Между нажатием на кнопку спуска современной фотокамеры и коротким «бип», означающим завершение фокусировки, проходят десятые доли секунды. В этом коротком мгновении — 40 лет эволюции систем автофокусировки.
Как работает фокусировка: полная история фокуса

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. От «на глаз» к дальномерам 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.

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. АФ Konica C35 AF 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.

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. Minolta Maxxum 7000 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.

Компания Canon пошла немного другим путем, решив обойтись без сложной электромеханики. В Canon AF35M (1977) появился активный автофокус, представлявший собой оптоэлектронную версию классического дальномера: светодиод излучал инфракрасный импульс, а расстояние определялось по углу его отражения от объекта, измеренного с помощью ПЗС-датчика. В следующей модели, Canon AF35ML (1981), уже использовалась пассивная автофокусировка, основанная на «твердотельной триангуляции»: никаких движущихся частей, а «сведение» изображений осуществлялось электронным способом — по разности сигналов на двух ПЗС-матрицах.

Сдвиг по фазе

Первой автофокусной зеркальной камерой стала Minolta Maxxum 7000 (1985). В этой модели использовалась система фазовой автофокусировки (AF) через объектив (Through The Lens — TTL), которая широко применяется и сейчас. Принцип ее работы основан на том, что лучи, проходящие через две половины объектива, отражаются зеркалом и фокусируются в двух разных точках на датчике АФ — двух ПЗС-линейках. Расстояние между этими точками для идеальной фокусировки точно известно, и если измеренная дистанция между пиками не совпадает с этим значением, система управления начинает двигать объектив в нужном направлении до тех пор, пока пики не окажутся на нужных местах. В реальной жизни, конечно, все намного сложнее — изображение представляет собой не точку, может быть расположено не на оптической оси и т.?п. Эти проблемы решаются введением различных масок и дополнительных конденсорных линз, но принцип тот же. Двойные пиксели в смартфонах Камера смартфона Samsung Galaxy S7 оснащена системой Dual Pixel AF. Система АФ с двойными пикселями работает так же быстро, как фазовая, но при этом не требует отдельных датчиков и громоздких оптических систем. Она отслеживает положение объекта относительно камеры по всему полю кадра («следящий автофокус»).

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. Двойные пиксели 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.

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. Фокусировка по дальномеру Фокусировка по дальномеру

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. Автофокусировка по контрасту Автофокусировка 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. Фазовая автофокусировка Фазовая автофокусировка

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. Гибридная автофокусировка Гибридная автофокусировка

Всегда в фокусе

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. Автофокусировка с двойными пикселями Автофокусировка с двойными пикселями

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.

Статья «История фокуса» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2016).