Принцип работы системы автофокуса

Автофокусировка объектива проводится за несколько шагов:

• измерение параметра (А), чувствительного к резкости изображения в фокальной плоскости и его вектора (B);
• генерация сигнала рассогласования системы автоматического регулирования автофокусировки;
• наведение оптической системы на резкость изображения в фокальной плоскости.

Обычно эти процессы происходят одновременно. Наведение оптической системы на резкость выполняется электро- или ультразвуковым двигателем.
Параметр (А), чувствительный к резкости изображения в фокальной плоскости, зависит от расстояния (r) до объекта съёмки; максимального контраста (к); фазового сдвига (f) составляющих выбранного луча после его расщеплении микропризмой на 2; времени задержки (t) прихода отраженного луча и т.д.
Измерение вектора (B) необходимо для выбора направления изменения сигнала рассогласования. Время, затраченное на измерение вектора(B), и время отработки сигнала рассогласования механикой объектива определяют быстродействие системы автофокусировки.

Виды систем автофокуса

Активные(в настоящее время применяются редко)
- ультразвуковой (некоторые камеры Polaroid)
- инфракрасный (некоторые компактные камеры, старые видеокамеры)

Пассивные
- фазовый (зеркальные фотоаппараты)
- контрастный (видеокамеры, незеркальные цифровые фотоаппараты)

Ультразвуковая и инфракрасные системы

Ультразвуковая и инфракрасные системы являются активными, так как они рассчитывают расстояние по времени возвращения от объекта съемки фронтов, излученных фотоаппаратом инфракрасных (ультразвуковых) волн.

Если между объектом съемки и камерой есть прозрачное препятствие, например стекло, то активные системы проводят автофокусировку объектива на это препятствие, а не на объект съемки.

Фазовый автофокус

Фазовый автофокус применяется в современных зеркальных плёночных и цифровых фотоаппаратах. Основным элементом его являются специальные датчики, которых в профессиональных камерах может быть несколько десятков. Датчики получают фрагменты светового потока от разных точек кадра с помощью специальных зеркал. Внутри датчика свет разделяется на две части, каждая из которых попадает на свой светочувствительный сенсор. В случае точной наводки на резкость два световых потока будут находиться друг от друга на определённом расстоянии, заданном конструкцией датчика. В противном случае, это расстояние будет больше или меньше. Датчик, измерив это расстояние, выдаёт на выходе сигнал, показывающий, в какую сторону и насколько надо сдвинуть линзы объектива, чтобы выполнить наводку на резкость.
Быстродействие такой системы очень высокое и определяется, в основном, быстродействием механики объектива.

Контрастный автофокус

Контрастный автофокус применяется в цифровых незеркальных фотоаппаратах. Принцип его работы основан на том, что микропроцессор фотоаппарата постоянно считывает изображение с матрицы, анализирует степень его контрастности и принимает решение о перемещении объектива. Максимальный и минимальный контрасты соответствуют максимальным и минимальным зарядам пикселов матрицы.

Такой автофокус обладает довольно низким быстродействием, так как в каждый момент времени процессор не обладает данными о степени наводки объектива на резкость - изображение считается «размытым». Поэтому процессор каждый раз командует немного подвинуть объектив и проверяет наличие изменения контраста в сторону увеличения. Если контраст не изменяется, то процессор меняет знак команды на исполнительные двигатели и оптика сдвигается в другую сторону. До тех пор, пока процессор не вычислил максимум (минимум) контраста и не перешел его, двигателю дается команда перемещать объектив еще раз. Когда экстремум достигнут, то шаг назад будет сигналом процессора «есть резкий кадр» и автофокусировка прекращается.

Задержка между нажатием на спуск и собственно съёмкой кадра, характерная для большинства цифровых фотоаппаратов объясняется «медленной» работой пассивного контрастного автофокуса и тем, что в незеркальных фотоаппаратах процессор вынужден считывать с матрицы весь кадр, чтобы проанализировать на степень контрастности лишь некоторые его участки. Поэтому фотограф нажимает кнопку «спуск затвора» вначале до половины, а затем полностью.

Время отработки команд двигателем объектива в системе пассивного контрастного автофокуса значительно меньше времени получения «резкого кадра».

Режимы работы автофокуса

В современных фотокамерах применяются интеллектуальные алгоритмы работы систем автофокуса, в основном предназначенные для фотографирования движущихся объектов. Проблема съёмки таких объектов заключается в том, что с момента наведения на резкость, между нажатием на кнопку спуска и до момента съёмки кадра проходит некоторое время. За это время объект может уйти из плоскости наводки на резкость. Для решения этой проблемы для систем автофокуса придуманы следующие режимы:

Следящий — в этом режиме система непрерывно отслеживает положение объекта и держит его в фокусе, перемещая линзы в объективе. При длительном применении режима «Следящий» аккумулятор фотоаппарата разряжается быстрее.

Упреждающий — в этом режиме система автофокуса определяет скорость движения объекта, рассчитывает его положение в момент съёмки и заранее перемещает линзы в объективе так, чтобы тот получился в фокусе. Этот режим поддерживается многими современными пленочными и цифровыми зеркальными камерами, однако у разных производителей он называется по разному: у Canon - AI Servo, у Nikon - Continuous servo AF. В незеркальных (и многих зеркальных) фотоаппаратах для съёмки движущихся объектов применяется блокировка автофокуса. Фотограф наводит аппарат на нужный объект или, если это невозможно, на точку, находящуюся на таком же расстоянии как и объект, и нажимает на специальную кнопку. Объектив фокусируется, и при нажатии на кнопку спуска аппарат делает снимок мгновенно, не задействуя автофокус повторно.

Условия работы автофокуса

Современные системы автофокуса обладают характеристиками, позволяющими в большинстве случаев заменить ручную наводку. Однако, как для любой сложной системы, им требуются определённые условия для работы и умение их применять.

Чувствительность параметра А к резкости изображения в фокальной плоскости резко уменьшается при малой освещённости и низкой контрастности объекта съёмки, именно поэтому пассивные системы автофокуса плохо работают в темноте и фотоаппарат «зацикливается» при попытках навестись на однородный объект, например гладкую стену.

Достаточная яркость объекта съёмки и наличие на нём контрастных элементов - главное условие работы автофокуса пассивных (фазовой и контрастной) систем.

Проблему недостаточной яркости объекта в темноте призваны решать системы подсветки автофокуса. Для этой цели в фотоаппарате (или в корпусе продвинутых внешних фотовспышек) размещается специальная лампа, которая вспыхивает при нажатии на кнопку «спуск затвора» наполовину, т.е. в начале работы системы автофокуса. В некоторых камерах для этой цели используются короткие световые импульсы встроенной фотовспышки.

Ультразвуковой мотор

Ультразвуковой пьезоэлектрический мотор, применяемый в современных объективах, имеет выше КПД и скорость, менее шумен. Его применение заметно сокращает задержку автофокуса. Компания Canon называет ультразвуковые моторы USM (Ultra Sound Motor), Nikon указывает маркировку SWM (Silent Wave Motor), а Sigma — HSM (Hyper Sonic Motor). На выставке PMA 2007 Olympus анонсировал несколько объективов с новым ультразвуковым мотором SWD (Supersonic Wave Drive).

Источник — wikipedia.org