Enfoque automático

Un sistema óptico de enfoque automático ( AF ) utiliza un sensor , un sistema de control y un motor para enfocar un punto o área seleccionado de forma automática o manual. Un telémetro electrónico tiene una pantalla en lugar del motor; el ajuste del sistema óptico debe realizarse manualmente hasta que se indique. Los métodos de enfoque automático se distinguen como de tipo activo , pasivo o híbrido.

Los sistemas de enfoque automático dependen de uno o más sensores para determinar el enfoque correcto. Algunos sistemas de enfoque automático dependen de un solo sensor, mientras que otros utilizan una matriz de sensores. La mayoría de las cámaras SLR modernas utilizan sensores ópticos a través del lente , con una matriz de sensores separada que proporciona medición de luz , aunque esta última se puede programar para priorizar su medición en la misma área que uno o más de los sensores de enfoque automático.

El enfoque automático óptico a través del objetivo suele ser más rápido y preciso que el enfoque manual con un visor convencional, aunque se puede lograr un enfoque manual más preciso con accesorios especiales, como lupas de enfoque. La precisión del enfoque automático dentro de 1/3 de la profundidad de campo (DOF) en la apertura más amplia del objetivo es común en las cámaras SLR profesionales con enfoque automático.

La mayoría de las cámaras con AF multisensor permiten la selección manual del sensor activo, y muchas ofrecen la selección automática del sensor mediante algoritmos que intentan discernir la ubicación del sujeto. Algunas cámaras con AF pueden detectar si el sujeto se está acercando o alejando de la cámara, incluida la velocidad y la aceleración, y mantener el enfoque, una función que se utiliza principalmente en deportes y otras fotografías de acción. Las cámaras Canon lo llaman servo AI ; las cámaras Nikon lo llaman "enfoque continuo".

Los datos recopilados por los sensores de AF se utilizan para controlar un sistema electromecánico que ajusta el enfoque del sistema óptico. Una variante del enfoque automático es un telémetro electrónico , en el que se proporcionan datos de enfoque al operador, pero el ajuste del sistema óptico se sigue realizando manualmente.

La velocidad del sistema AF depende en gran medida de la apertura más amplia que ofrece el objetivo en la longitud focal actual. Los valores f de alrededor dey​2 ay​En general, se considera que 2.8 es el mejor para la velocidad y precisión de enfoque. Los lentes más rápidos que este (por ejemplo:y​1.4 oy​1.8) suelen tener una profundidad de campo muy baja, lo que significa que lleva más tiempo lograr un enfoque correcto, a pesar de la mayor cantidad de luz. La mayoría de los sistemas de cámaras de consumo solo enfocan de manera confiable con lentes que tienen una apertura máxima de al menosy​5.6, mientras que los modelos profesionales a menudo pueden manejar una apertura más amplia dey​8, lo que resulta especialmente útil para lentes utilizadas junto con teleconvertidores . ^{[ cita requerida ]}

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

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 lente única con enfoque automático , lanzada en 1978.

La Pentax ME-F , que utilizaba sensores de enfoque en el cuerpo de la cámara acoplados a una lente motorizada , se convirtió en la primera SLR 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 SLR con un sistema de enfoque automático integrado, lo que significa que tanto los sensores AF como el motor de accionamiento estaban alojados en el cuerpo de la cámara, así como un bobinador de avance de película integrado, que se convertiría en la configuración estándar para las cámaras SLR de este fabricante, y también Nikon abandonó su sistema F3AF e integró el motor de enfoque automático y los sensores en el cuerpo.

Canon decidió descontinuar su montura FD y cambió a la montura EF completamente electrónica con lentes motorizadas en 1987.

Pentax fue la primera en introducir la medición de la distancia de enfoque para cámaras SLR con lentes de la serie FA y FA* a partir de 1991. Sus primeras lentes Pentax con montura K _AF con AF se introdujeron en 1989. ^[3]

En 1992, Nikon volvió a utilizar motores integrados en las lentes con su gama de lentes AF-I y AF-S; hoy sus DSLR de nivel de entrada no tienen un motor de enfoque en el cuerpo debido a la disponibilidad de motores en todas las lentes AF desarrolladas recientemente .

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Los sistemas AF activos miden la distancia al sujeto independientemente del sistema óptico y posteriormente ajustan el sistema óptico para lograr un enfoque correcto.

Existen varias formas de medir la distancia, incluidas las ondas sonoras ultrasónicas y la luz infrarroja . En el primer caso, las ondas sonoras se emiten desde la cámara y, midiendo el retraso en su reflexión, se calcula la distancia al sujeto. Las cámaras Polaroid , incluidas la Spectra y la SX-70, eran conocidas por aplicar con éxito este sistema. En el último caso, la luz infrarroja se suele utilizar para triangular la distancia al sujeto. Las cámaras compactas, incluidas la Nikon 35TiQD y la 28TiQD , la Canon AF35M y la Contax T2 y T3 , así como las primeras cámaras de vídeo, utilizaban este sistema. Un enfoque más nuevo incluido en algunos dispositivos electrónicos de consumo, como los teléfonos móviles, se basa en el principio del tiempo de vuelo , que implica hacer brillar una luz láser o LED sobre el sujeto y calcular la distancia en función del tiempo que tarda la luz en viajar hasta el sujeto y volver. Esta técnica a veces se denomina enfoque automático láser y está presente en muchos modelos de teléfonos móviles de varios proveedores. También está presente en dispositivos industriales y médicos ^{[4] .}

Una excepción al enfoque de dos pasos es el enfoque automático mecánico proporcionado por algunas ampliadoras, que ajustan la lente directamente.

Los sistemas AF pasivos determinan el enfoque correcto mediante el análisis pasivo de la imagen que ingresa al sistema óptico. Generalmente, no dirigen ninguna energía, como ondas de luz infrarrojas o ultrasónicas, hacia el sujeto. (Sin embargo, se requiere un haz de asistencia de enfoque automático, generalmente de luz infrarroja, cuando no hay suficiente luz para tomar 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 entrante en pares de imágenes y comparándolas. La detección de fase pasiva mediante registro de imagen secundaria a través de la lente (TTL SIR) se utiliza a menudo en cámaras SLR digitales y de película . El sistema utiliza un divisor de haz (implementado como una pequeña área semitransparente del espejo réflex principal, acoplado con un pequeño espejo secundario) para dirigir la luz a un sensor AF en la parte inferior de la cámara. Dos microlentes capturan los rayos de luz que vienen de los lados opuestos de la lente y los desvían al sensor AF, creando un telémetro simple con una base dentro del diámetro de la lente. Luego, se analizan las dos imágenes para buscar patrones de intensidad de luz similares (picos y valles) y se calcula el error de separación para determinar si el objeto está en la posición de enfoque frontal o posterior. Esto proporciona la dirección y una estimación de la cantidad requerida de movimiento del anillo de enfoque. ^[5]

El PD AF en un modo de enfoque continuo (por ejemplo, "AI Servo" para Canon , "AF-C" para Nikon , Pentax y Sony ) es un proceso de control de bucle cerrado . Se cree ampliamente que el PD AF en un modo de bloqueo de enfoque (por ejemplo, "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 un modo de bloqueo de enfoque se detiene en la confirmación del enfoque, y un 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 ) cuentan con sensores SIR de área TTL ^{[ cita requerida ]} que tienen forma rectangular y brindan patrones de intensidad bidimensionales para un análisis de grano más fino. Los puntos de enfoque de tipo cruzado tienen un par de sensores orientados a 90° entre sí, aunque un sensor generalmente requiere una apertura mayor para funcionar que el otro.

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; solo están activos con " lentes rápidas " 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, uno en el Librem 5 ) incluyen alrededor de un 2 % de píxeles de detección de fase en el chip. Con el soporte de software adecuado, eso permite el enfoque automático por detección de fase.

El enfoque automático con detección de contraste se logra midiendo el contraste (visión) dentro de un campo de sensor a través de la lente . La diferencia de intensidad entre píxeles adyacentes del sensor aumenta naturalmente con el enfoque correcto de la imagen. De este modo, el sistema óptico se puede ajustar hasta que se detecte el contraste máximo. En este método, el enfoque automático no implica en absoluto la medición de la distancia real. Esto crea desafíos significativos al rastrear sujetos en movimiento , ya que una pérdida de contraste no proporciona ninguna indicación de la dirección del movimiento hacia o desde la cámara.

El enfoque automático por detección de contraste es un método común en las cámaras digitales que carecen de obturadores y espejos réflex. La mayoría de las DSLR utilizan este método (o una combinación de enfoque automático por contraste y detección de fases) 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 con lentes intercambiables solían utilizar el enfoque automático por medición de contraste, aunque la detección de fases se ha convertido en la norma en la mayoría de las cámaras sin espejo, lo que les proporciona un rendimiento de seguimiento de AF significativamente mejor 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 manera rápida y directa a una nueva posición, el enfoque automático por detección de contraste emplea lentes que pueden recorrer rápidamente el rango focal y detenerse precisamente en el punto donde se detecta el contraste máximo. Esto significa que las lentes diseñadas para la detección de fase a menudo tienen un rendimiento deficiente en cuerpos de cámara que utilizan la detección de contraste.

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

Muchas cámaras y casi todos los teléfonos con cámara ^[a] carecen de una lámpara de asistencia de enfoque automático dedicada. En su lugar, utilizan su flash incorporado, que ilumina el sujeto con ráfagas 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 puede no captar el sujeto.

A veces se utilizan destellos estroboscópicos similares para reducir el efecto de ojos rojos , pero esto solo tiene como objetivo contraer las pupilas del ojo del sujeto antes de la toma.

Algunos flashes externos tienen lámparas de asistencia de enfoque automático integradas que reemplazan el flash estroboscópico de la cámara. Muchas de ellas son rojas y menos intrusivas. Otra forma de ayudar a los sistemas de enfoque automático basados ​​en contraste en condiciones de poca luz es proyectar un patrón láser sobre el sujeto. El método láser se denomina comercialmente Hologram AF Laser y se utilizó en las cámaras Sony CyberShot alrededor del año 2003, incluidos los modelos F707, F717 y F828 de Sony .

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

• 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 precisión generales o para acelerar la función AF.

Un ejemplo poco frecuente de un sistema híbrido temprano es la combinación de un sistema de enfoque automático por infrarrojos o ultrasónico activo con un sistema de detección de fases pasivo. Un sistema de infrarrojos o ultrasónico basado en la reflexión funcionará independientemente de las condiciones de luz, pero puede ser fácilmente engañado por obstáculos como los cristales de las ventanas, y la precisión suele estar restringida a un número bastante limitado de pasos. El enfoque automático por detección de fases "ve" a través de los cristales de las ventanas sin problemas y es mucho más preciso, pero no funciona en condiciones de poca luz o en superficies sin contrastes o con patrones repetidos.

Un ejemplo muy común de uso combinado es el sistema de enfoque automático por detección de fases que se utiliza en las cámaras réflex de un solo objetivo desde la década de 1985. El enfoque automático por detección de fases pasivo necesita cierto contraste para funcionar, lo que dificulta su uso en situaciones de poca luz o en superficies uniformes. Un iluminador AF iluminará la escena y proyectará patrones de contraste sobre superficies uniformes, de modo que el enfoque automático por detección de fases también pueda funcionar en estas condiciones.

Una forma más nueva de un 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 métodos necesitan algún contraste visible para funcionar. En sus condiciones operativas, el enfoque automático por detección de fase es muy rápido, ya que el método de medición proporciona información, la cantidad de desplazamiento y la dirección, de modo que el motor de enfoque puede mover la lente hacia el enfoque (o cerca de él) sin mediciones adicionales. Sin embargo, las mediciones adicionales sobre la marcha pueden mejorar la precisión o ayudar a realizar un seguimiento de los objetos en movimiento. Sin embargo, 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 pueden funcionar con lentes con una gran apertura geométrica (por ejemplo, 1:2.8 o mayor). Incluso con objetos con alto contraste, el AF por detección de fase no puede funcionar en absoluto con lentes más lentas que su base de medición efectiva. Para trabajar con la mayoría de los objetivos, la base de medición efectiva se establece normalmente entre 1:5,6 y 1:6,7, de modo que el AF siga funcionando con objetivos lentos (al menos mientras no se cierren los diafragmas). Sin embargo, esto reduce la precisión intrínseca del sistema de enfoque automático, incluso si se utilizan objetivos rápidos. Dado que la base de medición efectiva es una propiedad óptica de la implementación real, no se puede cambiar fácilmente. Muy pocas cámaras ofrecen sistemas de AF multi-PD con varias bases de medición conmutables según el objetivo utilizado para permitir un enfoque automático normal con la mayoría de los objetivos y un enfoque más preciso con objetivos rápidos. El AF de contraste no tiene esta limitación de diseño inherente en cuanto a precisión, ya que solo necesita un contraste de objeto mínimo con el que trabajar. Una vez que esto está disponible, puede funcionar con alta precisión independientemente de la velocidad de un objetivo; de hecho, mientras se cumpla esta condición, puede funcionar incluso con el objetivo cerrado. Además, dado que el AF de contraste sigue funcionando en modo cerrado en lugar de solo en modo de apertura abierta, es inmune a los errores de cambio de enfoque basados ​​en la apertura .Los sistemas AF de detección de fases tienen problemas porque no pueden funcionar en modo de apertura total. Por lo tanto, el AF de contraste hace innecesarios los ajustes arbitrarios de enfoque fino por parte del usuario. Además, el AF de contraste es inmune a los errores de enfoque debidos a superficies con patrones repetidos y puede funcionar en todo el encuadre, no solo cerca del centro del encuadre, como lo hace el AF de detección de fases. Sin embargo, la desventaja es que el AF de contraste es un proceso iterativo de bucle cerrado que cambia el enfoque de un lado a otro en rápida sucesión. En comparación con el AF de detección de fases, el AF de contraste es lento, ya que la velocidad del proceso de iteración del enfoque está limitada mecánicamente y este método de medición no proporciona ninguna información direccional. Al combinar ambos métodos de medición, el AF de detección de fases puede ayudar a un sistema AF de contraste a ser rápido y preciso al mismo tiempo, a compensar los errores de cambio de enfoque basados ​​en la apertura y a seguir funcionando con lentes con la apertura total, como, por ejemplo, en el modo de medición o de video con la apertura total.

Los últimos avances en cámaras sin espejo buscan integrar los sensores AF de detección de fases en el propio sensor de imagen. Normalmente, estos sensores de detección de fases no son tan precisos como los sensores independientes más sofisticados, pero como el enfoque fino ahora se realiza mediante el enfoque por contraste, los sensores AF de detección de fases 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 enfoque automático híbrido que constaba de elementos de detección de fase y basados ​​en el contraste. Los sensores que implementan el enfoque automático por detección de fase en esta cámara están integrados en el Super CCD EXR de la cámara. ^[7] Actualmente lo utilizan las cámaras Fujifilm FinePix Series, ^[8] Fujifilm X100S , Ricoh , Nikon 1 series , 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 vidrio. Con los sistemas pasivos esto no suele ser un problema, a menos que la ventana esté manchada. La precisión de los sistemas de enfoque automático activos suele ser considerablemente menor que la de los sistemas pasivos.

Los sistemas activos también pueden no lograr enfocar un sujeto que esté muy cerca de la cámara (por ejemplo, fotografía macro ).

Los sistemas pasivos pueden no encontrar el enfoque 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 no), mientras que los sistemas activos pueden enfocar correctamente incluso en oscuridad total cuando sea necesario. Algunas cámaras y unidades de flash externas tienen un modo especial de iluminación de bajo nivel (normalmente luz naranja/roja) que se puede activar durante la operación de enfoque automático para permitir que la cámara enfoque.

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

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

La primera SLR en implementar el enfoque por trampa fue la Yashica 230 AF. El enfoque por 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 tratando de enfocar después de que falla. ^{[ cita requerida ]} En las cámaras EOS sin un enfoque por trampa genuino, se puede usar un truco llamado "enfoque casi por trampa", que logra algunos de los efectos del enfoque por trampa. ^[12] Al usar el firmware personalizado Magic Lantern , algunas DSLR de Canon pueden realizar el enfoque por trampa.

AI Servo es un modo de enfoque automático que se encuentra en las cámaras SLR de 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 rastrear a un sujeto mientras se mueve alrededor del marco, o hacia y desde la cámara. Cuando está en uso, la lente mantendrá constantemente su enfoque en el sujeto, por lo que se usa comúnmente para fotografía deportiva y de acción . AI se refiere a inteligencia artificial : algoritmos que predicen constantemente dónde está a punto de estar un sujeto en función de 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 a un motor en el objetivo. Los motores basados ​​en objetivos pueden ser de varios tipos diferentes, pero a menudo son motores ultrasónicos o motores paso a paso .

Los imanes se utilizan a menudo 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 para ajustar la posición de la lente de forma rápida y precisa en función de 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]

Algunos cuerpos de cámara, incluidos todos los cuerpos de Canon EOS y los modelos DX de Nikon más económicos , no incluyen un motor de enfoque automático y, por lo tanto, no pueden enfocar automáticamente con lentes que no tienen un motor incorporado. Algunos lentes, como los modelos con designación DA* de Pentax , aunque normalmente usan un motor incorporado, pueden volver a funcionar con un destornillador cuando el cuerpo de la cámara no admite los pines de contacto necesarios.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Enfoque automático.

• Polarizador circular , el único polarizador que funciona con algunos autoenfoques SLR
• Lente de enfoque fijo
• Lista de objetivos Nikon compatibles con motor de enfoque automático integrado
• Anulación del enfoque manual
• Cámara de campo de luz , una cámara que permite enfocar en un paso de posprocesamiento.

• Demostración Flash interactiva que muestra cómo funciona el enfoque automático por detección de fase.
• Demostración Flash interactiva que muestra cómo funciona el enfoque automático por detección de contraste.
• Cómo funcionan las cosas: enfoque automático
• Explicación del enfoque automático de la cámara réflex digital Canon EOS