Как работи фокусът: пълна история на фокуса

Първите десетилетия фотографията с камери беше голяма и представляваше прост, но тромав дизайн под формата на „акордеон“, свързващ обектива и касетата с фотографска плоча. Преди заснемане на мястото на фотографската плоча е поставено матирано стъкло (фокусиращ екран) и фотографът ръчно премества обектива (обикновено еднообектив), за да фокусира изображението, покрито с тъмно одеяло, за да увеличи яркостта и контраста. Този процес не беше бърз, но нямаше къде да се бърза: фоточувствителността на фотографските табели по това време беше ниска, скоростта на затвора беше минути, така че всъщност бяха заснети статични сцени - пейзажи, натюрморти и портрети на хора, които трябваше да седят неподвижни за това.

Фокус на далекомер

ръчна работа

В началото на 20 век чувствителността на фотографските материали се увеличава, форматът намалява, камерите стават много по-компактни и по-удобни, но става трудно да се фокусира обектива върху изображението върху малък фокусиращ екран дори с лупа. Този проблем може да бъде решен по няколко начина. Първо фокусирайте обектива на хиперфокално разстояние, така че повечето от обектите в кадъра са изобразени рязко. Второ, маркирайте скалата на разстоянието върху обектива и фокусирайте, като зададете желаните стойности „по око“. И трето, беше възможно да се приложи принципно ново решение чрез оборудването на камерите с устройство за измерване на разстояние - далекомер. Това просто оптично устройство се състоеше от разделителна призма на лъч и въртящо се огледало, разположено на определено разстояние (основа). Фотографът, гледайки през прозореца на далекомера, завъртя огледалото, докато изображенията се подравнят. С помощта на триангулация, въз основа на ъгъла на въртене и основата, беше възможно да се намери разстоянието до обекта и да се зададе това разстояние на обектива (ръчно). Камерите започват да бъдат оборудвани с такива устройства от началото на 20 век, а през 1916 г. за първи път в модела 3A Autographic Kodak Special дизайнерите механично комбинират измерване на разстоянието с едновременно фокусиране на обектива. Това устройство придоби реална популярност благодарение на компанията Leica, която започна да доставя на своите камери далекомери, започвайки от модела Leica I (1925 г.) - всъщност такива камери започнаха да се наричат ​​далекомери.

Фокус на контраста

Премахнете бифуркацията

През 1976 г. на изложението Photokina Leica представи камера със системата Correfot (която разработва от 1960 г.) - първата система за автофокус в света. Според една легенда, въпреки интереса на обществеността, компанията отказа да я пусне, „защото клиентите вече знаят как правилно да фокусират обектива“. Всъщност системата беше прекалено проницателна (комплект от шест батерии беше достатъчен за по-малко от час заснемане) и като цяло „суров“. Следователно, Konica C 35 AF, оборудван със система Visitronic на Honeywell, се превръща в първата масово произведена камера за автоматично фокусиране през 1977 г. Тази система се основаваше на класическия далекомер и триангулация: само две изображения бяха събрани не от самия фотограф, а от електромеханична автоматизация, сравнявайки сигнали от две CCD матрици.

Фазово фокусиране

Canon тръгна по малко по-различен път, като реши да направи без сложна електромеханика. Canon AF35M (1977) въведе активен автофокус, който беше оптоелектронна версия на класическия далекомер: светодиодът излъчва инфрачервен импулс, а разстоянието се определя от ъгъла на отражение от обекта, измерен с помощта на CCD сензор. Следващият модел, Canon AF35ML (1981), вече използва пасивен автофокус, основан на „твърдо състояние на триъгълност“: няма движещи се части и „смесването“ на изображенията се извършва по електронен път - чрез разликата на сигналите на две CCD матрици.

Как да изневери руската армия: изневяра

В първите камери за далекомер фотографът комбинира изображенията, прочете разстоянието и зададе получената стойност на фокусиращата скала на обектива. В 3A Autographic Kodak Special тези процедури бяха комбинирани в една.

Фазово изместване

Първата SLR камера за автоматично фокусиране беше Minolta Maxxum 7000 (1985). Този модел използва фазова система за откриване на фазата през обектива (Through The Lens - TTL), която се използва широко сега. Принципът на неговото действие се основава на факта, че лъчите, минаващи през двете половини на лещата, се отразяват от огледало и се фокусират в две различни точки на AF сензора - два CCD масива. Разстоянието между тези точки за перфектно фокусиране е точно известно и ако измереното разстояние между върховете не съвпада с тази стойност, управляващата система започва да движи обектива в правилната посока, докато върховете са на правилните места. В реалния живот, разбира се, всичко е много по-сложно - изображението не е точка, може да не е разположено на оптичната ос и пр. Тези проблеми се решават чрез въвеждане на различни маски и допълнителни кондензаторни лещи, но принципът е същият.

Автоматичните далекомери и истинските AF Konica C35 AF бяха оборудвани с електромеханичен далекомер с два CCD сензора. Сигналите от сензорите бяха сравнени, тяхното съвпадение означаваше точно фокусиране.

Фазовият автофокус е много бърз (системата веднага знае в каква посока трябва да се движи обектива и благодарение на това дори може да проследи движението на обект в кадъра), не изисква много изчислителна мощност и няма движещи се части. Основният недостатък на тази система е несигурната й работа при слаба осветеност и фактът, че тя работи само когато огледалото е спуснато: в момента на снимане огледалото се издига и цялата светлина през обектива навлиза във филма или матрицата, а не в AF сензора. Това означава, че тази система не е подходяща за онези случаи, когато рамката се вижда на LCD екрана (LiveView), тоест за повечето компактни цифрови камери и смартфони.

И първата истинска АФ се появи в камерата на Minolta Maxxum 7000. Тя беше пълноценна система за автоматично фокусиране на откриване на фази (TTL) - прародител на всички съвременни фазови системи за AF.

В изображението

За цифровите камери, които замениха филмовите камери от началото на 2000-те години, трябваше да измисля нов принцип за автоматично фокусиране. Е, не е съвсем ново. Как човек насочва обектива ръчно? Той усуква фокусния пръстен, докато наблюдаваната картина стане остра, тоест възможно най-контрастна. Контрастният автофокус работи по абсолютно същия начин: той движи обектива, постигайки максимален контраст на изображението върху фоточувствителната матрица.

Такава система работи с основната матрица и не изисква сложни оптични вериги и допълнителни сензори. Но за разлика от фазовия автофокус, той не може да определи предварително в коя посока трябва да се движи обектива и започва да го прави в произволна посока - точно както би направил човек. Затова скоростта на фокусиране понякога оставя много желана - особено при условия на слаба осветеност или при снимане на обекти с нисък контраст, когато системата просто не може да "вижда" резки детайли (точно като човек). Независимо от това, дълго време за компактните цифрови фотоапарати и най-вече смартфоните алтернативи на контрастния автофокус просто нямаше.

Canon EOS 70D беше първият модел, оборудван със система Dual Pixel CMOS AF. За разлика от хибридната система за автофокус, която използва специални специализирани фотодиоди върху общ CMOS сензор, AF с два пиксела използва както матричните фотодиоди за фокусиране и фотография.

Хибриден подход

През 2010 г. Fujifilm стартира FinePix F300EXR с нова хибридна AF система. В матрицата на камерата, в допълнение към обичайните фоточувствителни фотодиоди (пиксели), два вида специализирани са разпръснати равномерно - „дясно“ и „наляво“, тоест те възприемат светлина само от дясната или лявата част на лещата (другата част е покрита с непрозрачна маска). AF системата сравнява изображението на подматрици, образувани от „ляв“ и „десен“ пиксели. Точното съвпадение на тези две изображения показва точно фокусиране, а изместването показва колко и в каква посока трябва да се измести обектива. Звучи като фаза AF, нали? Почти, но не съвсем: разделителната способност на подматриците е значително по-малка от цялата матрица и при много малки отклонения от точното фокусиране системата не е в състояние да види разликата, така че фокусът да се използва в контраст на последния етап.

Хибриден AF

Нищо повече

Хибридният автофокус изгодно комбинира предимствата на фазовите и контрастните AF системи, но има и недостатъци. За да подобрите работата на автофокус, трябва да увеличите броя на пикселите, които „работят“ само с 50%, а това води до намаляване на общата фоточувствителност на матрицата. Но разработчиците на матрици са измислили гениален начин да заобиколят това ограничение.

През 2013 г. Canon Pixel CMOS AF за първи път беше тестван на Canon EOS 70D. А през 2016 г. на пазара се появи първият смартфон с камера, оборудвана със система Dual Pixel - флагманският Samsung Galaxy S7.

Автофокус с двойно пиксел Има начин да се направи „всичко беше остро“ без изобщо автоматично фокусиране. В ерата на филмовите камери евтините модели обикновено са оборудвани с прост обектив без фокус на хиперфокално разстояние. Такава леща позволява повече или по-малко рязко изобразяване на всички обекти, разположени на разстояние от половината от хиперфокалната (обикновено 0, 5-1 m) до безкрайността. Подобни обективи бяха доставени с евтини цифрови фотоапарати и първите смартфони с камери. Този принцип обаче се прилага само за евтини широкоъгълни лещи с голяма минимална стойност на блендата. Друг случай е използването на пленоптична камера или „светлинно поле на камерата“. Той улавя не само разпределението на осветеността във фокусната равнина, но и посоката на входящите лъчи (светлинно поле). По-късно такова изображение може да бъде „префокусирано“ по всякакъв желан начин (във всяка равнина). Идеята за подобни камери е представена през 1908 г., а преди няколко години Lytro реши да произведе цифрови версии, въпреки че те не са получили много разпространение.

Всеки пиксел от матрицата Dual Pixel се състои от два отделни фотодиода - „дясно“ и „наляво“. Така по време на автофокус цялата матрица е разделена на две подматрици, „дясна“ и „лява“, със същата разделителна способност като основната матрица. Сравнението на сигналите от две половини осигурява точност по-висока от тази на хибридните, а скоростта е много по-висока от тази на контрастните AF системи (да речем, в Samsung Galaxy S7, времето за фокусиране е по-малко от 0, 2 s). Тъй като Dual Pixel е фазова система AF, тя ви позволява да проследявате движението на обект в кадъра. И в момента на снимане и двете подматрици работят като цяло, няма загуба на фоточувствителност, което е важно за смартфоните с техните малки матрици. Следователно такава система днес представлява върхът на еволюцията на AF системите. Разбира се, докато инженерите отново измислят нещо ново.

Сонари, радари и лидари

Отделен клон на еволюционното дърво за автоматично фокусиране е зает от външни (относително към оптичната система на камерата) далекомери с директно измерване на разстоянието. Една от първите камери със система за автоматично фокусиране беше Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), оборудван, както подсказва името му, с далекомер на базата на ултразвуков сонар. Архаичен? Изобщо не са налице сонарни далекомери за камери. Те се произвеждат например от RedRockMicro - обаче не за автоматично, а за дистанционно ръчно фокусиране на професионални камери. По-новият принцип за определяне на разстоянието, лазерното местоположение, сега се използва активно не само в строителната и военната техника, но и в някои смартфони (LG G3) - в допълнение към обичайната контрастна система за автоматично фокусиране. В патентите на Sony се споменава радарно автофокусиране, но на пазара не се предлагат серийни модели от този тип.

Редакторите благодарят на Markus Kohlpayntner за помощта им при подготовката на тази статия.

Статията „История на фокуса“ е публикувана в списание Popular Mechanics (№ 6, юни 2016 г.). Чудя се как работи ядрен реактор и могат ли роботите да построят къща?

Всичко за новите технологии и изобретения! добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Декласифициран смартфон Huawei Honor V10
2019
Тайното оръжие на боговете: как Индра побеждава Ваджра Ваджра
2019
Как да си направите сами направете магнитна гривна "Направи си сам"
2019