ремонт фотоаппаратов
  ремонт фотоаппаратов

 
 
 
 

СИСТЕМЫ АВТОФОКУСА

Статья из серии «РЕМОНТ ЦИФРОВЫХ ФОТОАППАРАТОВ»
Легко найти в интернете ответ на вопрос какими бывают системы автофокуса, но хочется остановиться поподробнее, несколько упуская теоретические моменты и акцентируясь на преимуществах и недостатках того или иного типа, более подробно рассмотреть принцип работы автофокуса в зеркальных фотоаппаратах.
В современных фотоаппаратах система автофокуса представляет собой компьютеризированную систему управления микродвигателем, который перемещает линзу автофокуса до получения максимально чёткой картинки, проецируемой на матрицу или поверхность фотоплёнки. Расстояние, на которое перемещается линза, зависит от расстояния до объекта съёмки.
Итак, существуют три основных типа систем автофокуса. В зависимости от способа измерения расстояния до объекта они, в первую очередь, разделяются на активные, пассивные и комбинированные (использующие и активный, и пассивный способ).
Активная система автофокуса
Почему её назвали активной? Ну, потому что камера сама излучает какой-то сигнал, который отражаясь от объекта съёмки, принимается приёмником фотоаппарата, а далее используется для рассчёта расстояния до этого объекта. Годом рождения систем автофокуса (AF) принято считать 1986 год. Именно тогда компания Polaroid впервые применила в своих фотоаппаратах sound navigation ranging (SONAR) принцип. Этот принцип широко применялся, да и сейчас применяется, например, на подводных лодках, где для определения расстояния до объекта, посылается инфразвуковой сигнал и по времени прихода эха (скорость звука известная величина) производится расчёт расстояния. В отличии от подлодки, фотоаппарат использует не инфра, а ультразвук. Недостаток этой системы очевиден – звук отражается от прозрачного для света материала, например, поверхности водоёма или стекла автомобиля, тем самым все фотографии, снятые через стекло экскурсионного автобуса можно было смело выбрасывать в мусорное ведро. Современные активные AF системы лишены данного недостатка, благодаря использованию инфракрасного светового диапазона в качестве излучаемого сигнала, но имеют более сложные конструкции и методы расчёта:
– триангуляционный метод
- метод замера колличества света, отражённого от объекта
- измерение времени прихода отражённого сигнала
Фотокамеры с активными системами автофокуса иногда называют «дальномерными».
Однако и инфракрасная система автофокусировки имеет ряд «противопоказаний к применению»
- ограничение по расстоянию (от 1,5 метров)
- сильный источник тепла (например костёр или свечи) могут вызвать серьёзные промахи по фокусу,
- чёрные предметы способны поглощать сигнал, посланный фотоаппаратом,
- существует вероятность приёма паразитного отражения не от объекта съёмки, особенно если объект не в центре кадра.
- сравнительно низкая точность фокусировки.
Но кроме недостатков, безусловно, данная система наделена рядом достоинств:
- скорость работы, заложенная алгоритмом : замер расстояния – перемещение линзы автофокуса в соответствующее положение,
-возможность работы в темноте, без дополнительной подсветки объекта.
Пассивная система автофокуса
Второй и самой применяемой сейчас в цифровых фотоаппаратах, является пассивная система автофокусировки. (рис.1) Пассивная система не излучает никаких сигналов, а анализирует проецируемое через объектив на датчик изображение и формирует сигнал управления двигателем автофокусной линзы. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута наилучшая резкость картинки.

рис.1
Большинство Компактных цифровых фотоаппаратов применяют принцип автофокуса называемый системой определения максимального контраста или контрастным. Он основан на утверждении : « в фокусе = максимальная контрастность». Эта система анализирует получаемое матрицей изображение, затем двигая линзу автофокуса цифровой фотоаппарат ищет её позицию, при которой контрастность объекта съёмки будет максимальная. Рис. 2 с сайта http://www.nikon.com/ лучше всего демонстрирует это.

рис.2
Так как фотоаппарат не знает где находится зона резкости – впереди объекта (фронт фокус), или позади него (бэк фокус) – он вычисляет значение контрастности во время движения линзы и определяет точку в фокусе где оно максимальное. То есть чтобы найти точку фокуса необходимо прогнать линзу по всему её диапазону хода, что конечно занимает, по сравнению с другими системами автофокуса, значительно больше времени. Вот и основной недостаток таких систем, который накладывает некоторые ограничения. Сколько раз мы не успевали сфотографировать своих резвых детишек, или вместо красавца оленя, случайно встреченного в лесу, на фото получалась, в лучшем случае, его задняя часть? Но статические сюжеты фотоаппараты с такой системой воспроизводят просто блестяще, так как датчиком Автофокуса выступает сама CCD матрица.
Таким образом основными недостатками контрастного метода являются:
- низкая скорость наводки на резкость,
- для работы пассивного автофокуса необходимо достаточное освещение и контрастность объекта (автофокус не наведётся на однородную поверхность или стену)
- контрастный метод в основном реагирует на вертикальные детали изображения (горизотальный алгоритм сканирования матрицы)
Основными достоинствами системы наводки по максимальной контрастности являются:
- высокая точность фокусировки,
- отсутствие специальных датчиков автофокуса,
- возможность визуального контроля качества фокуса на дисплее фотоаппарата,
- нет ограничения по дистанции до объекта.
Современные, небюджетные цифровые фотокамеры оснащаются комбинированными системами автофокуса, в которых активная инфракрасная и пассивная контрастная системы работают одновременно по некоторому алгоритму. Тем самым снижая или полностью устраняя недостатки друг друга. Основным признаком таких фотоаппаратов выступает наличие дополнительных окошек инфракрасных излучателя и датчиков над объективом. Примерный алгоритм рассмотрим на примере цифрового фотоаппарата Kodak P-880
Внешний активный датчик автофокуса определяет дистанцию до объекта. Таким образом, фотоаппарат узнаёт где находится зона резкости ( фронт или бэк фокус ) и в каком направлении надо двигать линзу автофокуса. В темноте работает только активная система автофокуса. На бесконечность работает только пассивная.

Рис.3
Предварительная настройка фокуса производится активной инфракрасной системой, далее включается контрастная и выполняется точная доводка на резкость.

рис.4
Данный алгоритм повышает скорость наведения автофокуса, позволяя тем самым не упустить нужный момент съёмки.

Рис.5

И наконец, система автофокуса, которая представляет наибольший интерес для фотографов. Система, нашедшая себе применение в каждом современном зеркальном фотоаппарате. Она также относится к пассивному автофокусу, но принцип её основан на фазовом методе. Если кто-то знаком с радиотехникой, то принцип её действия можно сравнить с принципом действия фазового детектора. Суть которого сводится к тому, что сдвиг изображения (фаза) с двух противоположных, симметричныз точек объектива сравнивается с базисом. Не знакомы? Не волнуйтесь, сейчас попробуем разобраться. Начнём просто с анатомии зеркального фотоаппарата.
Рассмотрим для начала основные расстояния, представленные на рис.6 и 6а. Основным расстоянием для любого зеркального (SLR) фотоаппарата является расстояние до фокальной плоскости (фокальной плоскостью в фотоаппарате выступает поверхность плёнки или матрицы) или так называемый рабочий отрезок (FFD – flange to focal plane distance)


Рис.6    






Рис. 6а
Рабочий отрезок = l1 + l3 – влияет на общую резкость изображения на матрице, должен быть одинаковым для всей плоскости матрицы. Его величина всегда известна и задана для данной модели фотоаппарата. Например, Canon EOS AF – 44mm
При значительном нарушении рабочего отрезка – резкость отсутствует на всём диапазоне настройки фокуса объектива. При немного большем чем стандарт РО, невозможно настроить фокус на бесконечность, она находится дальше значка бесконечность на объективе. При меньшем рабочем отрезке, наоборот, не хватает диапазона настройки фокуса объектива для съёмки с ближней дистанции, а бесконечность сдвигается ближе по шкале объектива рис.7
рис.7
Дистанция до фокусировочного экрана видоискателя (дистанция ручного фокуса) Dmf = l1 + l2 и должна быть одинакова для всей плоскости фокусировочного экрана. Обычно действует формула
РО= l1 + l3= l1 + l2 = Dmf
Данная дистанция важна для настройки фокуса в ручном режиме.
И третья важная дистанция называется Дистанцией автофокуса Daf = l4 + l5 и должна быть одинакова для всей плоскости датчика АФ. Она несколько больше рабочего отрезка. Это необходимо для реализации фазового метода автофокуса.
Я не зря выделял фразу: должна быть одинакова для всей плоскости. Она означает, что проекции изображения на всех плоскостях, будь то байонет, фкусировочный экран, матрица или датчик автофокуса, должны быть параллельны. Завалы резкости по плоскости, когда верх резкий, например, а низ изображения не в фокусе, возникают именно из-за несоблюдения данного требования для плоскостей матрицы и байонета. Параллельность плоскостей фокусировочного экрана и датчика автофокуса относительно плоскости байонета обеспечивается строго определённым углом наклона основного и автофокусного (зеркала АФ) зеркал. Точность установки этих зерка исчисляется сотыми долями градуса. Сейчас в интернете много статей, где очумельцы пишут о настройке автофокуса путём изменения угла наклона зеркал (основного или зеркала АФ зависит от конструкции камеры). Не советую так делать, по простой причине, вы нарушаете параллельность плоскостей байонета и датчика АФ, например, если это зеркало автофокуса. Таким образом из всех точек датчика АФ будет работать только одна центральная, под которую производилась настройка, точки выше или ниже центральной будут давать проивоположные значения фронт и бэк фокуса. На рисунке красными линиями отмечены плоскости при ненастроенных углах наклона зеркал. Вот, такая вот получается геометрия.

Рис.8
Теперь, наконец – то, рассмотрим фазовый метод автофокуса. Основным элементом данной системы является датчик автофокуса, который расположен на определённом расстоянии от фокусной поверхности (поверхности матрицы или плёнки) рис.9. Он имеет две группы датчиков – горизонтальных H-basis для диафрагмы 5,6 (f/5.6 zone) и вертикальных V-basis для диафрагмы 2,8 (f/2.8 zone).

Рис.9
Группа линз датчика автофокуса формируют на передней линзе объектива четыре луча изображения объекта съёмки, по два для каждого базиса (рис.10).

Рис.10

Разность фаз или интервал между двумя лучами на датчике автофокуса и является той величиной, которая показывает, находится ли объект в фокусе. (Рис.11)

Рис.11
Этот интервал сравнивается с фиксированным для данной системы значением – H-basis(а) Z0H (или Z0V для V-basis(a)). Если интервал между лучами
ZH = Z0H – объект находится в фокусе
ZH < Z0H - фронт фокус
ZH > Z0H - бэк фокус

ZH – Z0H = ? разница показывает процессору фотоаппарата направление и величину, на которую нужно подвинуть линзу АФ в объективе.
Величина Z0h (базис) задаётся при сервисной настройке фотоаппарата с помощью специальных программ. Также в сервисе возможно введение поправки к нему с целью компенсации фронт или бэк фокуса. На современном этапе, производители фотоаппаратов наконец-то призналм, что добиться точности (прецизионности) работы автофокуса
пока невыполнимо, поэтому в меню есть подстройка, позволяющая компенсировать ошибки автофокуса как самой камеры, так и объектива.



PLAY
Как видно из рисунка 11 H-basis сенсор «видит» только вертикальные линии, а V-basis – только горизонтальные. Такой датчик, с развёрнутыми на 90 градусов линейными сенсорами, называется скрещенным сенсором (cross sensor). Скрещенный датчик способен обнаруживать как вертикальные, так и горизонтальные линии и обеспечивает более быстрый автофокус. В бюджетных зеркалках только центральный датчик скрещенный, остальные линейные. У профессиональных цифрозеркалок более продвинутые датчики датчики АФ. Так каждой точке фокусировки в цифровых фотоаппаратах соответсвует свой сенсор. Все цифровые зеркальные фотоаппараты имеют различное колличество точек автофокуса, от 3-5 в бюджетных моделях до 45 в топовых, например, Canon EOS1D серии. (Рис.12)
  Таким образом датчик автофокуса зеркалки – это набор линейных и скрещенных сенсоров, работающих по определённому алгоритму. Алгоритм зависит от объектива и его светосилы (диафрагмы).
Для цифровых фотоаппаратов Canon EOS 1D серии он выглядит примерно так:

f/2.8 и больше

Рис.12
f/4

Рис.13

f/5.6

Рис.14
f8

Рис.15
Преимуществами фазового автофокуса являются:
- высокое быстродействие, ограниченное только быстродействием механики объектива
- высокая точность наведения на резкость
- нет ограничения по дистанции до объекта
К недостаткам можно отнести
- необходимость освещённого, контрастного объекта, как и у контрастного автофокуса
- сложную конструкцию
- наличие специального датчика
- частые ошибки АФ при съёмке регулярно повторяющихся предметов (решётка окна, трава и т.д.). Это объясняется тем, что датчик может пытаться сравнивать фазу от двух рядом расположенных предметов.
Продолжение следует…….

Юрий Кузьмин 21 апреля 2010 года
  При перепечатке статьи ссылка на http://www.slrmaster.com.ua/  обязательна.