Как работает фокус в фотоаппарате
Между нажатием на кнопку спуска современной фотокамеры и коротким «бип», означающим завершение фокусировки, проходят десятые доли секунды. В этом коротком мгновении – 40 лет эволюции систем автофокусировки.
Дмитрий Мамонтов
Первые десятилетия фотографии камеры были большими и представляли собой простую, но громоздкую конструкцию в виде «гармошки», соединяющей объектив и кассетную часть с фотопластинкой. Перед съемкой на место фотопластинки вставлялось матовое стекло (фокусировочный экран), и фотограф вручную двигал объектив (обычно однолинзовый) для фокусировки изображения, накрывшись темным покрывалом для повышения яркости и контраста. Процесс этот был небыстрый, но и спешить особо было некуда: светочувствительность фотопластинок в то время была низкой, выдержка составляла минуты, так что снимали в основном статичные сцены — пейзажи, натюрморты и портреты людей, которым приходилось для этого сидеть неподвижно.
Ручная работа
К началу XX века чувствительность фотоматериалов увеличилась, формат уменьшился, камеры стали намного компактнее и удобнее, но сфокусировать объектив по изображению на маленьком фокусировочном экране стало сложно даже с помощью лупы. Эту проблему можно было решить несколькими путями. Во-первых, сфокусировать объектив на гиперфокальном расстоянии, так, чтобы большая часть объектов в кадре изображалась резко. Во-вторых, разметить шкалу расстояний на объективе и наводить резкость, выставляя нужные значения «на глаз». И, в-третьих, можно было применить принципиально новое решение, оснастив камеры устройством для измерения дистанции — дальномером.
Этот несложный оптический прибор состоял из светоделительной призмы и поворотного зеркала, разнесенных на определенное расстояние (база). Фотограф, глядя в окошко дальномера, поворачивал зеркало до тех пор, пока изображения не совмещались. С помощью триангуляции, исходя из угла поворота и базы, можно было найти расстояние до объекта съемки и выставить эту дистанцию на объективе (вручную).
Такими устройствами камеры начали оснащать с начала XX века, а в 1916 году в модели 3A Autographic Kodak Special конструкторы впервые механически объединили измерение расстояния с одновременной фокусировкой объектива. Настоящую популярность это приспособление получило благодаря компании Leica, которая начала снабжать свои камеры дальномерами начиная с модели Leica I (1925), — собственно, такие камеры и стали называться дальномерными.
Убрать раздвоение
В 1976 году на выставке Photokina компания Leica представила фотокамеру с системой Correfot (которую она разрабатывала с 1960 года) — первой системой автофокусировки в мире. По одной из легенд, несмотря на интерес публики, компания отказалась от ее выпуска, «потому что клиенты уже знают, как правильно фокусировать объектив». На самом деле система была просто слишком прожорлива (комплекта из шести батареек хватало менее чем на час съемок) и в целом «сырая».
Компания Canon пошла немного другим путем, решив обойтись без сложной электромеханики. В Canon AF35M (1977) появился активный автофокус, представлявший собой оптоэлектронную версию классического дальномера: светодиод излучал инфракрасный импульс, а расстояние определялось по углу его отражения от объекта, измеренного с помощью ПЗС-датчика. В следующей модели, Canon AF35ML (1981), уже использовалась пассивная автофокусировка, основанная на «твердотельной триангуляции»: никаких движущихся частей, а «сведение» изображений осуществлялось электронным способом — по разности сигналов на двух ПЗС-матрицах.
Сдвиг по фазе
Первой автофокусной зеркальной камерой стала Minolta Maxxum 7000 (1985).
В этой модели использовалась система фазовой автофокусировки (AF) через объектив (Through The Lens — TTL), которая широко применяется и сейчас. Принцип ее работы основан на том, что лучи, проходящие через две половины объектива, отражаются зеркалом и фокусируются в двух разных точках на датчике АФ — двух ПЗС-линейках.
Расстояние между этими точками для идеальной фокусировки точно известно, и если измеренная дистанция между пиками не совпадает с этим значением, система управления начинает двигать объектив в нужном направлении до тех пор, пока пики не окажутся на нужных местах. В реальной жизни, конечно, все намного сложнее — изображение представляет собой не точку, может быть расположено не на оптической оси и т. п. Эти проблемы решаются введением различных масок и дополнительных конденсорных линз, но принцип тот же.
Фазовый автофокус очень быстрый (система сразу знает, в каком направлении нужно двигать объектив, и благодаря этому даже может отслеживать движение объекта в кадре), не требует большой вычислительной мощности и не имеет движущихся частей.
Основной недостаток этой системы — ее неуверенная работа при низком освещении, а также то, что она работает только при опущенном зеркале: в момент съемки зеркало поднимается, и весь свет через объектив попадает на пленку или матрицу, а не на датчик АF. А значит, эта система не годится для тех случаев, когда кадр визируется по ЖК-экрану (LiveView), то есть для большинства компактных цифровых камер и смартфонов.
По образу и подобию
Для цифровых камер, которые с начала 2000-х заменили пленочные, пришлось придумывать новый принцип автофокусировки. Ну, не совсем новый. Как человек наводит объектив вручную? Крутит кольцо фокусировки, пока наблюдаемая картинка не станет резкой, то есть максимально контрастной. Контрастный автофокус работает точно так же: двигает объектив, добиваясь максимальной контрастности картинки на светочувствительной матрице.
Такая система работает с основной матрицей и не требует сложных оптических схем и дополнительных датчиков.
Гибридный подход
В 2010 году компания Fujifilm выпустила камеру FinePix F300EXR с новой, гибридной системой автофокусировки. На матрице камеры, помимо обычных светочувствительных фотодиодов (пикселей), были равномерно разбросаны два типа специализированных — «правые» и «левые», то есть воспринимающие свет только от правой или левой части объектива (другая часть закрыта непрозрачной маской).
Ничего лишнего
Гибридный автофокус выгодно сочетает достоинства фазовой и контрастной систем АF, однако имеет и недостатки. Для улучшения работы АФ нужно увеличить количество пикселей, которые «работают» только на 50%, а это приводит к уменьшению общей светочувствительности матрицы. Но разработчики матриц придумали остроумный способ обойти это ограничение.
В 2013 году в камере Canon EOS 70D была впервые опробована система Dual Pixel CMOS AF.
А в 2016 году на рынке появился первый смартфон с камерой, оснащенной системой Dual Pixel, — флагман Samsung Galaxy S7.
Каждый пиксель матрицы Dual Pixel состоит из двух отдельных фотодиодов — «правого» и «левого». Таким образом, при автофокусировке вся матрица делится на две субматрицы, «правую» и «левую», с таким же разрешением, как и основная матрица. Сравнение сигналов с двух половинок обеспечивает точность выше, чем у гибридных, а скорость гораздо выше, чем у контрастных систем АF (скажем, в Samsung Galaxy S7 время фокусировки составляет менее 0,2 с). Поскольку Dual Pixel является фазовой системой АF, она позволяет отслеживать движение объекта в кадре. А в момент съемки обе субматрицы работают как единое целое, не происходит никакого падения светочувствительности, что важно для смартфонов с их небольшими матрицами. Поэтому такая система на сегодняшний день представляет собой вершину эволюции систем АF. Конечно, до тех пор, пока инженеры опять не придумают что-нибудь новое.
Сонары, радары и лидары
Отдельную ветку на эволюционном древе автофокусировки занимают внешние (относительно оптической системы камеры) дальномеры с прямым измерением расстояния. Одной из первых фотокамер с системой автофокусировки стала модель Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), оснащенная, как понятно из ее названия, дальномером на основе ультразвукового сонара. Архаика? Вовсе нет, сонарные дальномеры для камер существуют и сейчас. Их выпускает, например, компания RedRockMicro — правда, не для автоматической, а для дистанционной ручной фокусировки профессиональных камер. Более новый принцип определения расстояния, лазерная локация, сейчас активно используется не только в строительной и военной технике, но и в некоторых смартфонах (LG G3) — в дополнение к обычной системе контрастной автофокусировки. В патентах Sony упоминается радарная автофокусировка, но серийных образцов подобного типа на рынке не представлено.
Редакция благодарит Markus Kohlpayntner за помощь в подготовке статьи.
Что такое фокусировка в фотоаппарате? Режимы фокусировки
Во всех цифровых фотоаппаратах, будь то дешевая мыльница или дорогая зеркалка, есть автоматическая фокусировка. Зачем тогда нужна ручная, если система и сама неплохо справляется? Логичный вопрос, и ответ на него тоже логичный: часто автоматическая фокусировка работает неправильно, иногда очень медленно и неточно. Поэтому знания о работе фокусировке и ее настройке сильно расширяют творческие способности любого фотографа и, кто бы мог подумать, обеспечивают правильную фокусировку в разных ситуациях. Ручная фокусировка позволяет выделить главный объект в кадре или, напротив, обратить внимание зрителя на детали картинки. Сегодня именно об этом мы и поговорим – о фокусе и ситуациях, когда уместнее всего применять ручную фокусировку.
Точки фокусировки
Фокус – это некая точка, где сходятся все отраженные от изображения лучи.
Следовательно, чтобы изображение было «в фокусе», точка фокусировки должна находиться на матрице фотоаппарата. Наведение фокуса позволяет ставить приоритеты на изображении, приковывая внимания зрителя к главным объектам, а не малозначительным деталям.
Точка фокусировки – это точка в пространстве, и именно в ней размещается объект съемки. Изображение этого объекта оказывается четким на матрице. Выбор точки определяется решением фотографа выбрать самую важную деталь в кадре и направить на нее все внимание зрителя.
В дорогих зеркальных камерах (даже в беззеркалках) пользователю предлагается выбор между конкретными точками фокусировке. Также есть возможность выбрать все сразу. Если выбирать фокусировку по одной точке, то картинка будет резкой только на том участке изображения, который совпадает с выбранной точкой в видоискателе. Если выбирать фокусировку по всем точкам сразу, то автоматика сама будет подбирать фокус в соответствии с собственными интеллектуальными алгоритмами.
Часто автоматика промахивается и портит снимок.
В соответствии с классом фотоаппарата, точек фокусировки может быть много или нет. Недорогие зеркалки начального уровня оснащаются 11-точечными системами фокусировки. Отличный пример – фотоппарат Canon EOS 700D.
Дорогие профессиональные камеры имеют 61 точку фокусировки. Пример – камера Canon EOS-1D X.
Зеркалка Canon EOS-1D X. 61 точка фокусировкиПромах автофокуса
Не стоит думать, что такое явление редкое. Даже в дорогих зеркалках не исключен промах автофокуса. Это связано с тем, что фокус подбирается автоматически, и часто камера банально «не знает» целей фотографа и, следовательно, фокусируется не на том объекте, что задумал фотограф. Иногда система не может определить конкретную точку фокусировки, и тогда фокус жужжит, пытаясь «прицелиться» на неведомую цель.
Применяемые интеллектуальные алгоритмы фокусировки нередко обеспечивают наведение на резкость неправильных объектов на дальнем или среднем плане.
Все же, автоматическая фокусировка важна. Невозможно всегда вручную нацеливаться на объекты и копаться в настройках, особенно, если события в кадре происходят быстро и не позволяют ждать. Поэтому в репортажной съемке автоматическая фокусировка по всем точкам пригодится всегда.
фокусировка на движущемся объекте
Интересно: в компактных недорогих мыльницах проблема с фокусировкой практически отсутствует. «Мыльницы» обычно фокусируются на бесконечности, в результате чего каждый объект получается в фокусе – и объект на переднем плане, и горизонт, и средний план. Однако это сильно ограничивает творческий потенциал камеры и самого фотографа – нельзя выделить конкретный объект и направить на него все внимание. Поэтому в большей степени это недостаток, а не преимущество.
Применение фокусировки новичками
Профессиональные фотографы, когда общаются с новичками, рекомендуют вместо автофокуса по всем точкам использовать всего лишь одну центральную точку фокусировки. Новичку гораздо проще через оптический видоискатель зеркалки определить центр кадра в момент съемки.
фокусировка по центральной точке
В данном случае техника получения снимка будет таковой: сначала выбираете главный объект съемки – он в кадре должен получиться резким. Затем в видоискателе помещаете его в самый центр кадра, совмещая с точкой фокусировки (которая у нас в центре). Далее зажимаете кнопку спуска наполовину для блокировки автофокуса. Большинство камер издает характерный писк при этом. Затем кнопка спуска зажимается до конца.
Результат – фотография с резким объектом прямо в центре кадра, остальные детали вне фокуса, менее резкие. Внимание к ним приковано слабо.
В художественном плане такие снимки выглядят очень даже неплохо. В данном случае речь шла об использовании центральной точки фокусировки, но это легко могла быть правая или левая точка. Тогда главный объект съемки пришлось бы помещать на правую или левую сторону кадра, чтобы он был в фокусе.
Режимы автоматической фокусировки
Каждая компания, которая занимается производством фототехники, использует собственные интеллектуальные алгоритмы фокусировки. Результат они дают приблизительно одинаковый. Режимы, при которых используются эти алгоритмы могут называться по-разному. Например, в фотоаппаратах Canon есть режим One Shot – он предназначается для фотографирования стационарных и неподвижных объектов. Для объектов в движении Canon предусмотрел режим Al Servo – здесь уже будут использованы немного иные алгоритмы определения главных объектов и наведения на резкость.
У Nikon эти режимы называются иначе: Single Servo – для неподвижных стационарных объектов, Continuous Servo – для движущихся. Также у обоих брендов есть режимы предикативного фокуса, когда система старается предсказать дальнейшее движение объекта с целью обеспечить правильный фокус.
Впрочем, несмотря на развитие технологий и улучшение алгоритмов, часто автофокус промахивается. Вот Вам примеры фотографий с ошибками фокусировки:
Довольно часто фотографам приходится сталкиваться с промахом автофокуса, и причины тут часто одни: условия съемки, которые «обманывают» систему фокусировки.
Когда уместно использовать ручную фокусировку?
Самый первый и банальный момент, когда лучше всего вручную фокусироваться на объекте, это слабое освещение. Часто при слабом освещении объектив камеры начинает вращаться туда-сюда и не может конкретно определить правильный объект.
Впрочем, эта проблема отчасти решена благодаря подсветке автофокуса (подсвечивается передний план, что позволяет обеспечить правильную фокусировку), хотя не до конца.
Макросъемка – еще один режим в камере, когда лучше вручную наводить резкость объекта. Проблема в том, что при макросъемке работа идет в весьма узких диапазонах резкости, соответственно, любая неточность испортит снимок.
Портретная съемка. Обычно тут не возникает проблем, ведь в этом режиме система фокусируется по глазам модели. Однако профессиональные фотографы иногда применяют ручную фокусировку для выделения линии губ или другой части лица. Впрочем, это уже совсем другая история.
Вместо вывода
Современные зеркальные камеры вполне умны и оснащаются отличными алгоритмами наведения на резкость. Автоматической фокусировки часто достаточно для получения правильных снимков. Все же, ручной фокусировкой должен уметь пользоваться каждый уважающий себя фотограф, ведь и без нее не обойтись.
Как работает фокус | B&H eXplora
До появления автофокуса был фокус. Камера представляет собой светонепроницаемую коробку, которая используется для освещения светочувствительной поверхности (пленки или цифрового датчика). Чтобы сфокусировать свет на поверхности, большинство камер (и ваши собственные глаза) используют линзу для направления света. Почему я сказал «большинство»? Ну, есть много типов камер, которые не полагаются на линзы для фокусировки света. «Камера-обскура» представляет собой коробку с крошечным отверстием на одном конце и светочувствительной поверхностью на другом. Свет проходит через крошечное отверстие и проецируется на заднюю стенку коробки. Поиск в Интернете или в вашей местной библиотеке покажет, что ученые и инженеры в настоящее время работают над созданием безлинзовых камер, которые никогда не расфокусируются и избегают нежелательных характеристик, придаваемых свету, когда он проходит через стеклянные или пластиковые линзы.
Однако в настоящее время почти все мы используем камеры, которые фокусируют свет через объектив.
Фокус
Линза — это оптическое устройство, состоящее из изогнутого материала, пропускающего свет. В зависимости от конструкции объектив камеры, либо встроенный в камеру, либо прикрепленный и взаимозаменяемый, состоит из одного или нескольких элементов, которые одновременно рассеивают и собирают свет, чтобы сфокусировать его на светочувствительной поверхности и повторно собрать свет, отраженный от сцены, которая была проходит через оптику, в результате чего получается изображение. Вы можете увидеть характеристики объектива на веб-сайте B&H Photo, в которых упоминаются «элементы» и «группы». Каждый отдельный кусок стекла является элементом, а один или несколько элементов обозначаются группами внутри камеры.
Почему нам нужно искривлять свет, чтобы создать изображение? Ну, на самом деле нам совсем не нужно искривлять свет. Проблема в том, что пленка, датчик или задняя стенка вашего глазного яблока обычно намного меньше, чем изображение, которое мы пытаемся зафиксировать.
Поэтому нам нужно согнуть свет, чтобы уменьшить размер изображения. Как еще можно поместить целую гору или здание на датчик камеры, не искажая свет?
Линза не только преломляет свет, но и замедляет его. Скорость света меняется, когда он проходит через полупрозрачные материалы. Таким образом, свет изгибается и замедляется, когда он входит и выходит из линзы (в зависимости от конструкции линзы). Задача объектива камеры — направить этот свет на пленку или сенсор.
Прежде чем мы сойдемся здесь с ума, позвольте мне сделать заявление об отказе от ответственности, в котором говорится, что есть много вещей, которые можно узнать о поведении света и физике линз. Я никогда не буду претендовать на более чем поверхностное понимание темы, и мои оценки по физике в колледже указывают на то, что вы, возможно, захотите забыть то, что только что прочитали и собираетесь прочитать, но для целей этой статьи я собираюсь постарайтесь сделать это простым и ясным, чтобы мы могли добраться до предмета под рукой — сфокусироваться.
Если вы хотите копнуть глубже, во что бы то ни стало, побалуйте себя. Оптика и свет очень круты и увлекательны, но мне нужно, чтобы это было актуально для фотографа. Знание этой темы на уровне докторантуры никоим образом не гарантирует, что вы станете лучшим фотографом.
Любой, кто использовал увеличительное стекло, чтобы прожечь дырки в бумаге или листьях, может подтвердить, что существует прямая зависимость между конвергенцией света и расстоянием от объекта, на который вы пытаетесь проецировать этот свет. Когда вы пытаетесь сфокусировать свет солнца в крошечной точке, чтобы зажечь пламя с помощью линзы, вы фокусируете свет от одного источника света. Камера, как и ваш глаз, фокусирует свет не только от потенциально многих источников света, но и от бесконечного числа световых лучей, отражающихся от объектов в сцене. Перемещение объектива ближе или дальше от сенсора или пленки — это то, как камера и объектив работают, чтобы направить свет, чтобы воссоздать четкое изображение.
Если бы вы не могли отрегулировать фокус камеры и объектива, вам пришлось бы физически приблизиться или отдалиться от объекта — точно так же, как вы делали это с увеличительным стеклом и солнцем.
К счастью для нас, большинство камер делают это за нас.
Давайте еще раз вернемся к теории, чтобы закрепить эту информацию. Вы принципиально против селфи и делаете портрет друга, чтобы ему не пришлось фотографироваться самостоятельно. Теперь давайте внимательно посмотрим на нашу тему. Очень близко… кончик ресницы. Этот кончик ресницы отражает свет от источника света (солнца, стробоскопа, лампочки и т. д.) во всех направлениях, а не только обратно в камеру. Отраженный свет от этой ресницы попадает в объектив камеры под разными углами, потому что он отражается под почти бесконечным числом углов. Работа объектива состоит в том, чтобы собирать эти световые лучи и заставлять их сходиться на пленке или датчике в одной точке, чтобы мы могли воспроизвести кончик этой ресницы на нашей фотографии точно так же, как он кажется нашему глазу. Если этот свет сойдется в точке перед датчиком, кончик этой ресницы будет казаться размытым, поскольку свет сойдется в точку, а затем продолжит свой веселый путь, расходясь от точки.
Точно так же, если этот свет попытается собраться в точке за пределами пленки или сенсора, свет, падающий на плоскость, еще не попадет в одну точку, и мы получим тот же эффект.
Что это за эффект? Создается расфокусированное изображение. Кончик этой ресницы воспроизводится как нечеткое собрание отраженного света, которое будет напоминать размытый кончик ресницы. Теперь представьте, что это бесконечное количество раз от каждой точки света или отражения в сцене. Размыто!
Если вас не зовут Хироши Сугимото, вы, вероятно, не хотите создавать расфокусированные изображения. Или, если вы это сделаете, вы захотите контролировать, насколько ваши изображения не в фокусе. Чтобы ваше изображение было четким или чтобы вы могли намеренно не фокусироваться, камера и объектив работают вместе, чтобы изменить расстояние объектива от датчика или пленки, чтобы контролировать, где сходится захваченный свет. Когда свет сходится точно в плоскости пленки или сенсора, изображение находится в фокусе.
Итак, на фотоаппарате с объективом, имеющим вращающееся механическое кольцо фокусировки, поворотом этого кольца вы будете физически перемещать фокусировочную линзу, или линзо-фокусировочную группу, чтобы вручную изменить расстояние между объективом и сенсором и разрешить управление где в камере этот свет сходится.
Автофокус
Теперь, когда у нас есть общее представление о том, как объектив фокусирует свет на матрицу или пленку, мы можем поговорить о волшебстве автофокуса. По мере развития технологий производители фотоаппаратов придумали, как моторизировать корпус камеры и объективы, чтобы перемещать фокусирующие элементы или фокусирующую группу к датчику или пленке или от них. Подавляющее большинство современных камер не имеют двигателей автофокусировки внутри корпуса камеры, а полагаются на крошечные двигатели, встроенные в объективы, которые управляются с самой камеры.
Не совсем ракетостроение, верно? Но как камера узнает, что объект находится в фокусе? Когда мы фокусируем объектив вручную, мы смотрим в видоискатель или на ЖК-экран и проверяем глазами, выглядит ли объект резким.
Многие видоискатели во времена кино имели полезные микропризмы с разделенным экраном в центре, которые помогали с ручной фокусировкой. Камера с автофокусом должна вычислять фокус электронным способом, когда объектив перемещается к сенсору или пленке и обратно. И, к счастью для нас, особенно если у вас не идеальное зрение, теперь он может делать это чрезвычайно быстро и точно.
Активный против пассивного
В наши дни вы редко увидите системы с активной автофокусировкой, но давайте отдадим должное этой технологии. Системы активной автофокусировки существовали на заре технологии автофокусировки и полагались на то, что камера передает ультразвуковой или инфракрасный сигнал на объект. Объект будет отражать звук или свет обратно на датчик фокусировки камеры, и, сравнив время, необходимое для получения возврата, со скоростью звука или скоростью света, камера узнает, как далеко находится объект. На самом деле это звучит довольно круто и высокотехнологично, не так ли? Это, по сути, сонар и радар в камере.
Сонар и радар — это круто. Как и активный автофокус.
Прежде чем вы будете в восторге от новаторской технологии в своей камере, отметим, что если у вас есть так называемая вспомогательная лампа автофокусировки, ее использование не является системой активной автофокусировки — она просто усиливает освещение в темных сценах, чтобы помочь пассивная система.
Пассивная автофокусировка используется подавляющим большинством современных камер. В мире пассивной автофокусировки у нас есть две разные системы: определение фазы и обнаружение контраста. Мы закончим эту интригующую статью описанием того, как работает каждая система, опять же, сохраняя ее относительно простой.
Обнаружение фазы
Обнаружение фазы — это система, наиболее часто используемая в современных цифровых зеркальных камерах. Как вы знаете, свет попадает в объектив цифровой зеркальной фотокамеры и падает на зеркало, расположенное под углом перед сенсором или пленкой. Этот свет отражается вверх в призму, а затем направляется в видоискатель на задней панели камеры.
Однако вы, возможно, не знали, что очень небольшое количество света проходит через это зеркало, попадает на другое зеркало и отражается вниз к нижней части камеры, где находится датчик автофокусировки.
Датчик автофокусировки содержит два или более датчика изображения с микролинзами над ними. Эти крошечные датчики создают точки автофокусировки камеры. Первые камеры с пассивным автофокусом имели одну центральную точку фокусировки. Современные технологии дают нам камеры с десятками выбираемых точек фокусировки.
Итак, как работает этот датчик автофокуса? Проще говоря, фазовое обнаружение работает путем разделения входящего света на пары изображений перед их сравнением. Свет разделяется, проходя через прозрачную часть главного зеркала, где эта область действует как светоделитель. Два отдельных изображения направляются вниз к вышеупомянутому датчику автофокусировки, где два изображения сравниваются и оценивается их взаимное расположение. Компьютер внутри камеры оценивает сигнал от датчика автофокусировки и дает команду объективу настроить фокусирующие элементы внутри объектива до тех пор, пока два изображения не станут идентичными.
Как только два изображения совпадают, изображение находится в фокусе.
Ранние датчики просто оценивали вертикальные детали изображения. У этого были свои ограничения, поскольку система изо всех сил пыталась сосредоточиться на простых сценах с большим количеством горизонтальных компонентов. Я помню, как переворачивал свою старую зеркальную камеру боком, чтобы обмануть датчик автофокуса! Теперь многие датчики, называемые точками крестового типа, одновременно считывают как горизонтальную, так и вертикальную информацию. Аааа, технологии!
Обнаружение контраста
Обнаружение контраста — это система, обычно используемая беззеркальными камерами, камерами типа «наведи и снимай», цифровыми зеркальными камерами в режиме реального времени и камерами смартфонов; в основном любая камера без зеркала в использовании.
Как вы могли заметить, системы обнаружения фаз сложны и состоят из множества компонентов. Обнаружение контраста намного проще, и оно использует свет, падающий на основной датчик, для обеспечения фокусировки.
Это дает обнаружению контраста одно преимущество перед определением фазы: количество точек автофокусировки. При фазовом обнаружении количество точек зависит от конструкции зеркала и количества датчиков автофокусировки под этим зеркалом. С обнаружением контраста камера может иметь практически неограниченное количество точек фокусировки. Некоторые современные камеры имеют сенсорные экраны, на которых камера фокусируется на любой точке изображения, которую вы указываете, одним касанием пальца.
Как это работает? Ну, камера дает команду фокусирующему элементу объектива двигаться, пока он считывает любое уменьшение интенсивности света на пикселе или группе пикселей. Максимальная интенсивность указывает на область наиболее резкого фокуса. В то время как простота является преимуществом этой системы, недостатком является то, что камера должна постоянно оценивать изображения, чтобы добиться фокусировки. Когда свет попадает на датчик в первый раз, камера понятия не имеет, показывает ли свет максимальную интенсивность или нет, пока она не изменит положение объектива, чтобы изменить эту интенсивность.
Это своего рода эквивалент измерения чего-либо на весах без знания веса. Вы можете поставить противовес на противоположный конец весов и обнаружить, что он в самый раз, слишком тяжелый или слишком легкий. Камера получает начальное изображение, которое может быть в фокусе, но для проверки она должна начать перемещать объектив, чтобы увидеть, становится ли изображение более четким или более размытым.
Это называется «охота». Те, у кого есть более старые камеры типа «наведи и снимай», возможно, не так хорошо помнят, как ждали, пока объектив найдет фокус, в то время как действие в сцене проходило мимо вас. К счастью, технологии, связанные с автофокусировкой с определением контраста, постоянно совершенствуются, и современные беззеркальные камеры и наведи и снимай способны фокусироваться очень быстро.
В фокусе
Итак, теперь вы знаете, как работает фокусировка внутри вашей камеры. Или, по крайней мере, я на это надеюсь.
В следующем разделе я расскажу о различных режимах автофокусировки и о том, как их лучше всего использовать для получения желаемых фотографических результатов.
Спасибо за прочтение!
Объективы: как работает фокус?
Проще говоря, линза — это то, что изгибает (или преломляет) свет, проходящий через нее. Как вы можете себе представить, линзы есть везде в нашем мире — от капли воды на лобовом стекле автомобиля до ваших очков и вплоть до ваших настоящих глазных яблок.
Таким образом, один объект, преломляющий свет, называется простой линзой. Точно так же набор из двух или более линз, работающих вместе, называется составной линзой.
Как правило, объективы фотоаппаратов почти всегда представляют собой составные объективы. Чтобы избежать путаницы, когда мы говорим о простых линзах внутри сложной линзы, мы называем их элементами.
Advertisement
Ваш объектив, возможно, окажет самое важное влияние на ваше конечное изображение — намного больше, чем остальное аппаратное обеспечение камеры, которое у вас когда-либо будет. Тем не менее, как это на самом деле работает для создания сфокусированного изображения? Кроме того, что означают все цифры и буквы в названии объектива? Давайте взглянем.
Сосредоточься, пожалуйста!
Для начала представьте увеличительное стекло, которое представляет собой простую линзу. Если ваше увеличительное стекло находится на правильном расстоянии от того, на что вы смотрите, рефракция сделает ваш объект больше. Это потому, что линза собирает свет с большой площади, преломляет его под правильным углом, а затем направляет в глаз. Это работает аналогично тому, как воронка может собирать и перенаправлять дождевую воду.
Для сравнения, если вы когда-нибудь пытались поджечь лист с помощью увеличительного стекла в солнечный день, вы точно понимаете, как работает искривляющий свет. Вы собираете и направляете солнечный свет в определенную точку, которая является точкой фокусировки на листе.
Объектив камеры работает таким же образом, собирая и направляя свет на цифровой датчик (или пленку, если вы путешественник во времени из 1995 года). Вот почему никогда не направляйте камеру прямо на солнце. Это может поджарить ваш датчик — и, возможно, ваш глаз, в зависимости от камеры.
Объект, рассматриваемый через увеличительное стекло, выглядит больше, но обычно он также искажен и размыт. Как уменьшить искажение изображения и сделать его более четким?
Во-первых, вы используете другую линзу, которая немного выпрямляет свет. На самом деле, простые телескопы работают именно так: у них есть одна линза, которая преломляет свет, чтобы объекты казались больше, а другая — чтобы преломлять его снова, чтобы он выглядел четче. По сути, так две простые линзы становятся элементами составной линзы.
Изменяя расстояние между двумя линзами, вы можете изменить степень выпрямления света. Это меняет фокус света и меняет размытость изображения. Вот почему, когда что-то размыто, мы называем это «не в фокусе».
Точно так же, чтобы получить еще более четкие и менее искаженные изображения, мы добавляем еще больше элементов, чтобы разгибать и перегибать свет точно так, как нужно. Кроме того, мы добавляем механизм для перемещения этих элементов, чтобы отрегулировать изгиб и, следовательно, ваш фокус и/или увеличение.
Математика необходима, чтобы вычислить, сколько элементов вам нужно, и точная форма чрезвычайно сложна.
Средняя линза может состоять из шести или семи элементов. Таким образом, более дорогие и сложные объективы могут иметь от 15 до 20 элементов. Элементы разной формы могут создавать разные эффекты, поэтому вы получаете специализированное стекло, такое как макро, широкоугольное, «рыбий глаз», апохроматическое («APO») или телеобъектив. линзы.
Технические детали
Теперь, когда у нас есть общее представление о том, как работает объектив, давайте перейдем к некоторым техническим тонкостям. Когда вы покупаете объектив, в его названии обычно есть куча цифр и букв, например «Nikkor 20mm f/1.8 AF». Первая часть этого имени проста: Nikkor — это торговая марка.
Фокусное расстояние и расстояние
Первое число после названия бренда (измеряется в миллиметрах) — это фокусное расстояние. Это не следует путать с фокусным расстоянием. Фокусное расстояние относится к расстоянию между датчиком вашей камеры (или пленкой) и «задней узловой точкой» вашего объектива.
Для определения «задней узловой точки» обычно требуется степень магистра оптики и пара учебников, поэтому для наших целей просто думайте об этом как о любимом месте вашего объектива.
Короче говоря, чем дальше вы должны находиться от объекта, тем выше должно быть фокусное расстояние. Объектив 300 мм отлично подходит для съемки дикой природы, потому что вы можете находиться далеко от объекта. Он делает узкий снимок, поэтому ваш объект занимает большую часть кадра.
Для сравнения, если вы хотите приблизиться к объекту, вам может понадобиться объектив 20 мм. Короче говоря, для этого потребуется общий план, чтобы ваш объект занимал меньше места в кадре. Зум-объективы, у которых есть подвижная зона наилучшего восприятия, будут иметь два указанных фокусных расстояния. У них будет минимум и максимум, например, «80 мм-200 мм». Кроме того, объективы, которые не могут масштабировать, называются объективами с фиксированным фокусным расстоянием.
Фокусное расстояние — это максимально близкое расстояние, на которое вы можете приблизиться к объекту, сохраняя при этом его фокус.
Другими словами, фокусное расстояние — это минимальное расстояние фокусировки.
Фокусное расстояние — это максимально близкое расстояние, на которое вы можете приблизиться к объекту, сохраняя при этом его фокус.
В общем, важно отметить, что фокусное расстояние и фокусное расстояние не всегда связаны! Два 20-мм объектива от разных производителей могут иметь очень разные фокусные расстояния. Фокусное расстояние обычно не указывается в названии объектива, поэтому вам придется проверить технические характеристики, чтобы найти его.
Фокальная плоскость и глубина резкости
Кроме того, вы можете услышать о фокальной плоскости. Фокусная плоскость (также называемая глубиной резкости) определяет, насколько глубока область фокусировки. Это может быть трудно объяснить, но представьте, что вы делаете портрет человека. Если у вас очень узкая фокальная плоскость, если глаза вашего объекта находятся в фокусе, но его нос и уши не будут в фокусе.
Точно так же, если у вас широкая фокальная плоскость, все их лицо — нос, глаза, уши — будет в фокусе одновременно. В общем, с очень узкой фокальной плоскостью снимать обычно не хочется. Тем не менее, иногда это необходимо из-за условий освещения или потому, что вам нужен определенный художественный эффект.
Фокальная плоскость объектива определяется размером апертуры. Чем больше ваша диафрагма, тем уже ваша фокальная плоскость. Большинство современных объективов имеют регулируемую диафрагму. Диафрагма обычно измеряется в числах f или f-stops, хотя на некоторых объективах для видео они вместо этого называются T-stops.
Чем меньше число, тем больше апертура. Да, это кажется отсталым. Это не совсем так, но это другая статья. Диафрагма обычно указана в названии объектива и обычно указывает максимальную диафрагму для этого объектива. Это «f/1.8» в «Nikkor 20mm f/1.8 AF».
Автофокусировка и ручная фокусировка
Буквы в конце названия объектива могут означать множество различных вещей, которые различаются от производителя к производителю.
Хотя «AF» почти всегда означает автофокус, для других букв нет стандартной инструкции.
Автофокусировка означает, что в объективе есть крошечные, чрезвычайно точные моторы, которые вместе с датчиком камеры регулируют расстояние между элементами и автоматически фокусируют изображение. Тем не менее, некоторые объективы имеют только ручную фокусировку, что означает, что вам нужно настроить объектив вручную, чтобы сфокусировать его.
В целом очень немногие профессиональные стрелки используют только объективы с ручным управлением. На самом деле, автофокус был стандартным для большинства объективов на протяжении 40 лет. Однако у большинства объективов или камер есть возможность отключить автофокус.
Домашнее задание
Оптика — очень сложная область физики и техники, но объективы камеры не должны быть сложными в использовании и понимании. Лучший способ учиться — через опыт. Вот ваше домашнее задание: купите (или одолжите) короткофокусный объектив где-то между 16 и 25 мм.