В 1970 фирма Leica совершила небольшую революцию в технологии производства фототехники, придумав систему автоматической фокусировки объектива на объект съёмки. За прошедшие годы мы настолько привыкли к этому изобретению, что считаем его само собой разумеющимся и недоумеваем, не найдя его в гаджете. На сегодняшний день распространение получили две системы — контрастная , основанная на измерении контраста изображения и фазовая , сравнивающая противофазные части пучка, формирующего точку. А совсем недавно, буквально на наших глазах, появилась новая система автофокуса — гибридная , объединяющая скорость фазового автофокуса с точностью контрастного (как заявляет рекламный слоган Samsung).

Контрастный автофокус.

Принцип действия основан на вычислении микропроцессором наибольшего контраста между деталями изображения на матрице. Далее программа заставляет двигаться линзы объектива вперед-назад до тех пор, пока не будет найден максимум контраста (максимум разницы яркостей). Примерно также мы и фокусируемся вручную.

Минусы данной системы — низкая скорость, невозможность следящей фокусировки, невысокая точность. Ведь блоку линз придётся сначала пройти через точку максимума, а затем вернуться назад, и, возможно, повторить действие.

Плюсы — дешевизна, отсутствие сложных деталей и необходимости настройки оптической системы, независимость от светосилы объектива, возможность применения в любой системе: в компактных камерах, беззеркалках и видеокамерах.

Фазовый автофокус.

Думаю, что не буду приводить здесь очень сложную механическую и оптическую схему фазового автофокуса, отослав интересующихся в интернетные глубины (вот, например, хорошее начало). Отмечу лишь, что система фазового автофокуса требует наличия особых датчиков, вычисляющих разность фаз светового потока, разделённого специальными зеркалами. Первые аппараты имели лишь один такой датчик — горизонтальный, дальнейший прогресс сделал его крестовым (фактически объединяющим два датчика — горизонтальный и вертикальный), затем высокоточным, потом количество датчиков стало увеличиваться.

Двойной крестообразный датчик

Нынешние зеркалки даже начального уровня могут похвастаться 9-11 крестовыми датчиками, а в профессиональных моделях их число доходит до 60.

Главным минусом системы фазового автофокуса является его сложность, необходимость точной юстировки и настройки, в том числе программной, а следовательно — цена.

Плюсы — максимальное быстродействие, так как величина и направление перемещения объектива известны сразу. Благодаря многочисленным датчикам и мощному процессору — возможность слежения за объектом съёмки и даже предсказание его перемещения в кадре.

Гибридный автофокус.

С недавних пор во многих зеркальных камерах появился интересный режим съёмки — LiveView, позволяющий делать снимки или проводить видеосъёмку, наблюдая картинку на мониторе в режиме реального времени. Зеркало при этом поднято, поэтому автофокус может быть использован только контрастный. Возможен также смешанный режим автофокуса — при полунажатии на кнопку спуска включается фазовый режим, а после фокусировки камера вновь переключается в режим LiveView. Понятно, что подобные компромиссы заставляют конструкторов придумывать более интересные решения.

В некоторых современных аппаратах — как зеркальных (например, Canon 650D, Canon 70D), так и беззеркальных (Nikon 1, Samsung NX300) инженерам удалось совместить «фазовую» систему фокусировки с «контрастной» - датчики определения фазы встроили прямо в матрицу .

Такая «псевдо»фазовая система работает менее точно и быстро, чем настоящая, и на этом, видимо её минусы заканчиваются, и начинаются плюсы. Относительная «простота» конструкции — нет необходимости в сложных оптических и механических схемах. Вся работа ложится на плечи матрицы и процессора, а его мощность растёт все мы знаем с какой скоростью, поэтому цена этого решения будет только снижаться..

Одним из неочевидных плюсов гибридного автофокуса является отсутствие фронт- и бэкфокуса объектива, так как наводка на резкость происходит непосредственно на матрице.

Более того — очень похоже на то, что на развитие именно гибридного способа фокусировки будут брошены основные силы инженеров в ближайшие 10-15 лет, а может, и меньше. Если прогноз верен, то фактически это означает отказ от зеркального аппарата как от класса.

Автофокус, в том числе, и следящий, в сравнении с ручной наводкой резкости, является более предпочтительной настройкой. В руках опытного фотографа автофокус работает намного быстрее, а главное точнее, чем может действовать среднестатистический фотолюбитель. Однако же, автофокус это не такая простая штука, как может показаться на первый взгляд, но так же следует сказать, что это уже достаточно глубокие дебри, в которые заходят далеко не сразу.

Давайте же рассмотрим то, как пользоваться автофокусом, а так же те тонкости, которые позволят эффективно ним управлять и получать максимально возможный результат.

Для начала я рекомендую вам еще раз перечитать страницы инструкции вашего фотоаппарата, которые посвящаются автофокусу - это будет самое лучшее начало. Для нормального восприятия материала вам нужно знать и понимать где находятся и как действуют основные органы управления автофокусом и точками фокусировки.

Режимы автофокуса

Большинство фотоаппаратов, в том числе Canon и Nikon, оборудованы тремя видами режимов: одиночный, следящий и гибридный автофокус.

Покадровый или точечный автофокус

Этот режим предназначается для фотографирования неподвижных сцен, к примеру портрет, пейзаж, натюрморт и т.д. В этом режиме при полунажатии клавиши спуска, объектив начинает фокусироваться на объекте, который располагается в пределах выбранной точки фокусировки. После завершения наведения резкости, работа наводки фокуса блокируется, что позволяет вам изменить композицию кадра (при изменении расстояния до объекта фокус теряется) и сделать кадр.

Разбираясь в данной теме, необходимо понимать, что объектив фокусируется не на объекте съемки, а на определенном расстоянии. Из этого следует очень простой вывод. Если я навожу резкость на объект, который находится на расстоянии пяти метров, то соответственно и все остальные объекты, находящиеся на удалении пять метров попадают в зону резкости. Другими словами, после наведения фокуса и блокировки работы автофокуса, сохраняя расстояние до объекта съемки, я могу крутить камерой как угодно, получая ту композицию, которая мне нужна, при этом, не теряя фокуса.

Такой метод очень хорош в тех случаях, когда расстояние до объекта достаточно велико и измеряется метрами. На близких же расстояниях, особенно при макросъемке, перекомпоновка кадра, которая может повлечь за собой изменение расстояния на несколько сантиметров или миллиметров приводит к заметной потере фокуса, что еще более критично при узкой глубине резкости.

Режим следящего автофокуса

Этот режим еще называют непрерывным, он просто незаменим при фотографировании динамичных объектов – животные, спорт, автогонки и др. До тех пор, пока кнопка спуска находится в полунажатии, автофокус непрерывно работает, тем самым удерживая объект в зоне резкости. Естественно, блокировки автофокуса, как в предыдущем варианте не происходит, что обусловлено постоянным движением механизма объектива, который ловит фокус вслед за движением объекта съемки.

Напрашивается очевидный вывод. В этом режиме съемки вы не можете менять композицию. Это объясняется тем, что автофокус реагирует на объект расположенный перед определенной точкой фокусировки, если вы измените композицию, объект будет потерян и фокусировка будет произведена на что-то другое.

Итак, мы поняли, что такое следящий автофокус, теперь остался последний режим –автоматический или гибридный. Он создан для того, что бы самому решать нужно ли блокировать автофокус или нет. Этот режим, в отличие от других автоматических функций камеры, кажется мне странным и бесполезным, но это мое субъективное мнение, возможно, кто-то и найдет в нем полезность и удобство.

Приоритет спуска или фокуса

Для многих новичков, существование таких настроек покажется удивительным. Но они существуют и не обратить на них внимание, разбирая автофокус, просто не возможно. Первый из приоритетов (спуска) означает, что в момент полного нажатия кнопки спуска, резкость не имеет никакого значения, другими словами, контроль за этим полностью возложен на фотографа. Этот режим стандартно включен для следящего автофокуса.

Приоритет фокуса, означает, что после полного нажатия кнопки спуска должно быть попадание в резкость по определенной или определенным точкам фокусировки. Если такового не будет, то фотоаппарат не позволяет сделать кадр. Этот режим обычно включен при стандартных настройках в режиме одиночного кадра.

Контрастный и фазовый автофокус, какой лучше?

В цифровых камерах производители используют два вида автофокуса, как вы уже поняли из названия, это контрастный и фазовый автофокус. Будет очень хорошо, если мы разберемся в этих понятиях.

Контрастная система автофокуса

Этот способ автофокуса используется в так называемых цифромыльницах и в зеркальных фотоаппаратах, но только при включении функции «Live View». Этот вид автофокуса не требует дополнительных фокусировочных датчиков, так как для наведения фокуса он использует исключительно матрицу фотоаппарата. Картинка, которая поступает с матрицы фотоаппарата, анализируется процессором камеры на наличие изменения контраста. При необходимости более точной наводки на резкость процессор дает команду двигателю слегка изменить положение линз объектива в любом направлении. Если после этой манипуляции контраст изображения уменьшается, то направление движения линз меняется на противоположное. Движение в правильном направлении продолжается до тех пор, пока контраст снова не начнет падать, достигнув этого предела, процессор говорит мотору вернуть линзы к тому шагу, при котором был максимальный контраст. Достигнув этого значения, фокусировка считается законченной.

Как вы понимаете, в силу таких особенностей работы автофокуса (не известно в какую сторону следует вращать двигатель) совершается множество лишних движений. Что приводит к основным минусам этого способа фокусировки – низкая скорость, что не позволяет использовать его на профессиональных камерах. Второй минус, может и не настолько критичный – повышенное энергопотребление.

Плюсами данного способа, является простота конструкции и возможность сфокусироваться практически в любом месте кадра.

Фазовый автофокус

Как вы понимаете, производители фототехники уже давно ответили нам и себе на вопрос, какой автофокус выбрать. Конечно же, победила фазовая система. Разберем, почему так.

Этот вид автофокуса используется в зеркальных цифровых и пленочных камерах. Здесь присутствует небольшое вмешательство в оптическую систему передачи изображения, так кроме основного зеркала, камера оснащается дополнительным зеркалом, которое передает часть света на модуль фазового автофокуса. Любой световой луч, который проходит через светоделительную призму и микролинзы делится на два луча, каждый из которых потом направляется на датчик автофокуса. Если наводка на резкость точна, то лучи падают на датчик в строгом расстоянии друг от друга.

Если же расстояние между лучами меньше эталонного, то фокус наведен ближе, чем нужно (фронт-фокус).

Если же расстояние большее, то соответственно резкость наведена дальше (бэк-фокус).

При этом величина сдвига указывает расстояние от идеального фокуса. Таким образом, процессор сразу же получает данные о том, в какую сторону и насколько необходимо произвести подстройку.

Датчики фазовой системы автофокуса могут быть крестообразными и линейными. Линейные, так же разделяются на вертикальные и горизонтальные. Последние, чувствительны к вертикальным линиям (стволы деревьев, забор), а вертикальные более чувствительны к горизонтальным объектам (горизонт, дорога). Соответственно, крестообразные датчики являются универсальными, они восприимчивы к объектам любой формы. Узнать какие именно датчики и где они расположены вы можете из инструкции к вашему фотоаппарату, но самый чувствительный датчик располагается в центре кадра.

Главным положительным качеством фазового автофокуса является его скорость, которая делает его незаменимым при съемке динамичных сцен. Основными недостатком является сложность, громоздкость, необходимость тончайшей юстировки всех компонентов, меньшая точность, чем у контрастного автофокуса и малое число фокусировочных точек.

Гибридная система

Так же существует и третий вид автофокуса – гибридный. Из названия становится ясно, что это совмещенная система, включающая качества обоих описанных выше систем. Такие автофокусы используются в беззеркальных и некоторых зеркальных камерах.

Суть этой системы заключается в том, что датчики вмонтированы прямо в матрицу. Благодаря этому наводка на резкость происходит по следующей системе. Сначала, базовый фокус наводит фазовый автофокус, а затем на основании полученных данных начинает работать контрастный. При этом медлительность контрастного автофокуса уменьшается более чем на 75%. Фазовый автофокус не требует столь точной юстировки, а вся система занимает намного меньше места.

Разобрав все технические стороны работы автофокуса, хочу в завершение сказать еще пару слов о тех факторах, которые так же влияют на его работу:

Светосила объектива. Здесь все как всегда, чем выше светосила, тем лучше работает автофокус.

Фокусное расстояние. Здесь все достаточно запутано, но если в двух словах, то чем больше фокусное, тем виднее любой промах автофокуса. Кроме этого есть шевеленка, дыхание и прочие факторы. Делаю вывод, чем длиннее фокусное расстояние, тем хуже работает автофокус.

Детализация и освещенность изображения. Чем меньше деталей и света в зоне точки фокусировки, тем хуже работает автофокус.

Сам фотограф , а точнее ваше умение пользоваться своей техникой. Если человек умело обращается, то все работает, если же небрежно и не правильно, то даже самая современная система автофокуса будет промахиваться.

Самое главное в вашей работе с автофокусом – это практика. Правильный взвешенный подход к работе автоматики даст вам возможность быстро и качественно фокусироваться. Что собственно и необходимо.

Успешных вам фотографий!

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».

Многие мои читатели жалуются на плохую работу автофокуса в камере. Давайте разберем в общих чертах как работает система автофокуса в современных зеркальных камерах и вообще способы наводки на резкость в сложных случаях.

Если понимать логику работы этой системы, то вы будете знать как «лечить» такие проблемы.

В настоящее время в фотокамерах используется в основном два типа пассивных автофокусов. Контрастный и Фазовый. Совсем недавно появились еще их сочетания, когда грубая наводка на фокус идёт с помощью фазового метода (самого быстрого), а супер-точная с помощью контрастного.

Потому неплохо будет осветить оба метода, а заодно мы разберемся, почему по LiveView можно настроить фокус идеально даже тогда, когда в видоискателе мы получаем стабильную ошибку фокуса и автофокус тоже работает с ошибкой (фронт/бек автофокуса).

Во-первых контрастным методом автофокуса пользуются почти все беззеркальные камеры. Опять же в последнее время стали некоторые из них оснащать более быстрым фазовым методом определения фокуса.

Суть контрастного метода связана с его названием, т.е. камера определяет в фокусе ли изображение по положению линз объектива при котором достигается максимальный контраст изображения. При этом контраст определяется по конечному изображению на матрице камеры или его участкам (центральному, например).
(Какие это участки вне нашей «глубины» статьи)

режим LiveView

На картинке показана зеркальная камера в режиме «LiveView», с поднятым зеркалом, когда мы настраиваем фокус по экрану. Тоже самое происходит на беззеркальной камере, только в автоматическом режиме.

С одной стороны, раз мы настраиваем фокус по конечному изображению на матрице камеры, то точность достигается идеальная, но с другой стороны, для того, чтобы понять в какую сторону контраст изображения увеличивается, при перемещении линз объектива, а в какую падает, нам (фотокамере) приходится двигать линзы объектива и сравнивать полученные изображения.

1 — объектив
2 — основное зеркало (в данном случае в поднятом положении)
3 — затвор камеры
4 — сенсор камеры

Как выглядит работа контрастного автофокуса

Камера открывает затвор и получает картинку. По картинке камера не может сказать, в какую сторону ей двигать линзы, чтобы получить более контрастное изображение, а соответственно и более точный фокус. Потому камера просто двигает линзы в определенном направлении, например, вперед. После этого опять считывает изображение и сравнивает значение контраста картинки с изначальным. Если контраст упал, значит мы двигаем линзы не в ту сторону. И камера смещает линзы в обратном направлении, дальше, чем они были в самом начале на определенное расстояние (определяется прошивкой камеры). Опять сравнивает картинку — перелет или недолет?

Есть определенная методика, как с помощью минимального количества таких «пристрелов» попасть в нужное место, в фокус. Но мы не будем углубляться, так как это нам не нужно на данный момент. Кто хочет — может сам поискать, я уже не помню и название метода.

Последовательность шагов в контрастном методе определения правильного фокуса отличается для разных производителей камер. Можно делать большие скачки и постепенно уменьшать диапазон, отлавливая максимум контраста (напоминает методику поиска собакой), а можно пройтись по всему диапазону фокусировки последовательно маленькими шажками, пока не переступишь порог за которым начнется падение контраста.

Предлагаю подвигать ползунки на данной анимации, любезно предоставленной Стэнфордским университетом

К сожалению, у Вас не установлен flash плеер.

Но зеркальные камеры в основном полагаются как раз на фазовый метод определения фокуса, который гораздо быстрее работает, так что мы перейдем к нему.

Фазовый метод автофокуса отличается от контрастного метода тем, что позволяет на одном единственном измерении сделать вывод в какое место нужно переместить линзы объектива для достижения оптимального фокуса.

Ниже представлена схема фазового автофокуса. Многие видели основное зеркало фотокамеры, которое поднимается в момент съемки и издаёт хлопающий звук, но все ли знают про дополнительное зеркало, которое обеспечивает работу фазового автофокуса в зеркальных камерах?

То, что на схеме выглядит как маленькая спичка, прикрепленная к середине большой спички (основное зеркало) на самом деле небольшое зеркало, которое работает за счет полупрозрачного окошка в основном зеркале.

Где же находится это окошко? Давайте посмотрим.

В продолжении вы узнаете, как настраивать автофокус, что можно делать, а что не стоит.

(продолжение на следующей странице)

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.