Automatyzacja procesu nastawy ostrości zapewne zajmowała myśli konstruktorów już od pionierskich czasów fotografii. Jednak praktyczne wykorzystanie pomysłów możliwe było do takiego stopnia, na jaki pozwalały ówcześnie dostępne technologie. Tak jak i w innych dziedzinach naszego życia, tak i na polu nastawy ostrości prawdziwa eksplozja możliwości nastała wraz z pojawieniem się pierwszych mikroprocesorów. W późnych latach 70. technologia produkcji układów scalonych osiągnęła przełomowy punkt w zakresie miniaturyzacji, kosztów i mocy obliczeniowej. To o tyle istotne, że można było zacząć na poważnie zajmować się tematyką autofokusu.

Wczesne eksperymenty bazowały na użyciu lasera lub ultradźwięków w celu pomiaru odległości od aparatu do fotografowanego motywu. Idea takiego pomiaru jest bardzo prosta. Wysyłamy wiązkę świetlną lub dźwiękową i oczekujemy, aż wróci. Dystans liczymy, wykorzystując czas pomiędzy wysłaniem a odebraniem, który dzielimy na połowę i mnożymy przez prędkość światła lub dźwięku. Mimo niewątpliwej zalety prostoty technicznej, systemy te były stosunkowo mało dokładne oraz podatne na zakłócenia. Nie wiedzieliśmy też, na jaki obiekt wiązka pada (co ją odbija). Dlatego ta metoda była najpowszechniej stosowana w analogowych kompaktach, gdzie wystarczyła regulacja ostrości na zasadzie blisko, niedaleko lub nieskończoność.

----- R E K L A M A -----

ZASZALEJ NA ŚWIĘTA

Sony 70-200/2.8 FE GM OSS - KOMIS

6298 zł

Sony 600/4 FE GM OSS - KOMIS

47999 zł

Fujifilm GFX 50S II (2262 zdj.) - KOMIS

10999 zł

Sony 24-70/2.8 FE GM - KOMIS

3799 zł

Detekcja fazy

Ta metoda jest kontynuacją rozwoju opisanego w poprzednim rozdziale podwójnego pryzmatu – celownika klinowego. Wykorzystujemy dwa liniowe sensory i mikroprocesor dokonujący obliczeń. Układ taki działa na zasadzie określania wzajemnych różnic obrazu między dwoma detektorami, na bazie czego wyznaczana jest korekta przesunięcia obiektywu, czyli zmiana odległości obrazowej. Bardzo istotną informacją jest, że czujnik fazowy nie tylko określa dystans, ale też kierunek korekty.

Układ fazowy, rozogniskowany – detektory rejestrują przesunięty obraz

Układ fazowy, zogniskowany – detektory rejestrują taki sam obraz

Detekcja fazowa ma trzy główne zalety. Po pierwsze: jako układ bazujący wyłącznie na obrazie padającym przez obiektyw, nie jest podatna na zakłócenia z zewnątrz. Po drugie, ponieważ analizowany jest dokładnie ten sam obraz, który pada na materiał światłoczuły, nie mamy znanego z dalmierzy problemu paralaksy. Po trzecie: pomiar ten jest bardzo prosty obliczeniowo. Na tyle prosty, że nie było problemem skonstruowanie na początku lat 80. dedykowanego obwodu elektronicznego. Nie ma też wymogu dokonywania precyzyjnych pomiarów – jedyne, co trzeba zrobić, to porównać dwie tablice jednowymiarowe.

Podobnie jednak jak dalmierz klinowy, tak i detekcja fazy ma swoje ograniczenia. Przede wszystkim pomiar jest realizowany tylko w jednym kierunku (prostopadle do klina), a geometria układu optycznego nakłada ograniczenia co do maksymalnego otworu przysłony.

Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej systemy wykrywania fazy zaczęły obsługiwać informację z większej liczby punktów, a detektory liniowe były coraz czulsze i pozwalały na pracę w gorszych warunkach oświetleniowych. Nowoczesne aparaty mają w układzie AF kilkadziesiąt takich czujników fazowych, dodatkowo umieszczonych w różnych kierunkach (np. detektory krzyżowe).

Nadal jednak ten typ pomiaru obarczony jest pewną skazą. Mimo błyskawicznej analizy, jak należy przesunąć soczewki w obiektywie – zapewnia on jedynie pewne przybliżenie. Należy też zauważyć, że jakość pracy tego układu ogniskowania mocno zależy od mechanicznych parametrów obiektywu. Kiepski silnik czy źle zaprojektowane tryby w obiektywie mogą wprowadzać duży błąd. Istotne znaczenie ma też prawidłowa kalibracja układu luster w aparacie, bez której pomiar będzie obarczony stałym błędem.

Detekcja kontrastu

Zwiększenie mocy obliczeniowej procesorów w latach 90. XX wieku pozwoliło detekcji kontrastu stać się praktyczną metodą nastawy ostrości. Ten typ pomiaru jest nierozłącznie związany z techniką fotografii cyfrowej. Bazuje on bowiem na analizie obrazu z matrycy.

Wykorzystano to zjawisko, które towarzyszy zwiększaniu ostrości. Czym jest ostrość? Kontrastowym obrazem. Wystarczy pobrać fragment obrazu z matrycy i wyznaczyć profil jasności. Jego analiza pozwoli wskazać kontrast. Idea nastawy ostrości polega zatem na sukcesywnej korekcji pozycji soczewek, aż wartość kontrastu będzie największa. Aparat wykonuje pomiar, przesuwa obiektyw i ponownie mierzy. Jeśli wynik jest lepszy od poprzedniego, kierunek przesuwania obiektywu jest poprawny. Oznacza to, że aparat musi wykonać pomiary przed, a także za poprawną płaszczyzną ostrości.

Nastawa	Krawędź	Profil jasności
Mocno przed celem
Przed celem
Nastawa optymalna
Za celem
Mocno za celem

Problemem, który w tym typie pomiaru doskwiera najbardziej, jest brak informacji o wymaganym kierunku zmian. Algorytm może jedynie określić, czy kolejny pomiar jest lepszy czy gorszy. Stąd efekt popularnie zwanym „pompowaniem”, który jest szczególnie irytujący przy słabym oświetleniu lub przy używaniu wysokiej czułości.

Z drugiej strony system detekcji kontrastu ma kilka zalet w porównaniu do detekcji fazy. Po pierwsze, nie ma wymogu używania maksymalnej przysłony. Jeśli jest jeszcze wystarczająca ilość światła, aparat może ustawić ostrość. Po drugie, nie ma elementów mechanicznych w budowie czujnika – to jedynie algorytm przetwarzania danych. Nie istnieje tu znany z układów fazowych problem kalibracji czujnika.

Dziś algorytmy pracy autofokusu kontrastowego są na tyle zaawansowane, by móc określać ten pomiar jako bardzo szybki, pozwalający wprost konkurować z układami fazowymi.

Układy hybrydowe

Obie opisane metody pomiaru można połączyć tak, by ze sobą współpracowały. Układ luster powoduje jednak, że albo działa czujnik fazowy, albo kontrastowy, ale nie oba naraz.

Ostatnimi czasy coraz częściej tworzy się matryce z zabudowanymi „pikselami fazowymi”. W takim systemie hybrydowym punkty detekcji fazowej umieszczone bezpośrednio w matrycy światłoczułej dostarczają aparatowi informacje, czy obiektyw ogniskuje obraz przed, czy za matrycą. Eliminuje to początkowe polowanie autofokusu kontrastowego, co przyspiesza cały proces AF. Piksele fazowe są używane tak długo, póki obraz nie znajdzie się w zakresie tolerancji. Dalej aparat bazuje już na pomiarze kontrastu, by dokładniej zestroić ostrość wstępnie ustaloną pomiarem fazowym.

Pod wieloma względami systemy hybrydowe biorą to, co najlepsze z rozwiązania fazowego i kontrastowego. Co ważne – unikają ich wad. W przeciwieństwie do systemów fazowych w lustrzankach, system hybrydowy nie ma zwiększonej złożoności toru optycznego, nie ogranicza go też przysłona.

Historia technik nastawy ostrości zatacza koło. Zaczynaliśmy z lupą do kontroli fragmentu obrazu na matówce, ręcznie śledząc kontrast i ostrość obrazu. Później przyszedł czas na różne metody pośredniego pomiaru odległości do fotografowanego obiektu. Dziś systemy hybrydowe robią dokładnie to samo, co czyniono w początkach fotografii.