Autofocus je adaptivní systém, který automaticky zaostřuje objektiv fotoaparátu , videokamery nebo videokamery na jeden nebo více objektů. Autofokus se skládá ze snímače , řídicího systému a pohonu , který pohybuje tubusem objektivu nebo jednotlivými objektivy . Za různé autofokusy lze považovat elektronický dálkoměr bez akčního členu, ale s indikací směru zaostření a jeho dokončení. Pro autofokus se běžně používá mezinárodní zkratka AF .
V menší míře pojem autofokus označuje systémy pro automatické nastavení ostrosti promítacích zařízení . Například vzory mechanického zvětšovacího zařízení navržené k udržení přesného zaostření při pohybu projekční hlavy vzhledem k základně se běžně neoznačují jako autofokus.
Pro automatické ostření je nutné určit přesnou vzdálenost od ohniskové roviny k objektu. Podle toho, jak se tento parametr určuje, se všechny stávající systémy automatického ostření dělí na dva hlavní typy: aktivní a pasivní [1] . Aktivní systémy dostaly svůj název podle přítomnosti prvků, které interagují s předmětem, jako je ultrazvukový nebo infračervený radar [* 1] . Taková zařízení umožňují vypočítat vzdálenost, na kterou čočka zaostří, pomocí echolokace nebo triangulace [2] . Ultrazvukové aktivní automatické ostření se rozšířilo ve fotoaparátech s jednostupňovým procesem Polaroid ( anglicky sound navigation range, SONAR ) a spotřebitelských filmových a videokamerách. Infračervený lokátor autofokusu byl poprvé použit v roce 1979 v kompaktním fotoaparátu Canon AF-35M [3] .
Aktivní systémy nejsou závislé na světelných podmínkách a lze je zaměřovat v úplné tmě na objekty bez kontrastních detailů. Mají však řadu nevýhod, jednou z nich je nemožnost přesného zaostření, pokud je mezi objektem a fotoaparátem průhledná překážka, např. sklo . Emise z takových systémů, které lidé nevnímají, mohou vyděsit zvířata nebo představovat nebezpečí pro zrak. . Navíc kvůli obtížím při získávání směrovaného ultrazvukového paprsku je zaostření na konkrétní předmět obtížné, často se spustí na nejbližší překážce. Z těchto důvodů se aktivní systémy s příchodem pokročilejších pasivních přestaly používat. Pasivní automatické ostření je založeno na analýze světelných paprsků vstupujících do fotoaparátu a nevyzařuje nic do okolního prostoru.
První takový systém, založený na měření světla procházejícího optickým dálkoměrem , vyvinul Leica Camera v roce 1970. Další vývoj této technologie byl použit především v kompaktních amatérských fotoaparátech. Širěji používaná metoda zvaná „Visitronic“ ( angl. Visitronic ), kterou vyvinula společnost Honeywell pro jednooké zrcadlovky [4] [5] . Systém byl také použit v nezrcadlovém vybavení, včetně jediného sovětského fotoaparátu s automatickým ostřením, „ Elikon-autofocus “ [5] [6] . Moderní systémy jsou založeny na měření maximálního kontrastu obrazu vytvářeného čočkou nebo na porovnávání protilehlých částí paprsku světla , který tvoří obraz bodu. Tyto technologie se nazývají autofokus s detekcí kontrastu a fáze.
Kontrastní autofokus lze použít ve všech videokamerách a digitálních fotoaparátech , včetně nezrcadlových. Princip jeho fungování je založen na tom, že mikroprocesor fotoaparátu porovnává kontrast malých detailů obrazu získaného na matrici při různých pozicích objektivu [2] . Tato technologie zahrnuje hledání nejvyššího kontrastu pohybem čočky oběma směry z pozice jemného zaměřování, nejčastěji opakovaně.
Vzhledem k základnímu principu je rychlost a přesnost takového autofokusu nízká. Dokud procesor nevypočítá maximální kontrast a nepřekročí jej, dostane engine příkaz ještě jednou pohnout objektivem. Po překročení extrému se udělá krok zpět, optika se vrátí do prošlého bodu a proces ostření se zastaví. Prodleva mezi stisknutím spouště a skutečným pořízením snímku, která je typická pro většinu kompaktních digitálních fotoaparátů , se vysvětluje právě „pomalým“ chodem pasivního kontrastního autofokusu. Navíc není možné „sledování“ zaostřování na pohybující se objekty. Mezi výhody kontrastního autofokusu patří zbytečnost složitých úprav optické dráhy a nezávislost na clonovém poměru objektivu . V tomto případě může být jakákoli část snímku, která je přidělena procesorem, vybrána jako důležitá pro zaostření. Počet takových možných zón a jejich velikost s kontrastním autofokusem nejsou omezeny.
Kontrastní automatické ostření bylo poprvé použito u spotřebitelských videokamer a filmových zrcadlovek. U analogových videokamer se kontrast detailů vypočítává na základě frekvenčního spektra přijímaného video signálu . První sériově vyráběný fotoaparát využívající měření kontrastu skrz objektiv byl Pentax ME-F v roce 1981 [7] [1] . V tomto případě senzor umístěný pod pomocným zrcadlem ve spodní části komory porovnával kontrast dvou snímků získaných hranolem rozdělujícím paprsek [8] . Autofokus pozdějších Nikon F3 AF a Canon T80 fungoval stejně (Nikon má takový snímač umístěný v pentaprismu ) [9] [10] . Později v zrcadlovém vybavení tato technologie ustoupila pokročilejšímu fázovému autofokusu „Visitronic TCL“ ( ang. Visitronic TCL, Through Camera Lens ), který se stal prototypem moderních systémů [5] [11] . Podobnou technologii „nulového kontrastu“ vyvinul v SSSR v roce 1963 M. Ya Shulman [12] [1] . Měl být použit při návrhu fotoaparátu Zenit-8, jehož vydání bylo plánováno na rok 1965, ale nikdy nebylo realizováno [13] .
Autofokus s fázovou detekcí byl poprvé implementován u jednookých zrcadlovek a jeho klasická konstrukce vyžaduje samostatnou optickou dráhu, ve které je umístěn detektor zaostření. Instaluje se ve spodní části kamery a světlo do ní vstupuje pomocí pomocného zrcátka, namontovaného na pantu pod průsvitným hlavním. V tomto případě musí délka optické dráhy světla od čočky k detektoru při zaměřování a zaostřování přesně odpovídat délce dráhy k fotografickému materiálu nebo matrici při expozici [14] . Tohoto stavu je dosaženo nastavením fotoaparátu, jehož přesnost určuje přesnost autofokusu [* 2] .
Detektor (na obrázku) se skládá z kondenzoru 72 umístěného v ohniskové rovině objektivu a snímače 8 s CCD poli 80 a 81 . V procesu zaostřování se porovnávají obrazy vytvořené světlem procházejícím protilehlými oblastmi 31 a 32 výstupní pupily 30 čočky [16] [17] . K tomu jsou v masce 75 , na které kondenzor vytváří skutečný obraz výstupní pupily čočky, instalovány dvě mikročočky 76 a 77 , které tvoří na pravítkách 80 a 81 obrazy fotografovaného objektu, viditelné skrz. různé poloviny výstupní pupily. Velikost obrazů je omezena okénkem 70 rámu 71 kondenzoru. Pokud je čočka zaostřena přesně, jsou obrazy objektu umístěny ve středu sousedních CCD čar. Signály přijímané procesorem z různých linek se tedy shodují (jsou „ve fázi“) [* 3] . Při nepřesném zaostření se tyto obrazy vlivem paralaxy posouvají uvnitř nebo vně pravítek v závislosti na směru chyby a signály se již neshodují [19] . Na základě fázového rozdílu signálů je vytvořen příkaz pro pohon, který produkuje zaostření [14] .
V moderních fotografických zařízeních se nejčastěji používá několik takových detektorů současně, z nichž každý vyhodnocuje zaostření různých částí snímku, což umožňuje zaostřit nejen na jeho střed. V závislosti na situaci se zapne jeden z těchto detektorů nebo se porovnají výsledky měření několika pracujících současně. Autofokus s fázovou detekcí poskytuje maximální výkon, protože na rozdíl od kontrastního autofokusu nevyžaduje porovnávání ostrosti pro různé polohy objektivu a velikost a směr jeho pohybu jsou známy okamžitě. Díky tomu lze zaostření dokončit jediným pohybem rámečku [* 4] . Přesnost zaostření je přímo závislá na vzdálenosti (základě) mezi porovnávanými zónami 31 a 32 výstupní pupily. Důsledkem toho je ztráta provozuschopnosti fázového detekčního autofokusu při malých relativních otvorech objektivu, kdy jsou vyhodnocovací zóny na okrajích nebo mimo výstupní pupilu, která je příliš úzká kvůli nízké světelnosti objektivu nebo zmenšená o uzavřená clona [16] . Autofokus tohoto typu by se proto měl používat ve fotografických zařízeních ve spojení se skokovou clonou , která se pracovní hodnotě přibližuje až v okamžiku fotografování.
Moderní fotoaparáty mohou být vybaveny duplicitními detektory autofokusu, které pracují při různých hodnotách clony objektivu . Zároveň ty, které jsou navrženy pro maximální otvor (zpravidla f / 2,8 nebo více), mají nejvyšší přesnost a rychlost díky zvýšené základně mezi odhadovanými zónami [14] [19] . Takzvaný křížový autofokusový senzor se skládá ze dvou detektorů, jejichž CCD čáry jsou na sebe orientovány kolmo. Díky této konstrukci je systém stejně účinný pro zaostřování na objekty s obrysy nasměrovanými různými směry [20] . Často jsou detektory ve tvaru kříže navrženy pro různou maximální svítivost pro horizontální a vertikální senzory, což poskytuje všestrannost [2] . Oba snímače pracují s vysokoclonovou optikou a při použití nízkoclonových objektivů zůstává funkční jeden z nich, nejčastěji horizontálně orientovaný. Nejpokročilejší profesionální kamery jsou vybaveny duálními snímači ve tvaru kříže, které jsou vůči sobě umístěny pod úhlem 45° [20] . Všech 61 bodů snímače, oznámených 1. února 2016 u fotoaparátu Canon EOS-1D X Mark II , zůstává funkčních při nízké cloně až do f /8 [21] .
V procesu zdokonalování systémů autofokusu byly učiněny pokusy o kombinaci aktivních a pasivních metod v jednom zařízení. Mnoho moderních kompaktních fotoaparátů a videokamer kombinuje aktivní infračervené automatické ostření s pasivním kontrastním poměrem [2] . Takové fotoaparáty jsou vybaveny zářičem umístěným na přední stěně a automaticky se zapne při nedostatku osvětlení, kdy je účinnost kontrastního autofokusu nízká. Fotodetektor umístěný na těle nebo za objektivem přitom na základě odraženého světla určuje přibližnou vzdálenost k objektu, urychluje práci pasivního systému nebo jej nahrazuje.
Sekundární osvětlení často není součástí aktivního autofokusu, což poskytuje efektivnější fázový systém. Na tomto principu funguje infračervený iluminátor zabudovaný do externích systémových blesků . Podsvícení, které pracuje současně s automatickým ostřením fotoaparátu (s výjimkou režimu sledování), vytváří dodatečné osvětlení objektu a zajišťuje fungování systému i v úplné tmě. Některé fotoaparáty pro tento účel používají vestavěný blesk ve speciálním „stroboskopickém“ režimu (například v „ Pentax *ist Ds “). Některé asistenční systémy AF promítají na objekt vysoce kontrastní „mřížku“, která slouží jako vodítko pro pasivní systém. Takové osvětlovací zařízení se používá například u fotoaparátů Pentax Z1p a Sony DSC F828. Některé moderní modely telefonů s fotoaparátem používají polovodičový laser s nízkou spotřebou jako infračervený iluminátor , který vytváří několik zaostřovacích bodů pro podmínky slabého osvětlení. [22] [23] V kombinaci s kontrastním automatickým ostřením a velkou hloubkou ostrosti objektivu s relativně krátkou projekční vzdáleností může toto řešení dostat výkon na úroveň autofokusu s fázovou detekcí zrcadlovek. Například tzv. laserové automatické ostření smartphonu LG G3 je plně zaostřeno za 0,276 sekundy. Omezený výkon laseru, který zaručuje bezpečnost pro oči ostatních lidí, však zajišťuje, že aktivní prvek autofokusu funguje pouze na krátké vzdálenosti a není použitelný bez pasivní podpory v celém rozsahu. [22] [23]
Moderní vývoj v hybridním autofokusu je založen na kombinaci fázových a kontrastních technologií, což umožňuje využít výhod obou metod. Taková řešení jsou nejvíce relevantní pro bezzrcadlovky , které jsou konstrukčně nevhodné pro klasické fázové automatické ostření. Nejnovější modely těchto kamer umožňují instalaci fázových detektorů přímo do matice Super-CCD ( Ing. Cuper CCD EXR, Fujifilm Hybrid Focus ) [24] . V současnosti s touto technologií pracují bezzrcadlovky řady Fujifilm FinePix, Nikon 1, Samsung NX300 a také zrcadlovky Canon EOS 650D a Canon EOS 70D [25] . Fázové detektory zabudované v matici jsou méně účinné než klasické kvůli malé základně čtení, takže jsou méně účinné než autofokus zrcadlovek a používají se ve spojení s kontrastní metodou. V zrcadlovém vybavení, které je vybaveno fázovým automatickým ostřením, se kontrast používá v režimu živého náhledu , když hlavní systém nefunguje kvůli zvednutému zrcátku.
Canon EOS 5D Mark IV , představený v srpnu 2016, je vybaven nejnovějším „dual pixel“ CMOS snímačem, který poprvé přibližuje výkon automatického ostření v živém náhledu klasickému fázovému ostření [26] . Navíc takové maticové zařízení umožňuje v malém rozsahu korigovat zaostření na již hotové snímky [27] [28] .
Dřívější systémy autofokusu používaly k pohybu tubusu objektivu krokové motory v těle fotoaparátu . Toto provedení je vhodné pro fotoaparáty a videokamery s pevnými objektivy. První výměnné objektivy určené pro zrcadlovky obsahovaly senzory automatického ostření, procesor s bateriemi a pohon ostření v obrubě obroučky. Za úplně první z nich je považován AF - Nikkor 4,5/80, vyvinutý v roce 1971, ale nikdy nebyl uveden do sériové výroby [9] [12] [29] [30] . Podobnou konstrukci měl Canon New FD 35-70/4 AF zoom , v jehož proudu se nacházel snímač automatického ostření anglického systému. Solid State Triangulation, SST a focus drive [11] [31] . Takové čočky mohly fungovat s běžnými fotoaparáty, ale jejich ostření bylo extrémně pomalé a nepřesné.
Vývoj snímačů za objektivem a vzhled fázového principu donutil konstruktéry umístit veškeré automatické ostření do těla fotoaparátu. V tomto případě bylo otáčení pohonu přenášeno na objektiv převodovým mechanismem s odnímatelnou spojkou uloženou v bajonetu . Typickým příkladem je tzv. „šroubovákový autofokus“ Nikon , jehož spojková polovina byla vybavena plochým slotem [32] .
Tento princip se ukázal jako nedokonalý, protože výkon motoru zabudovaného ve fotoaparátu byl pro těžkou optiku s dlouhým ohniskem nedostatečný [33] . V polovině 80. let zastaralé systémy automatického ostření s pohonem zabudovaným v objektivu byly vybaveny poměrně složitou převodovkou , která měla výrazný moment setrvačnosti a sníženou rychlost. Řešením byla technologie Canon , která do rámečků všech výměnných objektivů zabudovala speciálně navržené prstencové piezoelektrické motory [17] .
Tento typ pohonu, který byl poprvé použit v objektivech z roku 1987 pro fotoaparát Canon EOS 650 , eliminoval ozubená kola připojením statoru a rotoru přímo k prstencům rámu [5] . Výkon a rychlost motoru jsou navíc přizpůsobeny charakteristikám konkrétního objektivu, čímž se zvyšuje rychlost. Další výhodou takového pohonu oproti předchozím typům je bezhlučnost. Během příštího desetiletí většina výrobců fotoaparátů opustila motory zabudované do těla fotoaparátu ve prospěch prstencových motorů. Ozubené pohony zabudované v objektivu (například AFD motory Canon) dnes zůstávají pouze v rozpočtové amatérské optice.
Společnost Canon, která vyvinula objektivy s prstencovými motory, dala technologii název „USM“ ( angl. Ultra Sonic Motor ) [* 5] . Kvůli patentovým omezením nemají ostatní výrobci právo používat stejný obchodní název, a tak svému vývoji přidělili jiná označení. Nikon označuje označení "SWM" ( anglicky Silent Wave Motor ), Pentax - "SDM" ( anglicky Super-sonic Direct-drive Motor ), Samsung - "SSA" ( anglicky Super Sonic Actuator ), Sony / Minolta - "SSM"( Eng. Super Sonic Motor ), Tamron - "USD" ( eng. Ultrasonic Drive ) a Sigma - "HSM" ( eng. Hyper Sonic Motor ). Na PMA 2007 Olympus předvedl několik objektivů s novým ultrazvukovým motorem „SWD“ ( Supersonic Wave Drive ) . Všechna tato označení jsou pouze obchodní názvy popisující stejnou technologii s drobnými rozdíly.
V roce 1996 konstruktér Masaru Yamamoto implementoval do fotoaparátu Contax AX originální systém autofokusu , který nevyžaduje pohyb objektivu ani jeho částí [35] . Místo toho bylo zaostřování prováděno posunem filmového kanálu s filmem podél optické osy čočky. Tato konstrukce umožňuje automatické ostření libovolných objektivů [36] . Princip nebyl dále rozvíjen z důvodu složitosti a velkého momentu setrvačnosti pohyblivých částí.
Hlavním režimem autofokusu, dostupným pro všechny jeho systémy, je single -frame ( anglicky one-shot, single servo mode ) [37] . V tomto režimu se autofokus spustí jednou a zaostří na objekt, který odpovídá poloze snímače v záběru. U většiny fotoaparátů funguje autofokus po namáčknutí spouště, nicméně v menu nastavení některých modelů k tomu můžete přiřadit jiné tlačítko. Po spuštění autofokusu a dosažení zaostření se motor autofokusu deaktivuje a zastaví se další operace, dokud se neuvolní závěrka nebo neuvolní tlačítko [38] . Zachycení a blokování zaostření je indikováno indikací na displejích , která je duplikována zvukovým signálem. Pokud se objekt posune mimo zónu ostrosti, je nutné postup opakovat. Fotografování pohybujících se objektů pro kontrastní autofokus je obtížné, ale ve spotřebitelských videokamerách se režim sledování objevil současně s pasivním autofokusem. Ve videotechnice funguje neustále a je považován za hlavní.
Ve fotoaparátech vybavených automatickým ostřením s fázovou detekcí se používá pokročilejší algoritmus režimu sledování , protože tento typ snímače umožňuje vypočítat rychlost a směr pohybu objektu [33] . Tato technologie se nazývá proaktivní („prediktivní“) autofokus a předem zaostří objektiv na vzdálenost odpovídající vypočítané poloze objektu s přihlédnutím ke zpoždění závěrky [38] . Obraz viděný v hledáčku v tomto režimu se může jevit neostrý, protože je zachycen pouze při uvolnění spouště a sklopeném zrcátku. V tomto případě zámek na rozdíl od režimu snímek po snímku nikdy nefunguje a ostření probíhá nepřetržitě, sleduje všechny pohyby objektů a změny v kompozici. V těchto režimech tedy nefunguje indikace a zvukový signál [38] . Tuto technologii podporují všechny moderní fotoaparáty s fázovým autofokusem, ale různí výrobci ji nazývají jinak: Canon - AI Servo , Nikon - Continuous servo AF . Mezi amatérskými fotografy je žádanější automatický režim volby způsobu ostření, kdy mikroprocesor samostatně rozhoduje o zařazení nejvhodnější metody: snímek po snímku nebo sledování [37] . Ten se zapne, pokud detektor zaregistruje pohyb objektu. U většiny moderních profesionálních a poloprofesionálních fotoaparátů je volba režimů snímek po snímku nebo sledování nějakým způsobem propojena s režimem pro volbu ostřícího bodu (konkrétního snímače) v rámci snímku a automatickým řízením expozice .
V některých případech, kdy se hlavní nepohyblivý objekt neshoduje s polohou snímače v záběru, je nutná aretace autofokusu ( angl. AF-lock ). Automaticky se spustí v režimu snímek po snímku po stisknutí spouště a dokončení zaostření. Poté může být snímek překomponován v souladu s plánem a fotografovat. V tomto případě se hlavní objekt ukáže být ostrý, a to navzdory skutečnosti, že v době fotografování je snímač umístěn na jiných objektech nebo na pozadí. V režimu sledování se blokování aktivuje samostatným tlačítkem na kameře. U profesionálních modelů je k tomu určeno samostatné tlačítko AF-stop, umístěné na rámu výměnných objektivů, obvykle teleobjektivů . Takové tlačítko přestane ostřit, což vám umožní vyhnout se chybě v případě náhlého výskytu objektů v záběru na menší vzdálenost nebo neočekávaného zaostření na pozadí v důsledku přemístění důležitého objektu [33] .
Další technologie – past s automatickým ostřením ( anglicky focus trap ) – umožňuje automaticky fotografovat, když se pohybující objekt zaostří [39] . Režim je dostupný na většině profesionálních a spotřebitelských DSLR s příslušným nastavením. Při stisku tlačítka spouště se závěrka uvolní, jakmile snímač autofokusu potvrdí, že překročil zaostřovací pole.