Zasada działania lupy nastawczej i automatycznego ustawiania ostrości w oparciu o wykrywanie przesunięcia fazowego w lustrzankach jednoobiektywowych.

Douglas A. Kerr, P.E.
(tłumaczenie za zgodą autora)
oryginał: http://doug.kerr.home.att.net/pumpkin/Split_Prism.pdf

Streszczenie

Wiele lustrzanek jednoobiektywowych (SLR) jest wyposażonych w lupę nastawczą, narzędzie które pozwala dokładnie określić poprawne nastawienie ostrości podczas ręcznego ostrzenia. W poniższym artykule opisana jest zasada działania lupy nastawczej. Omówiony jest też mikroraster, podobne narzędzie oparte o te same podstawy konstrukcyjne. W artykule przedstawiona jest również implementacja zasady podziału obrazu do systemów automatycznego nastawiania ostrości za pomocą rozpoznawania przesunięcia fazowego (phase comparision autofocus system).

Wprowadzenie

W lustrzankach jednoobiektywowych ostrość ustawia się obserwując poprzez pryzmat i okular obraz formowany na matówce. Często trudno jest dokładnie określić punkt najlepszej ostrości, obserwując obraz z matówki.

Wiele systemów celowniczych lustrzanek jest wyposażone w specjalny przyrząd służący do dokładnego określenia punktu najlepszej ostrości. Przyrząd ten nosi w języku polskim nazwę lupa nastawcza. Jest to koło w centrum matówki, podzielone na połowy pionową, poziomą bądź ukośną linią. Obraz, nawet kiedy ostrość nie jest idealnie ustawiona, nie musi być zauważalnie nieostry. Nawet niewielka niedoskonałość ustawienia punktu ostrości jest jednak doskonale widoczna na lupie nastawczej, gdzie dwie połowy obrazu są względem siebie w takim przypadku przesunięte. Ludzkie oko jest niesłychanie czułe na takie przesunięcia (doskonały przykład na zdolnośc do rozpoznawania przesunięć równoległych odcinków - zobacz http://www-staff.lboro.ac.uk/~huph/hyperacuity.htm) i dzięki temu o wiele prostsze staje się ustalenie ostrości.

Popularność mechanizmów automatycznego ustawiania ostrości w aparatach analogowych i cyfrowych spowodowała rezygnację producentów ze stosowania lup nastawczych i podobnych narzędzi wspomagających ręczne ostrzenie (niekiedy można je dodatkowo dokupić). Wiele rodzajów prac fotograficznych wymaga jednak ręcznego ostrzenia dla osiągnięcia najlepszych efektów, a przyrządy wspomagające ręczne ostrzenie nadal są w kręgu zainteresowań fotografa. Zdarza się, że użytkownicy samodzielnie modyfikują aparaty, by wzbogacić ich funkcjonalność o tę zanikającą cechę.

Rozpoczniemy nasze badanie systemów podziału obrazu od przeanalizowania sposobu w jaki obraz jest tworzony w aparacie, a następnie dowiemy się jak realizowane jest tradycyjne ustawianie ostrości na matówce. Na podstawie analizy specyficznego systemu optycznego wyjaśnimy podstawy działania lupy nastawczej. Na koniec przeanalizujemy prawdziwe implementacje systemu.

Budowanie obrazu w aparacie, a kwestia ostrości

Rysunek 1 pokazuje zasadę tworzenia ostrego obrazu na materiale światłoczułym w aparacie fotograficznym.

Na rysunku prezentujemy najprostszy obiektyw jednosoczewkowy, przyjmujemy też, że przysłona (której zmienny otwór kontroluje ilość wpadającego światła) znajduje się wewnątrz soczewki. Przyjmujemy również nieprawdziwe założenie, że światło jest załamywane (uginane) w płaszczyźnie przechodzącej przez środek soczewki (a nie jak w rzeczywistości, na krawędziach soczewki). Te uproszczenia czynią rysunki prostszymi do narysowania i mniej zagmatwanymi.

Po lewej stronie widzimy nasz hipotetyczny obiekt – linię prostą. Na obu końcach linii dwie małe plamki[1], jedną czerwoną (C) i jedną niebieską (N).

Po poprawnym ustawieniu soczewki (kiedy ostrość jest ustawiona na opisywany obiekt), światło z plamki C biegnie do punktu c i tworzy na filmie ostro określony „obraz plamki”[2]. Światło z plamki N biegnie do punktu n. To samo dotyczy wszystkich innych fragmentów obiektu, a wynikowa siatka plamek obrazu buduje pełen, ostry obraz obiektu. (Na rysunku widzimy tylko „zewnętrzne” promienie poprowadzone z każdego punktu, chociaż inne promienie biegną podobnie.

[1] – Przyjmujemy, że są bardzo małe. Chciało by się rzec, że są to punkty, ale punkt ma zerową powierzchnię i dlatego nie może emitować światła.''

[2] Lub matryca cyfrowa, dla uproszczenia będę używać słowa „film” dla opisania dowolnego materiału światłoczułego.''

Nieostro

Na rysunku 2 widzimy sytuację, w której soczewka została specjalnie przesunięta do przodu, by zepsuć ostrość. W tym przypadku strumień światła z obu plamek osiąga ostrość przed płaszczyzną filmu. Biegnąc dalej, światło tworzy na filmie plamę o skończonych rozmiarach (krążek rozproszenia). Zbiór tych plam buduje obraz nieostry.

Matówka

W lustrzankach jednoobiektywowych (SLR) w trakcie kadrowania i ostrzenia obraz nie jest kierowany na film, ale poprzez lustro na matówkę - (zmatowiona rozpraszająca tafla szklana), którą obserwujemy przez specjalny pryzmat i soczewkę okularu. Na rysunku 3 prezentuję to w formie uproszczonej, pominąwszy lustro, pryzmat i okular. Rysunek przedstawia ostrość poprawnie nastawioną na dyskutowany wyżej obiekt. (Od tej chwili nie pokazujemy środka obiektu, koncentrując się na końcowych plamkach).

W tym przypadku, plamy światła tworzące obraz padają na powierzchnię ekranu. Dzięki temu, że matówka jest przezroczysta, światło przedostaje się na jej drugą stronę i biegnie w kierunku okularu (który składa się z kilku soczewek – postanowiłem ich jednak nie rysować). W ten sposób użytkownik widzi obraz kadru poprzez okular.

Zauważ, że światło emitowane z tylnej powierzchni matówki jest rozproszone pod dużym kątem (z powodu rozpraszającej natury zmatowionego szkła). Rozproszenie nie następuje w kierunku okularu (matówka nie jest doskonale przezroczystym rozpraszaczem). W efekcie tylko część wyemitowanego światła dociera do oka. Nie wpływa to dobrze na jasność wizjera.

W rzeczywistości, zaraz za matówką umieszczona jest soczewka skupiająca (soczewka polowa), która koncentruje emitowane światło i ugina w kierunku okularu [3]. Pomijamy to w naszych rozważaniach.

[3] – często jest to soczewka Frensela, zbudowana z wielu niewielkich koncentrycznych kolistych wypukłości, z których każda jest wycinkiem powierzchni normalnej soczewki. Taka konstrukcja eliminuje problem grubości szkła w centrum normalnej soczewki.

Znów nieostrość

Na rysunku 4 widzimy matówkę w sytuacji kiedy ostrość nie jest ustawiona poprawnie. Fotograf widzi przez okular rozmyty obraz (utworzony przez plamy z każdego kawałeczka obiektu)

Lupa nastawcza

Teraz skupimy się na podstawie działania lupy nastawczej

Na rysunku 5 mamy nowy przedmiot. Jest to o wiele krótsza, ułożona poziomo i skierowana do nas linia. Skupimy się znów na niewielkich plamkach umiejscowionych na obu końcach linii. Jedna plamka niebieska i jedna czerwona. Plamka czerwona leży na bardziej oddalonym końcu obiektu, przez co z tego punktu widzenia nie możemy jej zobaczyć.

Wprowadzę teraz trochę nieprawdziwych rekwizytów, które nie występują w rzeczywistości, ale ułatwią wyjaśnienie problemu.

• Zwykłą przysłonę otwierającą się od środka, zastąpimy przez dziwaczną, która ma dwa otwory, jeden u góry, drugi u dołu. (W dalszej części artykułu okaże się, że „dwudziurowiec” nie jest potrzebny, ale tak będzie nam łatwiej).
• Przyjmujemy, że w jakiś magiczny sposób tylko światło z czerwonej plamki na obiekcie przechodzi przez górny otwór przysłony, a światło z niebieskiej plamki przebiega tylko przez otwór dolny. (W dalszej części okaże się, że coś podobnego zachodzi naturalnie w rzeczywistości, ale jeszcze zbyt wcześnie tłumaczyć w jaki sposób!)

Usunęliśmy z rysunków matówkę, nic nie znajduje się w płaszczyźnie, gdzie się znajdowała.

Zakładamy też poprawne ustawienie ostrości soczewki. Tak jak w poprzednich przykładach, snopy światła biegną, by przeciąć się w płaszczyźnie matówki. Nie ma tam jednak matówki, na której powstawał by obraz. Jednakowoż, krzyżujące się w powietrzu promienie tworzą obraz – obraz powietrzny (powietrzny – taki, który nie pada ani na film, ani na matówkę). Jeżeli oko przechwyci światło, które uformowało obraz powietrzny (po przejściu ogniska), obraz powietrzny jest widziany tak, jak by był fizycznym obiektem.

Mamy do czynienia jednak z pewnym problemem. Jak widać na rysunku, promienie światła po przejściu przez ognisko, biegnąc dalej, nigdy nie dotrą do okularu.

Rysunek 6 prezentuje rozwiązanie tego problemu.

W miejsce matówki umieściliśmy dwa niewielkie szklane pryzmaty klinowe. Jeden z nich jest bliżej nas (czerwony), i jeden dalej (niebieski). Zauważ, że ze względu na poziome ułożenie obu plamek, obraz powietrzny plamki czerwonej jest bliższy nam od obrazu plamki niebieskiej. (Obraz jest odwrócony względem oryginału o 180 stopni). Każdy pryzmat jest umieszczony tak, by przechodziły przez niego tylko promienie z obiektu o tym samym kolorze. Jak to się dzieje, zobaczysz za chwilę.

W tej sytuacji, kiedy ostrość jest ustawiona poprawnie, promienie przecinają się dokładnie na pryzmatach. Pryzmaty załamują światło tak, że podąża ono teraz w kierunku okularu, pozwalając fotografowi widzieć powietrzne obrazy obiektów. (Nie widzimy tego dla promieni niebieskich na rysunku, bo z naszego punktu widzenia zasłaniają je promienie czerwone).

Zauważ, że obrazy powietrzne punktów czerwonego i niebieskiego powstają na tej samej wysokości. W związku z tym dla fotografa będą ułożone w jednej poziomej linii. Tak jak plamki leżą w rzeczywistości. Jest to wskaźnikiem poprawnego ustawienia ostrości. Jeżeli weźmiemy pod uwagę resztę obiektu (którą pomijaliśmy przez chwilę), będzie ona stanowić nieprzerwany odcinek, przebiegający w poprzek pary pryzmatów.

Na rysunku 7 prezentujemy schemat, w którym soczewkę przesunęliśmy do przodu, znów psując ostrość. Teraz obrazy powietrzne obu plamek tworzą się przed płaszczyzną matówki. Tak jak wcześniej, obraz powietrzny czerwonej plamki jest bliżej nas, a oba są na tej samej wysokości.

Pryzmaty nadal pozwalają fotografowi widzieć dwie plamki obrazów powietrznych. By być precyzyjnym, fotograf nie widzi obrazów powietrznych, ale ich obrazy pozorne, tak, jak je widać przez pryzmaty. Na rysunku widzimy gdzie one są, śledząc linie na których leżą załamane w kierunku okularu promienie. W punktach przecięcia tych linii powstają obrazy pozorne.

Zgadnij, co się dzieje? Pozycja niebieskiej plamki jest ponad pozycją plamki czerwonej. Obie plamki nie znajdują się już na jednej poziomej linii. W dolnym prawym rogu ilustracji widzimy obraz, jaki widzi fotograf patrząc na parę pryzmatów, prezentujących różną lokalizację obrazów pozornych obu plamek.

To co ważniejsze, widzimy również resztę obiektu, na którym przesuniecie jest doskonale widoczne. W praktyce oczywiście jest to przesunięcie linii przecinających styk dwu pryzmatów, na których widzimy przesuniecie fragmentów obrazu. Oko ludzkie jest bardzo czułe na nawet bardzo małe przesunięcia tego typu (wrażliwość na równoległe przesunięcia odcinków nazywa się po angielsku vernier acuty of eye - wrażliwość oka jest w tej kategorii 10 razy większa od „normalnej” (tlum)).

Przemieszczenie półobrazów ostrzega fotografa przed faktem, że ostrość nie została poprawnie ustawiona.

Przejdźmy do rzeczywistości

Wszystko gra, ale powyższy opis jest mało realistyczny. Nadal mamy sztuczną przysłonę z dwoma otworami i zabawne założenie magiczne, że tylko czerwone promienie przechodzą przez górny otwór, a promienie niebieskie tylko przez dolny. Na rysunku 8 pozbywamy się dwuotworowca.

Na tej ilustracji bliższej rzeczywistości, dwuotworowa przysłona została usunięta. Nadal jednak fotograf widzi przez każdy pryzmat światło z innej części otworu przysłony (tak jak to było przy przysłonie dwuotworowej). Pryzmat, tak jak peryskop, skierował do okularu światło pochodzące tylko z części otworu przysłony – dla pryzmatu czerwonego z obszarów przy górnej krawędzi, a dla pryzmatu niebieskiego z obszarów przy krawędzi dolnej.

Dokładniej widać to na kolejnej ilustracji.

Koncentrujmy się teraz tylko na promieniach “czerwonych”, usuwając niebieskie dla rozjaśnienia sytuacji. Pokazuję teraz więcej promieni „czerwonych”, które wcześniej ignorowałem (co jest usprawiedliwione, a zaraz to zobaczysz). Dodatkowe promienie mają teraz kolor purpurowy, by lepiej rozróżnić przebieg obu grup.

Zauważ, że te nowe pokazane promienie (które nie biorą udziału w scenariuszu działania lupy nastawczej, nie przebiegają przez górną część otworu przysłony), są załamywane tak, że nigdy nie dotrą do okularu. W ten sposób widać wyraźnie, że w rzeczywistości dwa pryzmaty działają tak, jak w przypadku przysłony z dwoma otworami.

Co z wymaganiem, by czerwone promienie wpadały do czerwonego pryzmatu, a n niebieskie tylko do niebieskiego? Na rysunku 10 widzimy co się dzieje. Nic nadzwyczajnego, tylko geometria.

Tym razem widzimy układ od góry. Promienie z czerwonej plamki niezależnie od tego, w którym miejscu przechodzą przez płaszczyznę przysłony, budują obraz powietrzny, który jest ulokowany przed „czerwonym” pryzmatem. Promienie z niebieskiej plamki niezależnie od tego, w którym miejscu przechodzą przez płaszczyznę przysłony, budują obraz powietrzny, który jest ulokowany przed „niebieskim” pryzmatem. To wystarczy by usprawiedliwić założenia z wcześniejszego opisu.

Na ilustracji 9 widzieliśmy, że tylko promienie przechodzące przez górny otwór mogą przedostać się poprzez czerwony pryzmat do okularu. Tylko promienie przechodzące przez dolny otwór mogą przedostać się przez pryzmat niebieski do okularu. Tylko czerwone promienie przechodzące przez górny otwór i niebieskie promienie przechodzące przez dolny otwór przedostają się przez odpowiadające im pryzmaty. Nie potrzeba nam dodatkowych sił czy zjawisk nadprzyrodzonych by w rzeczywistości spełnić postawione wymagania.

Na ilustracji 11 uzupełnimy więcej szczegółów prawdziwego urządzenia.

Na kilku poprzednich ilustracjach pominęliśmy matówkę, zastępując ją parą prostokątnych pryzmatów. W prawdziwych zastosowaniach, pryzmaty przyjmują kształt półkoli, są ustawione naprzeciw siebie w centrum matówki. Dzięki temu cały obraz jest widziany podczas ostrzenia, a obszary nie przykryte pryzmatami są nieostre, jeżeli ostrość jest ustawiona bardzo niepoprawnie.

W dolnym prawym rogu ilustracji pokazano jak fotograf widzi lupę nastawczą z niewyrównanymi połówkami obrazu w przypadku złego ustawienia ostrości.

W tym konkretnym przypadku linia dzieląca pryzmaty jest pionowa. Takie jej umieszczenie najlepiej sprawdza się kiedy w centrum kadru znajdują się linie poziome. W niektórych aparatach, linia podziału biegnie poziomo (przecinając linie pionowe, występujące częściej w wielu kadrach), lub ukośnie (co pozwala zauważać przesunięcia linii pionowych i poziomych).

Kiedy to nie działa

Poprzednie ilustracje pokazywały obiektyw otwarty maksymalnie, co jest w rzeczywistości najczęstszą sytuacją podczas ostrzenia i kadrowania. Proporcje sugerują również, że maksymalna przysłona jest całkiem duża (mała wartość 1/f).

Wyobraźmy sobie obiektyw o znacznie mniejszej maksymalnej przysłonie. Sytuację zobaczysz na ilustracji 12.

Znów pokazuję tylko promienie czerwone. Promienie zaznaczone na czerwono, to te, które, gdyby przedostały się przez obiektyw do czerwonego pryzmatu, padły by pod takim kątem, by po załamaniu trafić do okularu. Promienie te uczestniczyły by w budowaniu obrazu pozornego czerwonej plamki. W rzeczywistości, promienie te nie mogą przedostać się przez mniejszy otwór przysłony. „Czerwone” promienie pokazane purpurowo przedostają się przez otwór przysłony, ale padają na pryzmat pod kątem takim, że po załamaniu przez pryzmat uciekają poza okular. Skutek jest taki, że lupa nastawcza jest kompletnie czarna i jej funkcjonalność zanika. (Purpurowe „czerwone” promienie i tak nie specjalnie przydały by się przy efekcie działania lupy, ze względu na kierunek ich padania).

Lupa nastawcza zawodzi, kiedy obiektyw ma zbyt mały maksymalny otwór przysłony (mówimy o maksymalnym otworze przysłony, bo jest to naturalna sytuacja podczas ostrzenia i kadrowania).

Zmieniając kąt pryzmatu, możemy spowodować, że czerwone promienie wpadające przez źrenicę wyjściową obiektywu o mniejszej maksymalnej przysłonie będą poprawnie załamywane (nazywa się to redukcją odległości bazowej systemu “reducing the baseline distance”, pomysł ten omówię dokładniej w części dotyczącej zastosowań lupy nastawczej do systemów automatycznego ustawiania ostrości). Pozwala to na likwidację zaczernienia dla mniejszych otworów przysłony, ale wpływa to na czułość układu: przesunięcia półobrazów stają się mniejsze dla dowolnego błędu ostrości.

Istnieją specjalne modyfikacje pryzmatów (nie zmieniające ich nachylenia) usuwające efekt zaczernienia dla mniejszych niż zwykle otworów przysłony, zachowując pożądaną odległość bazową (baseline distance) (w celu zachowania większej czułości podczas stosowania obiektywów o mniejszym otworze maksymalnym przysłony). Modyfikacje te są stosowane w niektórych dostępnych dziś matówkach z lupą nastawczą. Zasada ich działania jest poza zakresem zainteresowania tego artykułu.

System lupy nastawczej - podsumowanie

W trakcie tej długiej prezentacji pokazaliśmy jak lupa nastawcza pozwala zaobserwować niepoprawne nastawienie ostrości, poprzez przemieszczenie dwóch części obrazu względem siebie, w szczególności powodując widoczne przesunięcia linii przebiegających z jednej strony obrazu na drugą. Pokazaliśmy też, że lupa nie działa kiedy otwór przysłony jest zbyt mały (podczas kadrowania i ostrzenia).

Raster mikropryzmatyczny

Innym narzędziem wspomagającym ostrzenie, dostępnym w niektórych lustrzankach (zastępując lub uzupełniając lupę nastawczą) jest raster mikropryzmatyczny. Wyobraź sobie, że część matówki nie jest zmatowiona, a pokryta parami niewielkich pryzmatów. Idea jest ta sama co w przypadku lupy nastawczej. Jeżeli ostrość jest ustawiona poprawnie, każda para pryzmatów prezentuje obserwatorowi parę wyrównanych obrazów pozornych. W rezultacie obraz całego kadru jest widziany przez pole mikropryzmatów.

W przypadku złego ustawienia ostrości, dwa fragmenty obrazu z każdej pary pryzmatów nie są wyrównane. (W rzeczywistości nie są to nawet fragmenty tych samych części obrazu). W skutek działania par mikropryzmatów obraz na matówce wygląda na rozerwany/postrzępiony. Efekt ten łatwiej dostrzec jak rozmycie obrazu na zwykłej matówce. (Jest to przynajmniej łatwiejsze dla mało wytrenowanego obserwatora).

Lupę nastawczą umieszcza się w centrum matówki i jest ona zazwyczaj otoczona kolistym polem mikropryzmatów. Reszta matówki jest zwykłym zmatowionym szkłem. W rzeczywistości, elementy tego pola nie są pryzmatami, ale maleńkimi piramidami. Skutek działania jest jednak dokładnie taki sam, jak opisany wyżej.

Zasada zastosowana w systemach automatycznego ustawiania ostrości

Ta sama zasada jest wykorzystywana przez ważny rodzaj fotograficznych systemów ustawiania ostrości, porównujących różnicę fazy półobrazow. Zadaniem tutaj jest automatyczne określenie czy ostrość obiektywu jest poprawnie ustawiona na wybranym obiekcie, czy też nie, w którą stronę jest przesunięta ostrość i o ile. Informacje te są używane do sterowania regulacją ostrości tak, by uzyskać idealną ostrość obiektu.

Zamiast dwóch półobrazów (tych, o których mówiliśmy metaforycznie „czerwony” i „niebieski”) prezentowanych jeden obok drugiego i ocenianych wspólnie przez oko obserwatora, półobrazy są rzutowane na osobne detektory (matryce światłoczułe). Martyce podobne do tych z cyfrowych aparatów fotograficznych, ale szerokie tylko na kilka pikseli, nieznacznej długości. Względna lokalizacja półobrazów na detektorach jest określana przez analizę sygnału wyjściowego, podobnie jak w przypadku wizualnej oceny na lupie nastawczej, obserwowane są względne różnice przesunięcia półobrazów.

Detektory półobrazów nie muszą być umieszczane obok siebie (porównanie odbywa się matematycznie) i w rzeczywistości są umieszczane jeden nad drugim (z odstępem między nimi) [4].

[4] – Opis zakłada, że system wykrywania ostrości będzie reagował na zmianę kontrastu w profilu pionowym (pionowe krawędzie). Taka orientacja będzie prezentowana na następnej ilustracji. Oczywiście w użyciu są też systemy wykrywania krawędzi o innej orientacji.

Zaletą jest to, że detektory nie muszą porównywać sąsiadujących obszarów kadru (jak w systemie wizualnym). Możliwe jest porównywanie tych samych obszarów kadru, określając względne przemieszczenia na detektorach.

Typowa implementacja takiego detektora ostrości jest przedstawiona w uproszczonej formie na rysunku 13. By zwiększyć przejrzystość na ilustracji nie zachowano skali. Tak mniej więcej musi wyglądać rozwiązanie zastosowane w Canonie EOS 20d.

W rzeczywistości przebieg promieni światła jest “zaginany” w dwóch miejscach przez lustra, tworząc coś na kształt peryskopu, dzięki czemu światło dociera do układu pokazanego po prawej stronie rysunku. Nie zmienia to jednak podstaw działania opisanych w tym miejscu.

Na ilustracji 13 znów widzimy model prostego obiektywu. W tym modelu źrenica wyjściowa odpowiada przysłonie. W modelu używam nazwy źrenica wyjściowa, gdyż jest to słuszne w ogólnym sensie.

W aparacie który wymieniłem powyżej, jest siedem zestawów detekcji ostrości obrazu. Każdy dedykowany innemu fragmentowi kadru i ograniczający swoją czułość do małego obszaru w tym miejscu. Na ilustracji, pokazujemy tylko jeden, w tym wypadku ten, który jest powiązany z centrum kadru.

''We’ll catch just a fleeting glimpse of the provisions for other “autofocus points”.''

Jak wspomniałem wcześniej, orientacja systemu na ilustracjach potrafi wykrywać linie poziome (jak w przypadku lupy nastawczej opisanej wcześniej).

Płaszczyzna ostrości AF jest tam, gdzie powstaje obraz dla systemu ustawiania AF w przypadku poprawnie ustawionej ostrości podczas kadrowania i ostrzenia. W aparacie wspomnianym wyżej, płaszczyzna ta leży w pól drogi między pierwszym i drugim lustrem. Ta płaszczyzna odpowiada odległości od obiektywu do filmu czy matrycy w trybie robienia zdjęć (kiedy lustro jest poniesione – tłum). Obraz jest obrazem pozornym: nie jest rzutowany na żadną powierzchnię.

Otwór AF gwarantuje, że tylko promienie z obiektów w odpowiednim miejscu kadru padają na detektor. Na rysunku widzimy otwór AF dla sensora, który będziemy omawiać (przypisanego do centrum kadru) oraz otwóry dwóch innych pól AF, powyżej i poniżej centrum kadru.

Soczewka AF służy do stworzenia kopii obrazu utworzonego na płaszczyźnie ostrości. To alter ego płaszczyzny ostrości (Płaszczyzna ostrości AF 2). W ten sposób uzyskujemy miejsce na elementy optyczne, które zaraz opiszę.

W opisywanym aparacie, droga promieni (za soczewką AF) biegnie poprzez kolejne lustro. Na rysunku czerwone i niebieskie kolory pokazują część promieni światła biegnące z określonych fragmentów kadru, które przebiegły przez małe obszary na brzegach źrenicy wyjściowej obiektywu. Obszary te zwane są otworami pozornymi Przypomnij sobie opis przysłony dwuotworowej, którą opisywałem wcześniej w artykule. Oto przyczyna istnienia otworów pozornych. Na rysunku 14 widać zbliżenie obszaru otoczonego okręgiem na rysunku 13, dzięki czemu możemy zobaczyć drobne szczegóły konstrukcji.

Przed płaszczyzną ostrości 2 znajduje się perforowana blaszka, w której dla każdego sensora AF osadzona jest para pryzmatów, nazywanych pryzmatami separującymi. Za każdym pryzmatem znajduje się matryca światłoczuła – 1-2 pikseli szeroka, długa na kilka pikseli.

Ilustracja pokazuje system w stanie poprawnego ustawienia ostrości. Gdyby nie było perforowanej płytki i pryzmatów, wszystkie promienie zbiegały by się na płaszczyźnie ostrości AF 2. Po zastosowaniu płytki bez pryzmatów, promienie niebieskie i czerwone (ale nie inne) zbiegły by się w jednym punkcie. Mamy jednak małe pryzmaty w dwóch otworach. Promienie niebieskie są załamywane ku górze, i zbiegają się na górnej matrycy. Czerwone promienie załamane do dołu skupią się na dolnej matrycy.

Przegrody narysowane na zielono zabezpieczają sensory przed światłem załamywanym przez inne pryzmaty (również te od innych pól AF). Nie wiadomo, czy przegrody są stosowane w rzeczywistej implementacji Canona.

Punkty ogniskowania dwóch snopów światła w przypadku postulowanego poprawnego ustawienia ostrości wypadają w tym samym miejscu na obu sensorach. W każdym przypadku, pozycje względne obrazów na obu sensorach określane są przez porównywanie sygnału z obu matryc światłoczułych. To dlatego taki system AF określa się mianem porównywania różnic fazy półobrazów.

W przypadku braku ostrości, promienie światła ogniskowały by się przed lub za płaszczyzną ostrości (gdyby nie było pryzmatów). Ilustracja 15 pokazuje taki przypadek, w którym ognisko jest przed płaszczyzną ostrości AF 2. Purpurowa linia konstrukcyjna przedłużona jest po to, by pokazać, gdzie przecięły by się promienie niebieskie i czerwone.

Z powodu małego kąta stożka światła, krążek rozproszenia (rozmycie) utworzone na powierzchni sensora będzie bardzo małej średnicy, tworząc całkiem ostry obraz na matrycy. Względna lokalizacja tych samych obszarów jest nadal prosta do wykrycia poprzez porównanie. Lokalizacja będzie przesunięta w górę na jednym sensorze i w dół na drugim.

(Postawiłem kreski na ilustracji, by zaznaczyć początkowe pozycje obrazu na obu sensorach, by ułatwić porównanie). Na ilustracji 16 widzimy ponownie przesunięcie.

Wielkość i znak rozbieżności wskazuje wartość i kierunek błędu ostrzenia. Na tej podstawie system automatycznej regulacji ostrości może korygować ustawienie ostrości obiektywu. Wracając do ilustracji 13 i 14, zauważ że wielkość otworów AF (mimo, że są wypełnione pryzmatami) wpływa na średnicę strumienia światła wpuszczanego do systemu. Odstęp pomiędzy otworami (pomiędzy pryzmatami) określa jak daleko odsunięte od siebie będą małe obszary w źrenicy wyjściowej z których są pobieranie promienie „niebieskie” i „czerwone”. W sumie definiuje to otwory pozorne AF w źrenicy wyjściowej.

Dokładność autofocusa

Zawsze jest pewna doza niepewności w określeniu względnej pozycji dwóch półobrazów, prowadząca do pomiarowych błędów ostrzenia po wprowadzeniu korekt wskazywanych przez układ sensorów. Z powodów geometrycznych, im większa separacja dwóch otworów pozornych w źrenicy wyjściowej, tym większe przesunięcie półobrazów dla tego samego błędu ustawienia ostrości. Im większa separacja, tym mniejszy błąd pomiarowy dla dowolnej niepewności w określeniu względnej pozycji dwóch półobrazów.

Odległość separacji pomiędzy dwioma otworami pozornymi jest często określana jako „odległość bazowa” systemu pomiarowego, poprzez analogię do podobnego parametru w aparatach dalmierzowych.

Zależność od przysłony

Jeżeli rozsunięcie dwóch otworów pozornych jest większe od średnicy źrenicy wyjściowej obiektywu (w skutek zamontowania obiektywu o małym świetle), nie ma niebieskich i czerwonych promieni, które mogły by dostać się do urządzenia pomiarowego. W takiej sytuacji nie uda się ustawić automatycznie ostrości.

By temu zapobiec, detektory ostrości są zaprojektowane tak, by otwory pozorne były umieszczone nieopodal brzegów źrenicy wyjściowej dla średniej wartości przysłony – przysłony, która będzie dostępna dla większości obiektywów uzywanych z aparatem. Taki kompromis (zmniejszona odległość bazowa) skutkuje zmniejszeniem precyzji systemu wykrywania ostrości.

W niektórych aparatach (takich jak Canon EOS 20d), w jednym, lub kilku ważnych punktach AF (typowo – jeden w centrum kadru), stosuje się dwa detektory ostrości, jeden dla średnich przysłon i jeden dla obiektywów bardzo jasnych (z szerszą odległością bazową). Wybór aktywnego detektora następuje na podstawie informacji o maksymalnej wielkości otworu przysłony raportowanej przez zamontowany obiektyw. Takie rozwiązanie pozwala osiągnąć większą dokładność pomiaru ostrości dostępną z obiektywami o większej jasności.

Jeden film wart tysiąca słów

Adobe Flash Player not installed or older than 9.0.16!

Ostrzenie z pomocą lupy nastawczej.

Adobe Flash Player not installed or older than 9.0.16!

Ostrzenie w trybie odczytu matrycy.

Zobacz także

• Patent Minolty (1984)
• Patent Canona (2003)

Linki zewnętrzne

• http://doug.kerr.home.att.net/pumpkin/Split_Prism.pdf
• http://www-staff.lboro.ac.uk/~huph/hyperacuity.htm
• http://www.canon-board.info/showthread.php?t=5078