AF(オートフォーカス)のしくみを解説するよ

一眼レフはもちろん、スマホやコンデジなどの最近の全てと言ってもいいカメラにはAF(オートフォーカス)が搭載されています。シャッターボタンを半押しするか液晶ディスプレイをタッチするとピンボケしていたところがシャープになります。

今回はカメラの中のAFのしくみを解説したいと思います。

そのまま撮るとピンボケしてしまう

AFの説明の前にそもそも「ピント」とは何か見てみたいと思います。しばしば「ピンぼけしている」などと言いますよね。

レンズを通った光はセンサーに結像します。一点に集まっていない状態のことをピンぼけと言うのですが、そのまま撮ってもピンぼけしてしまいます。ピントを合わせるには原理的にはレンズ群の一部を前後に動かします。AFが登場する以前のはMFといって(「MF」という言い方はAFと対比させた言葉なので当時はありませんでした)と手動でフォーカスリングを回してファインダーで確認しながらピントを合わせていました。

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AFはそれを自動でやってくれる

人間の目というのは人によって視力が違いますし、ピントを合わせるのに時間がかかります。そのようなレンズの焦点を合わせる動作を自動でやってくれるのがAFです。被写体との距離やコントラストを元にレンズ内のモーターを駆動させます。「自動ピント合わせ」ということもできます。

そのAF方式には2種類あります。

アクティブ方式

これは空港や軍事施設にあるレーダーに似ています。シャッターボタンを半押しするとカメラから(人間の目に見えない)赤外線・超音波が出てそれが被写体に当たり、それが跳ね返ってくるまでの時間から角度や距離を算出してピントを合わせる方法です。

似たようなのに「AF補助光」がありますがアクティブAFとは別物です。AF補助光は人間の目に見える赤い光を被写体にあてて、以下で紹介するパッシブ方式のAFセンサーが被写体を見えやすくするためのものです。

被写体までの距離(撮影距離)が10m以下のときに使える。それ以上だと跳ね返ってくる光線が弱すぎるので感知しにくくなるのでピントを無限遠として補正します。

  • メリット
    • 暗い環境でも使える:以下で解説するパッシブ方式は被写体にコントラストと明るさが必要ですが、アクティブ式は暗い被写体や低いコントラストの被写体でも合わせることができます。
    • レンズアクセサリの影響を受けない:以下で解説するパッシブ式はレンズを通った光を解析するのでフィルターやエクステンションチューブなどのレンズアクセサリの影響を受けてしまいますが、アクティブAFの装置はレンズマウントとは違う位置にあるのでそういったアクセサリの影響を受けません。
  • デメリット
    • 手前に障害物があると動作しないことが:例えば動物園の檻の格子など、被写体と間に障害物があるとAFを正確に測ることができません。
    • レンズによっては使えない:レンズの位置と赤外線が発せられるカメラの位置が少しずれているので、大きなレンズだと赤外線を邪魔してしまうことがあります。

パッシブ方式

これが一番メジャーな方式で、大半のカメラで採用されています。

パッシブ(passive)は「受け身の」という意味で、上記のアクティブ型とは逆に被写体に反射した光を測定する方式です。

  • メリット:
    • ファインダーから見ているままの被写体を計測するので窓越しや水中などでも使える。
    • 被写体との距離が遠くても使える。
  • デメリット:
    • 被写体が暗かったりコントラストの低い被写体(真っ白の壁など)ではうまく検知できない
    • レンズの開放絞り値の影響を受ける(暗いと不利)

位相差(いそうさ)AF

主に一眼レフカメラで採用されている方式で、英語ではphase detectionやphase differenceと呼ばれています。難しそうに聞こえますが基本的な原理は簡単です。

レンズを通った光は斜め45度のメインミラーを上に反射してペンタプリズムに再度反射してファインダーに届きます。と同時にメインミラーは半透明になっていて後ろの第二ミラーを反射してカメラ下部のAFセンサーに届きます。AFセンサーにはセパレータレンズという2つの小さなレンズがあります。その二次レンズの像間隔をAFセンサーで検知してピントのズレを検出します。カメラはその2つの像の間隔でピントのズレ具合が瞬時にわかり、その差をレンズに伝えてモータを駆動させるので高速なAFが可能です。

ハイエンドな一眼の中にはAF微調整の機能があリますが、これは位相差方式のAFを微調整する機能です。

  • メリット:
    • 速くて正確:セパレータレンズで映した2つの画像の間隔を測定するためピントを探るためにレンズを動かす必要がありません。そのため速くて正確なAFを実現しています。
  • デメリット:
    • 製造コストが高い:位相差はイメージセンサーとは別にAFセンサーがあります。正確なAFのためには、マウント⇔AFセンサーの距離とマウント⇔イメージセンサーの距離が寸分違わず同じでなければなりません。そうしないとAFセンサーではピントが合っていてもミラーが跳ね上がってイメージセンサーに映像が写ったときにピンぼけしてしまいます。そのためカメラ製造時の第二ミラーの位置やAFセンサーの位置の正確さが求められるため高価になります。
    • 機構が大きい:位相差AFは下記で解説するコントラストAFはイメージセンサーに写った画像を解析するだけのとは違い、第二ミラーやAFセンサーといった機構が必要なのでカメラのボディが大きくなります。
    • 映像では使えない:一眼レフで映像を撮るときはメインのミラーとAF用の第二ミラーが跳ね上がるので映像撮影時は使うことができません。
    • AFポイントが中心のみ:シャッターボタンを押すのと実際にミラーが跳ね上がりシャッターが切れる間のラグはなるべく短くする必要があります。また高速連写のためにもミラーはなるべく敏速に動く必要があります。そのため第二ミラーはメインのミラーよりも小さくなってしまい、結果としてAFエリアは中心あたりのみで、周辺にピントを合わせようと思うとカメラを向けなければなりません。

コントラストAF

コントラストAF「ピントが合った状態はコントラストが高い」と考えていて、コントラストが低い状態はピンぼけしているとみなし、コントラストが高くなるまでレンズを動かし続ける方法です。

コンデジ、スマホなどの小さなカメラで採用されています。

  • メリット:
    • 小型化が可能:位相差方式のようにAFセンサーや第二ミラー、セパレータレンズといったものが必要ないため小型化と低コスト化が可能です。
    • センサーの角から角までAFポイントになる:位相差方式は中央あたりしかAFエリアがありませんが、コントラスト方式なら全体がAFエリアになります。
    • タッチスクリーンでAFが可能:イメージセンサーの画像を元にAFを行うのでカメラがタッチスクリーンに対応していればタッチした場所にピントを合わせることができます。
  • デメリット:
    • 遅い:センサーで受け取った画像をエンジンで処理→コントラストを解析→コントラストが高くなるまでレンズを動かしてみる という処理を踏むので位相差式よりも遅くなりがちです。

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