Jak działa autofokus oparty na detekcji fazy?

Podczas dyskusji o technologii lustrzanek cyfrowych (DSLR ), często pojawia się wiele niejasności dotyczących działania autofokusa z detekcją fazy (PDAF). Ten temat może nie zainteresować wielu osób, ale jeśli zastanawiasz się, dlaczego i w jaki sposób występują problemy z autofokusem w Twoim aparacie, ten artykuł wyjaśni, co dzieje się wewnątrz aparatu podczas robienia zdjęcia. Istnieje niezliczona ilość negatywnych opinii na temat problemów z autofokusem w urządzeniach z wyższej półki, takich jak Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 i inne cyfrowe lustrzanki. Większość fotografów wydaje się nieświadoma, że ​​sednem problemu niekoniecznie jest konkretny model lub typ aparatu, ale raczej konkretny sposób, w jaki te aparaty uzyskują ostrość. Szybkie przeszukanie internetu ujawni tysiące raportów o problemach z autofokusem we wszystkich typach lustrzanek cyfrowych (DSLR) pochodzących sprzed ponad 10 lat. Dlatego problemy z przednim i tylnym ustawianiem ostrości, które widzimy w nowoczesnych aparatach, nie są niczym nowym; istniały od czasu pierwszej lustrzanki cyfrowej z czujnikiem detekcji fazy.

Jak działają aparaty DSLR?

Aby lepiej zrozumieć ten problem, konieczne jest najpierw zrozumienie działania lustrzanki cyfrowej (DSLR) . Typowe ilustracje lustrzanek cyfrowych zazwyczaj przedstawiają tylko pojedynczy reflektor ustawiony pod kątem 45 stopni. Jednak na tych ilustracjach nie widać lustra wtórnego za reflektorem, które odbija część światła do czujnika detekcji fazy. Spójrz na poniższą uproszczoną ilustrację, którą stworzyłem na podstawie typowego zdjęcia Nikona D800:

Poniżej znajduje się opis każdej liczby pokazanej na powyższej ilustracji:

1. wiązka światła
2. Lustro główne/odbijające
3. Lustro wtórne, znane również jako „podlustro”
4. Migawka aparatu i czujnik obrazu
5. Kołek mimośrodowy (sześciokątny 1.5 mm) do regulacji głównego lusterka
6. Kołek mimośrodowy (sześciokątny 1.5 mm) do regulacji lustra wtórnego
7. Czujnik detekcji fazy (czujnik AF)
8. Pryzmat pentagonalny
9. Wizjer

Przyjrzyjmy się, co dzieje się wewnątrz aparatu podczas robienia zdjęcia. Promienie światła wpadają przez obiektyw (1) i docierają do wnętrza aparatu. Półprzezroczyste lustro główne (2) jest ustawione pod kątem 45 stopni, odbijając większość światła pionowo do pryzmatu pentagonalnego (8). Pryzmat pentagonalny zamienia światło pionowe na poziome i odbija je, dzięki czemu możesz zobaczyć dokładnie to, co otrzymasz, patrząc przez wizjer (9). Niewielka część światła przechodzi przez lustro główne i jest odbijana przez lustro wtórne (3), które jest również pochylone pod kątem (54 stopnie w wielu nowoczesnych aparatach Nikon, jak pokazano powyżej). Światło dociera następnie do czujnika detekcji fazy/autofokusa (7), który przekierowuje je do układu czujników (dwa czujniki na każdy punkt autofokusa). Następnie aparat analizuje i porównuje obrazy z tych czujników (podobnie jak ocenia się ostrość w dalmierzach) i jeśli nie wydają się identyczne, wydaje obiektywowi polecenie dokonania odpowiednich korekt (więcej szczegółów poniżej).

Chociaż powyższy proces wydaje się dość prosty, istnieje jeden poważny problem z tym podejściem. Czujnik detekcji fazy instruuje obiektyw, aby dokonał niezbędnych korekt, podczas gdy obraz jest przechwytywany przez zupełnie inne urządzenie — czujnik z tyłu aparatu. Dlaczego jest to problem? Pamiętaj, że gdy robisz zdjęcie, zarówno lustro pierwotne, jak i wtórne podnoszą się, migawka otwiera się, a światło z obiektywu trafia bezpośrednio do czujnika aparatu (4). Aby autofokus z detekcją fazy działał prawidłowo, odległość między mocowaniem obiektywu a czujnikiem aparatu, a także odległość między mocowaniem obiektywu a czujnikiem detekcji fazy, muszą być dokładnie takie same . Nawet niewielkie odchylenie spowoduje nieprawidłowe ustawienie ostrości. Ponadto, jeśli kąt lustra wtórnego nie jest tak precyzyjny, jak powinien, doprowadzi to również do problemów z autofokusem.

Jak działa czujnik detekcji fazy?

Działanie czujnika detekcji fazy opiera się na zasadzie optycznego porównania faz, działając podobnie jak w aparacie dalmierzowym. Światło odbite od zwierciadła wtórnego jest odbierane przez szereg maleńkich matryc (dwóch lub więcej, w zależności od liczby punktów ostrości w systemie autofokusa) zamontowanych na mikrosoczewkach. Na każdy punkt ostrości widoczny w wizjerze przypadają dwa maleńkie czujniki dedykowane do wykrywania różnic fazowych – po jednym po każdej stronie obiektywu, jak pokazano na schemacie na górze strony (7) (schemat wyolbrzymia to zjawisko, pokazując dwie oddzielne wiązki światła docierające do dwóch oddzielnych czujników).

W rzeczywistości nowoczesne urządzenia z detekcją fazy zawierają znacznie więcej niż dwa czujniki, a czujniki te są umieszczone bardzo blisko siebie. Gdy światło dociera do tych dwóch czujników, jeśli obiekt jest ostry, promienie świetlne pochodzące z skrajnych krawędzi soczewki zbiegają się dokładnie w środku każdego czujnika (podobnie jak w przypadku matrycy obrazu). W takim przypadku oba czujniki będą miały identyczny obraz, co oznacza, że ​​obiekt jest idealnie ostry. Jeśli obiekt jest nieostry, promienie świetlne nie zbiegną się i padają na różne strony czujnika, jak pokazano poniżej (ilustracja dzięki uprzejmości Wikipedii):

Rysunki od 1 do 4 przedstawiają przypadki, w których ostrość jest (1) zbyt bliska, (2) prawidłowa, (3) zbyt daleka i (4) zbyt daleka. Diagramy pokazują, że różnica faz między dwoma profilami może być wykorzystana nie tylko do określenia kierunku, w którym należy zmienić ostrość, ale także do określenia wielkości tej zmiany, aby uzyskać optymalną ostrość. Należy pamiętać, że w rzeczywistości to obiektyw, a nie czujnik, się porusza.

Ponieważ system detekcji fazy rozpoznaje, czy obiekt znajduje się przed, czy za obiektem, może wysyłać precyzyjne instrukcje do obiektywu aparatu dotyczące kierunku i stopnia, w jakim powinien on obrócić ostrość. Oto, co dzieje się, gdy aparat ustawia ostrość na obiekcie (autofokus w pętli zamkniętej):

1. Światło przechodzące przez skrajne krawędzie soczewki jest analizowane przez dwa czujniki obrazu.
2. Na podstawie tego, w jaki sposób światło dociera do czujników obrazu, układ autofokusa może określić, czy obiekt jest ostry z przodu czy z tyłu, a także jakie jest to odchylenie.
3. Następnie system autofokusa wydaje obiektywowi polecenie dostosowania ostrości.
4. Powyższe kroki powtarza się tyle razy, ile potrzeba, aż do uzyskania idealnej ostrości. Jeśli nie można jej uzyskać, obiektyw ponownie się dostraja i ponownie rozpoczyna poszukiwanie ostrości, co skutkuje zjawiskiem „poszukiwania ostrości”.
5. Po uzyskaniu idealnej ostrości system autofokusa wysyła potwierdzenie, że obiekt jest ostry (np. zieloną kropkę w wizjerze, dźwięk alertu itp.).

Wszystkie te operacje odbywają się w ułamku sekundy, dlatego system detekcji fazy jest znacznie szybszy od systemu detekcji kontrastu (który opiera się na ciągłym zmienianiu ostrości aż do jej uzyskania, przy czym duża część analizy danych obrazu jest przeprowadzana na poziomie czujnika obrazu).

Autofokus z detekcją fazy (AF) to niezwykle złożony system, który jest stale udoskonalany wraz z każdą aktualizacją zaawansowanych linii aparatów profesjonalnych. Z biegiem lat liczba punktów autofokusa, podobnie jak liczba bardziej niezawodnych punktów krzyżowych, znacznie wzrosła. Na przykład aparaty Canon 1D X i Canon 5D Mark III mogą pochwalić się imponującą liczbą 61 punktów autofokusa, w tym 41 punktów krzyżowych. Spójrz na ten rozbudowany układ czujników autofokusa w aparacie:

Nie tylko wzrosła liczba punktów autofokusa (AF), ale również znacząco poprawiono ich niezawodność. Większość współczesnych aparatów profesjonalnych jest wyposażona w ultraszybkie, wysoce skonfigurowane systemy autofokusa, które umożliwiają ciągłe śledzenie obiektów i precyzyjne ustawianie ostrości.

Problemy z autofokusem w lustrzankach cyfrowych

Problemy z autofokusem w lustrzankach cyfrowych (DSLR) stanowią wyzwanie dla wielu fotografów, ponieważ system autofokusa z detekcją fazy wymaga niezwykle wysokiej precyzji, aby uzyskać dokładne rezultaty. Co najważniejsze, system detekcji fazy/autofokusa musi być prawidłowo zainstalowany i ustawiony w procesie produkcyjnym. Nawet najmniejsze odchylenie, co jest dość powszechne w procesie produkcyjnym, spowoduje niedokładność autofokusa. Jest to główny powód, dla którego system detekcji fazy stanowił źródło problemów od czasu pojawienia się pierwszej lustrzanki cyfrowej z czujnikiem detekcji fazy. Rozumiejąc te potencjalne odchylenia, wszyscy producenci lustrzanek cyfrowych opracowali wysoce precyzyjny system kalibracji, który uwzględnia te czynniki i umożliwia kalibrację poszczególnych aparatów podczas procesu kontroli i zapewnienia jakości (QA).

W przypadku wykrycia problemu z ustawieniem czujnika detekcji fazy, system przeprowadza komputerowy, automatyczny test, który sprawdza każdy punkt ostrości i ręcznie go koryguje w aparacie. Niedokładne punkty są ponownie kalibrowane i korygowane, a wartości kompensacji są następnie zapisywane w oprogramowaniu sprzętowym aparatu. Proces ten można porównać do funkcji AF Fine Tune/AF Micro Adjust na poziomie detekcji fazy, ale jest on wykonywany dla każdego punktu autofokusa osobno.