Hur fokus fungerar: full fokushistoria

De första decennierna av kamerafotografering var stora och representerade en enkel men besvärlig design i form av en "dragspel" som förbinder linsen och kassetten med en fotografisk platta. Före fotografering infördes frostat glas (fokuseringsskärm) i stället för fotografplattan, och fotografen flyttade linsen manuellt (vanligtvis en enda lins) för att fokusera bilden, täckt med en mörk filt för att öka ljusstyrkan och kontrasten. Denna process var inte snabb, men det fanns ingen plats att skynda sig: fotografplattornas fotokänslighet vid den tiden var låg, slutartiden var några minuter, så i grund och botten statiska scener sköts - landskap, stilleben och porträtt av människor som var tvungna att sitta still för detta.

Avståndsfokus

handarbete

I början av 1900-talet ökade känsligheten för fotografiska material, formatet minskade, kamerorna blev mycket mer kompakta och mer praktiska, men det blev svårt att fokusera linsen på bilden på en liten skärm även med ett förstoringsglas. Detta problem kan lösas på flera sätt. Fokusera först linsen på hyperfokalt avstånd så att de flesta av objekten i ramen visas skarpt. För det andra, markera avståndsskalan på linsen och fokusera, ställ in önskade värden ”för ögat”. Och för det tredje var det möjligt att tillämpa en grundläggande ny lösning genom att förse kamerorna med en avståndsmätare - en räckviddsökare. Denna enkla optiska anordning bestod av ett stråldelande prisma och en rotationsspegel med ett visst avstånd (bas). Fotografen såg genom avståndsmätarens fönster och vände spegeln tills bilderna var i linje. Med hjälp av triangulering, baserat på rotationsvinkeln och basen, var det möjligt att hitta avståndet till motivet och ställa in detta avstånd på linsen (manuellt). Kamerorna började utrustas med sådana apparater från början av 1900-talet, och 1916, för första gången, i 3A Autographic Kodak Special-modellen, kombinerade designers mekaniskt avståndsmätning med samtidig fokusering av linsen. Denna enhet fick verklig popularitet tack vare Leica-företaget, som började förse sina kameror med avståndsmätare som började med Leica I-modellen (1925) - i själva verket började sådana kameror kallas avståndsmätare.

Kontrastfokus

Ta bort bifurkation

1976, på Photokina-utställningen, introducerade Leica en kamera med Correfot-systemet (som det har utvecklats sedan 1960) - det första autofokussystemet i världen. Enligt en legende, trots företagets intresse, vägrade företaget att släppa det, "eftersom kunder redan vet hur de ska fokusera objektivet ordentligt." I själva verket var systemet alldeles för vågigt (en uppsättning av sex batterier var tillräckligt för mindre än en timmes filmning) och totalt sett "rå". Därför blev Konica C 35 AF, utrustad med Honeywells Visitronic-system, den första massproducerade autofokuskameran 1977. Detta system baserades på den klassiska avståndsmätaren och trianguleringen, bara två bilder samlades inte av fotografen själv, utan av elektromekanisk automatisering, där man jämför jämfört signaler från två CCD-matriser.

Fasfokusering

Canon gick lite annorlunda och bestämde sig för att göra utan komplicerad elektromekanik. Canon AF35M (1977) introducerade aktiv autofokus, som var en optoelektronisk version av den klassiska avståndsmätaren: LED: n sände en infraröd puls, och avståndet bestämdes av reflektionsvinkeln från objektet, mätt med hjälp av en CCD-sensor. Nästa modell, Canon AF35ML (1981), använde redan passiv autofokus baserad på "solid-state triangulation": inga rörliga delar, och "blandning" av bilder utfördes elektroniskt - av skillnaden mellan signaler på två CCD-matriser.

Hur man fuskar den ryska armén: fuska

I den första avståndsmätarkamerorna kombinerade fotografen bilderna, läste avståndet och ställde det erhållna värdet på linsens fokusskala. Vid 3A Autographic Kodak Special kombinerades dessa procedurer till en.

Fasskift

Den första autofokus SLR-kameran var Minolta Maxxum 7000 (1985). Den här modellen använde ett fasdetekterande AF-system genom linsen (Through The Lens - TTL), som används allmänt nu. Principen för dess funktion bygger på det faktum att strålarna som passerar genom linsens två halvor reflekteras av en spegel och fokuseras på två olika punkter på AF-sensorn - två CCD-arrayer. Avståndet mellan dessa punkter för perfekt fokusering är exakt känt, och om det uppmätta avståndet mellan topparna inte sammanfaller med detta värde börjar styrsystemet att flytta linsen i rätt riktning tills topparna är på rätt plats. I verkligheten är naturligtvis allt mycket mer komplicerat - bilden är inte en punkt, den kanske inte finns på den optiska axeln, etc. Dessa problem löses genom att införa olika masker och ytterligare kondensatorlinser, men principen är densamma.

Automatiska avståndsmätare och riktiga AF Konica C35 AF var utrustade med en elektromekanisk avståndsmätare med två CCD-sensorer. Signalerna från sensorerna jämfördes, deras sammanfall innebar noggrann fokusering.

Fasens autofokus är mycket snabb (systemet vet omedelbart i vilken riktning linsen behöver flyttas, och tack vare detta kan den till och med spåra rörelsen hos ett objekt i ramen), kräver inte mycket datorkraft och har inga rörliga delar. Den största nackdelen med detta system är dess osäkra drift i svagt ljus, och det faktum att det bara fungerar när spegeln är nere: vid fotograferingstillfället stiger spegeln och allt ljus genom linsen kommer in i filmen eller matrisen och inte AF-sensorn. Så detta system är inte lämpligt för de fall när ramen är synlig på LCD-skärmen (LiveView), det vill säga för de flesta kompakta digitalkameror och smartphones.

Och den första riktiga AF dök upp i Minolta Maxxum 7000-kameran.Det var ett fullfjädrad autofokussystem för fasdetektering (TTL) - förfäderna till alla moderna AF-fassystem.

I bilden

För digitalkameror, som har ersatt filmkameror sedan början av 2000-talet, var jag tvungen att ta fram en ny autofokusprincip. Tja, inte helt nytt. Hur riktar en person linsen manuellt? Den vrider fokusringen tills den observerade bilden blir skarp, det vill säga så kontrasterande som möjligt. Kontrast autofokus fungerar på exakt samma sätt: det rör sig linsen och uppnår maximal kontrast på bilden på den fotokänsliga matrisen.

Ett sådant system fungerar med huvudmatrisen och kräver inte komplexa optiska kretsar och ytterligare sensorer. Men till skillnad från fas autofokus kan den inte på förhand bestämma vilken riktning linsen ska flyttas och börjar göra det i slumpmässig riktning - precis som en person skulle göra. Därför lämnar fokushastigheten ibland mycket att önska - speciellt under svaga ljusförhållanden eller när du fotograferar objekt med låg kontrast, när systemet helt enkelt inte kan "se" skarpa detaljer (precis som en person). Men för en lång tid för kompakta digitalkameror och speciellt smartphones fanns det helt enkelt inte alternativ till kontrast autofokus.

Canon EOS 70D var den första modellen utrustad med ett Dual Pixel CMOS AF-system. Till skillnad från hybrid-AF-systemet, som använder speciella dedikerade fotodioder på en gemensam CMOS-sensor, använder AF med dubbelpixel både matrisfotodioder för fokusering och fotografering.

Hybridmetod

2010 lanserade Fujifilm FinePix F300EXR med ett nytt hybrid-AF-system. På kameramatrisen, förutom de vanliga fotokänsliga fotodioderna (pixlar), var två typer av specialiserade sådana jämnt spridda - "höger" och "vänster", det vill säga de uppfattar ljus endast från höger eller vänster del av linsen (den andra delen täcks av en ogenomskinlig mask). AF-systemet jämförde bilden på undermatriser bildade av “vänster” och “höger” pixlar. Det exakta sammanfallet av dessa två bilder indikerar exakt fokusering, och förskjutningen visar hur mycket och i vilken riktning linsen ska flyttas. Låter som fas AF, eller hur? Nästan, men inte riktigt: upplösningen av undermatriserna är betydligt mindre än hela matrisen, och med mycket små avvikelser från den exakta fokuseringen kan systemet inte se skillnaden, så att fokus används i kontrast i det sista steget.

Hybrid AF

Inget mer

Hybrid autofokus kombinerar fördelaktigt fördelarna med fas- och kontrast AF-system, men det har också nackdelar. För att förbättra funktionen för AF måste du öka antalet pixlar som "fungerar" bara med 50%, och detta leder till en minskning av matrisens totala fotosensitivitet. Men matrisutvecklare har kommit fram till ett genialt sätt att komma runt denna begränsning.

2013 testades Canon Pixel CMOS AF först på Canon EOS 70D. Och 2016 dök den första smarttelefonen med en kamera utrustad med ett Dual Pixel-system ut på marknaden - flaggskeppet Samsung Galaxy S7.

Autofokus med dubbla pixlar Det finns ett sätt att göra "allt var skarpt" utan autofokus alls. Under filmkamerans era var billiga modeller vanligtvis utrustade med ett enkelt fokusfritt objektiv på hyperfokalavstånd. En sådan lins tillåter mer eller mindre skarpt att skildra alla föremål som ligger på ett avstånd från hälften av hyperfokalen (vanligtvis 0, 5-1 m) till oändligheten. Liknande linser levererades med billiga digitala kameror och de första smartphones med kameror. Denna princip gäller emellertid endast för billiga vidvinkellinser med ett stort minimum av bländarvärde. Ett annat fall är användningen av en plenoptisk kamera, eller "kameraljusfält". Det fångar inte bara belysningens fördelning i fokalplanet, utan också riktningen för de inkommande strålarna (ljusfältet). En sådan bild kan senare "återfokuseras" på vilket önskat sätt som helst (i vilket plan som helst). Idén med sådana kameror framkom 1908, och för flera år sedan beslutade Lytro att producera digitala versioner, även om de inte har fått mycket distribution.

Varje pixel i Dual Pixel-matrisen består av två separata fotodioder - "höger" och "vänster". Således, under autofokus, är hela matrisen uppdelad i två undermatriser, "höger" och "vänster", med samma upplösning som huvudmatrisen. Jämförelse av signaler från två halvor ger högre noggrannhet än för hybrid, och hastigheten är mycket högre än för kontrasterande AF-system (säger, i Samsung Galaxy S7, är fokustiden mindre än 0, 2 s). Eftersom Dual Pixel är ett AF-fassystem låter det dig spåra rörelsen hos ett objekt i ramen. Och vid fotograferingstillfället fungerar båda undermatriserna som en helhet, det går inte att förlora ljuskänslighet, vilket är viktigt för smartphones med sina små matriser. Därför representerar ett sådant system idag höjdpunkten i utvecklingen av AF-system. Naturligtvis tills ingenjörerna åter kommer på något nytt.

Ekkolod, radar och lidar

En separat gren på det evolutionära autofokusträdet upptas av externa (relativt kamerans optiska system) avståndsmätare med direkt avståndsmätning. En av de första kamerorna med ett autofokussystem var Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), som namnet antyder, med en räckvidd baserad på ultraljudsolod. Archaic? Inte alls finns sonar avståndsmätare för kameror nu. De produceras till exempel av RedRockMicro - dock inte för automatisk utan för manuell fokusering av professionella kameror. Den nyare principen för att bestämma avstånd, laserplats, används nu aktivt inte bara i konstruktion och militär utrustning, utan också i vissa smartphones (LG G3) - utöver det vanliga kontrastsystemet för autofokus. Sonys patent nämner autofokus för radar, men inga seriella modeller av denna typ finns på marknaden.

Redaktörerna tackar Markus Kohlpayntner för deras hjälp med att förbereda denna artikel.

Artikeln "History of Focus" publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 6, juni 2016). Jag undrar hur en kärnreaktor fungerar och kan robotar bygga ett hus?

Allt om ny teknik och uppfinningar! OK Jag godkänner webbplatsens regler Tack. Vi har skickat ett bekräftelsemail till din e-post.

Rekommenderas

Varför lik flyttar efter döden: en ovanlig studie
2019
Honor 20 mot Xiaomi Mi 9: vem är snabbare?
2019
Hur gör curling stenar?
2019