct-drive Motor ), Samsung - "SSA" ( engelsk Super Sonic Actuator ), Sony / Minolta - "SSM "( Eng. Super Sonic Motor ), Tamron - "USD" ( Eng. Ultrasonic Drive ), och Sigma - "HSM" ( Eng. Hyper Sonic Motor ). På PMA 2007 visade Olympus upp flera linser med en ny "SWD" ( Supersonic Wave Drive ) ultraljudsmotor . Alla dessa beteckningar är bara handelsnamn som beskriver samma teknik med mindre skillnader.
1996 implementerade designern Masaru Yamamoto ett original autofokussystem i Contax AX-kameran, som inte kräver att objektivet eller dess delar flyttas [35] . Istället utfördes fokusering genom att filmkanalen med film flyttades längs linsens optiska axel. Denna design tillåter automatisk fokusering av alla linser [36] . Principen utvecklades inte vidare på grund av de rörliga delarnas komplexitet och stora tröghetsmoment.
Det huvudsakliga läget för autofokus, tillgängligt för alla dess system, är enbildsbild ( engelsk one-shot, single servo mode ) [37] . I det här läget utlöses autofokus en gång och fokuserar på motivet som matchar sensorns position i bilden. I de flesta kameror fungerar autofokus efter att du har tryckt ned avtryckaren halvvägs, men i inställningsmenyn på vissa modeller kan du tilldela en annan knapp för detta. Efter att autofokus har utlösts och fokus har uppnåtts, avaktiveras autofokusmotorn, vilket stoppar ytterligare drift tills slutaren släpps eller knappen [38] släpps . Fokusupptagning och blockering indikeras av en indikering på displayerna , som dupliceras av en ljudsignal. Om föremålet flyttas ut ur skärpazonen måste proceduren upprepas. Att fotografera rörliga objekt för kontrastautofokus är svårt, men i konsumentvideokameror dök spårningsläget upp samtidigt med passiv autofokus. Inom videoteknik fungerar den konstant och anses vara den främsta.
I kameror utrustade med fasdetekteringsautofokus används en mer avancerad algoritm för spårningsläge , eftersom denna typ av sensor låter dig beräkna hastigheten och rörelseriktningen för motivet [33] . Denna teknik kallas proaktiv ("prediktiv") autofokus och fokuserar objektivet i förväg på ett avstånd som motsvarar motivets beräknade position, med hänsyn tagen till slutarfördröjningen [38] . Bilden som ses genom sökaren i det här läget kan verka oskarp eftersom den bara tas när slutaren utlöses och spegeln är uppe. I det här fallet fungerar låset, till skillnad från läget bildruta för bildruta, aldrig och fokusering sker kontinuerligt och spårar alla objekts rörelser och ändringar i inramningen. Därför fungerar inte indikering och ljudsignal i dessa lägen [38] . Tekniken stöds av alla moderna kameror med fasautofokus, men olika tillverkare kallar det olika: Canon - AI Servo , Nikon - Continuous servo AF . Bland amatörfotografer är det automatiska läget för att välja fokuseringsmetod mer efterfrågat, när mikroprocessorn självständigt beslutar om införandet av den mest lämpliga metoden: bild-för-bildruta eller spårning [37] . Den senare slås på om detektorn registrerar motivets rörelse. I de flesta moderna professionella och semiprofessionella kameror är valet av bildruta-för-bildruta eller spårningslägen på något sätt sammankopplat med läget för att välja fokuspunkt (specifik sensor) inom ramen och automatiska exponeringskontrolllägen .
I vissa fall, när det stationära huvudobjektet inte sammanfaller med sensorns position i ramen, är autofokuslås ( eng. AF-lås ) nödvändigt. Den avfyras automatiskt i bild-för-bild-läge efter att avtryckaren har tryckts ned och fokuseringen är klar. Därefter kan ramen komponeras om i enlighet med planen och skjuta. I det här fallet visar sig huvudobjektet vara skarpt, trots att sensorn vid tidpunkten för fotograferingen är placerad på andra föremål eller bakgrunden. I spårningsläge aktiveras blockeringen av en separat knapp på kameran. I professionella modeller finns en separat AF-stoppknapp för detta, placerad på ramen för utbytbara objektiv, vanligtvis teleobjektiv . En sådan knapp slutar fokusera, vilket gör att du kan undvika ett fel i händelse av ett plötsligt uppträdande av föremål i bilden på närmare avstånd eller oväntad fokusering på bakgrunden på grund av förskjutningen av ett viktigt motiv [33] .
En annan teknik - autofokusfälla ( engelsk focus trap ) - låter dig fotografera automatiskt när ett rörligt föremål hamnar i fokus [39] . Läget är tillgängligt på de flesta professionella och konsumentklassade DSLR-kameror med lämpliga inställningar. Medan avtryckaren är nedtryckt utlöses avtryckaren när autofokussensorn bekräftar att den har passerat fokusområdet.