Cách lấy nét của các ống kính

Trước khi có hệ thống lấy nét tự động, các nhiếp ảnh gia phải thực hiện lấy nét hoàn toàn bằng tay. Những chiếc máy ảnh giống như những chiếc hộp ánh sáng nhỏ gọn, dùng ánh sáng để đốt các bề mặt nhạy sáng (như phim hoặc cảm biến kỹ thuật số chẳng hạn). Để làm nét ánh sáng chiếu lên các bề mặt nhạy sáng này, hầu hết các loại máy ảnh (và cả mắt người) đền sử dụng ống kính để điều khiển ánh sáng. Tại sao lại có từ “hầu hết” ở đây, vì trên thế giới vẫn tồn tại một số loại máy ảnh không phụ thuộc vào ống kính để điều khiển ánh sáng, điển hình như máy ảnh dạng pinhole, đây là những chiếc máy có dạng hình hộp với một chiếc lỗ tí hon ở một mặt và mặt còn lại là bề mặt nhạy sáng. Ánh sáng đi vào thông qua chiếc lỗ tí hon này và chiếu lên bề mặt nhất định, như bức tường hoặc chiếc hộp chẳng hạn. Bạn có thể tìm hiểu thêm về loại máy ảnh pinhole này, tuy nhiên hiện tại hầu hết các mẫu máy ảnh đều sử dụng ống kính để điều khiển ánh sáng.
 

Lấy nét

Ống kính là một thiết bị quang học được cấu tạo bởi các vật liệu trong suốt, cho phép ánh sáng đi xuyên qua chúng. Tùy thuộc vào thiết kế, một chiếc ống kính có thể được tích hợp thẳng vào máy ảnh hoặc có thể được tháo lắp và thay đổi. Các ống kính được cấu tạo bởi một hoặc nhiều thành phần thấu kính cho phép lật ngược, xuôi ánh sáng và tập trung ánh sáng lên bề mặt nhạy sáng, kết quả đầu ra là hình ảnh. Bạn có thể đọc được thông số ống kính gồm có các “thành phần” (elements) và “Nhóm” (groups). Mỗi thấu kính đơn lẻ được gọi là một thành phần và nhiều thành phần được thiết kế với nhau theo từng nhóm bên trong ống kính.
Tại sao chúng ta lại cần uốn cong ánh sáng để tạo ra hình ảnh? Trên thực tế thì chúng ta không nhất thiết phải bẻ cong ánh sáng để tạo ra hình ảnh, vấn đề nằm ở chỗ ô phim, cảm biến và võng mạc mắt người thường nhỏ hơn rất nhiều so với khung hình chúng ta muốn ghi lại. Chính vì vậy chúng ta cần phải bẻ cong ánh sáng để làm giảm kích thước hình chiếu của hình ảnh. Đấy chính là cách mà máy ảnh có thể thu được hình ảnh của cả một ngọn núi hay một tòa nhà vào trong một ô phim nhỏ nhắn.
 

Ống kính không chỉ bẻ cong ánh sáng mà còn làm tốc độ ánh sáng chậm lại. Ánh sáng thay đổi tốc độ khi đi xuyên qua các vật thể trong suốt. Công việc của ống kính là điều khiển ánh sáng chiếu lên phim hoặc cảm biến.
Cũng giống với việc dùng kính lúp để hội tụ ánh sáng mặt trời lên một điểm, đốt nóng và tạo ra ngọn lửa tại điểm đó. Ống kính máy ảnh hoạt động với nguyên lý tương tự, khi bạn dùng kính lúp để hội tụ ánh sáng mặt trời, bạn đang tập trung ánh sáng từ một nguồn sáng duy nhất là mặt trời, còn ống kính cũng tương tự như mắt người, hội tụ ánh sáng từ vô số nguồn sáng khác nhau.

Máy ảnh và ống kính sử dụng các cơ chế như vòng lấy nét để chỉnh các thấu kính và nhóm thấu kính, qua đó thay đổi được khoảng cách giữa thấu kính và cảm biến hoặc bề mặt phim để hội tụ ánh sáng đến cực điểm, tạo ra hình ảnh sắc nét trên các bề mặt nhạy sáng.

Hệ thống lấy nét tự động

Bây giờ chúng ta đã hiểu được một cách cơ bản ống kính lấy nét bằng cách nào, hãy chuyển qua hệ thống lấy nét tự động. Đây là một kỹ thuật tiên tiến, các hãng máy ảnh đã tìm ra cách kết hợp các loại mô-tơ vào thân máy và ống kính để di chuyển các thành phần hoặc nhóm thấu kính tăng hoặc giảm khoảng cách so với cảm biến hoặc ô phim. Phần lớn các mẫu máy ảnh hiện đại đều không được trang bị mô-tơ lấy nét tự động trên thân máy, mà phụ thuộc hoàn toàn vào các mô-tơ siêu nhỏ được lắp đặt trong ống kính và được điều khiển bởi thân máy.

Tuy nhiên, làm cách nào mà máy ảnh biết được chủ thể đã nét hay chưa? Khi lấy nét bằng tay, chúng ta sẽ nhìn qua khung ngắm hoặc màn hình LCD để quyết định xem hình ảnh đã nét hay chưa. Trong khi chế độ lấy nét tự động cần phải tự tính toán khoảng nét thông qua các cơ chế điện tử và điều khiển khoảng cách thấu kính so với bề mặt nhạy sáng. May mắn thay, công nghệ lấy nét tự động hiện nay đã phát triển vượt bậc và có thể lấy nét một cách siêu nhanh và siêu chính xác.

Lấy nét chủ động và thụ động

Ngày nay, bạn hiếm khi được thấy một hệ thống lấy nét tự động chủ động, tuy nhiên chúng ta sẽ cùng điểm qua một chút về công nghệ này. Hệ thống lấy nét chủ động được sản xuất vào những ngày đầu của công nghệ lấy nét tự động và phụ thuộc hoàn toàn vào tín hiệu sóng hoặc tín hiệu hồng ngoại của máy ảnh phát ra đến chủ thể. Các tín hiệu này sẽ phản xạ trở lại vào cảm biến đo âm thanh hoặc ánh sáng của máy ảnh, từ đó hệ thống sẽ biết được khoảng cách và điều chỉnh được thấu kính. Công nghệ này khá bất ổn vì đôi khi khoảng cách chủ thể có thể ở quá xa và tốc độ cũng khá chậm.
Trên các máy ảnh hiện đại thường được trang bị đèn hỗ trợ lấy nét, đây không phải là hệ thống lấy nét thụ động mà các đèn này chỉ đơn thuần là chiếu sáng vào khu vực bị tối, hỗ trợ cho hệ thống lấy nét thụ động.
Công nghệ lấy nét thụ động là lựa chọn của hầu hết các mẫu máy ảnh hiện đại ngày nay. Hệ thống lấy nét thụ động được chia làm hai loại: Loại phát hiện điểm nét theo pha và theo độ tương phản.

Hệ thống phát hiện điểm nét theo pha

Hệ thống lấy nét theo pha được trang bị trên hầu hết các mẫu máy DSLR ngày nay. Như bạn đã biết, ánh sáng đi vào ống kính và đập và một chiếc kính phản chiếu ngay trước cảm biến, sau đó ánh sáng sẽ đi lên lăng kính và đi ra khung ngắm. Tuy nhiên, điều có thể bạn chưa biết là sẽ có một lượng nhỏ ánh sáng đi xuyên qua kính phản chiếu, đập vào một chiếc kính khác và đi xuống đáy máy ảnh đập vào cảm biến lấy nét tự động.
Cảm biến lấy nét tự động được trang bị 2 hoặc nhiều cảm biến hình ảnh với các thấu kính siêu nhỏ phía trên. Các cảm biến siêu nhỏ này tạo ra các điểm lấy nét tự động. Hệ thống lấy nét thụ động đầu tiên chỉ được trang bị một điểm lấy nét chính giữa, và công nghệ ngày nay cho phép máy ảnh có hàng chục điểm lấy nét tự động khác nhau.
 

Vậy thì cảm biến lấy nét tự động hoạt động như thế nào? Nói một các đơn giản, quá trình lấy nét tự động theo pha hoạt động bằng cách chia ánh sáng đầu vào thành hai hình ảnh khác nhau trước khi thực hiện so sánh chúng. Ánh sáng được chia ra khi chúng đi xuyên quan phần trong suốt của gương lật giống như hình trên. Hai hình ảnh tách biệt này được điều khiển hướng xuống dưới, chiếu lên bề mặt của cảm biến lất nét tự động, tại đây hai hình ảnh này được đánh giá, so sánh về góc và mức độ liên quan. Hệ thống xử lý của máy ảnh sẽ nhận và đánh giá tín hiệu thu được từ cảm biến lấy nét tự động, sau đó ra lệnh cho ống kính điều chỉnh các thấu kính của mình đến khi hai hình ảnh này trở nên rõ ràng, khi hai hình ảnh này trở thành một hình ảnh thì có nghĩa là tấm ảnh đã được lấy nét xong.
Các cảm biến thế hệ đầu tiên chỉ thực hiện đánh giá chi tiết hình ảnh theo chiều dọc. Điều này gây ra hạn chế khi hệ thống chỉ có thể lấy nét trên các cảnh vật đơn giản. Hiện nay, nhiều loại cảm biến mới đã được trang bị các điểm lấy nét theo công nghệ cross-type, có khả năng đọc được chi tiết theo cả chiều dọc lẫn ngang cùng một lúc.
Hệ thống lấy nét tự động tương phản được sử dụng phổ biến trên các máy ảnh không gương lật, PnS, chế độ live view trên DSLR, và máy ảnh của điện thoại thông minh; về cơ bản là hệ thống này áp dụng trên bất cứ chiếc máy ảnh nào không sử dụng gương lật.
Như bạn có thể thấy, hệ thống lấy nét theo pha là hệ thống có độ phức tạp cao và sử dụng nhiều thành phần điện tử khác nhau, mặt khác hệ thống lấy nét tương phản đơn giản hơn nhiều và chỉ sử dụng ánh sáng đập vào bề mặt cảm biến để lấy nét. Điều này giúp hệ thống lấy nét tương phản có ưu điểm vượt trội hơn so với hệ thống lấy nét theo pha về số điểm lấy nét tự động. Với lấy nét theo pha, số điểm lấy nét tùy thuộc vào thiết kế của gương lật và số lượng cảm biến lấy nét dưới gương lật, còn ở hệ thống lấy nét tương phản, máy ảnh gần như có thể số điểm lấy nét không giới hạn. Một số mẫu máy hiện đại trang bị màn hình cảm ứng còn có thể giúp bạn chỉ cần chạm vào điểm mong muốn là có thể lấy nét tự động ngay lập tức.

Vậy hệ thống lấy nét tương phản làm việc như thế nào? Máy ảnh sẽ ra lệnh cho ống kính di chuyển các thấu kính lấy nét, đồng thời trong quá trình đó, máy sẽ phân tích sự thay đổi cường độ ánh sáng ở một hoặc một nhóm điểm ảnh. Cường độ ánh sáng cực đại thể hiện điểm nét nhất của tấm ảnh. Bên cạnh ưu điểm về số điểm lấy nét, thì nhược điểm của hệ thống này là máy ảnh cần phải liên tục đánh giá hình ảnh để đạt được mức lấy nét cao nhất. Khi ánh sáng đập vào cảm biến lần đầu tiên, máy ảnh lúc này vẫn chưa thể nhận biết được ánh sáng này đã có cường độ mạnh nhất hay chưa cho đến khi ra lệnh ống kính thay đổi vị trí của thấu kính lấy nét. Điều này dẫn đến tốc độ lấy nét sẽ bị chậm đi so với lấy nét theo pha, may mắn thay là các loại máy ảnh không gương lật thế hệ mới bây giờ đã có khả năng lấy nét siêu nhanh.
Trên đây là những khái niệm cơ bản về cách các ống kính lấy nét và hệ thống lấy nét tự động, hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu được phần nào cơ chế làm việc của hệ thống lấy nét tự động trên máy ảnh.