Как работает автофокус. Фазовый и контрастный автофокус

Дата публикации: 04.09.2015

Резкость - одна из важнейших составляющих качественной фотографии. Будучи достаточно резким, снимок может передать сюжет в мельчайших подробностях и деталях.

За резкость фотографии отвечает прежде всего фокусировка. О том, что это такое и как с ней работают современные фотоаппараты, мы сегодня и поговорим.

Немного теории и истории

Объектив фокусируется не на конкретном объекте, а на определённой дистанции. Объектив, как и любой оптический прибор (например, проектор, бинокль, микроскоп, увеличительное стекло), может быть сфокусирован только на определённом расстоянии. И только объекты, находящиеся на этой дистанции, будут в кадре резкими. На некоторых объективах даже предусмотрена специальная шкала, показывающая дистанцию фокусировки в метрах. Во время фокусировки в объективе туда-сюда двигается блок линз, подобно тому, как мы двигаем обычную лупу, разглядывая мелкие предметы: лупа покажет их резкими только тогда, когда будет находиться на нужном расстоянии от них.

При наведении на резкость мы настраиваем объектив на определённую дистанцию фокусировки.

Nikon D810 / Nikon 85mm f/1.4D AF Nikkor

Ошибка с этим параметром грозит тем, что главный объект снимка получится нерезким.

Интересное следствие из предыдущего пункта: если в кадре есть несколько объектов, которые расположены на разных дистанциях, то просто так на всех них сфокусироваться не получится. Но есть решение: уместить все объекты в глубину резкости . О том, как с ней работать, мы писали в отдельных уроках . Отметим, что на устройствах с очень маленьким по размеру сенсором (например, на смартфонах или компактных фотоаппаратах) глубина резкости будет очень большой. Именно поэтому на такие устройства легко сделать кадр, где резким получится как передний, так и задний план. Но по этой же причине с ними практически невозможно размыть фон на снимке.

Раньше фотографы самостоятельно фокусировали объектив. Сегодня функция ручной фокусировки сохранилась практически в любой фотокамере. А в зеркальной фототехнике она присутствует всегда. Минус ручной фокусировки в том, что для точного наведения на резкость вам потребуется много времени. А если ваш объект ещё и двигается, то ручная фокусировка превращается в настоящее испытание нервов, координации и зрения фотографа. Начиная с 80-х годов прошлого столетия стали развиваться системы автоматической фокусировки. Тогда компания Nikon представила свою первую камеру , наделённую автофокусом - Nikon F3AF.

C тех пор фотокамеры, наделённые функцией автофокуса, вытеснили более простые модели, лишённые её. Сегодня практически не выпускают фотоаппараты без автоматической фокусировки.

Можно говорить о том, что в наши дни автофокус стал неотъемлемой частью современной фотокамеры. Системы автоматической фокусировки совершенствуются с каждым годом, становясь всё быстрее, чувствительнее и гибче в работе.

Как работает автофокус?

Система автоматической фокусировки - это комплекс датчиков и механизмов. Аппарату нужно оценить будущий кадр, понять, на какой дистанции нужно сфокусироваться, а после этого ещё и соответствующим образом передвинуть блок линз в объективе так, чтобы он проецировал на сенсор резкое изображение.

По принципу работы различают два основных типа систем автофокуса.

Фазовая фокусировка

Проверенный временем тип автоматической фокусировки. Такой тип автофокуса является основным для зеркальных фотоаппаратов. Мы знаем, что ключевой элемент зеркальной камеры - это, собственно, зеркало. Благодаря ему мы можем видеть изображение, получаемое прямо через объектив аппарата. Но на этом функции зеркала не заканчиваются. И кстати, зеркало в камере не одно: там имеется целая система зеркал. Она устроена таким образом, что часть отражённого света отправляется в видоискатель, а часть попадает на специальный модуль, на котором установлены датчики. Современный модуль автофокуса может содержать десятки таких датчиков. Производители стараются располагать датчики так, чтобы они покрывали максимально возможную площадь кадра, дабы фотограф мог сфокусироваться на любом фрагменте будущей фотографии.

Перед фотографом эти маленькие датчики предстают как точки фокусировки в видоискателе. Думаю, они знакомы всем. Фотограф волен выбрать самостоятельно нужную точку (читай «отдельный датчик на модуле фокусировки»), а может доверить этот выбор автоматике аппарата.

Для анализа изображения каждый датчик оснащён собственной миниатюрной матрицей шириной в 1 пиксель и длиной в несколько десятков пикселей. При этом некоторые датчики оснащаются двумя такими матрицами, установленными крестом. Датчики крестового типа более чувствительны, поэтому они размещаются в ключевых местах, а вокруг них располагаются обычные. К примеру, по центру кадра почти всегда располагается датчик крестового типа. Фотографы знают, что центральная точка автофокуса - самая цепкая и чувствительная.

Система автофокуса вступает в работу тогда, когда вы нажали кнопку спуска наполовину. Также на некоторых аппаратах существует специальная кнопка активации автофокуса. Модуль фокусировки сообщает фотокамере, на какую дистанцию нужно сфокусировать объектив, чтобы получить резкое изображение в выбранной точке. Для этого запускается специальный моторчик, который двигает линзы объектива, наводясь на резкость.

Теперь фотокамере остаётся сфокусировать объектив, и когда это произойдёт, можно будет делать снимок.

Плюсы фазового типа фокусировки:

• Скорость работы. Данный тип фокусировки является самым быстрым на сегодняшний день. Отметим, что скорость работы всей системы автофокуса будет зависеть и от прочих факторов (к примеру, от скорости привода фокусировки в объективе).
• Высокая чувствительность. Датчики фазовой фокусировки могут работать даже при очень скудном освещении.

Nikon D810 / Nikon AF-S 50mm f/1.4G Nikkor

Слабое вечернее освещение не помешало мне быстро сфокусироваться там, где я пожелал.

• Высокая точность и скорость следящего автофокуса. Благодаря чувствительным датчикам и продвинутой электронике современные аппараты в режиме следящей фокусировки позволяют не терять из фокуса даже очень быстро двигающиеся объекты, следя за ними по всему полю кадра.

Nikon D810 / Nikon 70-200mm f/4G ED AF-S VR Nikkor

Благодаря высокой скорости работы фазовый тип автофокуса отлично подходит для съёмки динамичных сюжетов, в том числе с участием детей и животных.

Минусы фазового типа фокусировки:

• Возможность работы только через оптический видоискатель. Ведь только когда зеркало фотокамеры опущено, свет попадает и в видоискатель, и на датчики фокусировки.
• Из первого пункта вытекает второй: невозможность использования фазового автофокуса в момент записи видео.
• Из-за сложности всей системы фокусировка фазового типа может страдать от бэк- и фронт-фокуса. При этом камера будет систематически фокусироваться чуть-чуть дальше объекта съёмки или немного перед ним. Итог один: сам объект, на котором камера фокусировалась, в итоге окажется немного нерезким. Проблема бэк- и фронт-фокуса решается настройкой оборудования в сервисном центре. В случае продвинутых фотокамер (начиная с Nikon D7200) настроить фокусировку можно самостоятельно прямо в меню аппарата.
• Неполное покрытие датчиками фокусировки площади кадра. Наверняка вы замечали, что все точки фокусировки обычно расположены ближе к центру кадра, тогда как с краю нет ни одной. Это связано с конструктивными особенностями всей системы фазовой фокусировки. Тут общая закономерность проста: чем более продвинутая камера у вас в руках, тем, как правило, больше датчиков фокусировки в ней установлено, и тем большая площадь кадра ими покрыта. Впрочем, стоит сказать, что некоторые профессионалы часто используют вообще одну-единственную центральную точку фокусировки и другими почти не пользуются. Ведь центральная точка фокусировки самая чувствительная, а после фокусировки по центру кадра снимок всегда можно перекомпоновать.

Контрастный тип фокусировки

Этот тип фокусировки устроен проще: для него не нужен специальный отдельный модуль и система зеркал, ведь «датчиком фокусировки» выступает сама матрица фотоаппарата. Электроника камеры анализирует картинку, получаемую матрицей, и оценивает её контраст в выбранной точке. Если контраст не максимальный, она пытается перефокусировать объектив так, чтобы контраст увеличился. Так автоматика постепенно добивается максимальной детализации картинки в выбранной точке.

В современных зеркальных фотокамерах этот тип фокусировки используется при работе в режиме Live View. В беззеркальных же камерах он является основным.

Плюсы контрастного типа фокусировки:

• Простота и надёжность конструкции. Для реализации этого типа фокусировки не требуется дополнительных датчиков, зеркал и прочего. Именно благодаря такой простой конструкции беззеркальные аппараты, где используется только контрастный автофокус, столь компактны: из них убрали систему зеркал и модуль фазовой фокусировки. К тому же, поскольку аппарат ориентируется не на показания отдельно расположенного модуля фокусировки, а непосредственно на матрицу фотокамеры, при контрастной фокусировке исключены случаи бэк- и фронт-фокуса.
• Фокусироваться можно по всему полю кадра, а не только в пределах имеющихся точек фокусировки. Модули фазового автофокуса часто грешат тем, что все их (пусть и многочисленные) датчики находятся аккурат в центре кадра. Это не даёт сфокусироваться по краю снимка - там просто нет ни одной точки фокусировки. Таких проблем не знает контрастная фокусировка. Здесь мы можем выбрать любое место на плоскости будущего снимка для наводки на резкость (даже с самого края), ведь есть возможность задействовать в фокусировке любую область матрицы фотокамеры.

Но тут стоит сделать оговорку: в беззеркальных камерах функция контрастного автофокуса реализована так, что всё же выбор точек фокусировки несколько ограничен, они не покрывают абсолютно всей площади кадра.

• Возможность реализации дополнительных функций фокусировки, таких как распознавание лиц.
• Возможность использования автофокуса в момент видеозаписи. Однако пока эта возможность есть не во всех аппаратах, оснащённых контрастной фокусировкой.
• Теоретически высокая точность фокусировки. Сам принцип контрастной фокусировки позволяет добиться идеального качества фокусировки. Однако касательно её точности есть ряд оговорок, зависящих от реализации системы в конкретных аппаратах. Об этом мы поговорим в «минусах».

Минусы контрастного типа фокусировки:

• Медленная скорость работы. Наверняка все владельцы зеркалок замечали, что в режиме Live View камера фокусируется медленнее. Всему виной как раз контрастный автофокус, использующийся в этом режиме. Пускай с каждым следующим поколением фотокамер скорость работы фазового автофокуса увеличивается, пока что по этому критерию он уступает фазовому типу.
• Требовательность к освещению. Скорость работы контрастной фокусировки упадёт ещё сильнее, если снимать при недостаточном освещении.
• Практическая реализация контрастного автофокуса не всегда идеальна. Мы уже говорили о том, что практическое исполнение в различной фотоаппаратуре контрастного автофокуса не всегда раскрывает его теоретические достоинства. И вот ещё одна особенность: некоторые модели фотокамер предлагают фотографу фокусироваться не по конкретной точке изображения, а по крупной рамке, перемещаемой по плоскости кадра. Внутри неё может уместиться множество разных деталей, а значит, возможны и ошибки фокусировки: кто знает, на что именно внутри этой рамки захочет сфокусироваться камера?.. Поэтому недорогие беззеркалки (в которых такая ситуация и случается) не очень удобно использовать со светосильной оптикой. Прежде всего, они созданы для работы с универсальными китовыми объективами, не обладающими высокой светосилой. Поэтому, имея недорогую беззеркальную камеру, не спешите дополнять комплект светосильной портретной оптикой: вполне возможно, большинство ваших снимков будет не совсем резкими. C другой стороны, если фотокамера позволяет фокусироваться по очень малому участку кадра, наоборот, можно добиться точной наводки на резкость при работе со светосильной оптикой.

Фокусировка не может быть простой. Используя любой из основных режимов съемки - автоматический, портрет или пейзаж - ваша камера делает всю работу за вас. Но это слишком легко, и не профессионально. Казалось все просто, следует наполовину нажать на кнопку спуска затвора, сфокусироваться и сделать кадр. Тогда почему же многие снимки выходят смазанными и размытыми? Ответ заключается в том, что система автофокуса действительно работает, но не всегда так, как нам хочется.

Обычно, в зеркальном фотоаппарате, начального или среднего класса, есть девять точек фокусировки, которые разбросаны на определенном расстоянии друг от друга.

Всегда есть одна точка автофокусировки в центре, затем две точки сверху и снизу и по три точки с правой и левой стороны, две из которых находятся на одном уровне, а одна, прижата к краю кадра. Более продвинутые камеры имеют еще дополнительные шесть точек, хотя они, в отличие от первых девяти, не могут быть выбраны вручную.

Принцип работы Автофокуса

Для достижения автофокуса при съемке в различных режимах камеры, используется информация от всех девяти точках автофокусировки. Камера определяет расстояние от каждой части сцены из камеры, выбирает ближайший объект, который совпадает с точкой автофокусировки и блокирует автофокус в данном положении.

Это нормально и очень полезно, если вы хотите, сосредоточиться на ближайших объектах в кадре, но ведь так бывает не всегда, не так ли? Предположим, вы снимает красивый пейзаж, но при этом хотите сфокусироваться на цветке, который находится на переднем плане. Что делать в этом случае? - В таких случаях лучше выбрать режим ручной фокусировки.

Различные возможности фокусировки

Автоматический выбор точек

По умолчанию, ваша зеркалка использует все точки автофокусировки в каждом режиме съемки, но часто вы можете выбрать точки фокусировки вручную. Нажмите кнопку выбора точек автофокусировки, а именно кнопку в верхнем правом углу задней панели камеры (расположение может меняться в зависимости от марки камеры) и на экране появится подтверждение, что сейчас используется режим многоточечной автофокусировки Auto Select.

Одноточечный режим фокусировки

Для переключения между автоматическим режимом фокусировки и ручной фокусировкой нажмите на кнопку выбора точек фокусировки, как и в предыдущем шаге, но затем нажмите «Установить». Теперь камера перейдет в режим использования только одной точки фокусировки. Что бы вернуться в многоточечный режим проделайте все тоже самое.

Изменение точек фокусировки

Вы не ограничены в использовании только центральной точки фокусировки в ручном режиме управления. После переключения в автоматический режим по одной точке, вы можете использовать клавиши со стрелками, чтобы выбрать любую другую, доступную точку фокусировки. Чтобы вернуться к центральной точке снова нажмите кнопку «Установить».

Режимы фокусировки

Руководство по выбору точки фокусировки работает в любом режиме фокусировки, так что вы можете использовать или одну точку, или несколько в зависимости от того снимаете ли вы неподвижный, или движущийся объект. Выберите наиболее подходящий режим фокусировки.

Когда использовать ту или иную точку фокусировки

Автоматический выбор

Если вы хотите сфокусироваться на ближайшем объекте и вам необходимо быстро реагировать на происходящее вокруг, режим Auto Select будет для вас прекрасным вариантом. Это экономит время, так как в данном случае вы не будете заняты выбором той, или иной точки, кроме того, в этом режиме хорошо снимать движущиеся объекты.

Центральная точка фокусировки

Центральная точка фокусировки является наиболее чувствительной к освещению и наиболее точной из всех, поэтому она отлично подходит для использования при очень низком уровне освещения, или наоборот, при очень ярком свете. В то время, как использование других точек может привести к худшим результатам. Центральная точка также идеально подходит для тех случаев, когда основной объект находится в центре кадра.

Верхняя точка фокусировки

Когда вы фотографируете пейзаж, и для вас важно сделать акцент на более отдаленных объектах и областях сцены, а не на переднем плане, то лучше всего использовать верхнюю точку фокусировки. В данном случае, объекты переднего плана будут более размытыми, а объекты, находящиеся на большом расстоянии четкими и резкими.

Диагональ точек фокусировки

Портреты получаются особенно хорошо, когда объект съемки находится не в центре кадра, а немного сбоку. Снимая портрет, или в горизонтальной, или в вертикальной ориентации, выберите соответствующие точки фокусировки, расположенные по диагонали и сфокусируйтесь на одном из глаз объекта съемка. Если лицо ввернуто в три четверти, то фокусируйтесь на том глазе, который расположен ближе к камере.

Граничные точки фокусировки

Точки фокусировки, расположенные в дальней левой и правой стороне кадра очень удобны, в тех случаях, когда вы хотите, сделать изображение переднего плана более размытым, а определенные объекты, находящиеся более отдаленно, на границах снимка более четкими.

Как выбрать лучшую точку автофокусировки

В то время как для большинства из нас, девять возможных точек фокусировки будет более чем достаточно, такие высококачественные камеры как Canon EOS-1D X, оснащены невероятным количеством точек фокусировки, а именно 61 точкой. Вы можете выбрать даже несколько точек фокусировки в малых группах.

Когда точек фокусировки так много, выбор самой оптимальной точки, может оказаться сложным. Часто, кажется что, проще всего использовать центральную точку фокусировки, сфокусироваться, затем слегка нажать на кнопку спуска затвора для достижения фокуса.
Вы можете заблокировать настройки фокусировки, удерживая кнопку спуска затвора, создать композицию кадра, а затем полностью нажать на кнопку спуска затвора, чтобы сделать снимок. Это часто работает, но не всегда это может быть лучшим вариантом.

Основная проблема с использованием только центральной точкой фокусировки заключается в том, что информация об освещении и значение экспозиции устанавливаются одновременно. То есть, например, вы фокусируетесь сначала на объекте, который находится в тени, а затем быстро переключаетесь на объект, находящийся на солнце, то в этом случае изображение будет переэкспонированным.

Зафиксировать точку

Вы можете нажать на AE Lock, затем создать композицию кадра, благодаря этому камера будет учитывать постоянно меняющиеся условия освещения. При этом вам следует держать зажатой кнопку спуска затвора, чтобы сохранить фокус заблокированным.

Но это, как правило, легче выбрать точку автофокусировки, которая ближе к той области на которой вам требуется сфокусироваться, поэтому любое последующее движение камеры будет минимальными

Выбор наиболее подходящей точки автофокусировки не только обеспечивает более точный замер освещенности, он также уменьшает дрожание камеры, после того, как точка фокусировки была зафиксирована. Кроме того, точки фокусировки размещены на дисплее, соблюдая правило третей, которое способствует созданию правильной композиции.

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». Поэтому первой серийной автофокусной камерой стала в 1977 году Konica C 35 AF, оснащенная системой Visitronic компании Honeywell. Система эта базировалась на классическом дальномере и триангуляции, только два изображения сводил вместе не сам фотограф, а электромеханическая автоматика, сравнивая сигналы с двух ПЗС-матриц.

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.

В первых дальномерных камерах фотограф совмещал изображения, считывал расстояние и выставлял полученное значение на фокусировочной шкале объектива. В камере 3A Autographic Kodak Special эти процедуры были объединены в одну.

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.

Автоматические дальномеры и настоящая АФ Konica C35 AF была оснащена электромеханическим дальномером с двумя ПЗС-датчиками. Сигналы с датчиков сравнивались, их совпадение означало точную фокусировку.

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.

А первая настоящая АФ появилась в камере Minolta Maxxum 7000. Это была полноценная система фазовой автофокусировки через объектив (TTL) — предок всех современных фазовых систем АФ.

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. Но, в отличие от фазовой автофокусировки, она не может определить заранее, в какую сторону следует двигать объектив, и начинает это делать в случайном направлении — точно так, как это делал бы человек. Поэтому скорость фокусировки иногда оставляет желать лучшего — особенно в условиях недостаточного освещения или при съемке малоконтрастных объектов, когда система просто не может «рассмотреть» резкие детали (в точности как человек). Тем не менее долгое время для компактных цифровых камер и особенно смартфонов альтернатив контрастной автофокусировке просто не существовало.

Камера Canon EOS 70D стала первой моделью, оснащенной системой типа Dual Pixel CMOS AF. В отличие от гибридной системы АФ, которая использует специальные выделенные фотодиоды на общей КМОП-матрице, АФ с «двойными пикселями» и для фокусировки, и для фотосъемки задействует все фотодиоды матрицы.

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). Система АF сравнивала изображение на субматрицах, образованных «левыми» и «правыми» пикселями. Точное совпадение этих двух изображений говорит о точной фокусировке, а смещение показывает, насколько и в какую сторону следует сместить объектив. Похоже на фазовую АF, не так ли? Почти, но не совсем: разрешающая способность субматриц существенно меньше, чем всей матрицы, и при очень малых отклонениях от точной фокусировки система неспособна увидеть разницу, так что на финальном этапе используется фокусировка по контрасту.

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.

Существует способ сделать так, чтобы «всё было резко» вовсе без автофокусировки. В эпоху пленочных камер дешевые модели обычно снабжались простым объективом с фиксированной фокусировкой (focus-free) на гиперфокальном расстоянии. Такой объектив позволяет более-менее резко изображать все объекты, находящиеся на расстоянии от половины гиперфокального (обычно 0,5−1 м) до бесконечности. Подобными же объективами снабжались и дешевые цифровые камеры, и первые смартфоны с камерами. Однако этот принцип применим только для дешевых широкоугольных объективов с большим минимальным значением диафрагмы. Другой случай — это использование пленоптической камеры, или «камеры светового поля». Она фиксирует не только распределение освещенности в фокальной плоскости, но и направление пришедших лучей (световое поле). Такое изображение можно позднее «перефокусировать» любым нужным образом (в любой плоскости). Идея подобных камер была выдвинута в 1908 году, а несколько лет назад компания Lytro решила производить цифровые версии, хотя особого распространения они пока не получили.

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.

Автофокус - это механизм (устройство), который даёт возможность одним нажатием кнопки спуска максимально точно сфокусировать оптическую систему объектива на объекте съёмки. Практически во всех современных фотокамерах предусмотрена функция автофокуссировки. Точка, где сходятся лучи, отражённые от фотографируемого объекта, называется фокусом. Автофокус предназначен для настройки резкости оптики объектива на определённом объекте, группе объектов или какой-либо отдельной точке. Удобство системы автофокуссировки позволяет фотографировать быстро и без потери качества, а это очень важно, когда фотографу нужно поймать момент.

Активные системы автофокуса

В 1986 году компания Polaroid впервые применила активную систему автофокусироваки в своих фотоаппаратах . Принцип работы ультразвуковой системы состоял в следующем: мощный генератор в направлении объёкта съёмки посылал некоторое количество импульсов, мгновенно срабатывала система отсчёта времени, и, когда сенсор улавливал эхо, механизм, на основании полученных данных, вычислял расстояние и давал команду приводу сдвинуть линзы в определённое положение. Данный метод принято называть активным, он отличается высокой скоростью фокусировки и совершенно не зависит от характеристик объектива. Но при всех достоинствах у этого способа есть существенный недостаток. Фотоаппараты с ультразвуковой системой не способны сфокусироваться сквозь прозрачную преграду. Например, если вам нужно будет сфотографировать объект через стекло, то камера этого сделать не сможет.

Продолжением развития активной системы автофокуса стала инфракрасная система оценки расстояния . Эта система базируется на трёх методах: триангуляции, оценки величины отраженного излучения и временной оценки.

Звук в воздушной среде имеет скорость примерно 300 м/с, а скорость света - 300 000 м/с. Инфракрасное излучение непосредственно отноcится к световому спектру, поэтому эффективность инфракрасного излучения куда выше ультразвуковой системы.

Главным препятствием инфракрасной системы оценки расстояния являются нагретые на солнце предметы, пламя, бытовые нагревательные приборы - всё, что имеет инфракрасное излучение. Также влияет расстояние до объекта съёмки с большим коэффициентом поглощения света. В физике есть определение абсолютно черного тела - п оверхности с нулевым коэффициентом отражения света. Поверхностей абсолютно черного тела в природе нет, но есть объекты со слабыми свойствами отражающей поверхности. Получается так, когда инфракрасная система оценки расстояния встречает материал с очень слабым отражающим свойством, она даёт сбой.

В этом случае приходится наводить фокусировку в ручную. Но у этой системы есть, и преимущества инфракрасная система способна фокусироваться как при плохом освещении, так и в темноте. Ранее эту систему активно применяли производители видеокамер, но в последствии пришли к TTL - методу.

Пассивные системы автофокуса

Принцип работы фазового автофокуса заключается в применении специальных датчиков, к которым поступают фрагменты проходящего светового потока от разных точек изображения с помощью линз и зеркал. Внутри датчика свет делится на две части, затем каждая часть попадает на свой светочувствительный сенсор. Фокусировка и точная наводка на резкость получается лишь в том случае, если два световых потока находятся на определённом расстоянии друг от друга, заданном конструкции датчика. Датчик считает расстояние между световыми потоками, и автоматически вычисляет насколько нужно сдвинуть линзы объектива, что бы сделать точную фокусировку. Фазовый автофокус хорош, когда нужно сфотографировать движущийся объект он отличается быстротой и точностью. Большое количество датчиков даёт возможность оценить движение объекта, то есть позволяет включить следящий режим съёмки. Именно по этому фазовый автофокус сегодня широко применяется в зеркальных, плёночных и цифровых фотоаппаратах.

Ниже наглядно представлена работа автофокуса, двигая ползунок вы управляете фокусом, анимация взята отсюда .

Рисунок №1

По названию «контрастный метод » можно понять, что фотоаппарат распознаёт в фокусе ли изображение по расположению линз, при котором получается максимальный контраст картинки. Принцип работы контрастного автофокуса заключается в следующем: затвор поднимается и камера получает изображение. По этому изображению фотоаппарат не может определить, куда двигать линзы, чтобы получить более резкое изображение, а следовательно, и более точный фокус. Поэтому фотоаппарат начинает двигать линзы, в каком либо определённом направлении, например, вперед. За тем снова считывает данные и проверяет значение контраста (резкости) изображения, с тем, что было ранее. Понижение контраста означает, что линзы передвигались не в ту сторону. Теперь камера передвигает линзы в обратном направление, только ещё дальше, чем они были в самом начале. Расстояние сдвига запрограммировано в прошивке камеры. Контрастный метод автофокуса используется практически во всех беззеркальных цифровых фотоаппаратах. Но некоторые из них в последнее время стали комплектовать более быстрой фазовой системой фокусировки.

Рисунок №2

Моторчик автофокуса

Без моторчика не может обойтись ни один механизм автофокусировки, который перемещает линзы. Качество работы фокусировки зависит именно от точности и скорости моторчика, но так же влияет на долговечность элементов питания фотоаппарата. Сегодня весьма популярны два вида устройств - «отвёрточный » и «ультразвуковой », они появились совсем не давно. "Canon" одними из первых в своих камерах использовали новый привод «ультразвуковой моторчик » для объектива. А вслед за ними подобные усовершенствованные устройства ввели и другие компании. О том, что моторчик присутствует можно узнать по индексу на оправе объектива: USM — у Canon , HSM — у Sigma, SWM — у Nikon и SSM — Minolta и у Sony . Бюджетные модели объективов комплектуют преимущественно «отвёрточным» моторчиком, а объективы подороже «ультразвуковым».

Начнем, пожалуй, с того, что же такое автофокус. Это система, которая обеспечивает автоматическую фокусировку объектива фотоаппарата, видеокамеры на объект (или несколько объектов) съемки. Обозначают автофокус чаще всего как AF.

Существует два режима работы автофокуса: пассивный и активный . Смысл в том, что системе требуется определить расстояние от фокальной плоскости до объекта съемки, и активный автофокус добивается этого за счет элементов, взаимодействующих с объектом съемки (ультразвуковой или инфракрасный локаторы), а пассивный не взаимодействует с самим объектом и ничего не излучает — он лишь анализирует световые пучки, попадающие в камеру.

Всю свою работу автофокус выполняет за считанные мгновения и практически без непосредственного участия самого фотографа. Данное устройство предусмотрено во всех современных фотоаппаратах и различается по своему типу. Как правило, выделяются следующие виды:

• Фазовый автофокус
• Контрастный автофокус
• Гибридный автофокус

Рассмотрим каждый из них поподробнее. Работа фазового автофокуса основывается на использовании специальных датчиков, собирающих лучи света из разрозненных фрагментов, которые поступают к ним из разных точек кадра благодаря системам зеркал (в некоторых устройствах они заменены линзами). После этого весь свет разделяется на два потока и отправляется на светочувствительный сенсор. Окончательная наводка происходит в определенный момент, когда разделенные лучи будут находится на заданном устройством датчика расстоянии. Проведя расчет необходимой дистанции, устройство само определяет каким образом нужно изменить положение линз, для того чтобы был получено изображение лучшего качества. К неопровержимым достоинствам автофокуса фазового типа можно смело отнести точность и быстроту фокусировки, особенно это важно, если вы снимаете движущуюся сцену. Большое количество датчиков буквально следит за изображением, добиваясь максимального качества. Фазовый АФ применяется в зеркальных системах.

Следующий вид фокусировки – контрастный автофокус . Его работа основана на специальных светочувствительных элементах, которые проводят исследования контраста снимаемой сцены. Точная фокусировка происходит в тот момент, когда данное изображение обретет максимально отличающуюся от фона резкость и контрастность. Для достижение лучшего результата микропроцессор подобных устройств может смещать линзы из первоначального положения. К достоинства такого типа автофокуса можно отнести простоту, достаточно маленькие размеры и отсутствие необходимости в каких-либо дополнительных датчиках. Благодаря особенностям данной системы её используют в «мыльницах», камерах современных смартфонов и т.п.

Еще один вид, заслуживающий внимание фотографа – гибридный автофокус . Изначальная мысль заключалась в том, чтобы объединить пассивный и активный АФ. Современные же разработки гибридного автофокуса основаны на комбинации фазовой и контрастной технологии. Данный тип автофокуса сегодня внедряют в беззеркальные системы, где такой АФ показывает более убедительные результаты, чем контрастный, который использовался до этого.