Podstawowe typy autofokusa

W tym paragrafie spróbujemy usystematyzować wiedzę o najpopularniejszych metodach automatycznego ustawiania ostrości, zwanego popularnie autofokusem. Artykuł ten, nieco zmodyfikowany, ukaże się w najbliższym (wrzesień 2010r) wydaniu „PCWORLD ZOOM”. Jak ktoś woli czytać materiał drukowany z ilustracjami lepszej jakości niż w Internecie, to zapraszam do „ZOOM’a”.

OSTROŚĆ ZDJĘĆ

Elementem niezbędnym dla otrzymania zdjęcia poprawnego technicznie jest prawidłowe ustawienie ostrości. Zdjęcie nieco prześwietlone lub niedoświetlone można skorygować w programach do obróbki plików obrazowych ale zdjęcia nieostrego nie da się poprawić w sposób zadawalający. Ustawienie ostrości polega na takim dobraniu położenia obiektywu względem matrycy, na której rejestrujemy obraz, by obiekt będący punktem był odwzorowany jako punkt a nie rozmyta plama. Rys.1. wyjaśnia na czym polega ustawienie ostrości.

Rys.1. Obiektyw reprezentuje jedna soczewka. Fotografowany obiekt to małe zielone kółeczko traktowane jako punkt. Odległości obiektywu od matrycy – x i y.

Obraz na matrycy lub filmie jest ostry wówczas, gdy dwa promienie odbite od jednego punktu przecinają się dokładnie w płaszczyźnie matrycy (filmu). W górnej części Rys.1 obiektyw jest zbyt daleko od matrycy i obraz fotografowanego punktu jest kółkiem o rozmytych brzegach, czyli obraz jest nieostry. Dobierając odpowiednią odległość obiektywu od matrycy uzyskamy ostry obraz obiektu – dolna część rysunku. Ustawianie ostrości polega na dobraniu takiej odległości obiektywu od matrycy, by obiekt na który chcemy nastawić ostrość dał na matrycy obraz taki jak na dolnej części Rys.1. Warunek otrzymania ostrego obrazu można zapisać znanym wzorem z dziedziny optyki
1/f = 1/x +1/y (1)
w którym f jest ogniskową obiektywu. Czyli odwrotność długości ogniskowej jest równa sumie odwrotności odległości obiekt-obiektyw i obiektyw-matryca. Należy zauważyć, że Rys.1 ma proporcje odległości x i y bardzo różne od tych jakie mamy w przypadku fotografowania. Odległość obiektyw-matryca, czyli ta oznaczona y na Rys.1 jest w aparatach fotograficznych od kilku do kilkudziesięciu milimetrów a odległość x, obiektyw-przedmiot fotografowany jest od jednego do kilkudziesięciu metrów. Wyjątek stanowi makrofotografia ale tym zagadnieniem nie zajmujemy się w tym artykule. Schemat odległości x i y z o proporcjach zbliżonych do realnych pokazany jest na Rys.2.

Rys.2 Odległości obiekt fotografowany-obiektyw i obiektyw-matryca z zachowaniem przybliżonej proporcji z jaką mamy do czynienia w praktyce fotografowania.

Ustawianie ostrości polega na tym by dla danej ogniskowej f i znanej odległości x ustawić w aparacie taką odległość y, która spełni równanie (1). Przy relacjach odległości x i y, takich jak pokazane na Rys.2, przesuwanie obiektywu bliżej lub dalej od matrycy to przemieszczenia rzędu jednego do kilku milimetrów i związana z tym zmiana odległości obiektu fotografowanego od obiektyw jest do zaniedbania. Przesunięcie obiektywu o 1,0 mm to około 10% zmiana wartości y ale tylko około 0,05% zmiana wartości x. Można więc twierdzić, że w trakcie ustawiania ostrości odległość do fotografowanego obiektu jest stała. Przekształcając równanie (1) do postaci
y= (f x)/(x –f) (2)
otrzymujemy wzór na odległość obiektywu od matrycy potrzebną dla uzyskania ostrego zdjęcia, którą możemy obliczyć znając ogniskową obiektywu f i odległość do fotografowanego przedmiotu x. Ogniskowa f obiektywu jest oczywiście znana, trzeba tylko zmierzyć odległość x, wyliczyć wartość y i ustawić obiektyw w tej odległości od matrycy. Taką procedurę może wykonać procesor aparatu fotograficznego w oparciu o odpowiedni program zapisany w jego pamięci. Można też, patrząc na wyświetlacz aparatu, tak regulować odległość y, by obraz był widoczny jako ostry. Tak postępujemy w procesie ręcznego ustawiania ostrości. W obecnie produkowanych aparatach fotograficznych stosowane są dwie metody automatycznego ustawiania ostrości o powszechnie stosowanych nazwach: metoda maksymalnego kontrastu i metoda pomiaru różnicy fazy. Metoda maksymalnego kontrastu jest dokładniejsza i prostsza w zastosowaniu a pomiaru różnicy faz – szybsza lecz wymaga skomplikowanych elementów konstrukcyjnych.

Pierwsza z nich jest stosowana w aparatach kompaktowych i aparatach z wymiennymi obiektywami ale bez lusterka, druga w lustrzankach. W nowszych modelach lustrzanek, które mają tryb podglądu na żywo (live view) stosowane są obie metody, co zapewnia dużą szybkość i dokładność ustawienia ostrości. Metody te omówimy dokładnie w kolejnych częściach tego artykułu.

Metoda maksymalnego kontrastu

Badania laboratoryjne wykazały, że kontrast na granicy fotografowanych obiektów jest największy, gdy ustawimy najlepszą ostrość. Tak więc ustawienie ostrości sprowadza się do takiego ustawienia obiektywu by uzyskać największy kontrast w kadrze. Ustawianie kontrastu odbywa się poprzez śledzenie fragmentu matrycy o wysokości kilku i szerokości kilkunastu pikseli. Kierunki poziomy i pionowy określone są w stosunku do poziomo trzymanego aparatu. Schematycznie położenie matrycy pokazane jest na Rys.3

Rys.3. Matryca CCD o rozdzielczości 10 MP. Zielony pasek to piksele służące do ustawienia ostrości. Pasek ten jest nieproporcjonalnie duży na tym rysunku, gdyż w aparatach ma on wymiary kilka na kilkanaście pikseli.

Omawiamy tu matrycę typu CCD, jako najpowszechniej stosowaną w aparatach kompaktowych, w których metoda maksymalnego kontrastu jest stosowana. Należy podkreślić, że piksele wykorzystywane do ustawienia maksymalnego kontrastu, a tym samym najlepszej ostrości, to normalne piksele na których rejestrowany jest obraz w momencie wykonywania zdjęcia. Ich położenie jest określone programem ustawiającym ostrość w aparacie i dlatego program może wybrać ten pasek pikseli w dowolnym miejscu matrycy. W wielu aparatach cyfrowych fotograf może sam wybrać miejsce kadru, w którym będzie ustawiana ostrość. Powrócimy do tego zagadnienia po pełnym omówieniu zasady ustawiania ostrości, gdyż ta nie zależy od położenia elementów wykorzystywanych do tego celu.

Na Rys.3 pokazano jeszcze schematycznie sposób odczytywania zawartości pikseli. Znajomość sposobu odczytu pozwala zrozumieć dlaczego pasek pikseli dla ustawiania ostrości jest poziomy. Zawartość pikseli przenoszona jest wiersz po wierszu w dół, tak jakby spływała do tej czerwonej „szyny”, którą wędruje do układów elektronicznych przetwarzających ładunek zgromadzony w poszczególnych pikselach na ostateczny obraz. Dla odczytania zawartości pikseli będących czujnikiem ostrości, muszą zostać odczytane zawartości wszystkich wierszy matrycy poniżej tego paska. Ich zawartość jest ignorowana i dopiero po wczytaniu wiersza zawierającego piksele czujnika ostrości, jego zawartość jest przesyłana dalej w celu dokonania analizy kontrastu. Analizowane są tylko piksele z czujnika ostrości, pozostałe z tego wiersza są odrzucane. Dla pionowo ustawionych pikseli ostrości dla odczytania ich zawartości należałoby odczytać zawartość wszystkich wierszy przez które „przechodzi” czujnik ostrości, czyli kilkanaście wierszy i z nich wybrać tylko zawartość pikseli tworzących czujnik ostrości. Odczyt pikseli czujnika zajmowałby więcej czasu i ustawianie ostrości byłoby wolniejsze a jednym głównych celów konstruktorów aparatów fotograficznych jest uzyskanie najkrótszych czasów ustawiania parametrów do wykonania zdjęcia.

Procedura ustawiania maksymalnego kontrastu a tym samym najlepszej ostrości przebiega wg schematu pokazanego na Rys.4.

Rys.4. Schemat ustawiania ostrości metodą analizy maksymalnego kontrastu.

Proces ustawiania ostrości ma taki przebieg.

Odczytanie zawartości czujnika ostrości i analiza kontrastu pomiędzy jego odcinakami po lewej i prawej stronie.
Odsunięcie obiektywu od matrycy
Powtórzenie czynności 1.
1. Jeżeli kontrast się zmniejszył, program przysunie obiektyw do matrycy bliżej niż był na początku.
2. Jeżeli kontrast się zwiększył, program odsunie obiektyw jeszcze dalej.
Powrót do czynności z punktu 1.
I tak cyklicznie do uzyskania maksymalnego kontrastu.

Ruch obiektywu przedstawimy na wykresie, co pozwoli łatwiej zrozumieć proces ustawiania ostrości.

Rys.5. Kolejne położenia obiektywu w trakcie ustawiania najlepszej ostrości. Czerwona kreska pokazuje pozycję dającą najlepszą ostrość.

Ustawienie maksymalnego kontrastu a tym samym ostrości odbywa się metodą kolejnych przybliżeń, zwaną też metodą prób i błędów. Cały wysiłek projektantów komputerów jest skierowany na stworzenia takiego algorytmu ustawiania ostrości, by było jak najmniej kroków przed osiągnięciem najlepszego ustawienia obiektywu względem matrycy. Czas potrzebny na ustawienie ostrości zależy od tego algorytmu ale i od szybkości działania procesora oraz mechanizmów przesuwających obiektyw. Wiemy, że obiektyw zbudowany jest przynajmniej z kilku soczewek i efekt równoważny przesuwaniu obiektywu względem matrycy uzyskuje się poprzez przesuwanie jednej z soczewek w stosunku do pozostałych. Przesuwanie tej soczewki wykonywane jest silniczkami wykorzystującymi drgania ultradźwiękowe, czyli takie o częstości dużo wyższej, niż słyszalne przez człowieka. Ma to tę zaletę, że dźwięk pracy tego silnika nie zakłóca dźwięków rejestrowanych przez aparat np. w trakcie kręcenia filmików.

Po zapoznaniu się z tym systemem ustawiania ostrości łatwo zrozumieć dlaczego nasz aparat nie potrafi „złapać” ostrości, jeżeli w kadrze nie widać żadnych pionowych krawędzi rozgraniczających fotografowane obiekty. Piksele czujnika ostrości ustawione poziomo mają wszystkie jednakową jasność i zmiana położenia obiektywu nie zmienia kontrastu pomiędzy pikselami po lewej i prawej stronie. Algorytm wyszukiwania maksymalnego kontrastu zawodzi. Klasyczny przykład takiej sytuacji to fotografowanie jeziora lub morza, gdy jedyne różnice jasności są rozdzielone poziomą linią horyzontu. Rozwiązaniem jest wówczas

ustawienie aparatu pionowo,
przyciśnięcia spustu migawki do połowy, co spowoduje ustawienia ostrości,
obrócenia aparatu do pozycji poziomej z wciśniętym do połowy spustem migawki
naciśnięcie do końca spustu migawki.

Druga powszechnie stosowana metod automatycznego ustawiana ostrości to metoda wykrywania różnicy fazy (phase difference detection). Brzmi to bardzo dziwnie ale wyjaśnimy wszystko w następnym paragrafie.

Automatyczne ustawianie ostrości metodą wykrywania różnicy fazy

W metodzie tej mierzy się różnicę fazy fal świetlnych docierającego do specjalnych czujników ze skrajnych części obiektywu. Wyjaśnimy co to jest faza fali świetlnej.

Rys.6. A – fala biegnąca w kierunku x. λ oznacza długość fali. B i C – dwie fale przesunięte względem siebie o ćwierć długości fali.

Porównując wykresy fal B i C widzimy, że w punkcie 1 fala B ma amplitudę 0 a fala C maksymalną. Te dwie fale są przesunięte względem siebie o 1/4 długości fali. To przesunięcie to właśnie różnica faz tych fal. Należy uświadomić sobie, że długość fal świetlnych oznaczona λ leży w przedziale od 400 nm (kolor niebieski) do 700 nm (kolor czerwony). 1 nm (nanometr) to jedna miliardowa część metra, czyli jedna milionowa milimetra. A więc fale świetlne mają średnią długość 550 miliardowych części metra, czyli 550 milionowych części milimetra. Jeszcze bardziej obrazowo – jest to połowa jednej tysięcznej milimetra. To bardzo mała długość w porównaniu z wszelkim obiektami, jakie znamy z życia codziennego.

Ustawianie ostrości metodą wykrywania różnicy faz opiera się w swej idei o metodę triangulacji stosowaną w dalmierzach optycznych. Na czym ta metoda polega wyjaśnia kolejny rysunek.

Rys.7. Pomiar odległości metodą triangulacji. Znając kąty α1 i α2 oraz odległość d pomiędzy punkami obserwacji, możemy obliczyć odległość O.

Takie układy pomiaru odległości obiektu od aparatu były stosowane w wielu typach aparatów analogowych. Aparaty te posiadały dwa „okienka”, do których docierały promienie świetlne odbite od fotografowanego obiektu a odpowiednie układy optyczne sprzężone z obiektywem pozwalały ustawić prawidłową ostrość, bez potrzeby obliczania odległości O. W sytuacji pokazanej na Rys.7 można też obliczyć odległość O, gdy znamy odległości O1 i O2.
Co więcej, do obliczenia odległości O wystarczy znajomość różnicy odległości O1 i O2.
I właśnie ta ostania metoda obliczania odległości od aparatu do obiektu fotografowanego jest wykorzystana w metodzie zwanej wykrywaniem różnicy faz, jeżeli przetłumaczymy dosłownie angielski termin phase difference detection. Zasada ustawiania ostrości przy wykorzystaniu pomiaru różnicy faz jest prosta ale wyjaśnienie szczegółów tej metody jest poza możliwościami tego artykułu, gdyż wymaga znajomości kilku działów matematyki wyższej. Schemat optyki aparatu dla ustawiania ostrości metodą detekcji różnicy faz pokazany jest na Rys.8.

Rys.8. Układ ustawiania ostrości metodą detekcji różnicy faz fali świetlnej. 1 – obiektyw, 2- lusterko uchylne (lustrzanki), 3 i 4 – mikrosoczewki ogniskujące promienie odbite od lusterka, 5 i 6 – dodatkowe matryce CCD dla zarejestrowania promieni które weszły do aparatu przez skrajne części obiektywu, 7 – główna matryca rejestrująca obraz.

Jak działa ustawianie ostrości tą metodą? Promienie, które weszły do aparatu poprzez najbardziej zewnętrzne części obiektywu są kierowane, poprzez soczewki 3 i 4 na dodatkowe matryce światłoczułe 5 i 6. Obrazy rejestrowane na tych matrycach są porównywane za pomocą specjalnego układu elektronicznego, sterowanego procesorem aparatu. Fale świetlne docierające do matryc 5 i 6 mają różne fazy i właśnie różnica faz między nimi pozwala na obliczenie odległości fotografowanego obiektu od obiektywu a to pozwala obliczyć odległość obiektyw matryca potrzebną do uzyskania ostrego obrazu. Innymi słowy, analiza różnicy faz fal świetlnych docierających do matryc 5 i 6 pozwala wyznaczyć kierunek i wielkość przesunięcia obiektywu wymaganego dla uzyskania ostrego obrazu na matrycy 7.

W tej metodzie ustawiania ostrości nie ma procedury „prób i błędów”, jaką ustawiana jest ostrość w metodzie maksymalnego kontrastu. Tym samym metoda jest szybsza. Niestety, wymaga większego natężenia światła, czyli będzie zawodzić przy słabym oświetleniu. Jest również nieco mniej dokładna od metody maksymalnego kontrastu. Dlatego w aparatach wysokiej klasy stosowane są obie metody ustawiania ostrości. Najpierw metodą detekcji różnicy faz dobierane jest położenie obiektywu dające najlepsza ostrość. To odbywa się w bardzo krótkim czasie. Następnie włącza się metoda maksymalnego kontrastu, która poprawia ostrość też w krótkim czasie, gdyż metoda „prób i błędów” ma już do wykonania tylko małą liczbę kroków.

Używasz Facebooku'a? Kliknij "lubię to", będziesz dostawał informacje o nowościach na naszym serwisie.