Jak działa focus: pełna historia ostrości

Pierwsze dekady fotografii aparatem były duże i stanowiły prosty, ale uciążliwy projekt w postaci „akordeonu” łączącego obiektyw i kasetę z płytką fotograficzną. Przed zrobieniem zdjęcia w miejsce płytki fotograficznej wstawiono matowe szkło (ekran ustawiania ostrości), a fotograf ręcznie przesunął obiektyw (zwykle pojedynczy obiektyw), aby ustawić ostrość obrazu, przykryty ciemnym kocem, aby zwiększyć jasność i kontrast. Proces ten nie był szybki, ale nie było gdzie się spieszyć: światłoczułość płyt fotograficznych w tym czasie była niska, czas otwarcia migawki trwał kilka minut, więc sfotografowano w zasadzie sceny statyczne - krajobrazy, martwe natury i portrety ludzi, którzy musieli siedzieć bez ruchu.

Focus dalmierz

Handwork

Na początku XX wieku czułość materiałów fotograficznych wzrosła, format się zmniejszył, aparaty stały się znacznie bardziej kompaktowe i wygodniejsze, ale trudno było skupić obiektyw na obrazie na małym ekranie do ustawiania ostrości nawet za pomocą szkła powiększającego. Ten problem można rozwiązać na kilka sposobów. Najpierw ustaw ostrość w hiperfokalnej odległości, aby większość obiektów w kadrze została ostro przedstawiona. Po drugie, zaznacz skalę odległości na obiektywie i ustaw ostrość, ustawiając pożądane wartości „na oko”. Po trzecie, możliwe było zastosowanie całkowicie nowego rozwiązania, wyposażając kamery w urządzenie do pomiaru odległości - dalmierz. To proste urządzenie optyczne składało się z pryzmatu rozszczepiającego wiązkę i obrotowego lustra rozmieszczonego w pewnej odległości (podstawa). Fotograf, patrząc przez okno dalmierza, obracał lustro, dopóki zdjęcia nie zostały wyrównane. Dzięki triangulacji opartej na kącie obrotu i podstawie możliwe było znalezienie odległości od obiektu i ustawienie tej odległości na obiektywie (ręcznie). Kamery zaczęły być wyposażone w takie urządzenia od początku XX wieku, aw 1916 roku, po raz pierwszy w modelu 3A Autographic Kodak Special, projektanci mechanicznie połączyli pomiar odległości z jednoczesnym ogniskowaniem obiektywu. To urządzenie zyskało prawdziwą popularność dzięki firmie Leica, która zaczęła dostarczać swoje aparaty dalmierzom, poczynając od modelu Leica I (1925) - w rzeczywistości takie aparaty zaczęły być nazywane dalmierzami.

Ostrość kontrastu

Usuń rozwidlenie

W 1976 r. Na wystawie Photokina Leica zaprezentowała aparat z systemem Correfot (rozwijanym od 1960 r.) - pierwszym systemem autofokusa na świecie. Według jednej z legend, pomimo zainteresowania opinii publicznej, firma odmówiła jej wydania, „ponieważ klienci już wiedzą, jak właściwie ustawić obiektyw”. W rzeczywistości system był po prostu zbyt żarłoczny (zestaw sześciu baterii wystarczył na mniej niż godzinę filmowania) i ogólnie „surowy”. Dlatego Konica C 35 AF, wyposażona w system Visitronic firmy Honeywell, stała się pierwszą masowo produkowaną kamerą z autofokusem w 1977 roku. System ten opierał się na klasycznym dalmierzu i triangulacji; tylko dwa zdjęcia zostały zebrane nie przez samego fotografa, ale przez elektromechaniczną automatyzację, porównującą sygnały z dwóch matryc CCD.

Faza skupiania

Canon poszedł trochę inną drogą, decydując się na obejście bez skomplikowanej elektromechaniki. Canon AF35M (1977) wprowadził aktywny autofokus, który był optoelektroniczną wersją klasycznego dalmierza: dioda LED emitowała impuls podczerwieni, a odległość była określana przez kąt odbicia od obiektu, mierzony za pomocą czujnika CCD. Następny model, Canon AF35ML (1981), używał już pasywnego autofokusa opartego na „triangulacji półprzewodnikowej”: brak ruchomych części, a „mieszanie” obrazów odbywało się elektronicznie - przez różnicę sygnałów na dwóch matrycach CCD.

Jak oszukiwać armię rosyjską: oszukiwanie

W pierwszych aparatach dalmierzowych fotograf połączył zdjęcia, odczytał odległość i ustawił uzyskaną wartość na skali ogniskowania obiektywu. W firmie 3A Autographic Kodak Special procedury te połączono w jedną.

Przesunięcie fazowe

Pierwszą lustrzanką z autofokusem była Minolta Maxxum 7000 (1985). W tym modelu zastosowano system AF z detekcją fazową przez obiektyw (Through The Lens - TTL), który jest obecnie szeroko stosowany. Zasada jego działania polega na tym, że promienie przechodzące przez dwie połówki obiektywu są odbijane przez lustro i skupiane w dwóch różnych punktach czujnika AF - dwóch matrycach CCD. Odległość między tymi punktami dla idealnego ogniskowania jest dokładnie znana, a jeśli zmierzona odległość między pikami nie pokrywa się z tą wartością, układ sterowania zaczyna przesuwać soczewkę we właściwym kierunku, aż szczyty znajdą się we właściwych miejscach. Oczywiście w prawdziwym życiu wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane - obraz nie jest punktem, może nie znajdować się na osi optycznej itp. Problemy te rozwiązuje się poprzez wprowadzenie różnych masek i dodatkowych soczewek kondensacyjnych, ale zasada jest taka sama.

Automatyczne dalmierze i prawdziwy AF Konica C35 AF została wyposażona w elektromechaniczny dalmierz z dwoma czujnikami CCD. Sygnały z czujników zostały porównane, ich zbieg okoliczności oznaczał dokładne ogniskowanie.

Autofokus fazowy jest bardzo szybki (system natychmiast wie, w którą stronę należy przesunąć obiektyw, a dzięki temu może nawet śledzić ruch obiektu w kadrze), nie wymaga dużej mocy obliczeniowej i nie ma ruchomych części. Główną wadą tego systemu jest niepewna praca w słabym świetle oraz fakt, że działa on tylko, gdy lustro jest opuszczone: w momencie fotografowania lustro unosi się, a całe światło przez obiektyw wchodzi do filmu lub matrycy, a nie czujnik AF. Tak więc ten system nie jest odpowiedni w przypadkach, gdy ramka jest widziana na ekranie LCD (LiveView), to znaczy w większości kompaktowych aparatów cyfrowych i smartfonów.

Pierwszy prawdziwy AF pojawił się w aparacie Minolta Maxxum 7000. Był to pełnoprawny system autofokusa z detekcją fazową (TTL) - przodek wszystkich współczesnych systemów fazowych AF.

Na zdjęciu

W przypadku aparatów cyfrowych, które zastąpiły kamery filmowe od początku 2000 roku, musiałem wymyślić nową zasadę autofokusa. Nie całkiem nowy. Jak osoba ręcznie celuje w obiektyw? Obraca pierścień ostrości, aż obserwowany obraz stanie się ostry, czyli możliwie najbardziej kontrastowy. Autofocus z kontrastem działa dokładnie w ten sam sposób: porusza obiektywem, osiągając maksymalny kontrast obrazu na matrycy światłoczułej.

Taki system działa z główną matrycą i nie wymaga skomplikowanych obwodów optycznych i dodatkowych czujników. Jednak w przeciwieństwie do autofokusa fazowego, nie może z góry określić, w którym kierunku należy przesunąć obiektyw, i zaczyna robić to w losowym kierunku - tak jak zrobiłby to człowiek. Dlatego szybkość ustawiania ostrości czasami pozostawia wiele do życzenia - szczególnie w warunkach słabego oświetlenia lub podczas fotografowania obiektów o niskim kontraście, gdy system po prostu nie „widzi” ostrych szczegółów (tak jak osoba). Niemniej jednak przez długi czas w przypadku kompaktowych aparatów cyfrowych, a zwłaszcza smartfonów, po prostu nie istniały alternatywy dla autofokusa kontrastowego.

Canon EOS 70D był pierwszym modelem wyposażonym w system Dual Pixel CMOS AF. W przeciwieństwie do hybrydowego systemu AF, który wykorzystuje specjalne dedykowane fotodiody na wspólnej matrycy CMOS, podwójny piksel AF używa zarówno matrycowych fotodiod do ustawiania ostrości, jak i fotografowania.

Podejście hybrydowe

W 2010 roku Fujifilm wprowadził FinePix F300EXR z nowym hybrydowym systemem AF. Na matrycy aparatu oprócz zwykłych światłoczułych fotodiod (pikseli) dwa typy wyspecjalizowanych zostały równomiernie rozproszone - „prawa” i „lewa”, to znaczy, że odbierają światło tylko z prawej lub lewej części obiektywu (druga część jest zakryta nieprzezroczystą maską). System AF porównał obraz na podmacierzu utworzonym przez „lewe” i „prawe” piksele. Dokładna zbieżność tych dwóch zdjęć wskazuje dokładne ustawianie ostrości, a przesunięcie pokazuje, o ile iw jakim kierunku należy przesunąć obiektyw. Brzmi jak faza AF, prawda? Prawie, ale nie do końca: rozdzielczość podmacierzy jest znacznie mniejsza niż cała matryca, a przy bardzo małych odchyleniach od dokładnego ogniskowania system nie jest w stanie dostrzec różnicy, więc ogniskowanie jest używane w przeciwieństwie do końcowego etapu.

Hybrydowy AF

Nic więcej

Hybrydowy autofocus korzystnie łączy zalety systemów AF z kontrastem i fazą, ale ma też wady. Aby poprawić działanie AF, musisz zwiększyć liczbę pikseli, które „działają” tylko o 50%, a to prowadzi do zmniejszenia ogólnej światłoczułości matrycy. Ale twórcy macierzy wymyślili genialny sposób na obejście tego ograniczenia.

W 2013 roku Canon Pixel CMOS AF został po raz pierwszy przetestowany na Canon EOS 70D. A w 2016 roku na rynku pojawił się pierwszy smartfon z aparatem wyposażonym w system Dual Pixel - flagowy Samsung Galaxy S7.

Autofokus z dwoma pikselami Istnieje sposób, aby „wszystko było ostre” bez automatycznego ustawiania ostrości. W erze kamer filmowych tanie modele były zwykle wyposażone w prosty obiektyw bezogniskowy w hiperfokalnej odległości. Taka soczewka pozwala mniej więcej ostro przedstawić wszystkie obiekty znajdujące się w odległości od połowy hiperfokalnej (zwykle 0, 5-1 m) do nieskończoności. Podobne obiektywy były dostarczane z tanimi aparatami cyfrowymi i pierwszymi smartfonami z aparatami. Jednak ta zasada dotyczy tylko tanich obiektywów szerokokątnych o dużej minimalnej wartości przysłony. Innym przypadkiem jest użycie kamery plenoptycznej lub „pola świetlnego kamery”. Przechwytuje nie tylko rozkład oświetlenia w płaszczyźnie ogniskowej, ale także kierunek napływających promieni (pole świetlne). Taki obraz można później „ponownie ustawić” w dowolny pożądany sposób (w dowolnej płaszczyźnie). Idea takich aparatów została wysunięta w 1908 roku, a kilka lat temu Lytro postanowił produkować wersje cyfrowe, chociaż nie otrzymały dużej dystrybucji.

Każdy piksel matrycy Dual Pixel składa się z dwóch oddzielnych fotodiod - „prawej” i „lewej”. Zatem podczas autofokusa cała matryca jest podzielona na dwie podmacierze „prawą” i „lewą” o tej samej rozdzielczości co matryca główna. Porównanie sygnałów z dwóch połówek zapewnia dokładność wyższą niż w hybrydowych, a prędkość jest znacznie wyższa niż w kontrastowych systemach AF (powiedzmy, w Samsungu Galaxy S7, czas ustawiania ostrości jest krótszy niż 0, 2 s). Ponieważ Dual Pixel jest systemem fazy AF, umożliwia śledzenie ruchu obiektu w kadrze. A podczas fotografowania obie sub-matryce działają jako całość, nie ma utraty światłoczułości, co jest ważne dla smartfonów z ich małymi matrycami. Dlatego taki system reprezentuje dziś szczyt ewolucji systemów AF. Oczywiście, dopóki inżynierowie nie wymyślą czegoś nowego.

Sonary, radary i lidary

Oddzielną gałąź ewolucyjnego drzewa autofokusa zajmują zewnętrzne (w stosunku do układu optycznego kamery) dalmierze z bezpośrednim pomiarem odległości. Jedną z pierwszych kamer z systemem autofocus była Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), wyposażony, jak sama nazwa wskazuje, w dalmierz oparty na sonarach ultradźwiękowych. Archaiczny? Wcale nie istnieją już dalmierze sonarowe do kamer. Są one produkowane na przykład przez RedRockMicro - jednak nie do automatycznego, ale do zdalnego ręcznego ustawiania ostrości profesjonalnych kamer. Nowsza zasada określania odległości, położenia lasera jest obecnie aktywnie stosowana nie tylko w sprzęcie budowlanym i wojskowym, ale także w niektórych smartfonach (LG G3) - oprócz zwykłego kontrastowego systemu autofocus. Patenty Sony wspominają autofocus radarowy, ale nie ma na rynku żadnych modeli tego typu.

Redakcja dziękuje Markusowi Kohlpayntnerowi za pomoc w przygotowaniu tego artykułu.

Artykuł „Historia fokusu” został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 6, czerwiec 2016 r.). Zastanawiam się, jak działa reaktor jądrowy i czy roboty mogą zbudować dom?

Wszystko o nowych technologiach i wynalazkach! Okej Zgadzam się z regulaminem witryny Dziękujemy. Wysłaliśmy wiadomość e-mail z potwierdzeniem na Twój adres e-mail.

Zalecane

8 niesamowitych rekordów świata
2019
Pod hipnozą: prawda i mity o hipnozie
2019
Dope Abundance: Eat - Don't Want To!
2019