Історія фокуса | Журнал Популярна Механіка

1. Ручна робота
2. Прибрати роздвоєння
3. Зрушення по фазі
4. За образом і подобою
5. гібридний підхід
6. Нічого зайвого
7. Сонари, радари і лідари

Між натисканням на кнопку спуска сучасної фотокамери і коротким «біп», що означає завершення фокусування, відбуватимуться десяті частки секунди. У цьому короткому миті - 40 років еволюції систем автофокусування.

Перші десятиліття фотографії камери були великими і представляли собою просту, але громіздку конструкцію у вигляді «гармошки», що з'єднує об'єктив і касетну частина з фотопластинкою. Перед зйомкою на місце фотопластинки вставляли матове скло (екран фокусування), і фотограф вручну рухав об'єктив (зазвичай однолінзовий) для фокусування зображення, накрившись темним покривалом для підвищення яскравості і контрасту. Процес цей був нешвидкий, але і поспішати особливо було нікуди: світлочутливість фотопластинок в той час була низькою, витримка становила хвилини, так що знімали в основному статичні сцени - пейзажі, натюрморти і портрети людей, яким доводилося для цього сидіти нерухомо.

Фокусування по далекоміру

Ручна робота

До початку XX століття чутливість фотоматеріалів збільшилася, формат зменшився, камери стали набагато компактніше і зручніше, але сфокусувати об'єктив по зображенню на маленькому фокусировочним екрані стало складно навіть за допомогою лупи. Цю проблему можна було вирішити кількома шляхами. По-перше, сфокусувати об'єктив на гіперфокальній відстані, так, щоб більша частина об'єктів в кадрі зображувалася різко. По-друге, розмітити шкалу відстаней на об'єктиві і наводити різкість, виставляючи потрібні значення «на око». І, по-третє, можна було застосувати принципово нове рішення, оснастивши камери пристроєм для вимірювання дистанції - далекоміром. Цей нескладний оптичний прилад складався з светоделітельной призми і поворотного дзеркала, рознесених на певну відстань (база). Фотограф, дивлячись у віконце далекоміра, повертав дзеркало до тих пір, поки зображення не поєднувалися. За допомогою тріангуляції, виходячи з кута повороту і бази, можна було знайти відстань до об'єкта зйомки і виставити цю дистанцію на об'єктиві (вручну). Такими пристроями камери почали оснащувати з початку XX століття, а в 1916 році в моделі 3A Autographic Kodak Special конструктори вперше механічно об'єднали вимір відстані з одночасною фокусуванням об'єктива. Справжню популярність це пристосування отримало завдяки компанії Leica, яка почала постачати свої камери дальномерами починаючи з моделі Leica I (1925), - власне, такі камери і стали називатися далекомірними.

Фокусування по контрасту

Прибрати роздвоєння

У 1976 році на виставці Photokina компанія Leica представила фотокамеру з системою Correfot (яку вона розробляла з 1960 року) - першою системою автофокусування в світі. За однією з легенд, незважаючи на інтерес публіки, компанія відмовилася від її випуску, «тому що клієнти вже знають, як правильно фокусувати об'єктив». Насправді система була просто занадто ненажерлива (комплекту з шести батарейок вистачало менш ніж на годину зйомок) і в цілому «сира». Тому першою серійною автофокусної камерою стала в 1977 році Konica C 35 AF, оснащена системою Visitronic компанії Honeywell. Система ця базувалася на класичному далекоміри і тріангуляції, тільки два зображення зводив разом не саме фотограф, а електромеханічна автоматика, порівнюючи сигнали з двох ПЗС-матриць.

фазова фокусування

Компанія Canon пішла дещо іншим шляхом, вирішивши обійтися без складної електромеханіки. В Canon AF35M (1977) з'явився активний автофокус, який представляв собою оптоелектронну версію класичного далекоміра: світлодіод випромінював інфрачервоне імпульс, а відстань визначалося за кутом його відображення від об'єкта, виміряного за допомогою ПЗС-датчика. У наступній моделі, Canon AF35ML (1981), вже використовувалася пасивна автофокусування, заснована на «твердотільної тріангуляції»: ніяких рухомих частин, а «зведення» зображень здійснювалося електронним способом - по різниці сигналів на двох ПЗС-матрицях.

У перших віддалемірних камерах фотограф поєднував зображення, зчитував відстань і виставляв отримане значення на фокусіровочной шкалою об'єктива. У камері 3A Autographic Kodak Special ці процедури були об'єднані в одну.

Зрушення по фазі

Першою автофокусної дзеркальною камерою стала Minolta Maxxum 7000 (1985). У цій моделі використовувалася система фазового автофокусування (AF) через об'єктив (Through The Lens - TTL), яка широко застосовується і зараз. Принцип її роботи заснований на тому, що промені, що проходять через дві половини об'єктива, відображаються дзеркалом і фокусуються в двох різних точках на датчику АФ - двох ПЗС-лінійках. Відстань між цими точками для ідеальної фокусування точно відомо, і якщо виміряна дистанція між піками не збігається з цим значенням, система управління починає рухати об'єктив в потрібному напрямку до тих пір, поки піки не опиняться на потрібних місцях. У реальному житті, звичайно, все набагато складніше - зображення являє собою не крапку, може бути розташоване не на оптичної осі і т. П. Ці проблеми вирішуються введенням різних масок і додаткових конденсорних лінз, але принцип той же.

Автоматичні далекоміри і справжня АФ Konica C35 AF була оснащена електромеханічним далекоміром з двома ПЗС-датчиками. Сигнали з датчиків порівнювалися, їх збіг означало точне фокусування.

Фазовий автофокус дуже швидкий (система відразу знає, в якому напрямку потрібно рухати об'єктив, і завдяки цьому навіть може відстежувати рух об'єкта в кадрі), не вимагає великої обчислювальної потужності і не має рухомих частин. Основний недолік цієї системи - її невпевнена робота при низькому освітленні, а також те, що вона працює тільки при опущеному дзеркалі: в момент зйомки дзеркало піднімається, і весь світ через об'єктив потрапляє на плівку або матрицю, а не на датчик АF. А значить, ця система не годиться для тих випадків, коли кадр візується по РК-екрану (LiveView), тобто для більшості компактних цифрових камер і смартфонів.

А перша справжня АФ з'явилася в камері Minolta Maxxum 7000. Це була повноцінна система фазового автофокусування через об'єктив (TTL) - предок всіх сучасних фазових систем АФ.

За образом і подобою

Для цифрових камер, які з початку 2000-х замінили плівкові, довелося придумувати новий принцип автофокусування. Ну, не зовсім новий. Як людина наводить об'єктив вручну? Крутить кільце фокусування, поки що спостерігається картинка не стане різкою, тобто максимально контрастною. Контрастний автофокус працює точно так же: рухає об'єктив, домагаючись максимальної контрастності картинки на світлочутливої ​​матриці.

Така система працює з основною матрицею і не вимагає складних оптичних схем і додаткових датчиків. Але, на відміну від фазової автофокусування, вона не може визначити заздалегідь, в який бік слід рухати об'єктив, і починає це робити у випадковому напрямку - точно так, як це робив би людина. Тому швидкість фокусування іноді залишає бажати кращого - особливо в умовах недостатнього освітлення або при зйомці малоконтрастних об'єктів, коли система просто не може «розглянути» різкі деталі (в точності як людина). Проте довгий час для компактних цифрових камер і особливо смартфонів альтернатив контрастною автофокусування просто не існувало.

Камера Canon EOS 70D стала першою моделлю, оснащеною системою типу Dual Pixel CMOS AF. На відміну від гібридної системи АФ, яка використовує спеціальні виділені фотодіоди на загальній КМОП-матриці, АФ з «подвійними пікселями» і для фокусування, і для фотозйомки задіє всі фотодіоди матриці.

гібридний підхід

У 2010 році компанія Fujifilm випустила камеру FinePix F300EXR з новою, гібридною системою автофокусування. На матриці камери, крім звичайних світлочутливих фотодіодів (пікселів), були рівномірно розкидані два типи спеціалізованих - «праві» і «ліві», тобто сприймають світ лише від правої або лівої частини об'єктива (інша частина закрита непрозорою маскою). Система АF порівнювала зображення на субматріцах, утворених «лівими» і «правими» пікселями. Точне збіг цих двох зображень говорить про точну фокусуванні, а зсув показує, наскільки і в який бік слід змістити об'єктив. Схоже на фазову АF, чи не так? Майже, але не зовсім: роздільна здатність субматріц істотно менше, ніж всієї матриці, і при дуже малих відхиленнях від точного фокусування система нездатна побачити різницю, так що на фінальному етапі використовується фокусування по контрасту.

гібридна автофокусування

Нічого зайвого

Гібридний автофокус вигідно поєднує гідності фазової і контрастною систем АF, однак має і недоліки. Для поліпшення роботи АФ потрібно збільшити кількість пікселів, які «працюють» тільки на 50%, а це призводить до зменшення загальної світлочутливості матриці. Але розробники матриць придумали дотепний спосіб обійти це обмеження.

У 2013 році в камері Canon EOS 70D була вперше випробувана система Dual Pixel CMOS AF. А в 2016 році на ринку з'явився перший смартфон з камерою, оснащеною системою Dual Pixel, - флагман Samsung Galaxy S7.

Автофокусування з подвійними пікселями Існує спосіб зробити так, щоб «все було різко» зовсім без автофокусування. В епоху плівкових камер дешеві моделі зазвичай забезпечувалися простим об'єктивом з фіксованою фокусуванням (focus-free) на гіперфокальній відстані. Такий об'єктив дозволяє більш-менш різко зображати всі об'єкти, що знаходяться на відстані від половини гіперфокальної (зазвичай 0,5-1 м) до нескінченності. Подібними ж об'єктивами забезпечувалися і дешеві цифрові камери, і перші смартфони з камерами. Однак цей принцип можна застосувати тільки для дешевих ширококутних об'єктивів з великим мінімальним значенням діафрагми. Інший випадок - це використання пленоптіческой камери, або «камери світлового поля». Вона фіксує не тільки розподіл освітленості в фокальній площині, а й напрямок прийшли променів (світлове поле). Таке зображення можна пізніше «перефокусовувати» будь-яким потрібним чином (в будь-якій площині). Ідея подібних камер була висунута в 1908 році, а кілька років тому компанія Lytro вирішила проводити цифрові версії, хоча особливого поширення вони поки не отримали.

Кожен піксель матриці Dual Pixel складається з двох окремих фотодіодів - «правого» і «лівого». Таким чином, при автофокусування вся матриця ділиться на дві субматріци, «праву» і «ліву», з таким же дозволом, як і основна матриця. Порівняння сигналів з двох половинок забезпечує точність вище, ніж у гібридних, а швидкість набагато вище, ніж у контрастних систем АF (скажімо, в Samsung Galaxy S7 час фокусування складає менше 0,2 с). Оскільки Dual Pixel є фазової системою АF, вона дозволяє відслідковувати рух об'єкта в кадрі. А в момент зйомки обидві субматріци працюють як єдине ціле, не відбувається ніякого падіння світлочутливості, що важливо для смартфонів з їх невеликими матрицями. Тому така система на сьогоднішній день являє собою вершину еволюції систем АF. Звичайно, до тих пір, поки інженери знову не придумають що-небудь нове.

Сонари, радари і лідари

Окрему гілку на еволюційному древі автофокусування займають зовнішні (щодо оптичної системи камери) далекоміри з прямим вимірюванням відстані. Однією з перших фотокамер з системою автофокусування стала модель Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), оснащена, як зрозуміло з її назви, далекоміром на основі ультразвукового сонара. Архаїка? Зовсім ні, сонарним далекоміри для камер існують і зараз. Їх випускає, наприклад, компанія RedRockMicro - правда, не для автоматичної, а для дистанційної ручного фокусування професійних камер. Більш новий принцип визначення відстані, лазерна локація, зараз активно використовується не тільки в будівельній і військовій техніці, а й в деяких смартфонах (LG G3) - на додаток до звичайної системи контрастної автофокусування. В патентах Sony згадується радарна автофокусування, але серійних зразків подібного типу на ринку не представлено.

Редакція дякує за допомогу в підготовці статті.

Стаття «Історія фокуса» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2016 ).