Autofokus er et adaptivt system, der automatisk fokuserer objektivet på et kamera , filmkamera eller videokamera på et eller flere motiver. Autofokus består af en sensor , et kontrolsystem og et drev , der flytter objektivrøret eller individuelle objektiver . En række autofokus kan betragtes som en elektronisk afstandsmåler uden en aktuator, men med en indikation af fokusretningen og dens afslutning. Den internationale forkortelse AF bruges almindeligvis til at henvise til autofokus .
I mindre grad refererer begrebet autofokus til systemer til automatisk justering af skarpheden af projektionsenheder . For eksempel omtales mekaniske forstørrelsesmønstre, der er designet til at opretholde præcis fokus, når projektionshovedet bevæger sig i forhold til basen, ikke almindeligvis som autofokus.
For automatisk fokusering er det nødvendigt at bestemme den nøjagtige afstand fra fokusplanet til motivet. Afhængigt af hvordan denne parameter bestemmes, er alle eksisterende autofokussystemer opdelt i to hovedtyper: aktiv og passiv [1] . Aktive systemer har fået deres navn fra tilstedeværelsen af elementer, der interagerer med motivet, såsom ultralyd eller infrarød radar [* 1] . Sådanne enheder giver dig mulighed for at beregne afstanden, som linsen fokuserer på, ved hjælp af ekkolokalisering eller triangulering [2] . Ultralyds aktiv autofokus er blevet udbredt i kameraer i en enkelt-trins polaroid - proces ( engelsk lydnavigation ranging, SONAR ) og forbrugerfilm- og videokameraer. Infrarød autofokus locator blev første gang brugt i 1979 i Canon AF-35M kompaktkamera [3] .
Aktive systemer er ikke afhængige af lysforhold og kan rettes i fuldstændig mørke mod objekter uden kontrasterende detaljer. De har dog en række ulemper, hvoraf den ene er umuligheden af præcis fokusering, hvis der er en gennemsigtig forhindring mellem objektet og kameraet, såsom glas . Emissioner fra sådanne systemer, som ikke opfattes af mennesker, kan skræmme dyr eller udgøre en fare for synet. . På grund af vanskelighederne med at opnå en rettet ultralydsstråle er det desuden vanskeligt at fokusere på et bestemt emne, og det udløses ofte på den nærmeste forhindring. Af disse grunde faldt aktive systemer ud af brug med fremkomsten af mere avancerede passive. Passiv autofokus er baseret på analysen af lysstråler, der kommer ind i kameraet, og udsender ikke noget i det omgivende rum.
Det første sådant system, baseret på måling af lys, der passerer gennem en optisk afstandsmåler , blev udviklet af Leica Camera i 1970. Yderligere udviklinger af denne teknologi blev hovedsageligt brugt i kompakte amatørkameraer. En mere udbredt metode kaldet "Visitronic" ( eng. Visitronic ), som er udviklet af Honeywell til reflekskameraer med enkelt linse [4] [5] . Systemet blev også brugt i ikke-spejludstyr, inklusive det eneste sovjetiske kamera med autofokus, " Elikon-autofokus " [5] [6] . Moderne systemer er baseret på at måle den maksimale kontrast af et billede produceret af en linse, eller på at sammenligne modsatte dele af en lysstråle , der danner et billede af et punkt. Disse teknologier kaldes kontrast- og fasedetektionsautofokus.
Kontrast autofokus kan bruges i alle videokameraer og digitale kameraer , inklusive ikke-spejle. Princippet for dets funktion er baseret på det faktum, at kameraets mikroprocessor sammenligner kontrasten af små detaljer i billedet opnået på matrixen ved forskellige linsepositioner [2] . Denne teknologi involverer søgningen efter den højeste kontrast ved at flytte linsen i begge retninger fra den fine sigteposition, oftest gentagne gange.
På grund af det underliggende princip er hastigheden og nøjagtigheden af en sådan autofokus lav. Indtil processoren har beregnet den maksimale kontrast og ikke har krydset den, får motoren kommandoen til at flytte linsen en gang til. Når ekstremum passeres, tages et skridt tilbage, hvorved optikken returneres til det passerede punkt, og fokuseringsprocessen stopper. Forsinkelsen mellem at trykke på udløserknappen og faktisk tage billedet, hvilket er typisk for de fleste kompakte digitalkameraer , forklares netop af den "langsomme" betjening af den passive kontrastautofokus. Derudover er "sporing" med fokus på objekter i bevægelse ikke muligt. Fordelene ved kontrast autofokus inkluderer ubrugeligheden af komplekse justeringer af den optiske vej og uafhængighed af objektivets blændeforhold . I dette tilfælde kan enhver del af rammen, der er tildelt af processoren, vælges som vigtig for fokusering. Antallet af sådanne mulige zoner og deres størrelse med kontrast autofokus er ikke begrænset.
For første gang blev kontrast autofokus brugt i forbrugervideokameraer og spejlrefleksfilmkameraer. I analoge videokameraer beregnes detaljekontrast baseret på frekvensspektret for det modtagne videosignal . Det første masseproducerede kamera til at bruge kontrastmåling gennem objektiv var Pentax ME-F i 1981 [7] [1] . I dette tilfælde sammenlignede en sensor placeret under hjælpespejlet i bunden af kammeret kontrasten af to billeder opnået ved et strålesplittende prisme [8] . Autofokusen på den senere Nikon F3 AF og Canon T80 fungerede på samme måde (Nikon har sådan en sensor placeret i en pentaprisme ) [9] [10] . Senere, inden for spejludstyr, gav denne teknologi plads til en mere avanceret faseautofokus "Visitronic TCL" ( eng. Visitronic TCL, Through Camera Lens ), som blev prototypen på moderne systemer [5] [11] . En lignende "nul kontrast"-teknologi blev udviklet i USSR i 1963 af M. Ya. Shulman [12] [1] . Det var meningen at det skulle bruges i designet af Zenit-8-kameraet, hvis udgivelse var planlagt til 1965, men aldrig blev implementeret [13] .
Faseregistreringsautofokus blev først implementeret i reflekskameraer med enkelt objektiv , og dets klassiske design kræver en separat optisk vej, der huser fokusdetektoren. Det er installeret i bunden af kameraet, og lyset kommer ind i det ved hjælp af et ekstra spejl, monteret på et hængsel under den gennemskinnelige hoved. I dette tilfælde skal længden af den optiske lysvej fra linsen til detektoren under observation og fokusering nøjagtigt svare til længden af vejen til det fotografiske materiale eller matrix under eksponeringen [14] . Denne tilstand opnås ved at justere kameraet, hvis nøjagtighed bestemmer nøjagtigheden af autofokus [* 2] .
Detektoren (i figuren) består af en kondensator 72 placeret i objektivets brændplan og en sensor 8 med CCD-arrays 80 og 81 . Under fokuseringsprocessen sammenlignes billederne konstrueret af lyset, der passerer gennem de modsatte områder 31 og 32 af linsens udgangspupil 30 [16] [17] . For at gøre dette er der i masken 75 , hvorpå kondensatoren bygger et reelt billede af linsens udgangspupil, installeret to mikrolinser 76 og 77 , som danner på linealerne 80 og 81 billeder af objektet, der fotograferes, synlige gennem forskellige halvdele af udgangspupillen. Størrelsen af billederne er begrænset af vinduet 70 i rammen 71 af kondensatoren. Hvis objektivet er fokuseret nøjagtigt, er billederne af objektet placeret i midten af tilstødende CCD-linjer. Således falder de signaler, der modtages af processoren fra forskellige linjer, sammen (er "i fase") [* 3] . Ved unøjagtig fokusering forskydes disse billeder inden for eller uden for linealerne på grund af parallakse afhængigt af fejlretningen, og signalerne falder ikke længere sammen [19] . Baseret på signalernes faseforskel dannes der en kommando for drevet, der frembringer fokusering [14] .
I moderne fotografisk udstyr bruges flere sådanne detektorer oftest samtidigt, som hver især evaluerer fokus på forskellige dele af rammen, så du ikke kun kan fokusere på dens centrum. Afhængigt af situationen tændes en af disse detektorer, eller måleresultaterne for flere, der arbejder samtidigt, sammenlignes. Faseregistreringsautofokus giver maksimal ydeevne, fordi den i modsætning til kontrastautofokus ikke kræver sammenligning af skarphed for forskellige linsepositioner, og mængden og retningen af dens bevægelse er kendt med det samme. Som et resultat kan fokuseringen fuldføres med en enkelt bevægelse af rammen [* 4] . Fokuseringsnøjagtigheden er direkte afhængig af afstanden (basis) mellem de sammenlignede zoner 31 og 32 af udgangspupillen. Konsekvensen af dette er tabet af funktionalitet af fasedetektionsautofokus med små relative blændeåbninger af objektivet, når evalueringszonerne er ved kanterne eller uden for udgangspupillen, hvilket er for snævert på grund af objektivets lave blænde eller reduceret med en lukket åbning [16] . Derfor bør autofokus af denne type bruges i fotografisk udstyr i forbindelse med en springende blænde , som kun lukker til arbejdsværdien på optagelsestidspunktet.
Moderne kameraer kan udstyres med duplikerede autofokusdetektorer, der fungerer ved forskellige objektivblændeværdier . Samtidig har dem, der er designet til det maksimale hul (som regel f / 2,8 eller mere) den højeste nøjagtighed og hastighed på grund af det øgede grundlag mellem de estimerede zoner [14] [19] . Den såkaldte krydsformede autofokussensor består af to detektorer, hvis CCD-linjer er orienteret vinkelret på hinanden. Dette design gør systemet lige så effektivt til at fokusere på objekter med konturer rettet i forskellige retninger [20] . Ofte er krydsformede detektorer designet til forskellig maksimal lysstyrke for horisontale og vertikale sensorer, hvilket giver alsidighed [2] . Begge sensorer arbejder med optik med høj blænde, og ved brug af linser med lav blænde, forbliver en af dem, oftest vandret orienteret, i drift. De mest avancerede professionelle kameraer er udstyret med dobbelte krydsformede sensorer placeret i en vinkel på 45° i forhold til hinanden [20] . Alle 61 punkter på sensoren, der blev annonceret den 1. februar 2016 af Canon EOS-1D X Mark II- kameraet , forbliver operationelle ved lave blændeåbninger ned til f /8 [21] .
I processen med at forbedre autofokussystemer blev der gjort forsøg på at kombinere aktive og passive metoder i én enhed. Mange moderne kompaktkameraer og videokameraer kombinerer aktiv infrarød autofokus med passivt kontrastforhold [2] . Sådanne kameraer er udstyret med en emitter placeret på forvæggen og tænder automatisk, når der er mangel på belysning, når effektiviteten af kontrastautofokus er lav. På samme tid bestemmer en fotodetektor placeret på kroppen eller bag linsen, baseret på det reflekterede lys, den omtrentlige afstand til motivet, accelererer arbejdet i det passive system eller erstatter det.
Ofte er den sekundære belysning ikke en del af den aktive autofokus, hvilket giver et mere effektivt fasesystem. En infrarød illuminator indbygget i eksterne systemflashenheder fungerer efter dette princip . Ved at arbejde samtidigt med kameraets autofokus (med undtagelse af sporingstilstand), skaber baggrundslyset yderligere belysning af motivet, hvilket sikrer, at systemet fungerer selv i fuldstændig mørke. Nogle kameraer bruger den indbyggede blitz i en speciel "stroboskopisk" tilstand til dette formål (for eksempel i " Pentax *ist Ds "). Nogle AF-hjælpesystemer projicerer et "gitter" med høj kontrast på motivet, der tjener som vejledning for det passive system. En sådan belysningsenhed bruges for eksempel i Pentax Z1p og Sony DSC F828 kameraer. Nogle moderne kameratelefonmodeller bruger en halvlederlaser med lav effekt som en infrarød illuminator , hvilket skaber flere fokuspunkter for forhold med svagt lys. [22] [23] Kombineret med kontrastautofokus og den store dybdeskarphed af et objektiv med relativt kort afstand, kan denne løsning bringe ydeevnen op på niveauet med faseregistrerende autofokus på spejlreflekskameraer. For eksempel er den såkaldte laserautofokus på LG G3 - smartphonen fuldt fokuseret på 0,276 sekunder. Laserens begrænsede kraft, som garanterer sikkerhed for andre menneskers øjne, sikrer dog, at det aktive autofokuselement kun virker på korte afstande og ikke er anvendeligt uden passiv støtte over hele rækkevidden. [22] [23]
Moderne udviklinger inden for hybrid autofokus er baseret på en kombination af fase- og kontrastteknologier, som giver dig mulighed for at bruge fordelene ved begge metoder. Sådanne løsninger er mest relevante for spejlløse kameraer , som er strukturelt uegnede til klassisk faseautofokus. De seneste modeller af sådanne kameraer sørger for installation af fasedetektorer direkte i Super-CCD-matricen ( Eng. Cuper CCD EXR, Fujifilm Hybrid Focus ) [24] . I øjeblikket fungerer spejlløse kameraer fra Fujifilm FinePix, Nikon 1, Samsung NX300 -serien samt spejlreflekskameraer Canon EOS 650D og Canon EOS 70D [25] ved hjælp af denne teknologi . Fasedetektorer indbygget i matrixen er mindre effektive end klassiske på grund af et lille udlæsningsgrundlag, så de er mindre effektive end autofokus på spejlreflekskameraer og bruges sammen med kontrastmetoden. I spejludstyr, der er udstyret med faseautofokus, bruges kontrast i Live View -tilstand, når hovedsystemet er ude af drift på grund af et hævet spejl.
Canon EOS 5D Mark IV , som blev lanceret i august 2016, er udstyret med den nyeste 'dual pixel' CMOS-sensor, hvilket bringer Live View autofokus ydeevne tættere på klassisk fasefokus for første gang [26] . Derudover gør en sådan matrix-enhed det muligt inden for et lille område at korrigere fokus på færdige billeder [27] [28] .
Tidlige autofokussystemer brugte stepmotorer i kamerahuset til at flytte objektivrøret . Dette design er velegnet til kameraer og videokameraer med faste objektiver. De første udskiftelige objektiver designet til spejlreflekskameraer indeholdt autofokussensorer, en processor med batterier og et fokusdrev i kanten af fælgen. Den allerførste af dem anses for at være AF - Nikkor 4,5 / 80, udviklet i 1971, men aldrig sat i masseproduktion [9] [12] [29] [30] . Canon New FD 35-70/4 AF- zoom havde et lignende design , i hvis tidevand autofokussensoren i det engelske system var placeret. Solid State-triangulering, SST og fokusdrev [11] [31] . Sådanne objektiver kunne fungere med konventionelle kameraer, men deres fokusering var ekstremt langsom og unøjagtig.
Udviklingen af sensorer bag-objektivet og udseendet af faseprincippet tvang designere til at placere al autofokus i kamerahuset. I dette tilfælde blev drevets rotation overført til linsen af en transmissionsmekanisme med en aftagelig kobling monteret i bajonetten . Et typisk eksempel er den såkaldte "skruetrækker autofokus" Nikon , hvis koblingshalvdel var udstyret med en flad spalte [32] .
Dette princip viste sig at være ufuldkomment, da kraften fra den indbyggede motor i kameraet var utilstrækkelig til tung langfokusoptik [33] . Forældede i midten af 1980'erne var autofokussystemer med et drev indbygget i objektivet udstyret med en relativt kompleks gearkasse , som havde et betydeligt inertimoment og reduceret hastighed. Løsningen var Canons teknologi , som byggede specialdesignede ringformede piezoelektriske motorer ind i rammerne af alle udskiftelige objektiver [17] .
Denne type drev, der første gang blev brugt i 1987 - objektiver til Canon EOS 650-kameraet , eliminerede gear ved at forbinde statoren og rotoren direkte til rammeringene [5] . Derudover er motorens kraft og hastighed afstemt efter egenskaberne for en bestemt linse, hvilket øger hastigheden. En anden fordel ved et sådant drev sammenlignet med tidligere typer er lydløshed. I løbet af det næste årti opgav de fleste kameraproducenter motorer indbygget i kamerahuset til fordel for ringmotorer. Geardrev indbygget i objektivet (for eksempel Canon AFD-motorer) forbliver i dag kun i budgetoptik i amatørklasse.
Canon, der udviklede objektiver med ringmotorer, gav teknologien navnet "USM" ( eng. Ultra Sonic Motor ) [* 5] . På grund af patentrestriktioner har andre producenter ikke ret til at bruge samme handelsnavn, så de tildelte deres udviklinger andre betegnelser. Nikon angiver mærkningen "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 ) og Sigma - "HSM" ( Eng. Hyper Sonic Motor ). Ved PMA 2007 fremviste Olympus adskillige linser med en ny "SWD" ( Supersonic Wave Drive ) ultralydsmotor . Alle disse betegnelser er blot handelsnavne, der beskriver den samme teknologi med mindre forskelle.
I 1996 implementerede designeren Masaru Yamamoto et originalt autofokussystem i Contax AX-kameraet, som ikke kræver flytning af objektivet eller dets dele [35] . I stedet blev fokusering udført ved at flytte filmkanalen med film langs linsens optiske akse. Dette design tillader automatisk fokusering af alle objektiver [36] . Princippet blev ikke videreudviklet på grund af de bevægelige deles kompleksitet og store inertimoment.
Hovedtilstanden for autofokus, tilgængelig for alle dets systemer, er enkeltbillede ( engelsk one-shot, single servo mode ) [37] . I denne tilstand udløses autofokus én gang og fokuserer på det motiv, der matcher sensorens position i billedet. I de fleste kameraer fungerer autofokus efter at have trykket udløserknappen halvt ned, dog kan du i nogle modellers opsætningsmenu tildele en anden knap til dette. Efter at autofokus er udløst, og fokus er opnået, deaktiveres autofokusmotoren og stopper yderligere drift, indtil lukkeren udløses, eller knappen [38] slippes . Fokusindfangning og -blokering er angivet med en indikation på displayene , som duplikeres af et lydsignal. Hvis objektet flyttes ud af skarphedszonen, skal proceduren gentages. Optagelse af bevægelige objekter til kontrastautofokus er svært, men i forbrugervideokameraer optrådte sporingstilstand samtidig med passiv autofokus. Inden for videoteknologi fungerer den konstant og betragtes som den vigtigste.
I kameraer udstyret med fasedetektionsautofokus bruges en mere avanceret sporingstilstandsalgoritme , da denne type sensor giver dig mulighed for at beregne motivets hastighed og bevægelsesretning [33] . Denne teknologi kaldes proaktiv ("prædiktiv") autofokus og fokuserer objektivet på forhånd i en afstand svarende til motivets beregnede position under hensyntagen til lukkerforsinkelsen [38] . Billedet set gennem søgeren i denne tilstand kan forekomme ude af fokus, fordi det kun optages, når lukkeren udløses, og spejlet er hævet. I dette tilfælde fungerer låsen, i modsætning til ramme-for-billede-tilstand, aldrig, og fokusering sker kontinuerligt, og sporer alle bevægelser af objekter og ændringer i indramning. Derfor virker indikation og lydsignal ikke i disse tilstande [38] . Teknologien understøttes af alle moderne kameraer med faseautofokus, men forskellige producenter kalder det forskelligt: Canon - AI Servo , Nikon - Continuous servo AF . Blandt amatørfotografer er den automatiske tilstand til valg af fokuseringsmetode mere efterspurgt, når mikroprocessoren selvstændigt beslutter at inkludere den bedst egnede metode: ramme-for-billede eller sporing [37] . Sidstnævnte tænder, hvis detektoren registrerer motivets bevægelse. I de fleste moderne professionelle og semi-professionelle kameraer er valget af billed-for-billede eller sporingstilstande på en eller anden måde forbundet med tilstanden til valg af fokuspunkt (specifik sensor) inden for rammen og automatisk eksponeringskontrol .
I nogle tilfælde, når det stationære hovedobjekt ikke falder sammen med sensorens position i rammen, er autofokuslås ( eng. AF-lås ) nødvendig. Den udløses automatisk i billed-for-billede-tilstand, efter at der er trykket på udløserknappen, og fokuseringen er fuldført. Herefter kan rammen omkomponeres i overensstemmelse med planen og optagelsen. I dette tilfælde viser hovedobjektet sig at være skarpt, på trods af at sensoren på optagelsestidspunktet er placeret på andre objekter eller baggrunden. I sporingstilstand aktiveres blokeringen af en separat knap på kameraet. I professionelle modeller er der en separat AF-stop-knap til dette, placeret på rammen af udskiftelige objektiver, normalt teleobjektiver . En sådan knap stopper med at fokusere, hvilket giver dig mulighed for at undgå en fejl i tilfælde af en pludselig optræden af objekter i billedet på tættere afstande eller uventet fokusering på baggrunden på grund af forskydning af et vigtigt motiv [33] .
En anden teknologi - autofokusfælde ( engelsk focus trap ) - giver dig mulighed for automatisk at skyde, når et objekt i bevægelse kommer i fokus [39] . Tilstanden er tilgængelig på de fleste DSLR'er til professionelle og forbrugere med passende indstillinger. Mens udløserknappen trykkes ned, udløses udløseren, når autofokussensoren bekræfter, at den har krydset fokusområdet.