Autofocus

Autofocus

Several green focus points/areas indicating where the autofocus has locked

One selected green focus point using pinpoint autofocus

An autofocus (AF) optical system uses a sensor, a control system and a motor to focus on an automatically or manually selected point or area. An electronic rangefinder has a display instead of the motor; the adjustment of the optical system has to be done manually until indication. Autofocus methods are distinguished as active, passive or hybrid types.

Autofocus systems rely on one or more sensors to determine correct focus. Some AF systems rely on a single sensor, while others use an array of sensors. Most modern SLR cameras use through-the-lens optical sensors, with a separate sensor array providing light metering, although the latter can be programmed to prioritize its metering to the same area as one or more of the AF sensors.

Through-the-lens optical autofocusing is usually speedier and more precise than manual focus with an ordinary viewfinder, although more precise manual focus can be achieved with special accessories such as focusing magnifiers. Autofocus accuracy within 1/3 of the depth of field (DOF) at the widest aperture of the lens is common in professional AF SLR cameras.

Most multi-sensor AF cameras allow manual selection of the active sensor, and many offer automatic selection of the sensor using algorithms which attempt to discern the location of the subject. Some AF cameras are able to detect whether the subject is moving towards or away from the camera, including speed and acceleration, and keep focus — a function used mainly in sports and other action photography. Canon cameras call this AI servo; Nikon cameras call it "continuous focus".

The data collected from AF sensors is used to control an electromechanical system that adjusts the focus of the optical system. A variation of autofocus is an electronic rangefinder, in which focus data are provided to the operator, but adjustment of the optical system is still performed manually.

The speed of the AF system is highly dependent on the widest aperture offered by the lens at the current focal length. F-stops of around f/2 to f/2.8 are generally considered best for focusing speed and accuracy. Faster lenses than this (e.g.: f/1.4 or f/1.8) suelen tener una profundidad de campo muy baja, lo que significa que se tarda más en lograr un enfoque correcto, a pesar de la mayor cantidad de luz. La mayoría de los sistemas de cámaras de consumo solo enfocan automáticamente de forma fiable con objetivos que tienen una apertura máxima de al menosf /5.6, mientras que los modelos profesionales a menudo pueden manejar una apertura más amplia def /8, lo cual es particularmente útil para lentes que se utilizan junto con teleconvertidores .

Entre 1960 y 1973, Leitz (Leica) ^{[ 1 ]} patentó una serie de tecnologías de enfoque automático y sensores correspondientes. En 1976, Leica presentó en Photokina una cámara basada en su desarrollo anterior , llamada Correfot, y en 1978 exhibió una cámara SLR con enfoque automático totalmente funcional.

La primera cámara con enfoque automático producida en masa fue la Konica C35 AF , un modelo sencillo de apuntar y disparar lanzado en 1977. La Polaroid SX-70 Sonar OneStep fue la primera cámara réflex de objetivo único con enfoque automático , lanzada en 1978.

La Pentax ME-F , que utilizaba sensores de enfoque en el cuerpo de la cámara junto con un objetivo motorizado , se convirtió en la primera cámara réflex de 35 mm con enfoque automático en 1981.

En 1983 Nikon lanzó la F3AF , su primera cámara con enfoque automático, que se basaba en un concepto similar al de la ME-F. ^{[ 2 ]}

La Minolta 7000 , lanzada en 1985, fue la primera cámara réflex con un sistema de autoenfoque integrado, lo que significa que tanto los sensores de autoenfoque como el motor de accionamiento estaban alojados en el cuerpo de la cámara, así como un rebobinador de película integrado, que se convertiría en la configuración estándar para las cámaras réflex de este fabricante. Además, Nikon abandonó su sistema F3AF e integró el motor de autoenfoque y los sensores en el cuerpo de la cámara.

En 1987, Canon decidió descontinuar su montura FD y pasó a la montura EF, completamente electrónica, con objetivos motorizados.

Pentax fue la primera en introducir la medición de la distancia de enfoque para cámaras SLR con los objetivos de las series FA y FA* a partir de 1991. Sus primeros objetivos Pentax con montura K _AF y enfoque automático se habían presentado en 1989. ^{[ 3 ]}

En 1992, Nikon volvió a utilizar motores integrados en los objetivos de sus gamas AF-I y AF-S; hoy en día, sus cámaras réflex digitales de gama básica no tienen motor de enfoque en el cuerpo debido a la disponibilidad de motores en todos los nuevos objetivos AF desarrollados .

Los sistemas de enfoque automático activo miden la distancia al sujeto independientemente del sistema óptico y, posteriormente, ajustan este último para lograr un enfoque correcto.

Existen diversas formas de medir distancias, incluyendo ondas sonoras ultrasónicas y luz infrarroja . En el primer caso, la cámara emite ondas sonoras y, al medir el retardo en su reflexión, se calcula la distancia al sujeto. Las cámaras Polaroid , como la Spectra y la SX-70, son conocidas por aplicar con éxito este sistema. En el segundo caso, la luz infrarroja se utiliza habitualmente para triangular la distancia al sujeto. Cámaras compactas como la Nikon 35TiQD y la 28TiQD , la Canon AF35M y las Contax T2 y T3 , así como las primeras videocámaras, utilizaban este sistema. Un enfoque más reciente, presente en algunos dispositivos electrónicos de consumo, como los teléfonos móviles, se basa en el principio de tiempo de vuelo , que consiste en dirigir un láser o una luz LED hacia el sujeto y calcular la distancia en función del tiempo que tarda la luz en viajar hasta el sujeto y regresar. Esta técnica, a veces denominada autoenfoque láser , está presente en muchos modelos de teléfonos móviles de diversos fabricantes. También se utiliza en dispositivos industriales y médicos ^{[ 4 ]} .

Una excepción al método de dos pasos es el autoenfoque mecánico que incorporan algunas ampliadoras, que ajusta la lente directamente.

Los sistemas de enfoque automático pasivo determinan el enfoque correcto mediante un análisis pasivo de la imagen que ingresa al sistema óptico. Generalmente, no dirigen energía, como ultrasonidos u ondas de luz infrarroja, hacia el sujeto. (Sin embargo, se requiere un haz de asistencia de enfoque automático, generalmente de luz infrarroja, cuando no hay suficiente luz para realizar mediciones pasivas). El enfoque automático pasivo se puede lograr mediante detección de fase o medición de contraste.

La detección de fase (PD) se logra dividiendo la luz incidente en pares de imágenes y comparándolas. La detección de fase pasiva mediante registro de imagen secundaria a través del objetivo ( TTL SIR ) se utiliza frecuentemente en cámaras réflex digitales y de película . El sistema emplea un divisor de haz (implementado como una pequeña área semitransparente del espejo réflex principal, junto con un pequeño espejo secundario) para dirigir la luz a un sensor AF situado en la parte inferior de la cámara. Dos microlentes capturan los rayos de luz provenientes de los lados opuestos del objetivo y los desvían hacia el sensor AF, creando un telémetro sencillo con una base dentro del diámetro del objetivo. A continuación, se analizan las dos imágenes para detectar patrones de intensidad luminosa similares (picos y valles) y se calcula el error de separación para determinar si el objeto está enfocado frontal o posterior. Esto proporciona la dirección y una estimación del movimiento necesario del anillo de enfoque. ^{[ 5 ]}

El AF PD en modo de enfoque continuo (p. ej., "AI Servo" para Canon , "AF-C" para Nikon , Pentax y Sony ) es un proceso de control de bucle cerrado . Se cree que el AF PD en modo de bloqueo de enfoque (p. ej., "One-Shot" para Canon , "AF-S" para Nikon y Sony ) es un proceso de control de bucle abierto de "una medición, un movimiento" , pero el enfoque se confirma solo cuando el sensor AF detecta un sujeto enfocado. Las únicas diferencias aparentes entre los dos modos son que el modo de bloqueo de enfoque se detiene al confirmar el enfoque, y el modo de enfoque continuo tiene elementos predictivos para trabajar con objetivos en movimiento, lo que sugiere que son el mismo proceso de bucle cerrado. ^{[ 6 ]}

Aunque los sensores AF suelen ser tiras fotosensibles unidimensionales (de solo unos pocos píxeles de alto y unas pocas docenas de ancho), algunas cámaras modernas ( Canon EOS-1V , Canon EOS-1D , Nikon D2X ) incorporan sensores SIR de área TTL de forma rectangular que proporcionan patrones de intensidad bidimensionales para un análisis más detallado. Los puntos de enfoque de tipo cruzado tienen un par de sensores orientados a 90° entre sí, aunque normalmente uno de ellos requiere una apertura mayor que el otro para funcionar.

Algunas cámaras ( Minolta 7 , Canon EOS-1V , 1D , 30D / 40D , Pentax K-1 , Sony DSLR-A700 , DSLR-A850 , DSLR-A900 ) también tienen algunos puntos de enfoque de "alta precisión" con un conjunto adicional de prismas y sensores; estos solo se activan con " objetivos luminosos " con ciertas aperturas geométricas (normalmente número f 2.8 y más rápidas). La precisión extendida proviene de la base de medición efectiva más amplia del "telémetro".

Algunos sensores modernos (por ejemplo, el del Librem 5 ) incluyen aproximadamente un 2 % de píxeles de detección de fase en el chip. Con el software adecuado, esto permite el enfoque automático por detección de fase.

El enfoque automático por detección de contraste se logra midiendo el contraste (visión) dentro del campo del sensor a través del objetivo . La diferencia de intensidad entre píxeles adyacentes del sensor aumenta naturalmente con un enfoque correcto de la imagen. De este modo, el sistema óptico se puede ajustar hasta detectar el máximo contraste. En este método, el enfoque automático no implica la medición de distancia real. Esto plantea importantes dificultades al seguir sujetos en movimiento , ya que la pérdida de contraste no indica la dirección del movimiento, ya sea hacia o desde la cámara.

El enfoque automático por detección de contraste es un método común en las cámaras digitales que carecen de obturador y espejo réflex. La mayoría de las réflex digitales utilizan este método (o una combinación de enfoque automático por detección de contraste y de fase) al enfocar en sus modos de visualización en directo . Una excepción notable son las cámaras digitales Canon con Dual Pixel CMOS AF. Las cámaras sin espejo de objetivos intercambiables solían utilizar el enfoque automático por medición de contraste, aunque la detección de fase se ha convertido en la norma en la mayoría de ellas, lo que les proporciona un rendimiento de seguimiento de AF significativamente superior en comparación con la detección de contraste.

La detección de contraste impone limitaciones diferentes al diseño de lentes en comparación con la detección de fase. Mientras que la detección de fase requiere que la lente mueva su punto de enfoque de forma rápida y directa a una nueva posición, el enfoque automático por detección de contraste utiliza lentes que pueden recorrer rápidamente el rango focal, deteniéndose precisamente en el punto donde se detecta el máximo contraste. Esto significa que las lentes diseñadas para la detección de fase suelen tener un rendimiento deficiente en cámaras que utilizan la detección de contraste.

En algunas cámaras, la luz auxiliar (también conocida como iluminador AF) activa los sistemas de enfoque automático pasivo en situaciones de poca luz y bajo contraste . La lámpara proyecta luz visible o infrarroja sobre el sujeto, que el sistema de enfoque automático de la cámara utiliza para enfocar.

Muchas cámaras y casi todos los teléfonos con cámara ^{[ a ]} carecen de una luz de asistencia de enfoque automático dedicada. En su lugar, utilizan el flash incorporado, iluminando al sujeto con destellos de luz. Esto ayuda al sistema de enfoque automático de la misma manera que una luz de asistencia dedicada, pero tiene la desventaja de asustar o molestar a las personas. Otra desventaja es que si la cámara utiliza la asistencia de enfoque con flash y está configurada en un modo de funcionamiento que anula el flash, también puede desactivar la asistencia de enfoque. Por lo tanto, el enfoque automático podría fallar al enfocar al sujeto.

En ocasiones, se utiliza un destello estroboscópico similar para reducir el efecto de ojos rojos , pero esto solo tiene como objetivo contraer las pupilas del sujeto antes de la toma.

Algunos flashes externos incorporan lámparas de asistencia al enfoque automático que sustituyen al flash estroboscópico de la cámara. Muchos de ellos son rojos y menos llamativos.

De forma similar a un telémetro láser , los sistemas de autoenfoque pueden proyectar un láser con un patrón específico hacia el sujeto. Sony utiliza este método láser tanto en sus cámaras Cyber-shot desde 2003, bajo el nombre de Hologram AF Laser , como en algunos de sus teléfonos inteligentes, incluido el Xperia XZ .

En un sistema de autoenfoque híbrido, el enfoque se logra combinando dos o más métodos, como por ejemplo:

• Métodos activos y pasivos
• Detección de fase y medición de contraste

El doble esfuerzo se utiliza normalmente para compensar mutuamente las debilidades intrínsecas de los distintos métodos con el fin de aumentar la fiabilidad y la precisión generales o para acelerar el funcionamiento de la función de autofluorescencia.

Un ejemplo singular de sistema híbrido temprano es la combinación de un sistema de autoenfoque activo por infrarrojos o ultrasonidos con un sistema pasivo de detección de fase. Un sistema por infrarrojos o ultrasonidos basado en reflexión funciona independientemente de las condiciones de luz, pero puede verse fácilmente afectado por obstáculos como cristales, y su precisión suele estar limitada a un número reducido de pasos. El autoenfoque por detección de fase "ve" a través de los cristales sin problemas y es mucho más preciso, pero no funciona en condiciones de poca luz ni en superficies sin contraste o con patrones repetitivos.

Un ejemplo muy común de uso combinado es el sistema de autoenfoque por detección de fase utilizado en las cámaras réflex desde la década de 1980. El autoenfoque pasivo por detección de fase requiere cierto contraste para funcionar, lo que dificulta su uso en condiciones de poca luz o sobre superficies planas. Un iluminador AF ilumina la escena y proyecta patrones de contraste sobre superficies planas, permitiendo así que el autoenfoque por detección de fase funcione también en estas condiciones.

Una forma más reciente de sistema híbrido es la combinación de enfoque automático pasivo por detección de fase y enfoque automático pasivo por contraste, a veces asistido por métodos activos, ya que ambos requieren cierto contraste visible para funcionar. En sus condiciones operativas, el enfoque automático por detección de fase es muy rápido, puesto que el método de medición proporciona información tanto sobre la magnitud del desplazamiento como sobre la dirección, de modo que el motor de enfoque puede mover el objetivo hasta (o casi hasta) el enfoque sin mediciones adicionales. Sin embargo, las mediciones adicionales en tiempo real pueden mejorar la precisión o ayudar a seguir objetos en movimiento. No obstante, la precisión del enfoque automático por detección de fase depende de su base de medición efectiva. Si la base de medición es grande, las mediciones son muy precisas, pero solo funcionan con objetivos con una gran apertura geométrica (por ejemplo, 1:2.8 o superior). Incluso con objetos de alto contraste, el AF por detección de fase no funciona en absoluto con objetivos con una apertura menor que su base de medición efectiva. Para funcionar con la mayoría de los objetivos, la base de medición efectiva se suele ajustar entre 1:5,6 y 1:6,7, de modo que el AF siga funcionando con objetivos poco luminosos (al menos mientras no se cierre el diafragma). Sin embargo, esto reduce la precisión intrínseca del sistema de autoenfoque, incluso con objetivos luminosos. Dado que la base de medición efectiva es una propiedad óptica de la implementación, no se puede modificar fácilmente. Muy pocas cámaras ofrecen sistemas AF multi-PD con varias bases de medición conmutables según el objetivo utilizado, para permitir un autoenfoque normal con la mayoría de los objetivos y un enfoque más preciso con objetivos luminosos. El AF por contraste no presenta esta limitación inherente en cuanto a la precisión, ya que solo necesita un contraste mínimo del objeto para funcionar. Una vez que se dispone de este contraste, puede funcionar con alta precisión independientemente de la luminosidad del objetivo; de hecho, mientras se cumpla esta condición, puede funcionar incluso con el diafragma cerrado. Además, dado que el AF por contraste sigue funcionando con el diafragma cerrado, en lugar de solo con la apertura máxima, es inmune a los errores de desplazamiento del enfoque relacionados con la apertura.Los sistemas AF por detección de fase presentan limitaciones, ya que no pueden funcionar en modo de diafragma cerrado. Por lo tanto, el AF por contraste elimina la necesidad de ajustes de enfoque finos arbitrarios por parte del usuario. Además, el AF por contraste es inmune a los errores de enfoque debidos a superficies con patrones repetitivos y puede funcionar en todo el encuadre, no solo cerca del centro, como ocurre con el AF por detección de fase. Sin embargo, la desventaja es que el AF por contraste es un proceso iterativo de bucle cerrado que desplaza el enfoque rápidamente de un lado a otro. En comparación con el AF por detección de fase, el AF por contraste es lento, ya que la velocidad del proceso de iteración del enfoque está limitada mecánicamente y este método de medición no proporciona información direccional. Al combinar ambos métodos de medición, el AF por detección de fase puede ayudar a un sistema AF por contraste a ser rápido y preciso a la vez, a compensar los errores de desplazamiento del enfoque basados ​​en la apertura y a seguir funcionando con objetivos con diafragma cerrado, como, por ejemplo, en el modo de medición o de vídeo con diafragma cerrado.

Los avances recientes en cámaras sin espejo buscan integrar los sensores de enfoque automático por detección de fase en el propio sensor de imagen. Por lo general, estos sensores no son tan precisos como los sensores independientes más sofisticados, pero dado que el enfoque fino ahora se realiza mediante enfoque por contraste, los sensores de enfoque automático por detección de fase solo necesitan proporcionar información direccional aproximada para acelerar el proceso de enfoque automático por contraste.

En julio de 2010, Fujifilm anunció una cámara compacta, la F300EXR, que incluía un sistema de autoenfoque híbrido compuesto por elementos de detección de fase y basados ​​en contraste. Los sensores que implementan el AF de detección de fase en esta cámara están integrados en el Super CCD EXR de la cámara. ^{[ 7 ]} Actualmente se utiliza en la serie Fujifilm FinePix , ^{[ 8 ]} Fujifilm X100S , Ricoh , Nikon serie 1 , Canon EOS 650D/Rebel T4i y Samsung NX300 .

Los sistemas activos normalmente no enfocan a través de las ventanas, ya que las ondas sonoras y la luz infrarroja se reflejan en el cristal. Con los sistemas pasivos, esto generalmente no supone un problema, a menos que la ventana esté tintada. La precisión de los sistemas de autoenfoque activos suele ser considerablemente menor que la de los sistemas pasivos.

Los sistemas activos también pueden fallar al enfocar un sujeto que está muy cerca de la cámara (por ejemplo, en fotografía macro ).

Los sistemas pasivos pueden tener dificultades para enfocar cuando el contraste es bajo, especialmente en superficies grandes de un solo color (paredes, cielo azul, etc.) o en condiciones de poca luz. Los sistemas pasivos dependen de un cierto grado de iluminación del sujeto (ya sea natural o artificial), mientras que los sistemas activos pueden enfocar correctamente incluso en la oscuridad total cuando sea necesario. Algunas cámaras y unidades de flash externas cuentan con un modo de iluminación especial de bajo nivel (generalmente luz naranja/roja) que se puede activar durante el enfoque automático para permitir que la cámara enfoque.

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  Sistema de autoenfoque activo por infrarrojos - Canon AF35M (1979)
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  Sistema de autoenfoque pasivo temprano integrado en el objetivo con Pentax ME-F (1981)
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  Cámara réflex digital moderna (2014) con enfoque automático - Nikon D4

Un método conocido como trampa de enfoque , trampa de enfoque o captura en el foco utiliza el enfoque automático para tomar una foto cuando un sujeto se mueve hacia el plano focal (en el punto focal correspondiente); esto se puede usar para obtener una foto enfocada de un objeto en rápido movimiento, particularmente en fotografía deportiva o de vida silvestre , o alternativamente para establecer una "trampa" para que se pueda tomar una foto automáticamente sin que haya una persona presente. Esto se hace usando el AF para detectar pero no establecer el enfoque, usando el enfoque manual para establecer el enfoque (o cambiando a manual después de que el enfoque se haya establecido) pero luego usando la prioridad de enfoque para detectar el enfoque y solo disparar cuando un objeto está enfocado. La técnica funciona eligiendo el ajuste de enfoque (desactivando el AF), luego configurando el modo de disparo en "Único" (AF-S), o más específicamente prioridad de enfoque, luego presionando el obturador - cuando el sujeto se mueve hacia el enfoque, el AF lo detecta (aunque no cambia el enfoque) y se toma una foto. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

La primera cámara réflex en implementar el enfoque de trampa fue la Yashica 230 AF . El enfoque de trampa también es posible en algunas cámaras Pentax (por ejemplo, Kx y K-5 ), Nikon y Canon EOS . La EOS 1D puede hacerlo usando software en una computadora conectada, mientras que cámaras como la EOS 40D y 7D tienen una función personalizada (III-1 y III-4 respectivamente) que puede detener la cámara intentando enfocar después de fallar. En cámaras EOS sin enfoque de trampa genuino, se puede usar un truco llamado "enfoque casi de trampa", que logra algunos de los efectos del enfoque de trampa. ^{[ 12 ]} Usando el firmware personalizado Magic Lantern , algunas cámaras réflex digitales Canon pueden realizar el enfoque de trampa.

AI Servo es un modo de enfoque automático presente en las cámaras réflex Canon y en otras marcas como Nikon , Sony y Pentax , bajo el nombre de "enfoque continuo" (AF-C). ^{[ 13 ]} También conocido como seguimiento de enfoque , se utiliza para seguir a un sujeto mientras se mueve por el encuadre, o acercándose y alejándose de la cámara. Cuando se utiliza, el objetivo mantiene constantemente el enfoque en el sujeto, por lo que se usa comúnmente para fotografía deportiva y de acción . IA se refiere a inteligencia artificial : algoritmos que predicen constantemente dónde estará un sujeto basándose en sus datos de velocidad y aceleración del sensor de enfoque automático.

El enfoque automático moderno se realiza mediante uno de dos mecanismos: un motor en el cuerpo de la cámara y engranajes en el objetivo ("accionamiento por tornillo") o mediante la transmisión electrónica de la instrucción de accionamiento a través de contactos en la placa de montaje hasta un motor en el objetivo. Los motores integrados en el objetivo pueden ser de varios tipos, pero suelen ser motores ultrasónicos o motores paso a paso .

Los imanes se utilizan frecuentemente en motores electromagnéticos, como los motores de bobina móvil (VCM) y los motores paso a paso , que mueven los elementos de la lente para lograr un enfoque preciso. ^{[ 14 ]} El campo magnético interactúa con las bobinas para producir movimiento y ajustar la posición de la lente de forma rápida y precisa según los requisitos de enfoque. ^{[ 15 ]} Los imanes son ideales para este propósito porque permiten ajustes suaves y rápidos sin contacto físico directo, lo que mejora la durabilidad y el tiempo de respuesta. ^{[ 16 ]}

Algunas cámaras, incluidas todas las Canon EOS y los modelos DX de Nikon más económicos , no incorporan un motor de autoenfoque y, por lo tanto, no pueden enfocar automáticamente con objetivos que carecen de motor integrado. Algunos objetivos, como los modelos DA* de Pentax , aunque normalmente utilizan un motor integrado, pueden recurrir al enfoque por tornillo cuando la cámara no admite los contactos necesarios.

In photography, manual focus override, also known as full-time manual focus, allows manual intervention in the autofocus acquisition process simply by turning the focus ring on a photographic lens. There are a number of technologies used to implement this feature. Pentax uses the trademark Quick Shift to refer to its implementations of manual focus override.

• Circular polarizer, the only polarizer to work with some SLR autofocusers
• Fixed-focus lens
• List of Nikon compatible lenses with integrated autofocus-motor
• Manual focus override
• Light-field camera, a camera that enables focusing in a postprocessing step

• Demostración interactiva en Flash que muestra cómo funciona el enfoque automático por detección de fase.
• Demostración interactiva en Flash que muestra cómo funciona el enfoque automático por detección de contraste.
• Cómo funcionan las cosas: Enfoque automático
• Explicación del sistema de enfoque automático de las cámaras réflex digitales Canon EOS