Основная задача фокусировочной системы фотоаппарата — сделать объект съемки резким. Вы можете «настроить резкость» вручную или автоматически. Во втором случае применяются мудреные алгоритмы. И... реальность такова, что их необходимо знать и понимать, если вы хотите научиться создавать по-настоящему резкие и красивые фотографии.

Из открытых источников и патентных свидетельств легко выясняется, что существует два принципиально различных способа реализации системы автофокуса в современных фотоаппаратах: активная и пассивная фокусировка. В ходе фокусировки циклически выполняются два этапа: оценка расстояния до объекта съемки и подстройка оптической системы камеры.

Активная система автофокуса

Впервые активную систему фокусировки применила компания Polaroid в 1986 году. Это был аналог знакомого многим морякам и рыбакам сонара (Sound Navigation Ranging). Принцип его работы элементарен — все предметы отражают звук. Зная скорость распространения звука в среде и время с момента посыла сигнала до момента его возвращения, можно вычислить расстояние до объекта.

В исполнении Polaroid система работала так: высокочастотный генератор посылал в направлении съемки серию импульсов, начинался отсчет времени, и в тот момент, когда чувствительный сенсор улавливал эхо, электроника на основании полученного времени вычисляла дистанцию и давала команду приводу установить линзу в определенное положение. Этот метод принято называть активным. Главный его плюс — высокая скорость работы, к тому же активная система совершенно не зависит от объектива, установленного на камеру.

Однако при всех очевидных достоинствах у этого способа есть недостаток. Камеры с подобной фокусировкой не умеют снимать сквозь прозрачную преграду. Это означает, что если вы захотите, сидя в кафе, сфотографировать прохожего, идущего по улице, то система типа SONAR вряд ли поможет вам сделать это.

Логичным развитием активной системы стала разработка инфракрасной системы оценки расстояния. Математический аппарат инфракрасного метода базируется на трех основных методиках: триангуляции, оценки величины отраженного излучения и временной оценки.

Скорость распространения звука в воздушной среде составляет около 300 м/с, в то время как скорость света — 300 000 м/с. Так как инфракрасное излучение относится к световому спектру, то с точки зрения быстроты распространения сигнала более логично использовать именно его.

Однако не все так просто. Главный враг инфракрасного излучения — само инфракрасное излучение. Его источником может быть пламя, некоторые бытовые нагревательные приборы, раскаленные на солнце поверхности. Другая сторона медали проявляется при оценке дальности до объектов с высоким коэффициентом поглощения света. Напомню, что в физике существует понятие абсолютно черного тела — поверхности с нулевым коэффициентом отражения света. В природе таких идеальных поверхностей нет, но есть материалы с очень слабыми отражающими свойствами. Как только инфракрасная система встречается с таким препятствием, она дает сбой. Извольте фокусироваться руками.

Несмотря на недостатки, у этой системы фокусировки есть одно очень важное преимущество: она способна фокусироваться не только при плохом освещении, но и в полной темноте. Учитывая то, что современные фотосистемы на основании данных о расстоянии до объекта способны точно вычислить экспозицию и мощность вспышки, вероятность получить качественный кадр существенно увеличивается. Инфракрасный метод оценки дистанции до объекта ранее активно использовали производители видеокамер, однако в процессе развития пришли к TTL-методу.

Пламенный моторчик

Ни одна система автофокуса не работает без мотора, который перемещает линзы. От его скорости и точности зависит не только качество работы фокусировки, но и долговечность элементов питания фотокамеры.

В последнее время широкое распространение получили два вида приводов — «отверточный» и ультразвуковой, появившийся сравнительно недавно. Первой в своих изделиях ультразвуковой привод внедрила компания Canon, а вслед за ней аналогичные усовершенствования ввели  и другие производители. О наличии такого мотора можно узнать по индексам на оправах объективов: SSM — у Minolta (сейчас, очевидно, и у Sony), USM — у Canon, HSM — у Sigma и SWM — у Nikon.

При «отверточном» приводе механическая энергия передавалась через штифт (подобно карданному валу машины) от небольшого электромоторчика, установленного в камере, механизму, передвигающему линзы объектива.

Новый ультразвуковой двигатель отличается от предшественника принципом работы. Он может похвастаться бесшумностью, большей скоростью (высокий крутящий момент) и точностью (очень низкий момент инерции), а также меньшим энергопотреблением. И самое главное — двигатель встроен в объектив (справедливости ради нужно отметить, что Canon и до USM встраивала в свою оптику моторчики), и при этом нет жесткого механического сцепления между деталями. Это позволяет совместно использовать как автоматическую, так и ручную фокусировку без риска сжечь электропривод. Именно поэтому технология получила наибольшее распространение в серьезной любительской и профессиональной технике. Бюджетные модели камер оснащают преимущественно «отверточным» механизмом.

Пассивная система автофокуса

Пассивную систему фокусировки иначе называют TTL («Through-the-lens», Фокусировка через объектив). Есть два варианта — фазовый и контрастный автофокусы. Несмотря на различие в нюансах, общий принцип един — он основан на оценке свойств светового потока.

У контрастного способа фокусировки наиболее простой принцип действия. Он стал популярен после появления новых процессоров, способных в реальном времени обрабатывать массивы данных изображения, и применяется, как правило, в цифровых незеркальных фотокамерах.

Суть этого метода заключается приблизительно в следующем. Сначала считываются данные матрицы. Полученная картинка программно разбивается на определенное количество участков: горизонтальных полос длиной от 100 до 200 пикселей. После этого микропроцессор высчитывает абсолютные значения яркости для каждой точки, после чего происходит сравнение соседних. Если объект съемки расфокусирован, то разница между ними будет ничтожна. Подается сигнал механизму перемещения линз занять новое положение. Вся процедура повторяется до тех пор, пока разница не достигнет максимального значения. Это и будет означать, что камера успешно сфокусировалась.

Контрастный способ автофокусировки удобен тем, что нет необходимости устанавливать в камеру дополнительные датчики. Задача решается исключительно программным способом, а это позволяет удешевить конструкцию камеры в целом.

Минус этой системы — низкое быстродействие. Микропроцессор в отдельный момент времени не обладает информацией о том, правильно ли осуществлена фокусировка. Принять это решение он может только на основании относительных данных. А для этого ему необходимо выполнить серию сравнений. В случае, когда по каким-то причинам электроника не может принять адекватное решение, фокусировочный механизм перемещает линзы снова и снова. В этом и заключается причина долгого жужжания камеры, которая мучительно пытается найти правильное решение. Такая процедура требует больших энергозатрат, что негативно сказывается на времени работы камеры от батарей.

Фазовая фокусировка более совершенна, однако требует дополнительных технологических затрат. Она в основном применяется в зеркальных (SLR, DSLR) камерах. Чтобы объяснить на пальцах принцип действия подобной системы, вернемся на несколько лет назад, в доавтофокусные времена.

В то время в камерах активно использовались фокусировочные экраны с клиновыми устройствами, их еще иначе называли клиньями Додена. Устройство состояло из двух (изредка — трех) прозрачных клиньев, расположенных в центре коллективной линзы (линзы Френеля) зеркального видоискателя

Если объектив на объекте несфокусирован, изображение на клиньях выглядит разделенным на смещенные относительно некоторой оси части сегменты. При фокусировке они совмещаются. Клинья могут быть расположены горизонтально или вертикально, но чаще всего их выставляют под углом в 45 градусов, что позволяет наводить на резкость как по горизонтальным, так и по вертикальным контрастным линиям объекта.

Эти же клинья или их модификации применяются в датчиках фокусировки. В профессиональных камерах этих датчиков может быть до нескольких десятков. Зеркало перенаправляет часть светового потока, пришедшего от объектива на них. Свет внутри датчика разделяется на два независимых потока, каждый из которых падает на свой светочувствительный сенсор.

При точной наводке на резкость два световых потока будут находиться друг от друга на определенном расстоянии, заданном конструкцией датчика. Измерив это расстояние, датчик выдает сигнал, показывающий, насколько и в какую сторону необходимо произвести перемещение фокусировочной линзы.

Если верить экспертам в области фотоэлектроники, то на сегодняшний день узким местом таких систем является уже не скорость оценки правильности фокуса, а быстродействие и точность работы самой механики объектива.

Разумеется, у TTL-систем есть и свои недостатки. Самый существенный — сильная зависимость от условий освещения и светосилы линз. Наиболее очевидное решение этой проблемы — подсветить автофокус. Специально для этого производители встраивают в свои системы источники света. В простейшем случае они действуют аналогично обыкновенному фонарику, а более сложные варианты проецируют специальную сетку, которая облегчает работу датчиков.

Еще одно слабое место TTL-систем — чувствительность к горизонтальным линиям. Производители признают это и акцентируют внимание на данном недостатке в руководствах по эксплуатации. Чтобы проверить фотоаппарат, достаточно взять его в руки и попробовать сфокусироваться на телеграфных проводах, струнах гитары, майке-тельняшке. Во всех этих случаях вероятность промаха очень высока.

Простейший способ борьбы с горизонталью — повернуть камеру во время фокусировки на несколько градусов. Но такие финты не всем по душе. В особенности это критично для профессионалов, когда от системы автофокуса требуется предельная точность и надежность. Чтобы справиться с этим дефектом, разработчики фототехники начали устанавливать в свои камеры крестообразные датчики, которые менее чувствительны к ориентации линий в кадре. Наличие таких датчиков служит одним из ключевых параметров оценки «профессиональности» фотоаппарата. В бюджетных зеркалках таких датчиков либо вообще нет, либо он один. В дорогой технике их на порядок больше.

Недостатки TTL-систем проявляются и в тех случаях, когда необходимо сфокусироваться на относительно однородной поверхности. Это может быть небо, водная гладь либо какой-то градиентный переход. В отсутствие четких контрастных линий система автофокуса оказывается бессильна. При условии, что снимаемая поверхность способна отражать свет, еще как-то может помочь подсветка, проецирующая вспомогательный рисунок. В остальных случаях поможет только ручная наводка на резкость.

Режимы работы автофокуса

В современных камерах можно выделить два основных режима работы этой системы: первый — конечный (AF-S) и второй — следящий (AF-C). Больше всего вариантов у конечного режима работы, однако существенно различных — два: фокусировка по широкой зоне и фокусировка по заданной точке.

В первом случае камера фактически предоставлена самой себе. На основании информации от датчиков она самостоятельно определяет, какой из объектов в кадре считать приоритетным, и наводит резкость по нему. Такой режим чаще всего используется в любительской технике. Поскольку таким фотоаппаратам присуща большая глубина резкости, присутствие небольшой погрешности не будет сильно заметно.

Для зеркалок фокусировку по широкой зоне нельзя назвать сверхточной, лучше всего она подходит для кадров, где нет существенной разницы между передним и задним планами.

Фокусировка по заданной точке — наиболее верный и часто используемый фотографами режим. Он больше характерен для зеркальных камер, хотя время от времени встречается и в арсенале любительских компактов. Этот режим позволяет вручную задать ту область (точку) кадра, которая должна быть на снимке в зоне резкости.

Сам по себе режим AF-S удобен при съемке статических сцен. Если же объект находится в движении, то целесообразнее переключиться в следящий (AF-C) режим. В этом случае камера захватывает объект и, пока клавиша спуска прижата до половины, удерживает его в фокусе.

Одна из разновидностей AF-C — предиктивный фокус. Им в свое время славились фотоаппараты компании Minolta, а сегодня подобная технология встречается в профессиональных камерах самых разных производителей. Суть этого способа заключается в том, что при быстром движении объекта камера пытается предугадать, в какой точке он окажется в следующее мгновение. Поэтому при нажатии на кнопку спуска объектив уже будет сфокусирован в нужной точке.

Без сомнения, найдутся скептики, которые скажут, что самый точный и надежный способ фокусировки — ручной. С этим сложно не согласиться, но чтобы точно навести резкость вручную, необходим объектив с большим ходом кольца (у новых моделей он часто невелик), яркий большой видоискатель (стоит дорого, поэтому применяется преимущественно в топовых моделях), быстрые руки и зоркие глаза. Между тем автоматическая система позволяет обойтись без всех этих ухищрений.

В новостях время от времени появляются сообщения о гибридных активно-пассивных системах, вот только пока на рынке экземпляров техники с подобными техническими решениями что-то не видно. В любом случае, прогресс в области увеличения скорости работы автофокуса за последние три-четыре года очевиден.

Ручной фокус в компактных камерах

Небольшой процент цифровых компактных камер оснащен профессиональной, на первый взгляд, функцией: возможностью ручной фокусировки на объекте. Реализуется она по-разному. Иногда — классическим кольцом на объективе, а иногда заводится на обычный рычажок регулировки степени приближения. Оценка фокуса осуществляется либо по экранчику, либо по видоискателю. К величайшему расстройству обладателей таких камер, функция эта оказывается абсолютно бесполезной.

Причина проста: точно навести оптическую систему на резкость не получится. Во-первых, ни по видоискателю, ни по экрану оценить степень резкости изображения невозможно. Небольшое разрешение вкупе с небольшой разницей в резкости между близким и далеким предметом просто не дают нужной информации. А уж если для фокусировки используется зум-рычажок, вообще пиши пропало — никакой точности управления.

Единственное, для чего можно использовать эту функцию в цифрокомпактах — это для примерного выбора объекта, который должен оказаться резким. Причем только в том случае, если сам фотоаппарат его достойным внимания не считает, и фокусируется на чем-то совершенно не нужном.

Недаром говорят, что единственный способ добиться быстрой реакции от недорогой камеры — вообще отключить систему фокусировки. Тогда камера сфокусируется на бесконечность, и все объекты, находящиеся дальше пары-тройки метров от объектива фотоаппарата, окажутся относительно резкими.