Автофокус

Под фокусировкой съемочного объектива понимается процесс перемещения оптического блока объектива (или какой-либо его части) вдоль оптической оси с целью совмещения оптического изображения объекта съемки с плоскостью светочувствительного материала или сенсора. Процесс автофокусировки включает два этапа: оценка расстояния до объекта съемки и подстройка оптической системы камеры с помощью привода автофокуса.

Величина перемещения объектива x' находится по формуле

,

где L – расстояние до объекта

с – постоянная величина для данного объектива соответствующая расстоянию между его фокусами

с = - S_F + ∑d + S'_F

x' составляет несколько мм (например, около 6 мм для киносъемочного объектива ОКС 1-50-1 с фокусным расстоянием 50мм и L_min = 0,5 м = 500 мм)

_'

Рис. 1. К определению величины смещения объектива

Система автофокусировки может получать информацию об объекте непосредственно через объектив камеры TTL («Through-the-lens», Фокусировка через объектив), либо от внешнего устройства, которое крепится к камере. Первый вариант обычно используется в зеркальных камерах, а второй в незеркальных.

В зависимости от способа оценки расстояния до объекта съемки система автофокусировки может быть активная и пассивная.

1) Активная система автофокусировки посылает к исследуемому объекту собственные волны, после чего обрабатывает информацию, содержащуюся в волне, отраженной от объекта и поступившей в приемную часть данного устройства. Среди активных способов автофокусировки известны:

А) Эхолокация. Посылается ультразвуковой импульсный сигнал и измеряется время возврата. Расстояние до объекта L может быть вычислено как

,

где c - скорость акустической волны в воздухе. В указанной формуле число 2 показывает, что излучение дважды проходит расстояние L.

Например, подобное устройство использовалось ранее в фотоаппаратах «Поляроид».

Б) Триангуляционный метод измерения основан на определении расстояния до объекта по параллактическому углу. Этот метод положен в основу функционирования прибора, называемого дальномером. Работа лазерного дальномера заключается в следующем (рис. 1.3) [4-6]. Излучение полупроводникового лазера 1 (или светодиода) направляется оптической системой 2 на объект 3, где формируется световая метка в виде точки или линии. Изображение этой световой метки строится фокусирующей линзой 4 на светочувствительной линейке или матрице 5. Как правило, в качестве светочувствительной матрицы 5 используется КМОП матрица (комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник). В КМОП матрице в отличие от ПЗС матрицы (прибор с зарядовой связью) имеется доступ к каждому отдельному пикселю. Лазерный дальномер настроен на определенную базовую дистанцию, для которой изображение метки строится в центре светочувствительной матрицы (точка В´ на рис. 1.3). Если расстояние до объекта отличается от базовой дистанции, то изображение световой метки на матрице смещается, например, для объекта А в точку А´. По направлению смещения точки А´ можно судить о том, ближе или дальше базовой дистанции находится объект А. Величина смещения A´B´ (параллакса) метки на матрице находится в пропорциональной зависимости от расстояния между точкой B, соответствующей базовой дистанции, и точкой А объекта. Таким образом, по координате изображения метки на светочувствительной матрице может быть получена информация о расстоянии до объекта. Данные вычисления производятся в лазерном дальномере автоматически.

В лазерных дальномерах в качестве источника излучения часто используется инфракрасный светодиод. Причем для того, чтобы снизить влияние тепловых засветок от посторонних предметов, расположенных по близости, излучение светодиода модулируется [3].

Рис. 2. Схема работы лазерного дальномера

Системы автофокуса с триангуляционным дальномером относятся к внешними устройствам, которые не используют информацию идущую через объектив камеры. Поэтому такие устройства автофокуса обычно используют в незеркальных камерах. Например, лазерный дальномер используется в компактных камерах, включая Nikon 35TiQD и 28TiQD, Canon AF35M, и Contax T2 и T3.

Достоинство активных методов автофокуса – это высокая скорость измерений и возможность работы как в темноте, так и на свету. Но особенность активных систем заключается в том, что они измеряют расстояние до ближайшего отразившего сигнал объекта. Поэтому такие системы автофокуса не могут работать в условиях съемки через стекло. Для систем, построенных на эхолокации также характерен большой угол расхождения, поэтому появляется возможность, что система измерит расстояние не до того объекта. Кроме того, в условиях дождя, эхолокация не работает (ультразвук отражается на границах вода- воздух, в результате возникает шум).

2) Работа пассивных систем основывается на приеме информации, заключенной в испускаемых или отраженных исследуемым объектом волнах. Сами же пассивные системы волны к объекту не посылают.

Существует множество пассивных систем автофокуса. Рассмотрим наектоорые из них:

А) Внутрибазный дальномер

Внутрибазный дальномер измеряет дистанцию до объекта через параллактический угол. Например, в системе «Визитроник» фирмы «Хониуэлл» (США) для автофокусировки используется следующая схема внутрибазного дальномера (рис. 1.5) [3]. Главный элемент этой системы – модуль 1 с двумя идентичными фотоприемниками 2 и 3, на которые проецируются два изображения фокусируемых предметов через окна 5 и 6, разнесенные на длину базы дальномера. Для поперечного смещения одного изображения относительно другого предусмотрен компенсатор в виде поворотного зеркала 4. В данной схеме компенсатор поворачивается из положения, отвечающего бесконечной дистанции, до положения, при котором изображения на фотоприемниках 2 и 3 будут одинаковы. По углу поворота компенсатора определяется расстояние до объекта L. Повышение точности измерений достигается за счет того, что фотоприемники 2 и 3 состоят из большого числа отдельных светочувствительных элементов.

Рис. 3. Схема автоматического внутрибазового дальномера

системы Визитроник

Системы автофокуса с внутрибазным дальномером, также как с триангуляционным дальномером, относятся к внешними устройствам, которые не используют информацию идущую через объектив камеры. Поэтому такие устройства автофокуса обычно используют в незеркальных камерах.

Недостаток внутрибазных дальномеров невысокая точность при работе с длиннофокусными объективами, могут работать только в условиях освещения.

Б) Наводка на резкость по контрасту в цифровой камере

Принцип работы такой системы основан на том, что микропроцессор фотоаппарата постоянно считывает изображение с матрицы сенсора, анализирует степень его контрастности F_max/F_min и принимает решение о перемещении объектива. В данном случае система автофокуса относится к типу TTL, т.к. здесь анализируется информация об объекте, поступающая непосредственно через объектив камеры.

Первоначально в таких системах данные о контрасте поступали с основной матрицы цифровой камеры, а сами системы наводки по контрасту отличались низким быстродействием. Это было обусловлено тем, что перемещение объектива осуществлялось в широком диапазоне до тех пор, пока не будет найден самый высокий контраст. 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.