Как работают автофокус камеры и ультразвуковой мотор в объективе

Интересно, что до сих пор не задумывался, как работает автофокус в камере.

Оказывается, там под основным полупрозрачным зеркалом (толстая чёрная линия под 45 градусов на картинке), которое отводит часть света на видоискатель (8), есть ещё одно "вспомогательное" полупрозрачное зеркало (3), забирающее часть света, идущего на матрицу (4), на нужды сенсора автофокуса (7):

(картинка взята из подробной статьи на английском языке)

Сенсор автофокуса имеет несколько "зон" ("зоны автофокуса", которые соответствуют определённым местам в кадре), над каждой из которых расположена маленькая линза. У каждой "зоны автофокуса" под линзой есть два маленьких сенсора: условно "левый", принимающий только "левую" сторону света, пришедшего из объектива, и условно "правый", принимающий только "правую" сторону света, пришедшего из объектива.

Изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, если объектив сфокусирован правильно (другими словами, если "красный" луч света на картинке попадает точно в центр "красного" сенсора, и "зелёный" луч света на картинке попадает точно в центр "зелёного" сенсора, то изображение на этих двух маленьких сенсорах будет совпадать, объектив сфокусирован правильно).

Алгоритм автоматического поиска фокуса работает так (случаи пронумерованы как на картинке):

1. Линза объектива выдвинута слишком близко. Фотоаппарат может это угадать, заметив, что картина распределения интенсивностей такая же, как если бы она состояла из двух одинаковых картин интенсивностей, сдвинутых друг относительно друга (это можно сразу засечь, чуть-чуть сдвинув фокусировочную линзу объектива; алгоритм угадывания выполняется на процессоре фотоаппарата).

2. Объектив сфокусирован точно - две одинаковые световые картины максимально наложились друг на друга.

3. Линза объектива выдвинута слишком далеко.

4. Вообще не в фокусе.

Для того, чтобы этот алгоритм давал верные результаты, очевидно, требуется, чтобы сенсор автофокуса и матрица были равноудалены от "вспомогательного" полупрозрачного зеркала.



А ещё сейчас в моде объективы с "ультразвуковым мотором".
Звучит-то как!
Прямо как "лазерный принтер"...
Наверняка в 90-ых, услышав в первый раз о таких принтерах, первое, что каждый себе представлял — это как принтер выжигает на бумаге изображение разноцветными лазерами из фантастических фильмов...

Оказалось, что, как и ожидалось, маркетологи всех снова обманули, и мотор никакой не ультразвуковой (не крутится с ультразвуковой скоростью).
Тем не менее, конструкция очень остроумная.

Ультразвуковой двигатель объектива состоит из двух колец: ротора (синий) сверху и статора (красный)  снизу.
В свою очередь, статор (красный) состоит из тонкого пьезоэлектрического керамического кольца снизу и толстого (но "эластичного") зубчатого слоя сверху.

Когда на статор (красный) подаётся ток ультразвуковой частоты, в нём возникает резонанс (стоячая волна), и волна эта начинает по кругу путешествовать по статору (красный):

При этом, обратите внимание на то, что статор (красный) стоит не месте и никуда не крутится — он просто "волнуется", как море.
А вот ротор (синий) уже как раз крутится.
Спрашиваете, почему?

А из этой картинки и не поймёте.

Крутится ротор потому что на статоре есть зубцы.
Они очень мелкие (порядка 0,001 мм), и их очень много.

Работают они так, как показано на рисунке: когда под зубец подходит волна, он отклоняется на некоторый угол в сторону движения этой волны, и пока волна проходит под ним, он сначала выравнивается вертикально, а потом наклоняется в уже другую сторону (когда волна уходит из-под него).
Получается, что каждый зубец описывает дугу, и именно это создаёт вращение ротора.

Подробнее можно прочитать в этой статье.