سیستم فوکوس چگونه کار می‌کند ؟

قبل از فوکوس خودکار، فوکوس وجود داشت. دوربین، جعبه‌ای است که در آن نور بسیار کم بوده و برای نوردهی به سطحی حساس به نور ( فیلم یا سنسور دیجیتال ) مجهز شده است. برای اینکه نور را روی سطحی متمرکز کنید، بیشتر دوربین‌ها ( و حتی چشم‌های شما ) از لنز برای هدایت نور استفاده می‌کنند. اما چرا گفتم، ” بیشتر آن‌ها ؟ ” خب، بسیاری از انواع دوربین‌ها وجود دارند که برای نوردهی به لنز متکی نیستند.

” pinhole camera ” یا دوربین‌های جعبه‌ای ( دوربین سوراخ سوزنی هم به آن می‌گویند ) با یک سوراخ کوچک در انتها و یک سطح حساس به نور از طرفی دیگر کار می‌کند. نور از طریق دهانه‌ی کوچکی وارد می‌شود و بر روی دیواره عقب جعبه به نمایش درمی‌آید. با جستجویی در اینترنت خواهید دید که دانشمندان و مهندسان در حال حاضر مشغول توسعه دوربین‌های بدون لنز هستند که هیچگاه از فوکوس خارج نمی‌شوند و از ویژگی‌های تاسف بار منتقل شده به نور هنگام عبور از لنزهای شیشه‌ای یا پلاستیکی جلوگیری می‌کنند. در حال حاضر، تقریباً همه ما از دوربین‌هایی استفاده می‌کنیم که نور را از طریق لنز متمرکز می‌کنند.

پیشنهاد نویسنده : لرزشگیر تصویر : چه زمانی باید از آن استفاده کرده و چه زمانی باید خاموش کنیم ؟

Focus ( فوکوس )

لنز وسیله‌ای اپتیکیست که از یک عنصر خمیده تشکیل شده و اجازه می‌دهد که نور از آن عبور کند. بسته به نوع طراحی، یک لنز، چه در داخل دوربین کار شده باشد و چه روی آن متصل‌ شده و قابل تعویض باشد، از یک یا چند عنصر تشکیل شده که هم عناصر واگرا در آن وجود دارند و هم همگرا، تا بتوانند آن را روی سطح حساس به نور متمرکز کنند و دوباره جمع شدن مجدد نوری که منعکس کننده صحنه است و از بین اپتیک می‌گذرد، در نتیجه تصویری حاصل می‌‌کند. اگر تا به حال به مشخصات فنی لنزهای مختلف نگاه کرده باشید، متوجه خواهید شد که آنها از چند نوع عنصر و در چند گروه تشکیل شده‌اند. هر قطعه شیشه جداگانه یک عنصر است و یک یا چند عنصر گروه‌هایی را در داخل دوربین تشکیل می‌دهند.

اما اصلا چرا برای ایجاد یک تصویر باید نور را خم کنیم ؟ خب، ما اصلاً نیازی به خم کردن نور نداریم. مسئله این است که فیلم، سنسور یا دیواره پشت چشم شما معمولاً بسیار کوچکتر از منظره‌ای است که ما می‌خواهیم از آن عکس بگیریم. بنابراین برای کاهش سایز تصویر باید نور را خم کنیم. چگونه می‌توانید یک کوه یا ساختمان کامل را بدون خم شدن نور روی یک سنسور دوربین به دست آورید ؟ ( منظور از خم شدن نور، جمع شدن تعدادی زیادی از فوتون‌های نوری در یک بخش کوچکتر و به صورت فشرده است )

نه تنها لنزها نور را خم می‌کنند بلکه باعث کاهش سرعت آن نیز می‌شوند. سرعت نور هنگام عبور از مواد شفاف تغییر می‌کند. بنابراین، نور در حین ورود و خروج از لنز خم و کند می‌شود ( بسته به طراحی و نوع لنز ). کار لنز در واقع این است که آن نور را به سمت فیلم یا سنسور هدایت کند.

قبل از اینکه وارد مباحث پیچیده‌تر شویم، اجازه دهید بگویم که علاوه بر چیزهایی که من در مورد لنزها گفته‌ام و یا خواهم گفت، مباحث بسیاری وجود دارد که می‌توانید بیاموزید. پس بنابراین من ادعا نمی‌کنم که در این مسئله دانش خارق‌العاده‌ای دارم یا می‌خواهم همه چیز را خیلی پیچیده توضیح دهم. در واقع هدف اصلی من در این مقاله این است که تمامی مبانی مربوط به عملکرد لنز و سیستم فوکوس را به ساده‌ترین شکل توضیح دهم تا همه متوجه آن بشوند. اگر می‌خواهید عمیق‌تر به این موضوع نگاه کنید، به هر حال هنوز هم جای کار وجود خواهد داشت. موضوعات در مورد اپتیک لنز و نور فوق‌العاده جالب و جذاب هستند، اما باید سعی کنم فقط مطالبی را بیان کنم که در قالب اهداف مقاله باشند. دانش سطح دکترای این موضوع به هیچ وجه تضمین نمی‌کند که شما را به یک عکاس بهتر تبدیل کند.

پیشنهاد نویسنده : سه مهارت ترکیب بندی در عکاسی که می‌توان آنها را با تمرین کردن در خانه آموخت

همانطور که هرکسی که از ذره بین استفاده کرده است می‌تواند به اثبات این مسئله پی ببرد، ارتباط مستقیمی بین همگرایی نور و فاصله از جسم بر روی آن وجود دارد که شما باید آن نور را طرح ریزی کنید. هنگامی که سعی می‌کنید نور خورشید را به یک نقطه ریز متمرکز کنید تا نوردهی دوربین شروع شود، در حال فوکوس کردن از یک منبع نور واحد هستید. دوربین و همچنین چشم شما، نور را نه تنها از منابع مورد نظر خودتان دریافت می‌کنند، بلکه تعداد بی‌نهایتی از پرتوهای نوری وجود دارد که ممکن است بازتاب آنها از سطح اشیاء به سنسور دوربینتان برسد. نزدیک کردن لنز یا دورترکردن آن از سنسور یا فیلم، چگونگی کار دوربین و لنزها را برای ارتباط نور برای بازآفرینی تصویر به وضوح نشان می‌دهد.

اگر نمی‌توانید فوکوس دوربین و لنز را به درستی تنظیم کنید، باید از نظر فیزیکی به جسم نزدیک یا دور شوید. دقیقا همانند همان زمانی که می‌خواهید با استفاده از یک ذره بین، نور خورشید را روی یک نقطه متمرکز کنید. خوشبختانه بیشتر دوربین‌ها این کار را به صورت خودکار برای ما انجام می‌دهند.

بگذارید یک‌بار دیگر به صورت تئوری اطلاعات را با هم مرور کنیم. شما اساساً با عکاسی سلفی مخالف هستید و از یک دوست کمک می‌گیرید تا از شما یک عکس پرتره را ثبت کند. حال، بیایید از نزدیک به این موضوع نگاه کنیم. بسیار نزدیک … مثلا نوک مژه. نوک مژه نور را از یک منبع نور ( خورشید، لامپ و غیره ) در همه‌ی جهات منعکس می‌کند، نه فقط در پشت دوربین. نور منعکس شده از آن مژه در زاویه‌های مختلفی وارد لنز دوربین می‌شود، چرا که این تعداد در زاویه‌های تقریبا نامحدودی بازتاب دارند. کار لنز این است که آن پرتوهای نوری را جمع کرده و آنها را در یک نقطه بر روی فیلم یا سنسور همگرا کند تا بتوانیم نوک آن مژه را بر روی عکس خود دقیقاً مثل آنچه در چشم ما ظاهر می‌شود، ثبت کنیم. اگر آن نور در یک نقطه قبل از سنسور همگرا شود، آن نوک مژه مبهم و محو شده به نظر می‌رسد، چرا که نور به یک نقطه همگرا می‌شود و سپس با استفاده از یک نقطه‌ی واگرا، به مسیر خود ادامه می‌دهد. به همین ترتیب، اگر آن نور سعی کند در نقطه‌ای فراتر از فیلم یا سنسور همگرا شود، نوری که بر سوژه تأثیر می‌گذارد، همچنان به یک نقطه واحد منتقل نخواهد شد و ما همان تأثیر را خواهیم داشت.

این اثر چیست ؟ در این حالت، تصویری خارج از فوکوس ایجاد می‌شود. نوک آن مژه به عنوان یک مجموعه‌ی کرک دار از نور منعکس شده تولید می‌شود که شبیه نوک مژه مبهم است. حال تعداد بی نهایتی از هر نقطه از نور یا بازتاب در یک صحنه را تصور کنید. بسیار تار خواهد شد !

اگر شما هم مثل هیروشی سوگیموتو ( Hiroshi Sugimoto – عکاس ژاپنی ) بودید، احتمالاً برایتان مهم نبود اگر تصاویرتان محو شوند. یا اگر این کار را انجام دهید، می‌خواهید کنترل کنید که تصاویر شما تا چه حد از فوکوس خارج باشند. برای اینکه تصویر شما شارپ باشد، یا اینکه به شما اجازه دهد عمداً فوکوس نکنید، دوربین و لنزها با هم کار می‌کنند تا فاصله لنز را از سنسور یا فیلم تغییر دهند، تا بتوانند جایی که نورِ ضبط شده همگراست را تغییر دهند. هنگامی که نور دقیقاً در پلین فیلم یا سنسور همگرا شود، تصویر در حال فوکوس شدن است.

بنابراین ، بر روی یک دوربین با یک لنز که دارای حلقه فوکوس مکانیکی در حال چرخش است ، با چرخاندن این حلقه ، شما به صورت فیزیکی لنزهای فوکوس یا همان گروه فوکوس لنز را جابه‌جا می‌کنید تا فاصله بین لنز و سنسور را به صورت دستی تغییر دهید. در دوربینی که نور همگرا است.

Autofocus ( فوکوس خودکار )

اکنون که ما یک درک اساسی از نحوه‌ی کار لنزها برای فوکوس کردن نور بر روی سنسور یا فیلم داریم، پس حالا می‌توانیم درباره جادوی فوکوس خودکار صحبت کنیم. با پیشرفت فناوری، شرکت های دوربین فهمیدند چگونه که می‌توان بدنه و لنز را حرکت داد تا عناصر فوکوس یا گروه فوکوس به سمت یا دور از سنسور یا فیلم حرکت کنند. اکثریت قریب به اتفاق دوربین‌های امروزی از موتور فوکوس خودکار در داخل بدنه استفاده نمی‌کنند، بلکه به موتورهای ریز داخل لنزها متکی هستند که از طریق خود دوربین کنترل می‌شوند.

واقعاً هوش مصنوعی همانند هوش انسان نیست، درست است ؟ اما، چگونه دوربین می‌داند که سوژه در حال فوکوس شدن است ؟ وقتی لنز را به صورت دستی فوکوس می‌کنیم، از منظره یاب یا توسط صفحه نمایش LCD نگاه می‌کنیم و اگر موضوع شارپ به نظر می‌رسد، با چشمان خود آن را تأیید می‌کنیم. بسیاری از منظره یاب‌ها در روزهایی که دوربین‌های آنالوگ هنوز صفحه نمایش نداشتند، بسیار مفید بودند و تنها راه ما برای تشخیص شارپ بودن یا نبودن سوژه. دوربین‌هایی با فوکوس خودکار اما با حرکت لنز به سمت حسگر یا فیلم، باید فوکوس را به صورت الکترونیکی محاسبه کنند. و خوشبختانه برای ما، به خصوص اگر دید کاملی ندارید، اکنون این فناوری عملکردی بسیار سریع و دقیق دارد.

Active در مقابل Passive

شما این روزها سیستم‌های Active AF را زیاد نخواهید دید، اما بگذارید ما به این فناوری نیز نگاهی بیندازیم. سیستم‌های Active AF در روزهای ابتدایی فناوری فوکوس خودکار حضور داشتند و به سیگنال‌های اولتراسونیک یا مادون قرمز به سمت سوژه متکی بودند. این موضوع باعث می‌شود صدا یا نور به سنسور فوکوس دوربین بازگردد و با کوتاه کردن مدت زمان لازم برای دریافت بازده در مقابل سرعت صدا یا سرعت نور، دوربین می‌داند سوژه تا چه اندازه فاصله دارد. در واقع به نظر می‌رسد این تکنولوژی بسیار جالب و پیشرفته باشد، درست است ؟ این در اصل رک رادار یا ردیاب صوتی در یک دوربین است. رادارها هم بسیار باحال هستند، درست مانند سیستم Active AF.

پیشنهاد نویسنده : تکنیک استفاده از لنز تله فوتو در عکاسی از حیات وحش

قبل از این که از فناوری‌های پیشگام در دوربین خود هیجان زده شوید، اگر روی دوربینتان چیزی به عنوان  AF-assist lamp یا چراغ راهنمای سیستم فوکوس خودکار دارید، پس دوربینتان از سیستم Active AF استفاده نمی‌کند، بلکه صرفاً در یک صحنه تاریک برای کمک به سیستم passive نور را تقویت می‌کند.

سیستم Passive AF انتخاب اکثر دوربین‌های امروزی است. در دنیای Passive AF دو نوع سیستم مختلف داریم، Phase Detection ( تشخیص فاز ) و Contrast Detection ( تشخیص کنتراست ). در ادامه به صورت خلاصه، نحوه‌ی عملکرد آنها را برایتان توضیخ خواهم داد.

Phase Detection ( تشخیص فاز )

تشخیص فاز سیستمی است که معمولاً در دوربین‌های DSLR امروزی یافت می‌شود. همانطور که می‌دانید، نور وارد لنز در یک DSLR می‌شود و به آینه‌ای برخورد می‌کند که در مقابل سنسور یا فیلم به صورت زاویه دار قرار گرفته است. این نور به یک منشور و سپس به سمت منظره یاب در پشت دوربین منعکس می‌شود. با این وجود، چیزی که شاید شما آن را نمی‌دانید این است که مقدار بسیار کمی از نور از آن آینه عبور می‌کند، به آینه دیگری برخورد می‌کند و به سمت پایین دوربین، جایی که سنسور فوکوس اتوماتیک در آن جا قرار دارد، منعکس می‌شود.

سنسور فوکوس خودکار شامل دو یا چند سنسور تصویر با میکرو لنز در بالای آنها است. این سنسورهای کوچک نقاط فوکوس خودکار دوربین را ایجاد می‌کنند. اولین دوربین‌های فوکوس خودکار Passive، دارای یک نقطه فوکوس مرکزی بودند. امروزه فناوری به ما دوربین‌هایی با ده‌ها نقطه فوکوس قابل انتخاب می‌دهد.

بنابراین، چگونه این سنسور فوکوس خودکار کار می‌کند ؟ به عبارت ساده، تشخیص فاز با تقسیم نور ورودی به بخش‌های مختلف و مقایسه‌ی دو تصویر یکسان کار می‌کند. نور با گذر از قسمت شفاف آینه اصلی تقسیم می‌شود، جایی که منطقه مانند یک شکاف پرتو عمل می‌کند. دو تصویر مجزا به سمت پایین به حسگر فوکوس خودکار فوق الذکر هدایت می‌شوند، جایی که این دو تصویر با یکدیگر مقایسه شده و رابطه موقعیتی آنها ارزیابی می‌شود. پردازشگر داخل دوربین، سیگنال سنسور فوکوس اتوماتیک را ارزیابی می‌کند و به لنزها دستور می‌دهد تا عناصر فوکوس کننده داخل لنز را تنظیم کنند تا دو تصویر یکسان ظاهر شوند. پس از هماهنگی دو تصویر، تصویر در حالت فوکوس شدن قرار می‌گیرد.

سنسورهای اولیه فقط جزئیات عمودی موجود در تصویر را ارزیابی می‌کردند که محدودیت‌هایی هنگام فوکوس بر صحنه‌های ساده با مؤلفه‌های افقی زیاد داشت. به یاد دارم که دوربین قدیمی SLR خودم را به پهلو نشاندم تا سنسور فوکوس خودکار را فریب دهم ! اکنون بسیاری از سنسورها به نوعی نقاط فوکوس به نام نقاط متقاطع یا cross-type مجهز شده‌اند که هم اطلاعات افقی و هم عمودی را همزمان می‌خوانند. آه خدای من، فناوری !

تشخیص کنتراست، سیستمی است که معمولاً توسط دوربین‌های بدون آینه، دوربین‌های عکاسی point-and-shoot، دوربین‌های DSLR در حالت لایو ویوو و دوربین گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود. در واقع می‌توان گفت این فناوری در تمام دوربین‌های بدون آینه در حال استفاده است.

همانطور که شاید متوجه شده باشید، سیستم‌های تشخیص فاز پیچیده هستند و اجزای زیادی دارند. تشخیص کنتراست اما بسیار ساده‌تر بوده و از تابیدن نور بر روی حسگر اصلی برای ارائه‌ی فوکوس صحیح استفاده می‌کند. یکی از مزایای سیستم تشخیص کنتراست نسبت به تشخیص فاز، تعداد نقاط فوکوس خودکار است. با سیستم تشخیص فاز، تعداد نقاط به طراحی آینه و قرارگرفتن تعداد سنسورهای زیر آینه بستگی دارد. با سیستم تشخیص کنتراست اما، دوربین می‌تواند تقریباً تعداد نامحدودی از نقاط فوکوس را داشته باشد. برخی از دوربین‌های مدرن دارای صفحه نمایش لمسی هستند که در آن دوربین با لمس انگشت روی هر نقطه‌ای از تصویری که تعیین کرده‌اید فوکوس خواهد کرد.

اما این چگونه کار می‌کند ؟ خب، دوربین به عناصر فوکوس لنز دستور حرکت می‌دهد، در حالی که هرگونه کاهش شدت نور در یک پیکسل یا گروه پیکسل‌ها را می‌خواند. حداکثر شدت، نشان دهنده‌ی شدیدترین ناحیه فوکوس است. در حالی که سادگی، مزیت این سیستم است، نکته‌ی منفی این است که دوربین برای دستیابی به فوکوس باید دائماً تصاویر را ارزیابی کند. هنگامی که نور برای اولین‌بار به سنسور برخورد می‌کند ، دوربین تصور نمی‌کند که نور حداکثر شدت خود را نشان می‌دهد یا خیر، تا زمانی که موقعیت لنز را تغییر دهد تا این شدت تغییر کند. به نوعی معادل اندازه گیری چیزی در مقیاس تعادل است بدون اینکه وزن آن را بدانید. شما می‌توانید وزنه تعادل را در نقطه مقابل مقیاس قرار دهید و دریابید که درست است، خیلی سنگین و یا خیلی سبک است. دوربین تصویر اولیه را دریافت می‌کند، که ممکن است در کانون فوکوس باشد، اما برای تأیید، باید حرکت لنزها را شروع کرد تا ببیند تصویر واضح‌تر یا مبهم‌تر است.

پیشنهاد نویسنده : حالت‌های فوکوس خودکار : عملکرد هر کدام چگونه بوده و چه کاربردی دارند ؟

این کار شکار یا hunting نامیده می‌شود. کسانی که دوربین‌های point-and-shoot قدیمی دارند، ممکن است به خاطر داشته باشند که همیشه منتظر بودند تا لنز وقتی که موضوع در صحنه عبور می‌کند، نقطه‌ی صحیح فوکوس را پیدا کند. خوشبختانه، فناوری در زمینه‌ی سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست همیشه در حال پیشرفت است، و دوربین‌های بدون آینه امروز و دوربین‌های point-and-shoot قابلیت فوکوس بسیارسریعی را پیدا کرده‌اند.

اکنون می‌دانید که چگونه فوکوس درون دوربین شما کار می‌کند. یا حداقل، امیدوارم که بدانید.

در بخش کامنت‌ها، در مورد حالت‌های مختلف فوکوس خودکار و چگونگی استفاده بهینه از آنها برای به دست آوردن نتایج خوب در عکاسی، با هم صحبت خواهیم کرد. ممنون از مطالعه‌تان !

امیدوارم مقاله‌ی ” سیستم فوکوس چگونه کار می‌کند ؟ “ برایتان جذاب و مفید بوده باشد. نظرات و پیشنهادات خود را با ما در میان بگذارید. همچنین اگر پرسشی وجود داشت، آن را در بخش نظرات همین پست مطرح کنید تا پاسخ دهم. موفق باشید !