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オートフォーカス（AF）光学系は、センサー、制御システム、モーターを用いて、自動または手動で選択された点や領域に焦点を合わせます。電子式距離計はモーターの代わりにディスプレイを備えており、光学系の調整は指示が表示されるまで手動で行う必要があります。オートフォーカス方式は、アクティブ式、パッシブ式、ハイブリッド式に分類されます。
オートフォーカスシステムは、1つまたは複数のセンサーを使用して正確なピント合わせを行います。AFシステムの中には単一のセンサーを使用するものもあれば、センサーアレイを使用するものもあります。最新のSLRカメラのほとんどは、レンズを通して光を測定する光学センサーを使用しており、別途センサーアレイが測光を行います。ただし、後者のセンサーアレイは、1つまたは複数のAFセンサーと同じ領域を優先的に測光するようにプログラムすることも可能です。
レンズを通して行う光学式オートフォーカスは、通常のファインダーを使ったマニュアルフォーカスよりも一般的に高速かつ高精度ですが、フォーカス拡大鏡などの専用アクセサリーを使用すれば、より高精度なマニュアルフォーカスも可能です。プロ仕様のAF一眼レフカメラでは、レンズの最大絞り値において被写界深度（DOF）の1/3以内の精度でオートフォーカスを行うことが一般的です。
マルチセンサーAFカメラの多くは、アクティブセンサーを手動で選択できます。また、被写体の位置を判別しようとするアルゴリズムを使用してセンサーを自動的に選択する機能を持つものも多くあります。一部のAFカメラは、被写体がカメラに向かって動いているか、カメラから遠ざかっているか（速度や加速度を含む）を検出し、ピントを合わせ続けることができます。この機能は主にスポーツ写真などのアクション写真で使用されます。キヤノンのカメラではこれをAIサーボ、ニコンのカメラでは「コンティニュアスフォーカス」と呼んでいます。
AFセンサーから収集されたデータは、光学系の焦点を調整する電気機械システムを制御するために使用されます。オートフォーカスの一種として電子式距離計があり、この場合、焦点データは操作者に提供されますが、光学系の調整は依然として手動で行われます。
AFシステムの速度は、現在の焦点距離におけるレンズの最大絞り値に大きく依存します。一般的に、フォーカス速度と精度に関しては、f / 2～f / 2.8程度のF値が最適とされています。これよりも明るいレンズ（例： f / 1.4またはf / 1.8）は、通常、被写界深度が非常に浅くなるため、光量が増えても正確なピント合わせに時間がかかります。ほとんどの民生用カメラシステムは、最大絞り値がf / 5.6以上のレンズでのみ確実にオートフォーカスできますが、プロ用モデルはf / 8の最大絞り値にも対応できることが多く、これは特にテレコンバーターと組み合わせて使用するレンズに有効です。
1960年から1973年の間に、ライツ（ライカ）[ 1 ]は、オートフォーカスとそれに対応するセンサー技術の特許を多数取得した。1976年、ライカはフォトキナで、それまでの開発に基づいたカメラ「コレフォ」を発表し、1978年には、完全に動作するオートフォーカスを備えた一眼レフカメラを展示した。
量産型オートフォーカスカメラの先駆けは、1977年に発売されたシンプルなポイントアンドシュートタイプのコニカC35 AFでした。オートフォーカス機能を搭載した一眼レフカメラとしては、1978年に発売されたポラロイドSX-70ソナーワンステップが最初です。
カメラ本体にフォーカスセンサーを搭載し、モーター駆動レンズと組み合わせたペンタックスME-Fは、1981年に世界初のオートフォーカス対応35mm一眼レフカメラとなった。
1983年、ニコンはME-Fと同様のコンセプトに基づいた初のオートフォーカスカメラであるF3AFを発売した。 [ 2 ]
1985年に発売されたミノルタ7000は、オートフォーカスシステムを内蔵した最初のSLRカメラでした。つまり、AFセンサーと駆動モーターの両方がカメラ本体に内蔵され、フィルム巻き上げ装置も内蔵 されていました。これは、このメーカーのSLRカメラの標準構成となり、ニコンもF3AFシステムを廃止し、オートフォーカスモーターとセンサーを本体に内蔵しました。
キヤノンは1987年にFDマウントの生産を中止し、モーター駆動レンズを備えた完全電子式のEFマウントに切り替えた。
ペンタックスは、1991年にFAおよびFA*シリーズのレンズで一眼レフカメラにフォーカス距離測定機能を初めて導入しました。AF機能を搭載した最初のK AFマウントペンタックスレンズは1989年に発売されました。[ 3 ]
1992年、ニコンはAF-IおよびAF-Sシリーズのレンズでレンズ内蔵型モーターに回帰しました。現在では、新しく開発されたすべてのAFレンズにモーターが搭載されているため、同社のエントリーレベルのデジタル一眼レフカメラにはボディ内にフォーカスモーターは搭載されていません。
アクティブAFシステムは、光学系とは独立して被写体までの距離を測定し、その後、適切なピント合わせのために光学系を調整します。
距離を測定する方法は、超音波や赤外線など様々です。前者の場合、カメラから音波を発信し、その反射の遅延を測定することで被写体までの距離を計算します。SpectraやSX-70などのポラロイドカメラは、このシステムをうまく応用したことで知られています。後者の場合、通常は赤外線を使用して被写体までの距離を三角測量します。Nikon 35TiQDや28TiQD、Canon AF35M、Contax T2やT3などのコンパクトカメラや初期のビデオカメラはこのシステムを使用していました。携帯電話などの一部の民生用電子機器に搭載されている新しいアプローチは、タイムオブフライトの原理に基づいています。これは、レーザーまたはLEDライトを被写体に照射し、光が被写体まで往復するのにかかる時間に基づいて距離を計算するものです。この技術はレーザーオートフォーカスと呼ばれることもあり、複数のベンダーの多くの携帯電話モデルに搭載されています。また、産業機器や医療機器にも搭載されています[ 4 ]。
2段階方式の例外として、一部の引き伸ばし機に搭載されている機械式オートフォーカスがあり、これはレンズを直接調整する。
パッシブAFシステムは、光学系に入射する画像をパッシブに解析することで、適切なピント位置を決定します。通常、超音波や赤外線などのエネルギーを被写体に向けて照射することはありません。（ただし、パッシブ測定を行うのに十分な光量がない場合は、通常は赤外線を用いたオートフォーカス補助光が必要となります。）パッシブオートフォーカスは、位相差検出またはコントラスト測定によって実現できます。
位相検出 (PD) は、入射光を画像のペアに分割して比較することによって実現されます。フィルムカメラやデジタル一眼レフカメラでは、レンズを通しての二次画像レジストレーション( TTL SIR ) パッシブ位相検出がよく使用されます。このシステムは、ビームスプリッター(メイン反射ミラーの小さな半透明領域として実装され、小さな二次ミラーと結合されています) を使用して、カメラ下部の AF センサーに光を導きます。2 つのマイクロレンズがレンズの反対側から来る光線を捉え、それを AF センサーに分岐させ、レンズの直径内にベースを持つシンプルな距離計を形成します。次に、2 つの画像が類似した光強度パターン (ピークと谷) について分析され、分離誤差が計算されて、被写体が前焦点か後焦点かが判断されます。これにより、フォーカスリングの移動方向と必要な移動量の推定値が得られます。[ 5 ]
PD AF の連続フォーカスモード (キヤノンの「AI サーボ」、ニコン、ペンタックス、ソニーの「AF-C」など) は、クローズド ループ制御プロセスです。PD AF のフォーカスロックモード (キヤノンの「ワンショット」、ニコン、ソニーの「AF-S」など) は、「1 回測定、1 回動作」のオープン ループ制御プロセスであると広く考えられていますが、フォーカスは AF センサーがピントの合った被写体を検知したときにのみ確定されます。この 2 つのモードの明らかな違いは、フォーカスロックモードではフォーカス確定時に停止し、連続フォーカスモードでは動くターゲットに対応するための予測要素があることだけであり、これは両者が同じクローズド ループ プロセスであることを示唆しています。[ 6 ]
AFセンサーは通常、一次元感光ストリップ（高さ数ピクセル、幅数十ピクセル）ですが、一部の最新カメラ（Canon EOS-1V、Canon EOS-1D、Nikon D2Xなど）には、長方形の形状で二次元強度パターンを提供し、よりきめ細かな分析を可能にするTTLエリアSIRセンサーが搭載されています。クロスタイプのフォーカスポイントは、互いに90°の角度で配置された一対のセンサーを備えていますが、通常、一方のセンサーはもう一方のセンサーよりも大きな絞り値で動作します。
一部のカメラ（ミノルタ7、キヤノンEOS-1V、1D、30D / 40D、ペンタックスK-1、ソニーDSLR-A700、DSLR-A850、DSLR-A900）には、追加のプリズムとセンサーを備えた「高精度」フォーカスポイントがいくつかあります。これらは、特定の幾何学的絞り（通常はF値2.8以上）を持つ「高速レンズ」でのみ有効です。拡張された精度は、「距離計」のより広い有効測定基線によって実現されます。
最新のセンサーの中には（例えばLibrem 5に搭載されているものなど）、チップ上に約2%の位相差検出ピクセルを備えているものがある。適切なソフトウェアサポートがあれば、位相差検出オートフォーカスが可能になる。
コントラスト検出オートフォーカスは、レンズを通してセンサー領域内のコントラスト（視覚）を測定することで実現されます。センサーの隣接するピクセル間の輝度差は、画像のピントが合っているほど自然に大きくなります。これにより、最大のコントラストが検出されるまで光学系を調整できます。この方式では、AFは実際の距離測定を一切行いません。そのため、コントラストの低下によってカメラに向かってくる動きやカメラから遠ざかる動きの方向が分からなくなるため、動いている被写体を追跡する際に大きな課題が生じます。
コントラスト検出オートフォーカスは、シャッターや反射ミラーのないデジタルカメラでよく用いられる方式です。ほとんどのデジタル一眼レフカメラは、ライブビューモードでのフォーカス時にこの方式（またはコントラスト検出と位相差検出の両方を組み合わせた方式）を採用しています。ただし、キヤノンのデュアルピクセルCMOS AF搭載デジタルカメラは例外です。ミラーレス一眼カメラは通常、コントラスト測定オートフォーカスを採用していましたが、現在ではほとんどのミラーレスカメラで位相差検出が標準となり、コントラスト検出に比べてAF追従性能が大幅に向上しています。
コントラスト検出方式は、位相差検出方式と比べてレンズ設計に異なる制約を課します。位相差検出方式では、レンズが焦点位置を素早く直接新しい位置に移動させる必要があるのに対し、コントラスト検出方式のオートフォーカスでは、焦点範囲を素早く走査し、最大のコントラストが検出された位置に正確に停止できるレンズを使用します。つまり、位相差検出方式用に設計されたレンズは、コントラスト検出方式を採用したカメラボディでは性能が低下することが多いのです。
補助光（AF補助光とも呼ばれる）は、一部のカメラにおいて、暗い場所やコントラストの低い状況でパッシブオートフォーカスシステムを「作動」させます。このランプは可視光または赤外線を被写体に照射し、カメラのオートフォーカスシステムはこの光を利用してピントを合わせます。
多くのカメラやほぼすべてのカメラ付き携帯電話[ a ]には、専用のオートフォーカス補助ランプがありません。代わりに、内蔵フラッシュを使用して被写体を光で照らします。これは専用の補助ライトと同じようにオートフォーカスシステムを補助しますが、人を驚かせたり迷惑をかけたりするという欠点があります。もう1つの欠点は、カメラがフラッシュフォーカス補助を使用しており、フラッシュを無効にする動作モードに設定されている場合、フォーカス補助も無効になる可能性があることです。そのため、オートフォーカスが被写体を捉えられない場合があります。
同様のストロボ発光は、赤目現象を軽減するために用いられることもあるが、これは撮影前に被写体の瞳孔を収縮させることのみを目的としている。
一部の外部フラッシュには、カメラ内蔵のストロボフラッシュに代わるオートフォーカス補助ランプが内蔵されています。それらの多くは赤色で、目立ちにくいのが特徴です。
レーザー距離計と同様に、オートフォーカスシステムは被写体に向けてパターン化されたレーザー光を照射します。このレーザー方式はソニーによって採用されており、2003年以降、サイバーショットカメラでは「ホログラムAFレーザー」という名称で、またXperia XZ以降のスマートフォンの一部にも搭載されています。
ハイブリッドオートフォーカスシステムでは、次のような2つ以上の方法を組み合わせることによってフォーカスが実現されます。
二重の努力は通常、さまざまな方法の固有の弱点を相互に補い合うために用いられ、全体的な信頼性と精度を高めたり、AF機能の速度を向上させたりする。
初期のハイブリッドシステムの珍しい例として、アクティブ赤外線または超音波オートフォーカスシステムとパッシブ位相差検出システムの組み合わせが挙げられます。反射を利用した赤外線または超音波システムは、光条件に関係なく動作しますが、窓ガラスなどの障害物によって容易に誤作動を起こす可能性があり、精度は通常、かなり限られたステップ数に制限されます。位相差検出オートフォーカスは、窓ガラスを問題なく透過して被写体を捉えることができ、はるかに高精度ですが、低照度環境やコントラストのない表面、または繰り返しパターンのある表面では動作しません。
複合使用の非常に一般的な例として、1985年以降一眼レフカメラで使用されている位相差検出オートフォーカスシステムが挙げられます。パッシブ位相差検出オートフォーカスは、動作に一定のコントラストを必要とするため、暗い場所や平坦な表面では使用が困難です。AFイルミネーターは被写体を照らし、平坦な表面にコントラストパターンを投影することで、位相差検出オートフォーカスがこれらの条件下でも動作できるようにします。
ハイブリッドシステムの新しい形態は、パッシブ位相差検出オートフォーカスとパッシブコントラストオートフォーカスを組み合わせたもので、どちらの方式も動作に視覚的なコントラストが必要なため、アクティブな方式で補助される場合もあります。位相差検出オートフォーカスは、測定方式がオフセット量と方向の両方の情報を提供するため、フォーカスモーターが追加の測定なしでレンズをピントの位置（またはピントに近い位置）まで移動できるため、動作条件下では非常に高速です。ただし、オンザフライで追加の測定を行うことで、精度を向上させたり、動いている被写体を追跡したりすることができます。しかし、位相差検出オートフォーカスの精度は、その有効な測定基準に依存します。測定基準が大きいほど測定精度は非常に高くなりますが、大きな幾何学的開口（例えば1:2.8以上）を持つレンズでしか動作しません。コントラストの高い被写体であっても、位相差検出AFは、その有効な測定基準よりも遅いレンズでは全く動作しません。ほとんどのレンズに対応するため、有効測距基準は通常1:5.6～1:6.7に設定され、AFは低速レンズでも（少なくとも絞り込んでいない限り）動作し続けます。しかし、これは高速レンズを使用した場合でも、オートフォーカスシステムの本来の精度を低下させます。有効測距基準は実際の実装における光学特性であるため、容易に変更することはできません。ほとんどのレンズで通常のオートフォーカスを可能にし、高速レンズではより正確なフォーカスを実現するために、使用するレンズに応じて複数の切り替え可能な測距基準を備えたマルチPD-AFシステムを搭載したカメラはごくわずかです。コントラストAFは、動作に必要な被写体のコントラストが最小限であるため、このような精度に関する設計上の制約はありません。この条件が満たされれば、レンズの明るさに関係なく高精度で動作し、実際、この条件が満たされている限り、レンズを絞り込んだ状態でも動作します。また、コントラストAFは開放モードだけでなく絞り込みモードでも動作し続けるため、絞りによるフォーカスシフトエラーの影響を受けません。位相差AFシステムは、絞り込みモードでは動作しないという欠点があります。そのため、コントラストAFでは、ユーザーによる任意の微調整フォーカス調整が不要になります。また、コントラストAFは、繰り返しパターンのある表面によるフォーカス誤差の影響を受けにくく、位相差AFのように画面中央付近だけでなく、画面全体で動作させることができます。しかし、コントラストAFの欠点は、フォーカスを高速で往復させる閉ループ反復処理であることです。位相差AFと比較すると、コントラストAFは、フォーカス反復処理の速度が機械的に制限され、方向情報が得られないため、動作が遅くなります。位相差AFは、両方の測定方法を組み合わせることで、コントラストAFシステムの高速性と精度を同時に向上させ、絞りによるフォーカスシフト誤差を補正し、絞り込み測定や動画撮影モードなど、レンズを絞り込んだ状態でも動作を継続できるようにすることができます。
近年のミラーレスカメラの開発では、位相差AFセンサーをイメージセンサー自体に統合する試みがなされている。一般的に、これらの位相差AFセンサーは、より高度な独立型センサーほど精度は高くないが、現在ではコントラストAFによって精密なピント合わせが行われるため、位相差AFセンサーは、コントラストAF処理を高速化するために大まかな方向情報を提供するだけで済む。
2010年7月、富士フイルムは位相差検出とコントラストベースの要素を組み合わせたハイブリッドオートフォーカスシステムを搭載したコンパクトカメラF300EXRを発表しました。このカメラの位相差検出AFを実現するセンサーは、カメラのスーパーCCD EXRに統合されています。[ 7 ]現在、富士フイルム FinePixシリーズ[ 8 ] 、富士フイルム X100S、リコー、ニコン 1シリーズ、キヤノン EOS 650D/Rebel T4i、サムスン NX300 で使用されています。
アクティブシステムは、音波や赤外線がガラスで反射されるため、通常は窓越しにピントを合わせることができません。パッシブシステムの場合は、窓に汚れが付着していない限り、通常は問題ありません。アクティブオートフォーカスシステムの精度は、パッシブシステムに比べてかなり低い場合が多いです。
アクティブシステムでは、カメラに非常に近い被写体（マクロ撮影など）にピントを合わせることができない場合もあります。
パッシブ方式のオートフォーカスシステムは、コントラストが低い場合、特に大きな単色面（壁、青空など）や低照度条件下ではピントが合わないことがあります。パッシブ方式は被写体への一定の照明（自然光か否かを問わず）に依存しますが、アクティブ方式は必要に応じて完全な暗闇でも正しくピントを合わせることができます。一部のカメラや外部フラッシュユニットには、オートフォーカス動作中に作動させてカメラがピントを合わせられるようにする、低照度照明モード（通常はオレンジ色または赤色の光）が備わっています。
トラップフォーカス、フォーカストラップ、キャッチインフォーカスなどと呼ばれる方法は、オートフォーカスを使用して、被写体が焦点面（関連する焦点位置）に移動したときに撮影します。これは、特にスポーツや野生動物の写真で、高速で移動する被写体にピントを合わせた写真を撮影するために使用できます。また、人がいなくても自動的に撮影できるように「トラップ」を設定するためにも使用できます。これは、AFを使用して検出しますが、フォーカスを設定 しないことで行われます。つまり、マニュアルフォーカスを使用してフォーカスを設定します（またはフォーカスを設定した後にマニュアルに切り替えます）が、フォーカス優先を使用してフォーカスを検出し、被写体にピントが合ったときにのみシャッターを切ります。このテクニックは、フォーカス調整を選択し（AFをオフにし）、次に撮影モードを「シングル」（AF-S）またはより具体的にはフォーカス優先に設定し、シャッターを押すことで機能します 。被写体がフォーカスに入ると、AFがこれを検出し（フォーカスは変更されません）、写真が撮影されます。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
トラップフォーカスを実装した最初のSLRはYashica 230 AFでした。トラップフォーカスは、一部のPentax（KxやK-5など）、Nikon、Canon EOSカメラでも可能です。EOS 1Dは接続されたコンピュータのソフトウェアを使用してこれを行うことができますが、EOS 40Dや7Dのようなカメラには、フォーカスが失敗した後にカメラがフォーカスを試みないようにするカスタム機能（それぞれIII-1とIII-4）があります。真のトラップフォーカスを持たないEOSカメラでは、「ほぼトラップフォーカス」と呼ばれるハックを使用して、トラップフォーカスの効果の一部を実現できます。[ 12 ]カスタムファームウェアMagic Lanternを使用することで、一部のCanon DSLRでトラップフォーカスを実行できます。
AIサーボは、キヤノンのSLRカメラや、ニコン、ソニー、ペンタックスなどの他のブランドで「連続フォーカス」（AF-C）という名称で搭載されているオートフォーカスモードです。 [ 13 ]フォーカストラッキング とも呼ばれ、フレーム内を移動する被写体や、カメラに向かって近づいたり遠ざかったりする被写体を追跡するために使用されます。使用中は、レンズは常に被写体にフォーカスを維持するため、スポーツやアクション写真でよく使用されます。AIは人工知能の略で、オートフォーカスセンサーからの速度と加速度データに基づいて、被写体が次にどこに来るかを常に予測するアルゴリズムです。
現代のオートフォーカスは、2つの機構のいずれかによって行われます。1つはカメラ本体のモーターとレンズ内のギアによる「スクリュードライブ」方式、もう1つはマウントプレートの接点を介して駆動指示を電子的に伝達し、レンズ内のモーターに送る方式です。レンズに内蔵されるモーターには様々な種類がありますが、超音波モーターやステッピングモーターがよく用いられます。
磁石は、ボイスコイルモーター（VCM）やステッピングモーターなどの電磁モーターによく使用され、レンズ要素を動かして精密な焦点合わせを実現します。[ 14 ]磁場はコイルと相互作用して動きを生み出し、焦点の要件に基づいてレンズの位置を迅速かつ正確に調整します。[ 15 ]磁石は、直接的な物理的接触なしにスムーズかつ迅速な調整を可能にし、耐久性と応答時間を向上させるため、この目的に最適です。[ 16 ]
キヤノンのEOSシリーズ全機種や、ニコンのDXシリーズの低価格モデルなど、一部のカメラボディにはオートフォーカスモーターが搭載されていないため、内蔵モーターのないレンズではオートフォーカスが作動しません。ペンタックスのDA*シリーズなどの一部のレンズは、通常は内蔵モーターを使用していますが、カメラボディに必要な接点ピンがない場合は、スクリュードライブ方式に切り替えることができます。
写真撮影において、マニュアルフォーカスオーバーライド（フルタイムマニュアルフォーカスとも呼ばれる）とは、写真レンズのフォーカスリングを回すだけで、オートフォーカスの捕捉プロセスに手動で介入できる機能です。この機能を実現するために、様々な技術が用いられています。ペンタックスは、マニュアルフォーカスオーバーライドの実装を「クイックシフト」という商標で呼んでいます。