Как работает фазовая автофокусировка?

При обсуждении технологии цифровых зеркальных камер часто возникает путаница относительно того, как работает фазовая автофокусировка (PDAF). Эта тема может быть неинтересна многим, но если вы задаетесь вопросом, почему и как возникают проблемы с автофокусировкой в ​​вашей камере, эта статья объяснит, что происходит внутри камеры, когда вы делаете снимок. Существует бесчисленное множество негативных отзывов о проблемах с автофокусировкой в ​​высококачественных устройствах, таких как Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 и других цифровых зеркальных камерах. Большинство фотографов, похоже, не знают, что основная проблема заключается не обязательно в конкретной модели или типе камеры, а скорее в особенностях фокусировки этих камер. Быстрый поиск в интернете покажет тысячи сообщений о проблемах с автофокусировкой во всех типах цифровых зеркальных камер, датируемых более чем 10 годами. Поэтому проблемы с передней и задней фокусировкой, которые мы видим в современных камерах, не являются чем-то новым; они существовали с самой первой цифровой зеркальной камеры с фазовым датчиком.

Как работают цифровые зеркальные фотокамеры?

Чтобы глубже понять эту проблему, необходимо сначала разобраться в принципах работы цифровой зеркальной камеры (DSLR) . На типичных иллюстрациях DSLR обычно показан только один отражатель, расположенный под углом 45 градусов. Однако на этих иллюстрациях не показано вторичное зеркало за отражателем, которое отражает часть света на фазовый датчик. Взгляните на упрощенную иллюстрацию ниже, которую я создал на основе типичного изображения Nikon D800:

Ниже приведено описание каждого числа, изображенного на иллюстрации выше:

1. луч света
2. Основное/отражающее зеркало
3. Вторичное зеркало, также известное как «дополнительное зеркало».
4. Затвор камеры и датчик изображения
5. Смещенный штифт (шестигранник 1.5 мм) для регулировки главного зеркала.
6. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1.5 мм) для регулировки вторичного зеркала.
7. Датчик фазовой автофокусировки (датчик автофокусировки)
8. Пентапризма
9. Видоискатель

Давайте посмотрим, что происходит внутри камеры, когда вы делаете снимок. Световые лучи попадают в объектив (1) и достигают внутренней части камеры. Полупрозрачное главное зеркало (2) расположено под углом 45 градусов, отражая большую часть света вертикально на пятиугольную призму (8). Пятиугольная призма преобразует вертикальный свет в горизонтальный и отражает его, так что вы можете точно увидеть то, что получаете, глядя в видоискатель (9). Небольшая часть света проходит через главное зеркало и отражается вторичным зеркалом (3), которое также наклонено под углом (54 градуса во многих современных камерах Nikon, как показано выше). Затем свет достигает датчика фазовой автофокусировки (7), который перенаправляет его на массив датчиков (два датчика для каждой точки автофокусировки). Затем камера анализирует и сравнивает изображения с этих датчиков (аналогично тому, как оценивается фокусировка в дальномерных камерах), и если они не совпадают, она дает указание объективу внести соответствующие корректировки (подробнее см. ниже).

Хотя описанный выше процесс кажется довольно простым, у этого подхода есть одна существенная проблема. Датчик фазовой автофокусировки дает команду объективу на необходимые корректировки, в то время как изображение захватывается совершенно другим устройством — датчиком на задней панели камеры. Почему это проблема? Помните, что при съемке изображения поднимаются как основное, так и вторичное зеркала, открывается затвор, и свет от объектива попадает непосредственно на датчик камеры (4). Для корректной работы фазовой автофокусировки расстояние между креплением объектива и датчиком камеры, а также расстояние между креплением объектива и датчиком фазовой автофокусировки должны быть абсолютно одинаковыми . Даже небольшое отклонение приведет к неправильной автофокусировке. Кроме того, если угол вторичного зеркала не будет достаточно точным, это также приведет к проблемам с автофокусировкой.

Как работает датчик фазового детектирования?

Работа датчика фазового детектирования основана на принципе оптического сравнения фаз, функционируя аналогично дальномерной камере. Свет, отраженный от вторичного зеркала, принимается массивом крошечных датчиков изображения (два или более, в зависимости от количества точек фокусировки в системе автофокусировки), установленных на микролинзах. Для каждой точки фокусировки, видимой в видоискателе, есть два крошечных датчика, предназначенных для обнаружения разницы фаз — по одному с каждой стороны объектива, как показано на диаграмме вверху страницы (7) (диаграмма преувеличивает это поведение, показывая два отдельных луча света, попадающих на два разных датчика).

На самом деле, современные фазовые детекторы содержат гораздо больше двух датчиков, и эти датчики расположены очень близко друг к другу. Когда свет достигает этих двух датчиков, если объект находится в фокусе, световые лучи, идущие от крайних краев линзы, сходятся непосредственно в центре каждого датчика (точно так же, как и в случае с датчиком изображения). В этом случае оба датчика будут давать идентичные изображения, что указывает на идеальную фокусировку объекта. Если объект находится вне фокуса, световые лучи не будут сходиться и будут падать на разные стороны датчика, как показано ниже (изображение предоставлено Википедией):

На рисунках 1–4 представлены случаи, когда фокус (1) слишком близко, (2) правильный, (3) слишком далеко и (4) слишком далеко. Диаграммы показывают, что разность фаз между двумя профилями может быть использована для определения не только направления изменения фокуса, но и величины этого изменения для достижения оптимального фокуса. Важно отметить, что в реальности движется линза, а не сенсор.

Поскольку система фазовой автофокусировки знает, находится ли объект в передней или задней фокусировке, она может отправлять точные инструкции объективу камеры о направлении и величине поворота фокуса. Вот что происходит, когда камера фокусируется на объекте (автофокусировка с обратной связью):

1. Свет, проходящий через крайние участки линзы, обрабатывается двумя датчиками изображения.
2. На основе того, как свет попадает на датчики изображения, система автофокусировки может определить, находится ли объект в фокусе спереди или сзади, и насколько велико это отклонение.
3. Затем система автофокусировки дает команду объективу отрегулировать фокус.
4. Описанные выше шаги повторяются столько раз, сколько необходимо, пока не будет достигнута идеальная фокусировка. Если фокусировка не удается, объектив перенастраивается и снова начинает поиск фокуса, что приводит к явлению «поиска фокуса».
5. После достижения идеальной фокусировки система автофокусировки отправляет подтверждение того, что объект находится в фокусе (например, зеленую точку в видоискателе, звуковой сигнал и т. д.).

Все эти операции происходят за доли секунды, поэтому система фазового детектирования намного быстрее, чем система контрастного детектирования (которая основана на постоянном изменении фокуса до достижения нужной фокусировки, при этом большая часть анализа данных изображения выполняется на уровне датчика изображения).

Фазовая автофокусировка (AF) — это чрезвычайно сложная система, которая постоянно совершенствуется с каждым обновлением профессиональных камер высокого класса. За эти годы количество точек автофокусировки значительно увеличилось, как и количество более надежных точек автофокусировки крестообразного типа. Например, камеры Canon 1D X и Canon 5D Mark III могут похвастаться впечатляющими 61 точкой автофокусировки, 41 из которых — крестообразные. Взгляните на эту сложную систему датчиков автофокусировки в камере:

Увеличилось не только количество точек автофокусировки (AF), но и значительно повысилась их надежность. Большинство современных профессиональных камер сегодня оснащены сверхбыстрыми, высокопроизводительными системами автофокусировки, способными непрерывно отслеживать объекты и обеспечивать точную фокусировку.

Проблемы с автофокусировкой в ​​цифровых зеркальных камерах

Проблемы с автофокусировкой в ​​цифровых зеркальных камерах — это вызов для многих фотографов, поскольку система фазовой автофокусировки требует чрезвычайно высокой точности для достижения точных результатов. Крайне важно, чтобы система фазовой автофокусировки была правильно установлена ​​и выровнена в процессе производства. Даже малейшее отклонение, что довольно часто встречается в производстве, приведет к неточной автофокусировке. Это основная причина, по которой система фазовой автофокусировки является источником проблем с момента появления первой цифровой зеркальной камеры с фазовым датчиком. Учитывая эти потенциальные отклонения, все производители цифровых зеркальных камер разработали высокоточную систему калибровки, которая учитывает это и позволяет проводить индивидуальную калибровку каждой камеры в процессе контроля качества.

Если обнаруживается проблема с выравниванием датчика фазовой автофокусировки, система выполняет автоматизированный компьютерный тест, который проходит по каждой точке фокусировки и вручную корректирует её внутри камеры. Неточные точки перекалибровываются и корректируются, а значения компенсации затем записываются в прошивку камеры. Этот процесс можно считать аналогичным точной настройке автофокуса/микронастройке автофокуса на уровне фазовой автофокусировки, но он выполняется для каждой точки автофокусировки индивидуально.