Классическими методами фокусировки изображения являются:
анализ объекта съемки и приведение его изображения в искомое положение с помощью оптических фокусирующих средств (рис. 34, а). Применяется в зеркальных фотоаппаратах;
определение расстояния до объекта посредством специальных устройств и установка съемочного объектива на эту дистанцию (рис. 34, б). Применяется в дальномерных, а также в шкальных фотоаппаратах, в которых установка объектива осуществляется по шкалам символов, дистанций, глубины резкости.
Рис. 34. Основные методы наводки ив резкость: а - метод анализа объекта съемки: 1 - объект съемки, 2 - объектив, 3 - фокусирующий экран; б - метод измерения расстояния до объекта съемки: 1 - объект съемки, 2 - неподвижное светоделительное зеркало, 3 - движущееся изображение (объектив несфокусирован), 4 - подвижное зеркало
Известно, что наводка на резкость производится перемещением либо всего съемочного объектива, либо его переднего компонента, либо внутреннего компонента. В некоторых фотоаппаратах (технические, репродукционные) объектив при фокусировке остается неподвижным, а относительно него перемещается устройство, несущее фотоматериал. Этот метод позволяет получать точно заданные размеры изображения. Перемещения подвижных компонентов объектива, а также всего объектива обеспечиваются посредством фокусирующих механизмов: зубчатой рейки и колеса, гайки и винта, рычага, резьбовой пары, кулачкового механизма и др.
Сравнительная сложность процесса фокусировки в условиях недостаточной освещенности, работы в невидимой части спектра, в некомфортных условиях, субъективность и невысокая точность визуальной наводки на резкость в зеркальных фотоаппаратах, особенно с широкоугольными и малосветосильными объективами, а также при измерении дистанций в области малых и больших расстояний - все это свидетельствует о недостатках ручной фокусировки.
Предложенные в разные годы методы наводки на резкость: фокусировка по символам (1960); жестковстроенные объективы, установленные на гиперфокальное расстояние; короткофокусные штатные объективы - имели недостатки, что потребовало разработки устройств автоматической фокусировки (АФ).
Первые патенты на АФ появились в начале 40-х годов и сначала применялись в аэрофотоаппаратах, профессиональных киносъемочных и телевизионных установках и др., т. е. в устройствах, отличающихся значительными габаритами. Первые разработки автофокуса относятся к началу 60-х годов, когда фирма «Лейтц» (ФРГ) приступила к созданию устройства, в основу которого был положен принцип внутрибазового дальномера. В устройстве момент совмещения двух изображений объекта определялся с помощью фотоэлектрических приемников и исполнительной схемы. В 1963 г. фирма «Канон Инк.» (Япония) показала макет фотоаппарата «Канон Автофокус», в котором оценка визуальной резкости объекта производилась по краевому контрасту. В СССР первые разработки схем АФ были выполнены Шульманом М. Я., который еще в 1963 г. предложил схему, построенную на принципе нулевого контраста. Резким ростом работ в этой области применительно к любительской и профессиональной фотоаппаратуре были отмечены 70-е и начало 80-х гг. Так, в 1980 г. только одна японская фирма «Сейко» имела около 20 патентов АФ. Появились 35-мм фотоаппараты (типа «Компакт») с автофокусировкой; фотоаппараты, имеющие устройство «памяти» фокусировки, механизм отмены предварительной фокусировки.
Выпуск фотоаппаратов с автоматической наводкой на резкость стал вехой на пути дальнейшей автоматизации съемочного процесса, наиболее значительным явлением после автоматизации операции отработки экспозиции. Это стало возможным благодаря успехам оптики и электроники. Главенствующую роль сыграли достижения технологии, и в первую очередь успехи в области микроэлектроники, в частности, создание современной элементной базы (интегральные схемы, новые фотоприемники, микрокомпьютеры на больших интегральных схемах и др.)
В основу существующих устройств АФ, как правило, положены названные выше методы измерения резкости или расстояния. Они позволяют осуществлять фокусировку, как по тест-объекту, так и по объекту произвольной формы.
Устройства АФ подразделяются на активные, пассивные и пассивно-активные.
В активных определение расстояния до объекта и последующее перемещение объектива производятся по результатам анализа периодически посылаемых зондирующих сигналов ультразвуковых волн (УЗ), импульсов инфракрасных лучей (ИК) или видимого модулированного света, т. е. методом локации.
Пассивные устройства используют свет, испускаемый или отраженный объектом съемки. В основу их положен метод определения параллактического угла между двумя направлениями визирования объекта. Известно, что в процессе фокусировки указанные направления образуют измерительный треугольник (типа дальномера) .
Большинство разработок последних лет для зеркальных фотоаппаратов относится к пассивным. Наибольшее распространение получил способ измерения резкости путем определения контраста изображения. Показателем визуальной оценки резкости служит краевая резкость изображаемого объекта. Известно, что переход от резкого изображения к нерезкому и обратно вызывает перераспределение освещенности пограничных точек изображения, причем при сфокусированном изображении освещенность выше (рис. 35). Устройство АФ, работающее по принципу измерения контраста, вначале посредством фотоприемника определяет распределение света в изображении объекта. Затем, после анализа, осуществляемого специальным устройством и с помощью фокусирующего механизма, устанавливает объектив в положение, отвечающее наилучшей резкости.
Рис. 35. Зависимость величины сигнала от контраста изображения
Перейдем к характеристике основных схем АФ.
Активная система, основанная на измерении расстояния до объекта съемки. В фотоаппарате «Поляроид Сэкс-70 Сонар Автофокус» для измерения дистанции использован принцип локации ультразвуковыми волнами.
Основу модуля, управляющего фокусировкой объектива, составляет специальный датчик. Он преобразует электрическую энергию в ультразвуковые волны. При нажиме на спусковую кнопку датчик излучает сигналы, которые направляются узким пучком, занимающим только 10% поля зрения видоискателя. Каждый сигнал состоит из четырех частот, что предотвращает возможность интерференции при отражении сигнала от объектов с разной текстурой.
Отраженные сигналы суммируются специальным устройством, измеряющим дистанцию съемки. После поступления первого отраженного сигнала преобразователь переводит датчик в режим приема - преобразует ультразвуковые волны снова в электрическую энергию. Аналоговая схема производит обработку отраженных импульсов сигнала, останавливает счетчик сумматора и включает микродвигатель, управляющий съемочным объективом.
В сумматоре имеется 128 ячеек, которые соответствуют 128 зонам глубины резкости в пространстве предмета. В механизме привода объектива имеется пластина с 128 щелями.
Движение съемочного объектива происходит до тех пор, пока число щелей, на которые переместится пластина, не станет равным числу импульсов, отсчитанных сумматором.
Объектив перемещается из положения «∞» в искомую позицию, где останавливается с помощью соленоида.
Пассивные системы, основанные на измерении резкости изображения. В 1976 г. было показано устройство «Коррефот» фирмы «Лейтц», работающее по принципу измерения контраста. Оно стало первым устройством АФ, предназначенным для зеркального фотоаппарата и размещенным за объективом в корпусе фотоаппарата (рис. 36). В устройстве используется характеристика выходного зрачка съемочного объектива. Пучок света разделяется главным зеркалом на две части. С помощью главного (полупрозрачного) и дополнительного зеркал одна часть пучка направляется на специальную решетку площадью 4х6² мм, расположенную в плоскости, эквивалентной фокальной плоскости фотоаппарата. Решетка помещена между плечами электромагнитного камертона и вибрирует перпендикулярно ходу луча, сканируя изображение объекта.
В устройстве использован принцип динамического сканирования.
Пройдя решетку, изображение объекта съемки посредством коллимационного объектива формируется на четырех фотоприемниках. Свет попадает на два сдвоенных фотоприемника А, Б, каждый из которых является элементом своей пары. Фотоприемники анализируют распределение освещенности изображения. Электрические сигналы фотоприемников направляются в микрокомпьютер. По результатам анализа сигналов, поступающих с каждой пары фотоприемников, выдаются соответствующие управляющие команды приводу съемочного объектива.
Резкое изображение объекта формируется в плоскости решетки; сигналы, поступающие от каждой пары фотоприемников, идентичны (вибрация решетки не влияет на распределение освещенности изображения). Если же плоскость наилучшей резкости не совпадает с плоскостью решетки, то решетка изменяет характер распределения света в изображении, формируемом на фотопленке.
Направление движения съемочного объектива, необходимое для оптимальной фокусировки, зависит от последовательности сигнала от одной пары фотоприемников к другой. При этом в поле зрения видоискателя появляется (индицируется) один из двух сигналов красного цвета, указывающих дефокусировку объектива. В момент правильной фокусировки оба индикатора работают одновременно.
Недостатком данной системы АФ являются ее значительные размеры.
В 1978 г. было разработано устройство, располагаемое за съемочным объективом в системе АФ (рис. 37).
Как и в устройстве «Коррефот» свет попадает на специальный модуль, размещенный в нижней части корпуса фотоаппарата в плоскости, эквивалентной фокальной. В модуле имеется два ряда двойных фотоприемников, представляющих собой ПЗС структуру.
Каждый фотоприемник установлен за микрообъективом и следит за своим каналом. Перед системой микрообъективов установлена полевая линза, обеспечивающая равномерность освещения фотоприемников.
Модуль производит сравнение контраста изображения путем электронного сканирования, т. е. не имеет подвижных элементов. Вырабатываемые сигналы анализируются МП и передаются в схему управления движением съемочного объектива. Объектив имеет встроенный микродвигатель. Равенство сигналов, поступающих по каждому каналу, достигается только в положении наилучшей резкости. Оно индицируется зеленым светодиодом в поле зрения видоискателя. При дефокусировке индицируется одна из крайних стрелок - сигналов красного цвета, указывающих необходимое направление перемещения объектива.
Модуль отличается весьма малыми размерами, что позволяет размещать его в разных частях фотоаппарата (например, вблизи пентапризмы видоискателя).
Возможны два варианта использования модуля: во-первых, с интегральной схемой, в результате чего обеспечивается ручная электронная фокусировка с помощью индикаторов в поле зрения видоискателя, что облегчает управление фотоаппаратом людям с недостатками зрения, делает управление более оперативным. Во-вторых,- в системе АФ одновременно с другим устройством. Этот вариант использован в первом малоформатном зеркальном фотоаппарате с автофокусировкой.
Рис. 38. Структурная схема системы АФ фотоаппарата «Пентакс МЕ-Ф»: 1 - источник питания, 2 - микродвигатель, 3 - устройство для выдачи сигнала автофокусировки, 4 - вычислительное устройство, 5 - контрольный модуль, б - фотоприемник изображения, 7 - устройство сравнения контраста, 8 - устройство для вывода информации на индикатор, 9 - пьезоэлектрический зуммер, 10 - светодиодный индикатор
В 1981 г. были изготовлены образцы первого зеркального малоформатного фотоаппарата (рис. 38) с автоматической фокусировкой («Пентакс МЕ-Ф», Япония). Фотоаппарат может работать также в режиме электронной фокусировки (с использованием светодиодных индикаторов, расположенных в поле зрения видоискателя) и в ручном режиме.
Устройство АФ размещено в объективе и в корпусе фотоаппарата. Связь осуществляется посредством пяти электрических контактов, расположенных на байонете. В объективной части (со встроенным электродвигателем) находится съемочный объектив с переменным фокусным расстоянием 2,8/35 - 70 мм.
Наличие электронной фокусировки (по индикаторам) позволяет использовать с фотоаппаратом весь набор объективов с байонетом типа К, т. е. без электрической связи.
В устройстве АФ свет попадает на модуль (электронный контроль фокусировки). Модуль имеет специальную светоделительную пластину (рис. 39), которая в свою очередь разделяет пучок еще на две равные части. Каждая часть создает изображения объекта съемки на поверхностях матриц двух блоков фотоприемников. Несмотря на то, что все фотоприемники установлены в одной плоскости, длина хода лучей от объектива до фотоприемника имитирует посредством лучеделительной пластины их расположение до и за плоскостью, эквивалентной фокальной плоскости фотоаппарата. Блок состоит из двух рядов светочувствительных элементов. Блоки являются самосканирующими и используются для сравнительного анализа поступивших сигналов.
Рис. 40. Принцип действия индикатора АФ: 1 - объектив, 2 - плоскость, эквивалентная фокальной, 3 - фотоприемники
При оптимальном положении объектива сигналы на каждом фотоприемнике равны. Дефокусировка приводит к перераспределению контраста изображения объекта и, соответственно, сигнала. Разность сигналов поступает на логическую схему, которая управляет перемещением объектива посредством серводвигателя. Кроме того, сигналы схемы информируют фотографа о состоянии фокусировки с помощью индикаторов (рис. 40). Зеленый цвет светодиода соответствует положению наилучшей резкости (имеется также звуковой индикатор данного положения), свечение красных указателей сигнализирует о дефокусировке. Стрелки индикаторов показывают необходимое направление подфокусировки в случае использования электронного индикатора наводки на резкость.
Частота мигания красных индикаторов служит показателем уровня освещенности. Видимая глазом частота свидетельствует о низком уровне освещенности и необходимости перехода на режим ручной фокусировки с применением традиционных оптических средств.
Фокусировка объектива происходит в пределах от 1,2 м до «∞». На объективе имеются две кнопки (вертикальное и горизонтальное кадрирование), смещенные относительно друг друга на 90' и служащие для включения поиска оптимальной плоскости фокусировки.
Наводка на резкость осуществляется по зоне (пятно диаметром 2,5 мм) и позволяет фокусировать фотоаппарат на предметы длиной менее 1 мм.
В условиях яркого света операция наводки на резкость происходит за 0,5 с, слабого - за 3 с; точность фокусировки зависит от скорости перемещения объекта. В дневное время возможна съемка предметов, движущихся со скоростью 200 км/час на удалении 20 м.
Первым автоматическим зеркальным фотоаппаратом, управляемым одним нажатием на спусковую кнопку стал «Олимпус ОМ30» (1982). В нем использована так называемая система нулевого фокуса, позволяющая работать в условиях слабой освещенности, низкого контраста объекта, осуществлять съемку быстро движущихся предметов. Причем съемку можно вести с применением моторного привода и дистанционного управления фотоаппаратом и др. В случае дефокусировки спусковая кнопка блокируется.
Рис. 41. Принцип действия системы АФ, реализующей метод «нулевого контраста»
В рассматриваемом фотоаппарате устройство АФ построено на принципе измерения света, приходящего от ряда разных точек объекта съемки. Свет от каждой точки объекта съемки посредством маленького дополнительного зеркала, расположенного за полупрозрачной центральной частью основного зеркала, направляется на расщепляющее устройство, которое состоит из ряда датчиков. При сфокусированном положении объекта свет от каждой его точки, пройдя объектив, попадает на те же самые ответные части одной пары датчика, т. е. освещенность каждой половины одинакова (рис. 41). Если же изображение дефокусировано, то свет от каждой точки объекта попадает на разные датчики, создавая на полупарах разную освещенность. По направлению и степени смещения светового луча микрокомпьютер определяет значение требуемой коррекции, которая осуществляется перемещением объектива. Оптимальное положение указывается звуковым индикатором.
На корпусе фотоаппарата имеется переключатель, устанавливающий два режима работы в случае реализации устройства электронной фокусировки (первый - для объективов с относительным отверстием 1:2 и более, второй - для менее светосильных).
Следующим шагом развития систем АФ явилось устройство фирмы «Ниппон Когаку К.К.» (Япония). Отличительной особенностью предложенной системы является возможность использования ее с базовой серийной моделью - фотоаппаратом «Никон ФЗ». В устройстве системы АФ фокусировочный модуль, индикаторы резкости и источник питания размещены в съемной пентапризме (рис. 42). Это позволяет обычный серийный фотоаппарат превратить в систему с электронной фокусировкой изображения. Сфокусированное положение индицируется одновременным свечением двух стрелок-указателей.
Та же фирма предложила вариант фотоаппарата «Никон Ф3 АФ», отличающийся наличием системы контактов в зоне байонета. Это позволило связать электрические цепи модуля, размещенного в призме, и микродвигателя, расположенного на объективе. Фотоаппарат оснащен двумя объективами. Первый из них за 0,5 с осуществляет операцию фокусировки из положения «∞» до 1 м, второй - за 1,5 с, соответственно,- от «∞» до 2 м.
Рис. 43. «Чинон АФ»
Были сделаны попытки разместить устройство АФ только в объективе. Так, например, в 1981 г. появились стандартные объективы с байонетом «К», встроенным устройством АФ и исполнительным механизмом. Фирма «Чинон Индастрис Инк.» выпустила объективы 3,3 - 4,5/35 - 70 мм (рис. 43) и 1,7/50 мм с активным фокусирующим устройством, имеющим инфракрасный излучатель. Объектив имел необычную форму (два окна, расположенные вокруг объектива, служили люками для рабочих каналов устройства АФ). Управление системой производилось с помощью специальных клавишей. В задней части объектива располагались индикаторы (светодиодный и звуковой) положения наилучшей резкости.
Сложность устройств АФ привела разработчиков фотоаппаратов к мысли в отдельных случаях ограничиться только ручной электронной фокусировкой изображения. Так, например, фотоаппарат «Канон АЛ-1» (1981) имеет электронную полуавтоматическую наводку на резкость по индикаторам (рис. 44), что существенно облегчает фокусировку. Эта система относится к пассивным, работающим по принципу измерения контраста. Пучок света после объектива и главного зеркала, которое частично пропускает лучи, попадает на дополнительное зеркало и, отразившись от него, направляется на тройной делитель луча (рис. 45) . Делитель состоит из четырех микропризм с тремя отражающими поверхностями, которые разделяют поток света на три равные части. Далее каждая часть света попадает на свой фотоприемник, представляющий собой устройство с зарядовой связью. Фотоприемники расположены в одной плоскости. Однако за счет разной длины хода лучей каждого канала света в делителе оптически имитируется положение, при котором центральный фотоприемник расположен в плоскости фотоаппарата, а два крайних - перед и позади нее. Крайние датчики сравнивают контраст изображения. Равенство световых условий на крайних фотоприемниках является критерием наилучшей резкости.
Сигналы датчиков поступают в МП для анализа и выдачи необходимой информации с помощью средств индикации, расположенных в поле зрения видоискателя. Зеленый круглый сигнал индицирует положение оптимальной фокусировки, две крайние красные стрелки сигнализируют о нерезкости и указывают направление перемещения объектива.
Электронная (полуавтоматическая) фокусировка зеркальных фотоаппаратов наиболее удобна в случае использования широкоугольных или малосветосильных объективов, когда затруднена визуальная наводка на резкость с помощью традиционных фокусирующих средств.
Обзор основных схем устройств АФ показывает (рис. 46), что в зеркальном фотоаппарате системы АФ, как правило, располагают либо только в объективе, либо в объективе и корпусе фотоаппарата, либо в объективе и съемной пентапризме.
Рис. 46. Классификация методов и средств автоматической фокусировки (АФ)
Применение первого варианта исключает возможность использования сменных объективов, так как экономически нецелесообразно встраивать в каждый объектив дорогостоящее устройство АФ.
Второй вариант предпочтительнее, поскольку допускает применение системы электронной фокусировки.
Третий вариант представляется универсальным, так как дает возможность применять пентапризмы со встроенным устройством АФ с другими фотоаппаратами и объективами (для фокусировки с электронной индикацией).
В 1985 г. выпущен зеркальный фотоаппарат «Минолта 7000» (Япония) с набором из 12 сменных объективов (от 2,8/24 мм до 2,8/300 мм). Автоматическая наводка на резкость любым из объективов осуществляется устройством, размещенным в камере.
Каждый объектив имеет встроенное запоминающее устройство с постоянным хранением определенной информации, не допускающее ее изменения в процессе работы. Данное устройство через систему электрических контактов передает камере более 30 характеристик (тип объектива, фокусное расстояние, предел диафрагмирования и др.). Информация поступает в центральное процессорное устройство, после обработки часть ее направляется в другое процессорное устройство, которое служит для управления системой АФ. Принцип работы непосредственно модуля АФ аналогичен описанным выше.
Рассматриваемая система АФ исключила недостатки существовавших устройств: медленную фокусировку, невозможность работы при низкой освещенности, малом контрасте. Действительно, при работе объективом 4/35 - 70 мм время фокусировки не превышает 0,55 с.
Система АФ, работающая по контрасту изображения до Еv3, затем (при меньшей освещенности) подключает инфракрасный излучатель, который позволяет реализовать автофокус в темноте.
При съемке неконтрастных предметов (белая или черная плоскость) наводка производится полуавтоматически (по светодиодному индикатору).
Существующие устройства АФ по типу функционирования можно разделить на две группы. К первой следует отнести устройства, в которых операция фокусировки осуществляется автоматически, при нажатии на спусковую кнопку. Ко второй - устройства, в которых измерение дистанции и перемещение объектива в оптимальное положение производят последовательно и независимо, т. е. имеется устройство памяти наводки на резкость. Последнее позволяет контролировать фокусировку при построении кадра.
Сравнительная характеристика активной и пассивной систем. Рассмотренные выше системы АФ подразделяются на активные, пассивные и активно-пассивные.
Первые устройства определяют расстояние до объекта по времени срабатывания зондирующего сигнала, вторые в основном определяют наилучшую резкость по краевому контрасту изображения.
К достоинствам активных систем относится возможность использования их при низком уровне освещенности. Преимуществом систем с УЗ излучателем является их способность работать на незначительных расстояниях от объекта, что объясняется сравнительно малой скоростью распространения звука. Положительной особенностью пассивных систем является то, что они позволяют фокусировать фотоаппарат на предметы, малопригодные для ручной наводки на резкость (облака, тени).
К недостаткам активных систем с использованием ИК излучений относятся ошибки при отражении луча от объектов, поглощающих волны инфракрасной части спектра, а также при отражении от близлежащих поверхностей, от поверхности стекла. Кроме того, если превалирующая часть отражающей поверхности зеркальная, то при съемке под острым углом луч отражается в сторону от фотоаппарата, в результате чего устройство АФ ошибочно устанавливает объектив в зоне, отвечающей бесконечности.
К недостаткам следует отнести также воздействие на зондирующий сигнал условий внешней среды и текстуры поверхности объекта съемки; Кроме того, затруднена фокусировка мелких предметов, частично заполняющих фокусировочную зону видоискателя и не отражающих необходимого для реализации АФ количества инфракрасных лучей.
Недостатками пассивных систем являются невозможность использования их в условиях низкой освещенности. (экспозиционное число менее Еv 4); ненадежная работа в случае съемки объекта с низким контрастом (например, мелкие красные цветы на фоне зеленой травы); неспособность воспринимать небольшие цветовые оттенки одного цвета; возможность ошибки при съемке удаленных объектов.
Выделим четыре этапа развития устройств АФ.
Первый - устройства для простых фотоаппаратов, имеющих жестковстроенный объектив (фотоаппараты типа «Компакт», простые зеркальные фотоаппараты).
Второй - устройства для фотоаппаратов со сменными объективами, имеющими встроенную систему АФ.
Третий - полуавтоматические устройства, позволяющие использовать для фокусировки не только принципиально новые сменные объективы, но и ранее выпущенные. Последние предполагается фокусировать вручную, связав с индикатором резкости.
Четвертый - устройства, в которых система АФ расположена либо в съемочной пентапризме, либо непосредственно в камере.
Внедрение систем АФ даст возможность улучшить как техническую, так и творческую сторону фотографии.
