فوکوس در عکاسی چگونه انجام می‌شود؟

قبل از وجود فوکوس خودکار، فوکوس همیشه به‌صورت دستی صورت می‌گرفت. دوربین به عبارتی یک جعبه تاریک با دریچه نور کوچک است که در آن نور به سمت یک سطح حساس به نور (فیلم و یا سنسور) هدایت می‌شود. برای هدایت نور به سمت سطح حساس به نور، بیشتر دوربین‌ها (و حتی چشم‌هایتان) از لنز و یا به‌عبارت‌دیگر عدسی استفاده می‌کنند. اما چرا می‌گوییم بیشتر دوربین‌ها؟ خب، چندین نوع دوربین نیز وجود دارند که نیازی به لنز برای متمرکز کردن نور ندارند. برای مثال دوربین‌های پین هول نوعی از دوربین هستند که از یک جعبه ضد نور که دارای یک سوراخ کوچک در یک سمت و یک سطح حساس به نور در سمت دیگر هستند، این نوع از دوربین‌ها نیازی به لنز ندارند.

فوکوس

لنز یک سیستم اپتیکال است که طوری ساخته شده که نور به‌خوبی از آن عبور کند. در داخل لنزها عدسی‌هایی از نوع همگرا و واگرا قرار گرفته‌اند که موجب فوکوس یا به عبارت دیگر متمرکز شدن نور بر روی صفحه حساس به نور می‌شوند. اما چرا باید با کمک عدسی‌هایی که نور را متمرکز و یا پخش می‌کنند، تصویر را ثبت کنیم؟ در اصل نیازی به خم کردن نور نیست. اما به علت کوچک بودن فیلم، صفحه حساس به نور (سنسور) و یا حتی کره چشم، نیاز به خم کردن نور برای ثبت تصویر خواهیم داشت. به‌بیان‌دیگر می‌توان گفت که بدون خم کردن شعاع‌های نور ساطع شده از یک کوه، چطور می‌توان تصویر آن را روی سنسور تشکیل داد؟

لنزها نه‌تنها در نور خمیدگی ایجاد می‌کنند، بلکه سرعت نور را نیز کاهش می‌دهند؛ به بیانی کلی‌تر سرعت نور هنگام عبور از مواد نیمه شفاف تغییر می‌کند. پس هنگام ورود نور به لنز در آن خمیدگی ایجاد می‌شود و سرعت آن نیز کاهش می‌یابد. وظیفه اصلی لنز دوربین، هدایت نور به سمت سنسور است.

بهتر است که به این موضوع اشاره شود که فیزیک نور مبحث بسیار پیچیده‌ای است و برای درک عمیق رفتار نور نمی‌توان به خواندن یک مقاله بسنده کرد. به همین دلیل جایز است که توضیحاتی به زبان ساده در اختیارتان بگذاریم و بیشتر به موضوع اصلی این مقاله یا همان فوکوس بپردازیم. اما باوجود پیچیدگی مباحث فیزیک نور، جذابیت فراوانی نیز در موضوعات این‌چنینی نهفته است. البته شناخت قوانین اپتیک‌ها و در کل فیزیک نور قرار نیست آن‌قدرها در کیفیت عکاسی شما تأثیرگذار باشد؛ اما چیرگی در این مباحث برای یک عکاس، خالی از لطف نیست.

هر فردی که تابه‌حال با ذره‌بین اقدام به سوراخ کردن کاغذ و یا آتش درست کردن، کرده؛ می‌داند که رابطه مستقیمی بین همگرایی (متمرکز) شعاع‌های نور و فاصله جسمی که نور بر روی آن فرود می‌آید، وجود دارد. هنگامی‌که با استفاده از یک عدسی و نور خورشید، می‌خواهیم آتش درست کنیم؛ در حقیقت می‌خواهیم نور یک منبع نور را در یک نقطه متمرکز کنیم. اما دوربین و همچنین چشم‌های ما، نور را از منابع بی‌شماری در یک سطح متمرکز می‌کنند. در دوربین با تغییر فاصله لنز (عدسی‌های داخلی لنز) پروسه واضح‌سازی تصویر بر روی سنسور و یا به زبان عکاسی، فوکوس انجام می‌شود.

اگر نتوان با تغییر فاصله عدسی‌های داخل لنز فوکوس را ایجاد کرد، مجبور به تغییر مکان به‌صورت فیزیکی برای واضح‌سازی تصویر خواهیم بود. البته خوشبختانه امروزه در استفاده از اکثر دوربین‌ها نیازی به جابجایی به‌صورت فیزیکی نخواهیم داشت.

زمانی را تصویر کنید که در حال ثبت یک تصویر پرتره از یکی از آشنایان خود هستید. بعد از ثبت عکس با اعمال بزرگنمایی به جزئیات تصویر سوژه نگاه کنید. با زوم روی سوژه به جزئیاتی همچون مژه‌های سوژه خود توجه کنید. نوک مژ‌ه‌های سوژه شما، نوری که از منابع نور اطراف خود به آن ساطع شده را به تمام جهات و نه‌تنها به سمت دوربین شما بازتاب می‌دهد. وظیفه لنز همگرایی تمام نورهای بازتابی دریافتی و متمرکز کردن آن‌ها بر روی سنسور است. این همگرایی و متمرکز شدن نور بازگشتی باید به‌گونه‌ای باشد که تصویر ثبت شده، همان‌گونه باشد که در هنگام عکاسی و با چشمانتان می‌بینید. اگر نقطه کانون، تمرکز و یا فوکوس نور درجایی قبل و یا بعد از سنسور قرار بگیرد، تصویر مژه‌های سوژه شما بلوری و تار ثبت خواهند شد.

نقاطی که در تصویر شما به‌صورت ناواضح و یا تار ثبت می‌شوند، همان نقاط خارج از فوکوس هستند. تا جایی که خواننده این متن هیروشی سوگیموتو نباشد، که البته آقای هیروشی نیازی به چنین اطلاعاتی ندارد و حتی اگر داشته باشد هم از فهم زبان فارسی عاجز است؛ احتمالاً به‌طورمعمول قصد نخواهید داشت که سوژه‌های خود را در عکس‌ها، خارج از فوکوس قرار دهید. همچنین حتی اگر چنین قصدی داشته باشید هم، می‌خواهید میزان خارج از فوکوس بودن سوژه و یا هر ارزش دیگر در عکس‌های خود را تنظیم کنید. در کل برای ایجاد تصویری واضح و واقع در محدوده فوکوس و یا خارج از این محدوده، بین دوربین و لنز به‌صورت هماهنگ سازوکاری جریان دارد تا نقطه همگرا شدن نور بازگشتی از سوژه معین شود.

در جهت موضوعی که در پاراگراف بالا به آن پرداختیم، بر روی لنزها حلقه‌ای وجود دارد که با چرخاندن آن، عدسی و یا گروهی از عدسی‌های داخل لنز جابجا می‌شوند تا همگرایی و یا واگرایی شعاع‌های نور با توجه به مکان فرود آن‌ها (سنسور یا فیلم) معین شود.

فوکوس خودکار

حالا که درک بنیادی از چگونگی عملکرد فوکوس و متمرکز شدن نور بر روی سنسور و یا فیلم در ذهنمان نقش بسته، می‌توان به مبحث جذاب فوکوس خودکار پرداخت. با پیشرفت تکنولوژی، شرکت‌های تولیدکننده دوربین و لنز به چگونگی استفاده از مکانیک و موتورها برای جابجایی عدسی‌های مربوط به فوکوس و یا گروه عدسی‌های فوکوس پی بردند. اکثر دوربین‌های امروزی فاقد موتور فوکوس در داخل بدنه هستند و برای این منظور به موتورهای کوچکی که در لنزهای دارای فوکوس خودکار، وجود دارند، تکیه کرده‌اند. اما وظیفه کنترل موتور و یا موتورهای فوکوس لنزها بر عهده بدنه دوربین است.

اما دوربین چطور متوجه می‌شود که چطور عدسی‌های لنز را جابجا کند تا سوژه مورد نظر در محدوده فوکوس قرار بگیرد؟ هنگامی که به‌صورت دستی محدوده فوکوس را تنظیم می‌کنیم، با نگاه کردن از داخل منظره‌یاب و یا نمایشگر دوربین متوجه محدوده فوکوس می‌شویم. اما در هنگام استفاده از فوکوس خودکار دوربین به صورت الکترونیک به تغییر عدسی‌های مربوط به فوکوس می‌پردازد و محدوده فوکوس را محاسبه می‌کند.

مقایسه فوکوس اکتیو و پسیو

فوکوس خودکار اکتیو در دوربین‌های امروزی وجود ندارد. اما شاید بهتر باشد که از چگونگی عملکرد این سیستم فوکوس خودکار، مطلع باشیم. سیستم فوکوس خودکار اکتیو، یک سیستم فوکوس خودکار اولیه است که در این سیستم دوربین با انتشار یک سیگنال التراسونیک و یا اشعه فروسرخ (اینفرارد) به سمت سوژه قادر به تنظیم فوکوس بوده است. با محاسبه زمان صرف شده در انتشار، برخورد صدا و یا اشعه نور به سوژه و بازگشت آن به سمت دوربین و محاسبه سرعت نور و یا صوت، سیستم فوکوس خودکار دوربین می‌توانست مسافت سوژه تا دوربین را تشخیص دهد. این سیستم عملکردی شبیه به سازوکار سونار و رادار داشته است.

سیستم فوکوس خودکار پسیو، سیستمی است که در دوربین‌های امروزی کارایی دارد. اما سیستم فوکوس خودکار پسیو به دو بخش فوکوس خودکار تشخیص فاز و فوکوس خودکار تشخیص کنتراست تقسیم می‌شود. در ادامه به توضیح هر یک از این دو خواهیم پرداخت.

سیستم فوکوس خودکار تشخیص فاز

سیستم فوکوس خودکار تشخیص فاز بیشتر در دوربین‌های DSLR استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانید در دوربین‌های DSLR، نور وارد لنز می‌شود و با آینه‌ای که به‌صورت زاویه‌دار در مقابل سنسور و یا فیلم قرار گرفته، برخورد می‌کند. اما احتمالاً از این موضوع خبر ندارید که بخش کوچکی از نور از آینه‌ مذکور عبور و به آینه‌ دیگری ساطع می‌شود، در ادامه نیز آینه دوم نور دریافت شده را به سمت سنسور فوکوس خودکار دوربین، هدایت می‌کند.

سنسور فوکوس خودکار دارای حداقل دو سنسور تصویر است که در بالای آن‌ها میکرولنزهایی قرار گرفته‌اند. این سنسورهای کوچک، سازنده نقاط فوکوس خودکار در دوربین‌های DSLR هستند. سیستم‌های فوکوس خودکار اولیه تنها دارای یک نقطه فوکوس مرکزی بوده‌اند. اما با پیشرفت فناوری، امروزه دوربین‌هایی با سیستم فوکوس خودکار با تعداد نقاط فوکوس خودکار بسیار بالا و همچنین قابل انتخاب در اختیار کاربران است.

اما سنسورهای فوکوس خودکار چطور کار می‌کنند؟ به زبان ساده سیستم فوکوس خودکار تشخیص فاز، نور دریافتی را تقسیم به چند تصویر و سپس ‌آن‌ها را مقایسه می‌کند. نور در هنگام عبور از بخش شفاف آینه اصلی به چند بخش تقسیم می‌شود. دو تصویر مجزا در این سیستم به سمت سنسور فوکوس خودکار مزبور هدایت می‌شوند. در این بخش دو تصویر مقایسه و تفاوت موقعیتی بین آن‌ها توسط این سیستم ارزیابی می‌شود. پردازشگر دوربین سیگنال‌های دریافتی از سیستم فوکوس خودکار را ارزیابی و دستور حرکت عدسی‌های مربوط به فوکوس در لنز را صادر می‌کند تا هنگامی‌که دو تصویری که در مورد آن‌ها گفتیم همسان شوند. زمانی که دو تصویر شبیه هم شوند، تصویر در فوکوس واقع‌شده است.

در سنسورهای اولیه تنها جزییات در محور عمودی ارزیابی می‌شدند. این موضوع موجب محدودیت‌هایی هنگام فوکوس در موقعیتی که اجزا بسیاری در فریم در موقعیت افقی قرار داشتند، می‌شده است. به همین دلیل کاربران در هنگام استفاده از این نوع دوربین‌ها در بسیاری از موقعیت‌ها مجبور بودند که دوربین خود را ۹۰ درجه بچرخانند تا در سیستم فوکوس خودکار محور عمودی تبدیل به محور افقی شود. اما حالا بسیاری از سنسورها دارای نقاط کراس-تایپ هستند، این نقاط هم قادر به ارزیابی محور افقی و هم عمودی هستند.

سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست

سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست، سیستمی است که به‌صورت متداول در دوربین‌های بدون آینه استفاده می‌شود. البته لازم به ذکر است که این سیستم در دوربین‌های DSLR در هنگام استفاده از نمایشگر، دوربین‌های کامپکت، تلفن‌های هوشمند و درکل در تمام دوربین‌هایی که در ساختارشان آینه وجود ندارد، استفاده می‌شود.

همان‌طور که توضیح دادیم، سیستم فوکوس خودکار تشخیص فاز، سیستم پیچیده‌ای است و شامل بخش‌های متعددی می‌شود. برخلاف این موضوع، سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست ساختار بسیار ساده‌تری دارد. در این سیستم برای تنظیم فوکوس، نور به‌صورت مستقیم بر روی سنسور فرود می‌آید. مزیت دیگر این سیستم تعداد نقاط فوکوس خودکار است. در سیستم تشخیص فاز، تعداد نقاط وابسته به تعداد سنسورهای فوکوس خودکار و طراحی آینه‌ موجود در دوربین است. در سیستم تشخیص کنتراست، دوربین می‌تواند تعداد بی‌شماری نقاط فوکوس خودکار داشته باشد. بعضی از دوربین‌ها دارای نمایشگر لمسی هستند که به کاربر امکان تعیین محدوده فوکوس با لمس کردن ناحیه مشخص بر روی نمایشگر را می‌دهند.

سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست چطور کار می‌کند؟ در این سیستم نیز دوربین دستور حرکت گروهی از عدسی‌ها که وظیفه تنظیم فوکوس در لنز را دارند صادر می‌کند. با دریافت بیشترین شدت نور بر روی پیکسل‌های سنسور، دوربین متوجه می‌شود که محدوده انتخابی در فوکوس قرار گرفته است. در این سیستم هنگامی که نور با سنسور برخورد می‌کند، دوربین ایده‌ای در مورد میزان شدت نور و یا به‌عبارت‌دیگر وضعیت فوکوس ندارد و با حرکت المان‌ها، آن‌ها را در بهترین وضعیت تنظیم می‌کند. می‌توان این عملیات را به تعیین وزن جسمی که وزن ‌آن را نمی‌دانیم با کمک ترازوی تعادلی و وزنه تشبیه کرد. در هنگام دریافت تصویر توسط دوربین، ممکن است تصویر در فوکوس قرار داشته باشد، اما با کمی تغییر مکان عدسی‌ها در لنز، دوربین متوجه این موضوع خواهد شد و به وضعیت قبلی بازمی‌گردد.

به عملیات پیدا کردن محدوده فوکوس عالی در سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست «hunting» یا شکار می‌گویند. کاربرانی که از دوربین‌های کامپکت قدیمی استفاده می‌کنند، احتمالا از سرعت پیدا کردن محدوده فوکوس مناسب دوربین خود، ناراضی هستند. اما پیشرفت فناوری در چند سال اخیر در سرعت عملکرد سیستم فوکوس خودکار تأثیر بسزایی گذاشته است و دوربین‌های بدون آینه و پوینت اند شوت امروزی با سرعت بسیار بسیار بالایی محدوده فوکوس را تنظیم می‌کنند.