АВТОРИЗАЦИЯ | Регистрация |
  
ПОИСК
 
EN

RU

Технология автофокуса. Объектив и автофокус: трагедия непонимания

# 01 # 02 103 104


Маска с двумя отверстиями на краях объектива (лучше использовать телеобъектив) наглядно показывает, как «видит» картинку фазодетекторная система автофокусировки.

22.01.2008 12:00:00

Электроника все еще не может полностью заменить человека, его способности пока остаются более совершенными. Важно знать, что за технологии ты держишь в руках, как они работают, и уметь грамотно ими пользоваться
Текст Андрей ПАРШЕВ

С распространением цифровой фотографии в фотографической среде появилось и новое поветрие — проверка камер и объективов на «бэк-фокус». Суть проблемы в том, что автофокусировка не обеспечивает бритвенно-точной наводки на резкость, фокусируясь то дальше объекта (бэк-фокус), то ближе (фронт-фокус), причем зависимость от определенных камер и объективов отсутствует. Т.е. бывает, что камера не попадает в фокус со всеми объективами, бывает и несовместимость конкретной камеры и конкретного объектива (модели или даже экземпляра). Говоря откровенно, нечто подобное встречалось и в пленочную эру, просто сейчас это явление оказалось легко выявить.

Попадаются объективы с отличной, резкой оптикой, которые на каких-то камерах в режиме автофокусировки даже на глаз не попадают в резкость — притом что сигнал резкости появляется. При фокусировке же вручную, на глаз или даже по шкале — все отлично. А аналогичная модель от другого производителя работает без нареканий. В чем же дело?

Дело в используемом в зеркальных камерах «фазодетекторном принципе». Сведения о нем не очень обильны, хотя иногда говорится, что суть дела — в сравнении изображений, полученных через краевые зоны объектива. Как это делается и главное — зачем? Попробуем разобраться.

Начать надо издалека, т.е. с начала. Как ни странно — с принципа получения изображения объективом.

Мы, фотографы, знаем о том, что есть два способа получения изображения — объективом (линзой) и маленькой дырочкой — пинхолом («хоул» — hole, англ. — дырочка; «пин», pin — булавка), т.е. камерой-обскурой. И о том, что способов — два, люди знали очень давно. «Изображение пагоды, проходя через маленькую дырочку, стягивается в одну точку, а потом переворачивается. Так же действует и зажигательное стекло:» — писал в 1086 г. (в XI в.!) китайский энциклопедист Шэнь Гуа, более известный первым описанием компаса.

Пинхол-фотография существует и сейчас — как странная, но безобидная секта, адепты которой фотографируют без объектива, в то время как всем известно, что фотографировать с объективом — удобнее, качественнее и т.д.

Правда, у камеры-обскуры есть несомненный плюс — нет фокусировки. Мы можем поставить светоприемник (пленку или матрицу) на любом расстоянии от отверстия (оно еще называется «стеноп») — и все равно будем получать резкую (относительно) картинку. Это существенный момент — запомним это.

Нет также и глубины резкости — предметы на любых расстояниях одинаково резкие. Принцип получения изображения несложен — оно получается просто по закону прямолинейного распространения световых лучей. Каждая точка сцены излучает или отражает световые лучи, и те из них, что проходят через стеноп, и рисуют изображение (Рис. 1).

А давайте разберемся, что же мешает обскуре стать полноценным инструментом фотосъемки?

Первое и главное: мала светосила. Через маленькую дырочку в передней стенке-диафрагме проходит слишком мало света.

Хорошо, а если мы проделаем в передней стенке камеры-обскуры второе отверстие — получится ли у нас увеличить освещенность изображения вдвое? Получиться-то получится, но только изображение, полученное вторым стенопом, — по геометрическим законам — будет смещено относительно первого. Мы будем иметь два резких изображения (Рис. 2).

Но мы не остановимся перед первым же препятствием: а нельзя ли как-то совместить первое изображение со вторым? Искривить траекторию хода световых лучей? Оказывается — можно! Есть целых два метода: с помощью зеркал и с помощью отклоняющей стеклянной призмы. Зеркала пока оставим в сторонке. Итак, призма: на схеме  (Рис. 3) видно, что конус световых лучей дважды преломляется на гранях призмы. И если расположить призму «правильно» относительно отверстия и плоскости изображений — то два изображения можно совместить. Мы получили изображение, которое вдвое ярче, чем обычное изображение обскуры.

(Но тут сразу возникает несколько ограничений, которых не было в исходном принципе камеры-обскуры. Призма должна стоять в определенном положении, чуть сдвинь ее вперед или назад — и изображения разойдутся. И поверхность, на которую идет проекция, тоже должна быть в определенном положении. А ведь в исходной камере-обскуре изображение получалось на любом расстоянии от передней стенки! И третье — даже от положения снимаемого предмета зависит, совпадут два его изображения или нет. И если мы придвинем снимаемый предмет ближе к камере, то надо или отодвинуть плоскость изображения, или призму со стенопом придвинуть ближе к объекту. Это все определяется ходом лучей и свойствами призмы — наклоном ее сторон и коэффициентом преломления материала. Неудобно, но что поделаешь:)

А если мы хотим увеличить яркость изображения втрое? Делаем третье отверстие, дальше второго. Третье изображение сводим вместе с первыми двумя, также с помощью призмы. Принцип сведения тот же, но грани призмы у третьего отверстия должны быть под более крутым наклоном.

И так далее, насколько позволяет коэффициент преломления наших призм. В результате передняя стенка обскуры становится похожей на решето, а за ней — стеклянная стенка из призм с увеличивающейся к краям крутизной (Рис. 4).
Каждая дырочка создает отдельное четкое изображение всего кадра, которое совмещается с другими изображениями. Но погодите! На что же похожа получившаяся конструкция? Да ведь это, по сути, линза из отдельных призматических элементов?

Да, именно так. Если мы вообще соединим призмы и сгладим стыки, то получим положительную линзу. И перегородки между отдельными дырочками тоже не нужны, в пределе можем их убрать. У нас получился простейший объектив — диафрагменное отверстие, за которым стоит линза (Рис. 5). А линза — это, по сути, интегральная призма, наклон граней которой к краям увеличивается.

Т.е. можно рассматривать объектив как систему пинхолов: каждая точка главной плоскости объектива работает, как стеноп камеры-обскуры, создавая собственное полнокадровое изображение. Это изображение отклоняется своей частью линзы так, чтобы все изображения сливались в одно.

Т.е. нет двух независимых способов получения изображения — линзой и стенопом. Это один способ, просто камера с линзой — это усовершенствованная камера-обскура.

Не углубляясь слишком в теорию объективостроения, можно считать, что главная плоскость обычного объектива примерно совпадает с той плоскостью, где находится диафрагма.

Работать такая система может только в одном-единственном взаимном положении диафрагмы, линзы и плоскости изображений, чуть сдвинь что-то одно — и элементарные изображения разойдутся, и вместо четкой яркой картинки мы увидим туманное пятно, состоящее, как мы теперь понимаем, из множества элементарных изображений.

Такая схема работы объектива может показаться умозрительной, но она работает. Это даже можно практически проверить — если мы вместо диафрагмы вставим в объектив пластину с двумя маленькими отверстиями, то такой объектив будет давать две неярких, но четких картинки. Если же добиться совпадения двух картинок, вращая кольцо наводки объектива, а затем убрать пластину — то мы увидим четкое, наведенное на резкость изображение. Самому проверить этот эффект на практике трудно, но если у вас есть объектив, построенный по схеме телеобъектива — то можно. У таких объективов главная плоскость вынесена вперед, и пластинку с двумя дырочками можно прикладывать спереди к передней линзе (Фото 1).

Используя этот принцип, астрофотографы добиваются точной наводки на резкость. Ведь отличить на глаз резкое и нерезкое изображения точечного объекта (а звезда в телескоп — всегда точка, поперечника она не имеет) почти невозможно, зато можно увидеть двоение точечных объектов. Поэтому на объектив надевается маска с двумя отверстиями по бокам — и в несфокусированном положении астроном видит двойное изображение звезды. Фокусировка производится, пока оба изображения не сольются в одно, и после этого маска снимается и производится экспозиция.

Так вот принцип автофокусировки зеркальных камер базируется на изложенной выше модели работы объектива. Автофокусировка зеркальных камер работает с двумя резкими изображениями, каждое из которых формируется своей точкой главной плоскости объектива, которые расположены в краевых областях объектива. Контролируется совпадение/несовпадение двух изображений. Это принципиальное отличие фазодетекторного метода! Глаз, как, кстати, и компактная камера, наводит на резкость, ориентируясь на контраст изображения. Ручную фокусировку мы производим, контролируя резкость/нерезкость, а автофокус работает с элементарными резкими изображениями, полученными разными частями объектива!

Очень важно, что нерезкость всего кадра получает численное измерение. Насколько разошлись два резких элементарных изображения, построенных разными точками, можно померить хоть линейкой, в то время как о степени нерезкости можно говорить только качественно. А отталкиваясь от величины рассогласования двух изображений — можно оценить, насколько надо подвинуть оптический блок объектива, чтобы эти изображения сошлись в одно. И процессор камеры именно это и делает.

С точки зрения системы автофокусировки объектив — это окно в мир, что-то вроде иллюминатора на корабле. Датчики автофокуса воспринимают картинку не со всего объектива, а только ту часть, которая поступает из всего двух точек главной плоскости объектива. И сенсоры (датчики) «смотрят» на них, один вправо, другой влево, под определенным углом к оси. Можно даже приблизительно оценить этот угол — поскольку предельное значение относительного отверстия, при котором работает автофокус, определено — оно равно 1/5,6 (относительное отверстие — это отношение диаметра светового люка объектива к его фокусному расстоянию). Опуская расчеты, можно сказать, что приблизительно угол к оптической оси, под которым смотрят сенсоры, равен 5 град.

Эти точки можно найти, так сказать, на ощупь. Многие знают, что близко расположенные к передней линзе предметы не видны в видоискатель — можете попробовать, скажем, со спичкой или пальцем, но лучше на телеобъективе. Когда приближаешь их к передней линзе, они расплываются до полной невидимости и не мешают фокусировке «глазом». Но тот же самый палец, прикрывший совсем небольшую область передней линзы (напомню, для таких экспериментов лучше несильный телеобъектив), выводит из строя систему автофокусировки, потому что перекрывает поле зрения одного из датчиков (Фото 2).

А как же можно видеть картинки, формируемые только двумя точками главной плоскости объектива, а не всем объективом? Об одном способе — вставить пластинку с отверстием — мы говорили. Есть и еще одно приспособление, в терминологии компании Nikon оно именуется «мушиный глаз». Устройство аналогично по принципу фасеточному глазу насекомых, который представляет собой пакет тонких трубочек, на дне которых расположены сенсоры.

Каждый элемент «мушиного глаза» системы автофокусировки направлен на одну точку на главной плоскости объектива. Трубочек там нет, просто каждая ячейка сенсора (их довольно много, но существенно меньше, чем в матрицах цифровых камер) «смотрит» на определенную зону объектива, у его края, через маленькое отверстие. Все ячейки одного сенсора (как правило, ячейки выстроены в линейку) воспринимают изображение, исходящее из одной точки главной плоскости объектива. И это изображение, как мы знаем, всегда резкое.

Рядом с каждой ячейкой расположена вторая, парная. Она «смотрит» через то же отверстие, но на другую точку объектива, с другой стороны. Эти вторые ячейки образуют вторую линейку (Рис. 6).

Сама пластина с отверстиями «мушиного глаза» находится в фокальной плоскости, на таком же удалении от объектива, как и матрица или пленка. Когда изображение сфокусировано, на эту пластину проецируется резкое изображение, но важно не это — важно, что при этом линейки сенсоров под пластиной видят два одинаковых изображения. На каждую из ячеек попадает один и тот же элемент этого изображения. Если же изображение расфокусировано, то оба элементарных изображения, видимых сенсорами, сдвинуты относительно друг друга (кстати, по тому же принципу работают оптические клинья, которые использовались для наводки на резкость в некоторых неавтофокусных аппаратах. Они также были чувствительны к максимальному относительному отверстию объектива).

Такова схема, в последние годы она модифицирована, но суть остается прежней: система автофокусировки «видит» два резких изображения; по степени их расхождения она оценивает степень расфокусировки. Управляющий сигнал на привод фокусировки объектива определяется величиной рассогласования двух изображений.

Тут скрыты корни первой распространенной ошибки при работе с автофокусом. Если картинка на сенсорах не имеет четких деталей, то схема сравнения не сможет определить, насколько картинки смещены друг относительно друга. Но эту-то ситуацию легко понять и не пытаться сфокусироваться по чистому небу или снеговой поверхности. Несколько сложнее выявить причину явных промахов по мишени с четким рисунком, которые тоже бывают. Особенно часто это случается с решетками, штакетником, вентиляционными прорезями в мониторе и другими регулярными структурами. А причина проста — сами попробуйте найти, куда приложить небольшой фрагмент такой структуры, вырезанный из снимка — ведь для сенсоров все штакетины одинаковые, разрешающая способность у них не такова, чтобы разглядеть индивидуальные детали, и они все резкие! И насколько разошлись изображения двух решеток, и даже в какую сторону — система не определит.

Это ошибка, причем больше ошибка оператора. Но есть еще и неточности самой системы.

Итак, можно очень точно рассчитать управляющее воздействие по известным условиям. К ним относятся — фокусное расстояние, максимальная диафрагма, текущее положение объектива (кольца фокусировки) и другие константы и переменные, определяющие, насколько нужно подвинуть оптический блок, чтобы обеспечить фокусировку. Поскольку в приводе автофокусировки обычно стоят шаговые электродвигатели, управляющий сигнал состоит из какого-то количества управляющих импульсов, и в результате оптический блок перемещается вперед или назад на нужное расстояние. На половину шага, заметьте, блок переместиться не может, т.е. точность наводки ограничивается еще и этим.

После отработки управляющего воздействия можно считать, что объектив наведен на резкость. Разумеется, все это будет работать, если камера отъюстирована, если плоскость фокусировки на сенсоре находится на том же расстоянии от объектива, что и матрица. Блок автофокусировки современных камер находится под основным зеркалом, на дне камеры. У основного зеркала есть полупрозрачные зоны, и свет проходит через них, отражается от вспомогательного зеркала и падает вниз, к блоку автофокусировки. Источников ошибок может быть много — это и неправильное положение самого сенсора или матрицы, и угол установки основного зеркала и вспомогательного. Но эти неточности дадут систематическую ошибку, которая будет проявляться со всеми объективами.

Но и в нормальных условиях следует четко представлять себе, что точность конечна. И измерение расхождения двух изображений несколько приблизительно, и все данные также учитываются с некоторой неточностью. В результате почти при каждой фокусировке на неподвижный предмет объектив, скорее всего, установится в другое положение. Правда, все эти положения будут находиться внутри зоны глубины резкости, рассчитанной для диафрагмы 5,6. «Цифровое» понятие «глубины резкости» пользуется критерием, примерно соответствующим критериям пленочной малоформатной фотографии — 0,025-0,033 мм. При этом с современных матриц можно получить отпечаток примерно 18х24 см и рассматривать его надо с расстояния более 25 см. При глубине резкости для диафрагмы 5,6 этого может быть достаточно, а вот светосильные объективы могут и выявить погрешность. Т.е., установив на камеру объектив с рекордной светосилой, мы, скорее всего, увидим, что автофокус не попадает в зону лучшей резкости! Не хватит, так сказать, базы у нашего дальномера.

Вот поэтому у некоторых камер высокого класса (у Canon — начиная с 20D) есть дополнительная пара сенсоров, подключаемая при подсоединении светосильных объективов. Эти сенсоры повернуты на больший угол, около 10 град., и измеряют рассогласование точнее. Естественно, с малосветосильными объективами эти сенсоры не используются, их «взгляд» упирается в оправу, а не в стекло.

И в критичных ситуациях, когда оптика чувствительна к точности наводки (макросъемка, длиннофокусные объективы), качество автофокусировки может не удовлетворять. Используя немного рискованную аналогию: на полет снайперской пули оказывает влияние много факторов — температура, влажность воздуха, боковой ветер. При ближней стрельбе это не важно, но дальний выстрел иногда получается чуть-чуть мимо цели. То же самое происходит с наводкой на резкость. И механические передачи, и оптические схемы не совсем единообразны, и их параметры «гуляют» от экземпляра к экземпляру. При одинаковом повороте управляющего мотора автофокусировки два объектива могут переместиться немного на разную величину. Один попадет в фокус, а второй немного не дойдет. Но при отсутствии обратной связи (корректировки) автоматика будет считать, что фокусировка произведена. Поэтому АФ может «пикнуть», а абсолютной резкости-то нет! Фокус может оказаться и за целью, и перед ней.

Нам кажется естественным, что снайпер должен проверить результат и в случае промаха выстрелить вторично, или, возвращаясь к фотокамере, — проверить полученную резкость после первого цикла управления, и если нерезкость выявилась, то «подрегулировать». Но дело-то в том, что «второй выстрел» не всегда возможен — и для снайпера, и для фотокамеры.

Подход с корректировкой более точный, но он более долгий: вместо одного цикла фокусировки производится, по крайней мере, два, а лучше больше. А каждый лишний такт будет удваивать и утраивать время реакции камеры, а ведь это паспортная характеристика.

Так какой метод используют производители? Некоторые авторы считают, что в обычном режиме автофокуса S — «Single» (или в других камерах «One Shot» и т.п.) — всеми производителями камер используется стратегия «выстрелил и забыл». И есть основания считать, что это мнение верно — поскольку иначе трудно объяснить, почему некоторые комбинации камера-объектив дают явный промах, сигнализируя при этом о достижении фокуса.

Этот подход — без проверки результата и корректировки («без обратной связи») — быстрый, но беда в том, что точность может быть невысока.

Скорее всего, именно в этом и находится причина «индивидуального подхода» камер к объективам. Объективы могут не совсем правильно сообщать
камерам о своих характеристиках (более вероятно это для объективов от независимых производителей). Кинематика может и менять свои характеристики — в механических передачах образуются люфты и проскальзывания. И такие объективы будут «мазать». Чувствительно или нет — это уже будет зависеть от того, на каких диафрагмах вы снимаете, и от состояния объектива.

Возможно, режим с контролем и корректировкой применяется в режимах съемки движущихся объектов C — «Continuous» («AI-Servo»), — но и там при съемке серий наводка происходит явно в упрежденную, рассчитанную точку.

Современный автофокус далеко ушел от первых схем, использованных десять лет назад. Чтобы не бояться решеток, применяются крестообразные датчики, которые смотрят не только вправо-влево, но и вверх-вниз; чувствительность и разрешение датчиков выросли. Сильно усложнились алгоритмы — например, если с первого раза не удается определить рассогласование между линейками, объектив перемещается вперед и назад, пытаясь поймать такую картинку, которую «увидят» обе линейки сенсора.

Но принцип остается, остаются и его ограничения (еще раз напомним — речь идет о фазодетекторном методе автофокусировки, применяемом в зеркальных камерах. В компактах и в режиме Live View применяется другой метод).

Этим объясняется совершенно парадоксальная вещь — производители, можно сказать, расписываются в своем бессилии добиться полной унификации парка камер и объективов. Если внимательно изучить спецификации новых топовых зеркальных камер, то можно обнаружить в них не совсем понятную опцию — возможность создать базу данных для используемых объективов, до 10-20 штук. Наполнением этой базы как раз и являются конкретные «характеристики» конкретных объективов, которые и позволят выдавать для них более точные управляющие сигналы, куда и насколько дополнительно надо «подвинуть» этот объектив для получения лучшей резкости. Подогнать ваш объектив к камере могут в сервис-центре, но это возможно не со всеми парами «объектив-камера». У недорогих камер такой возможности нет. Изучите свою технику.

То есть бэк- и фронт-фокус — это не миф, а вполне реальное явление, обусловленное не то чтобы несовершенством техники, а скорее неидеальностью мира, и фотограф должен быть готов вмешаться в фокусировку, проведенную бездушной машиной.
F&V



КОММЕНТАРИИ к материалам могут оставлять только авторизованные посетители.


Материалы по теме

Что есть что. Фотографическое образование в вопросах и ответах

Что есть что. Фотографическое образование в вопросах и ответах

Ситуация с отечественным фотографическим образованием напоминает лотерею. Да, среди образовательных учреждений есть отличные и компетентные, однако несведущий человек всегда может попасть в руки проходимцев
22.07.2015
Как капуста. Одежда для фотографа

Как капуста. Одежда для фотографа

На дворе лето. А значит, самое время подумать о подготовке к осенне-зимнему съемочному сезону. Отложим в сторону камеры, объективы, штативы и поговорим об одежде и снаряжении
18.06.2014
Чье предложение принять? Свадебная фотография

Чье предложение принять? Свадебная фотография

Свадебный фотограф — это не просто человек с камерой. Всего на один день он становится почти членом вашей семьи, вы доверяете ему запечатлеть одно из самых ценных событий в жизни. Как сделать правильный выбор?
19.03.2014
Мысли о будущем. Устройство фотоаппарата

Мысли о будущем. Устройство фотоаппарата

В цифровую эпоху многие узлы классического фотоаппарата претерпевают изменения, а некоторые оказываются невостребованными. Инженеры уже отказались от зеркала и механического затвора. Так ли уж нужен экран-видоискатель?
21.11.2013

Foto&Video № 11/12 2015 СОДЕРЖАНИЕ
Foto&Video № 11/12 2015 Портфолио. Искусство искусства. Владимир Клавихо-Телепнев
Портфолио. Московский палимпсест. Михаил Дашевский
Письма в редакцию. Письмо 80. Ода возрасту. Авторская колонка Ирины Чмыревой
Опыты теории. О статичном и динамичном. Авторская колонка Владимира Левашова
Тест. Широкоугольный объектив Zeiss Batis Distagon T* 2/25
Тест. Фикс-объектив Yongnuo EF 50/1.8
Тест. Зеркальная фотокамера Nikon D7200
Тест. Смартфон LG G4
Тест. Монитор LG UltraWide 34UC97
Читательский конкурс. Альтернативная реальность. Тема — «Коллаж»
Практика. Изменение видимого. Фотографическая монотипия
Практика. Дело по любви. Создание мягкорисующих объективов
Практика. От Цюриха до Женевы. Тревел-фотография: Швейцария
Репортаж. Диалог открыт. Фестиваль «Фотопарад в Угличе — 2015»; Ярославская обл.
Репортаж. Общность памяти. Фестиваль PhotoVisa 2015; Краснодар
Репортаж. За свободу слова. Фестиваль Visa pour l’Image 2015; Перпиньян, Франция
Моя фотография. Фарит Губаев: «Анри Картье-Брессон»

Календарь событий и выставок

<< Декабрь 2016 >>
Сегодня
04.12.2016


(c) Foto&Video 2003 - 2016
email:info@foto-video.ru
Resta Company: поддержка сайтов
Использовать полностью или частично в любой форме
материалы и изображения, опубликованные на сайте, допустимо
только с письменного разрешения редакции.

Яндекс цитирования Rambler's Top100