Autofokus u jednookých zrcadlovek, I.díl

V prvním článku věnovanému systémům automatického zaostřování si vysvětlíme jak funguje aktivní a pasívní autofokus a jaké jsou jejich hlavní výhody a slabiny. Zároveň si začneme povídat o nedávné historii, jak se tyto technologie vyvíjely a jak jednotlivé firmy svými inovacemi přispívaly k vylepšování těchto systémů. Samozřejmě vysvětlíme, co která funkce přináší uživateli.

První patentový spis ohledně automatizace zaostřování byl podán již v roce 1932. Tehdy však šlo ještě spíše o fantazii, než vážně míněnou věc.

O možnostech automatizace zaostřování reálně uvažovaly špičkové světové firmy v průběhu šedesátých let. Vznikaly patenty na nejrůznější hybridní systémy, v praxi se však žádný z nich – především pro značnou mechanickou komplikovanost – neprosadil. S postupným rozvojem elektroniky se nejprve začaly vyrábět systémy automatického zaostřování založené na principu infračervené triangulace resp. ultrazvukového echolotu – aktivní zaostřovací systémy.

Aktivní systémy automatického zaostřování

Aktivní zaostřovací systémy jsou vybaveny vlastním zdrojem signálu (zdroj ultrazvuku – systém jako echolot, infračervený reflektor – systém infračervené triangulace), který tvoří jednu část zařízení. Druhou část zařízení tvoří přijímač. Měření vzdálenosti probíhá jednoduchým způsobem – zařízení vyšle signál k snímanému objektu, signál se od objektu odrazí a dopadne na přijímací čidlo zařízení. Výsledná vzdálenost je vypočtena z doby, kterou trvá přijetí vyslaného signálu (resp. z úhlu, pod jakým dopadne paprsek na přijímací čidla zařízení). Výhodou aktivních systémů je nezávislost na kontrastu objektu a možnost zaostřování i při úplné tmě. Ultrazvukové systémy výrazněji používala pouze firma Polaroid, a to u svých fotoaparátů pro okamžitou fotografii. Do dnešní doby přežily pouze systémy infračervené, které se díky svému uspořádání zabydlely v kompaktních fotoaparátech.

Mezi hlavní nevýhody aktivních systémů automatického zaostřování lze počítat nemožnost zaostřování skrz sklo, resp. jiné objekty v popředí záběru, nízký dosah a nemožnost jejich umístění za objektiv jednooké zrcadlovky – tím je značně omezena jejich přesná směrovatelnost na fotografovaný objekt. Další problémy přinášejí tyto systémy při zaostřování pohybujících se objektů, zaostřování objektů některých barevných odstínů a objektů ve větších vzdálenostech. V jednookých zrcadlovkách lze tyto systémy nelézt pouze výjimečně – objevují se například jako doplňkový systém automatického zaostřování u některých digitálních jednookých zrcadlovek.

S vývojem nových elektronických součástek a jejich postupnou miniaturizací bylo možné uvažovat o zaostřovacích systémech pasivních, které nejsou vybaveny žádným vlastním zdrojem měřícího signálu, ale zaostřují na základě analýzy snímaného obrazu. Tyto systémy naprosto převládly jako zaostřovací systémy jednookých zrcadlovek až do dnešní doby, jejich popis je tedy náplní následujícího tex­tu.

Pasivní systémy automatického zaostřování

První pasivní systémy byly velmi jednoduché – byly založeny pouze na principu, že zaostřený obraz je mnohem kontrastnější než rozostřený. Měřil se tedy pouze kontrast obrazu, vykresleného objektivem. Takovýto systém pracuje poměrně spolehlivě za optimálních světelných podmínek a rozložení jasů standardního motivu. Vymyká-li se fotografovaný objekt standardním podmínkám – např. je nadměrně tmavý nebo světlý, scéna má nízký kontrast apod., nelze dosáhnout správných výsledků. Bylo tedy nutné použít o něco složitější metodu. Tato metoda se nazývá TTL systém s fázovou detekcí a je v současnosti prakticky jedinou běžně používanou měřící metodou.

Dálkoměrný klín v rovině



Schema funkce dálkoměrného klínu:

Dálkoměrný klín v rovině Dálkoměrný klín v rovině Dálkoměrný klín v rovině

Za složitě znějícím názvem se skrývá poměrně snadno pochopitelná metoda zaostřování. Princip je naprosto stejný, jako při zaostřování pomocí dálkoměrného klínu na matnici uprostřed hledáčku fotoaparátů s manuálním zaostřováním. Dálkoměrný klín, umístěný uprostřed matnice v hledáčku, se skládá ze dvou nízkých hranolů, které odklánějí pohled oka k okrajovým paprskům na opačných stranách obrazového kruhu (pole). Sbíhají-li se paprsky správně v rovině matnice, můžete pozorovat nepřerušený obraz. Je-li zaostřeno před, resp. za rovinu matnice, sbíhají se okrajové paprsky mimo matnici, a obraz se jeví rozdělený, posunutý v dělící rovině obou hranolků dálkoměrného klínu. Obdobným způsobem pracuje i systém fázové detekce. Obraz vykreslený objektivem je odkloněn (pomocným zrcátkem) na systém automatického zaostřování, tvořený čočkami, odklánějícími okrajové paprsky obrazu stejně jako hranoly dálkoměrného klínu, a snímači (řádkovými nebo plošnými), které tyto paprsky zachycují (celý systém tvoří jeden pevný monoblok součástí a je umístěn na dně zrcadlového boxu fotoaparátu). Paprsky z levé části obrazu vykresleného objektivem jsou promítány na jeden řádek snímačů, paprsky odkláněné vpravo jsou promítány na druhý řádek snímačů (pro představu – jde samozřejmě o svazky paprsků, které na snímačích pokryjí určitou plochu, sloužící poté jako hlavní zdroj pro analýzu ostrosti obrazu). Snímače jsou tvořeny v převážné většině případů CCD prvky, někteří výrobci používají prvky CMOS, které již dnes mají minimum dřívějších nevýhod (vysoký šum, nízká citlivost). Snímače pracují stejně jako v digitálních fotoaparátech – jde tedy o fotodiody, na kterých se vytváří elektrický náboj, který lze vyhodnocovat.

K dispozici jsou tedy vždy dvojice proužků snímačů, na které dopadnou dva kužely světla. Výsledná informace je tvořena zaznamenanými jasovými hodnotami jednotlivých snímačů (pixelů). Tato informace se převede do vlnové formace, reprezentující světla a stíny v obraze. Podle toho, jak jsou vlnové formace obou sekundárních obrazů vzájemně fázově posunuty, je zjištěn rozdíl oproti správnému zaostření, a provedena korekce na objektivu tak, aby se vlnové formace fázově shodovaly. V textu to vypadá složitě, obrázek by měl napovědět více.

Princip pasivního zaostřování metodou fázové detekceSchema umístění AF jednotky ve fotoaparátu

První vlaštovkou mezi jednookými zrcadlovkami s tímto systémem byl v roce 1981 Pentax ME-F. Nešlo tehdy ještě o komplexně pojatou autofokusovou zrcadlovkou, jak je známe dnes. Jednalo se o upravený standardní model fotoaparátu Pentax ME Super, doplněný o obvody automatického zaostřování. Nebyl tedy k dispozici systém objektivů, konstruovaných pro automatické zaostřování, ale pouze speciální objektiv s vestavěným zaostřovacím motorem a bateriemi. Nicméně systém pracoval stejným způsobem, jako dnes pracují špičkové zaostřovací systémy – mezi objektivem a fotoaparátem nebylo mechanické propojení náhonu zaostřování (tedy ve fotoaparátu nebyl vestavěný ostřící motor), ale pouze kontakty pro elektrický přenos zaostřovacích informací.

Pentax MEF Contax AF (modifikovaný 137MD)

Ihned poté se vyrojila spousta konkurenčních výrobků, vyrobených na stejném principu. Některé firmy zvolily odlišnou cestu – např. fotoaparát Canon AL1-QF byl vybaven pouze zaostřovací indikací v hledáčku, ne však propojením na objektivy s automatickým zaostřováním. Stejný systém použila firma Contax o mnoho let později u jedné ze svých špičkových zrcadlovek. Canon byl také jedním z výrobců, kteří pro svou řadu manuálních fotoaparátů vyráběli objektivy s vestavěným kompletním nezávislým infračerveným zaostřovacím systémem.

Minolta 7000

O autofokusové zrcadlovky jak je známe dnes, však ještě tehdy nešlo. První, kdo představil současnou koncepci autofokusové zrcadlovky, byla firma Contax, která tak učinila v roce 1982 prototypem modifikovaného fotoaparátu 137MD. Bohužel však výrobek ještě poněkud předběhl dobu, a tak bylo nutno čekat až do roku 1985, kdy představila Minolta svojí zrcadlovku Minolta 7000, podpořenou rozsáhlým systémem příslušenství.
Šlo o vskutku revoluční, pečlivě propracovaný model, určující styl autofokusových zrcadlovek až do dnešních dnů.

Minolta Dynax 7000i

Základ byl tedy položen. Před výrobou skutečně efektivních zaostřovacích systémů však stálo ještě mnoho překážek. Zaostřování autofokusových zrcadlovek bylo v té době poměrně pomalé a v nestandardních situacích nespolehlivé. Selhávalo u scén s nízkým kontrastem, u scén s absencí vertikálních linií (šlo o horizontální řádkové senzory, které nebyly schopny zaostřit na horizontální linie). Rovněž citlivost byla nízká, a systémy pracovaly spolehlivě pouze za lepších světelných podmínek. Obrat nastal koncem osmdesátých let. Nejprve uvedla v r. 1988 Minolta velice povedený model Dynax 7000i. Tento přístroj měl již tři zaostřovací pole – centrální horizontální, a dvě krajní vertikální. Odstranil se tak problém s objekty, u kterých převládaly horizontální linie. Zatímco problém horizontálních linií lze při fotografování (je-li dostatek času) poměrně snadno obejít příčným náklonem fotoaparátu, další problém již tak snadno odstranitelný není – při fotografování rychleji se pohybujícího objektu dojde vlivem poměrně dlouhé prodlevy mezi stiskem spouště a expozicí snímku k přemístění objektu mimo rovinu zaostřené vzdálenosti. Minolta byla první, kdo tento problém vyřešil, a to systémem tzv. prediktivního ostření (také nazývaného paměťové doostřování).

Prediktivní ostření pracuje následovně:
Většina zaostřovacích systémů má dva režimy ostření. Režim Single (One-Shot) pro statické objekty (po dokončení zaostřování fotoaparát zablokuje zaostřenou vzdálenost) a režim Continuous (AI-Servo) pro pohyblivé objekty (fotoaparát trvale plynule doostřuje na snímaný objekt). První systém má nevýhodu v tom, že když přestane zaostřovat a zablokuje zaostřenou vzdálenost, je při změně polohy snímaného objektu třeba uvolnit a znovu namáčknout tlačítko spouště pro přeostření na novou vzdálenost. Druhý systém naopak přeostřuje stále, což může u objektů kritických na zaostření (např. makrosnímek nebo portrét) vést k chybě. Prediktivní zaostřování je běžně spjato s druhým systémem, u novějších přístrojů vyšší kategorie pracuje i v režimu Single (tento se při obnovení pohybu objektu taktéž automaticky přepne na Continuous).
Konečně tedy k samotnému prediktivnímu ostření. Fotoaparát během sledování pohybujícího se objektu v určitých časových intervalech neustále přepočítává rychlost pohybu snímaného objektu. Po stisku spouště až do samotné expozice snímku provádí na pozadí jiných činností přeostřování „naslepo“ podle vypočtených údajů. Tento systém se ukázal jako velice praktický. Dnes se již zřejmě nenajde autofokusová zrcadlovka, která by jím nebyla vybavena.

Křížový senzor fotoaparátu Canon EOS2

Dalším významným mezníkem bylo uvedení fotoaparátu Canon EOS 1, vybaveného prvním křížovým zaostřovacím senzorem a systémem objektivů s vestaveným zaostřovacím motorem. EOS 1 byl významným mezníkem, který zbořil poslední pochyby ohledně vhodnosti automatického zaostřování do profesionálního provozu. Jeho uvedením získala firma Canon na dlouhé roky náskok vůči všem konkurentům, a především nejbližšímu rivalovi, firmě Nikon.

Schéma uspořádání ostřící jednotky BASIS

EOS 1 byl na dlouhou dobu představitelem poslední významné inovace systému automatického zaostřování. Vybavení fotoaparátů se ustálilo na volbě režimů zaostřování Single (One Shot) a Continuous (Servo), blokaci zaostření (Focus Lock – aktivace zvláštním tlačítkem, resp. v režimu Single automaticky po dokončení zaostřování a trvajícím namáčknutí tlačítka spouště), prediktivním zaostřování, a u lepších modelů možnosti nastavení priority zaostření resp. spuštění (priorita zaostření znamená, že před ukončením zaostřování nelze provést expozici snímku; priorita spuštění znamená, že lze kdykoli promáčknout spoušť pro expozici snímku, a to i v případě nedokončeného zaostřování – obě metody jsou často svázány s režimy Single a Continuous, u lepších přístrojů je lze pomocí uživatel­ských funkcí různě kombinovat).
Další, poměrně zřídka používanou funkcí je funkce předostření (focus preset). Tato funkce umožní automaticky spustit závěrku v okamžiku vstoupení objektu do zóny zaostřené vzdálenosti. Přístroje Canon jsou prakticky od počátku vybaveny funkcí DEP, což je automatické zaostření pro požadovaný rozsah hloubky ostrosti – fotoaparát je třeba zaměřit na nejbližší a nejvzdálenější hraniční místa, která mají být ostře zobrazena, a přístroj poté automaticky nastaví hodnotu vzdálenosti a clony, potřebné pro daný rozsah ostré kresby.

V průběhu vývoje se potvrdilo, že pro možnost opravdu rychlého zaostřování jsou nezbytné objektivy s vnitřním ostřením a vestavěnými zaostřovacími motory – nejlépe ultrazvukovými (USM, HSM, Silent Wave Motor). Ty použil prvně Canon u profesionálních objektivů pro model EOS 1, čímž prakticky odrovnal (zejména v oblasti sportovní fotografie) veškerou konkurenci. Je to logické, mechanický náhonu objektivu motorem v těle fotoaparátu nemůže být díky ztrátám v mechanismu nikdy tak účinný, jako motor vestavěný přímo v objektivu (alespoň při pohánění obdobných hmot).


Během několika příštích dnů uveřejníme druhý díl věnovaný této problematice. Zaměříme se především na současnou situaci v této oblasti a zároveň se dozvíte několik praktických rad, jak dosáhnout s těmito systémy dobré výsledky.

Motory USM
     

Líbil se vám článek?

Komentáře

Zobrazit diskusi ke článku ve fóru
  • Pedro 1
    Pedro 1
    15.05.2002 22:53

    Ja jsem videl stary fotak s dalkomerem a tam v hledacku 2 tusim obdelnicky, stranove posunute, cili jeden vic vlevo a druhy vic vpravo. Pri zaostreni se vzajemne prekryvaly, coz bylo na svoji dobu urcite super, co ja bych za to dal u me jinak skvele Practiky FX-2 (no ale od zitrka fotim s Dynaxem 5). Takze HALe: takhle to vypada z pohledu uzivatele, z pohledu technika mi nepomohl ani Martinuv polopaticky vyklad, neb nektere veci chapu jen nakreslene. I kdyz asi tusim..

  • Martin Měska
    Martin Měska
    Autor
    16.05.2002 20:02

    Teoretické popsání celého systému ještě o něco komplikovanější než předchozí výklad. Co se týká umístění obou hranolků, jsou oba umístěny v rovině ostrosti matnice - ta může být podle konstrukce hledáčku na horní i spodní straně. Sklon hranolků se současně s jejich indexem lomu (a poměrem ohniskových vzdáleností objektivu a hledáčkové soustavy) podílí na šířce měřící "báze" dálkoměru. Sklon hranolků je obvykle v rozmezí 4 až 8 stupňů - je počítán pro určitou světelnost objektivu (a tedy i úhel výstupního svazku paprsků). Pro větší názornost se pokusím do článku dodat schematické nákresy činnosti zařízení. Martin Měska

  • Martin Měska
    Martin Měska
    Autor
    21.05.2002 10:06

    Pozor! Článek byl doplněn o nákresy, vysvětlující provedení a funkci dálkoměrného klínu uprostřed matnice fotoaparátu.
    Martin Měska

  • Jano
    Jano
    29.07.2002 15:21

    to HAL:
    Predstav si valec zo skla (výška napr. 1cm, priemer 5cm). Zbrús ho zvrchu tak, aby si vytvoril klin (na jednej strane priemeru má hrúbku 1cm, na druhej 0 - skoro). Rozrež ho na 2 polovice (podla toho priemeru z predchádzajúcej vety). Toto urob aj s druhým valcom a zlep dokopy vždy dva rovnaké kliny - dostaneš 2 diaľkomerné kliny. Tieto fungujú (ako písal Martin) tak, že ak zaostríš presne na optický stred tohoto klinu, obraz zostane nezmenený, inak budú polovice obrazu navzájom posunuté.

  • Jano
    Jano
    29.07.2002 15:25

    to Pedro:
    ostrenie na týchto foťákoch (väčšinou s hľadáčikom) je založené na tom, že hľadáčiky sú v podstate 2 (po oboch stranách foťáku). Obraz sa z nich skladá zrkadlami (a hranolom), ktoré sa otáčajú podľa zaostrenej vzdialenosti.

Pro vkládání komentářů musíte být přihlášen.

Komentáře k článku (13)

Tisknout článek

Tip na článek

Jak funguje režim vysokého rozlišení
Jak funguje režim vysokého rozlišení

40 mo­delů fo­to­a­pa­rátů dnes ge­ne­ruje fo­to­gra­fie s vy­so­kým roz­li­še­ním (high re­so­lu­tion mode) ty­picky 4× vět­ším, než je roz­li­šení vlast­ního sen­soru. Pa­na­so­nic Lu­mix 5S II tak zvýší množ­ství pi­xelů z 24Mpix na 96Mpix. Re­žim vy­so­kého roz­li­šení u Pa­na­so­nic Lu­mix 5S II jsem vy­zkou­šel na Šu­mavě při fo­to­gra­fo­vání hor­ského po­toka dlou­hými časy, kra­jiny krát­kým te­le­ob­jek­ti­vem a rysa os­t­ro­vida krát­kou ex­po­zicí.

Doporučujeme

Nejčtenější články

Nejčtenější fototesty

FotoAparát.cz - Instagram