Hoe werkt fasedetectie-autofocus?

Bij het bespreken van DSLR-cameratechnologie bestaat er vaak veel verwarring over hoe fasedetectie-autofocus (PDAF) werkt. Dit onderwerp is misschien niet voor iedereen interessant, maar als u zich afvraagt ​​waarom en hoe autofocusproblemen in uw camera ontstaan, legt dit artikel uit wat er in de camera gebeurt wanneer u een foto maakt. Er zijn talloze negatieve recensies over autofocusproblemen met high-end apparaten zoals de Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 en andere digitale spiegelreflexcamera's. De meeste fotografen lijken zich er niet van bewust dat het kernprobleem niet per se het specifieke model of type camera is, maar eerder de manier waarop deze camera's scherpstellen. Een snelle zoekopdracht op internet levert duizenden meldingen op over autofocusproblemen in allerlei soorten DSLR-camera's die meer dan 10 jaar teruggaan. De problemen met voor- en achterfocus die we in moderne camera's zien, zijn dus niets nieuws; ze bestaan ​​al sinds de allereerste DSLR met een fasedetectiesensor.

Hoe werken DSLR-camera's?

Om dit probleem beter te begrijpen, is het essentieel om eerst te weten hoe een DSLR-camera werkt . Typische afbeeldingen van DSLR's tonen meestal slechts één reflector die onder een hoek van 45 graden is geplaatst. Wat deze afbeeldingen echter niet laten zien, is een secundaire spiegel achter de reflector, die een deel van het licht naar de fasedetectiesensor reflecteert. Bekijk de vereenvoudigde afbeelding hieronder, die ik heb gemaakt op basis van een typische foto van een Nikon D800:

Hieronder volgt een beschrijving van elk getal dat in de bovenstaande afbeelding wordt weergegeven:

1. lichtstraal
2. Hoofd-/reflecterende spiegel
3. De secundaire spiegel, ook wel de "hulpspiegel" genoemd.
4. Camerasluiter en beeldsensor
5. Decentrale borgpen (1.5 mm zeskant) voor het afstellen van de hoofdspiegel
6. Excentrische pen (1.5 mm zeskant) voor het afstellen van de secundaire spiegel
7. Fasedetectiesensor (AF-sensor)
8. Pentaprisma
9. Zoeker

Laten we eens kijken wat er in een camera gebeurt als je een foto maakt. Lichtstralen komen de lens (1) binnen en bereiken de binnenkant van de camera. Een halfdoorzichtige primaire spiegel (2) is onder een hoek van 45 graden geplaatst en reflecteert het grootste deel van het licht verticaal naar het vijfhoekige prisma (8). Het vijfhoekige prisma zet het verticale licht om in horizontaal licht en reflecteert het, zodat je precies ziet wat je krijgt als je door de zoeker (9) kijkt. Een klein deel van het licht gaat door de primaire spiegel en wordt gereflecteerd door de secundaire spiegel (3), die ook onder een hoek staat (54 graden in veel moderne Nikon-camera's, zoals hierboven weergegeven). Het licht bereikt vervolgens de fasedetectie-/autofocussensor (7), die het doorstuurt naar een reeks sensoren (twee sensoren voor elk autofocuspunt). De camera analyseert en vergelijkt vervolgens de beelden van deze sensoren (vergelijkbaar met hoe scherpstellen in meetzoekercamera's gebeurt) en als ze niet identiek lijken, geeft de camera de lens de opdracht om de juiste aanpassingen te maken (zie hieronder voor meer details).

Hoewel het bovenstaande proces vrij eenvoudig lijkt, is er één groot probleem met deze aanpak. De fasedetectiesensor instrueert de lens om de nodige aanpassingen te maken, terwijl het beeld wordt vastgelegd door een volledig ander apparaat: de sensor aan de achterkant van de camera. Waarom is dit een probleem? Bedenk dat bij het maken van een foto zowel de primaire als de secundaire spiegel omhoog komen, de sluiter opengaat en het licht van de lens rechtstreeks naar de camerasensor gaat (4). Om fasedetectie-autofocus correct te laten werken, moet de afstand tussen de lensvatting en de camerasensor, evenals de afstand tussen de lensvatting en de fasedetectiesensor, exact hetzelfde zijn . Zelfs een kleine afwijking leidt tot een onjuiste autofocus. Bovendien kan een onjuiste hoek van de secundaire spiegel ook leiden tot autofocusproblemen.

Hoe werkt een fasedetectiesensor?

De werking van een fasedetectiesensor berust op het principe van optische fasevergelijking, vergelijkbaar met een meetzoekercamera. Licht dat door een secundaire spiegel wordt weerkaatst, wordt opgevangen door een reeks kleine beeldsensoren (twee of meer, afhankelijk van het aantal scherpstelpunten in het autofocussysteem) die op microlenzen zijn gemonteerd. Voor elk scherpstelpunt dat in de zoeker te zien is, zijn er twee kleine sensoren die faseverschillen detecteren – één aan elke kant van de lens, zoals geïllustreerd in het diagram bovenaan pagina (7) (het diagram overdrijft dit gedrag door twee afzonderlijke lichtbundels te tonen die bij twee afzonderlijke sensoren aankomen).

In feite bevatten moderne fasedetectiecamera's veel meer dan twee sensoren, en deze sensoren bevinden zich zeer dicht bij elkaar. Wanneer licht deze twee sensoren bereikt, convergeren de lichtstralen die van de uiterste randen van de lens komen, als het object scherp is, precies in het midden van elke sensor (net zoals bij een beeldsensor). In dit geval zullen beide sensoren identieke beelden weergeven, wat aangeeft dat het object perfect scherp is. Als het object onscherp is, zullen de lichtstralen niet convergeren en verschillende kanten van de sensor raken, zoals hieronder weergegeven (afbeelding met dank aan Wikipedia):

Figuren 1 tot en met 4 tonen gevallen waarin de focus (1) te dichtbij, (2) correct, (3) te ver weg en (4) te ver weg is. De diagrammen laten zien dat het faseverschil tussen de twee profielen gebruikt kan worden om niet alleen de richting te bepalen waarin de focus moet worden aangepast, maar ook de omvang van deze aanpassing om een ​​optimale focus te bereiken. Het is belangrijk op te merken dat in werkelijkheid de lens beweegt, niet de sensor.

Omdat het fasedetectiesysteem weet of een onderwerp voor- of achterfocus is, kan het nauwkeurige instructies naar de cameralens sturen over de richting en de mate van scherpstelling. Dit is wat er gebeurt wanneer de camera scherpstelt op een onderwerp (autofocus met gesloten lus):

1. Het licht dat door de uiterste randen van de lens valt, wordt door twee beeldsensoren geanalyseerd.
2. Op basis van de manier waarop het licht de beeldsensoren bereikt, kan het autofocussysteem bepalen of het object voor- of achterwaarts scherp is gesteld en hoe groot deze afwijking is.
3. Het autofocussysteem geeft de lens vervolgens de opdracht om scherp te stellen.
4. De bovenstaande stappen worden zo vaak als nodig herhaald totdat perfect scherp is gesteld. Als scherpstellen niet lukt, stelt de lens zichzelf opnieuw bij en begint opnieuw te zoeken naar scherpstelling, wat resulteert in het fenomeen "scherpstelling zoeken".
5. Zodra de scherpstelling perfect is, geeft het autofocussysteem een ​​bevestiging dat het object scherp is (bijvoorbeeld een groene stip in de zoeker, een waarschuwingssignaal, enz.).

Al deze bewerkingen vinden plaats in een fractie van een seconde, waardoor het fasedetectiesysteem veel sneller is dan het contrastdetectiesysteem (dat afhankelijk is van het heen en weer scherpstellen totdat de focus is bereikt, waarbij veel beelddata-analyse op sensorniveau plaatsvindt).

Fasedetectie-autofocus (AF) is een zeer complex systeem dat continu wordt verbeterd met elke update van professionele camera's in het topsegment. In de loop der jaren is het aantal autofocuspunten aanzienlijk toegenomen, evenals het aantal betrouwbaardere kruisvormige autofocuspunten. Zo beschikken de Canon 1D X en Canon 5D Mark III camera's over maar liefst 61 autofocuspunten, waarvan 41 kruisvormig. Bekijk deze complexe reeks autofocussensoren in de camera eens:

Niet alleen nam het aantal autofocuspunten (AF) toe, maar ook de betrouwbaarheid ervan werd aanzienlijk verbeterd. De meeste moderne professionele camera's zijn tegenwoordig uitgerust met ultrasnelle, zeer geavanceerde autofocussystemen die onderwerpen continu kunnen volgen en nauwkeurig scherpstellen.

Autofocusproblemen bij spiegelreflexcamera's

Autofocusproblemen bij DSLR-camera's vormen een uitdaging voor veel fotografen, omdat het fasedetectie-autofocussysteem extreem hoge precisie vereist voor nauwkeurige resultaten. Cruciaal is dat het fasedetectie-/autofocussysteem correct wordt geïnstalleerd en uitgelijnd tijdens het productieproces. Zelfs de kleinste afwijking, wat vrij gebruikelijk is tijdens de productie, zal leiden tot onnauwkeurige autofocus. Dit is de belangrijkste reden waarom het fasedetectiesysteem al sinds de eerste DSLR-camera met een fasedetectiesensor een bron van problemen is. Alle fabrikanten van DSLR-camera's hebben, zich bewust van deze potentiële afwijkingen, een zeer nauwkeurig kalibratiesysteem ontwikkeld dat hiermee rekening houdt en individuele camerakalibratie mogelijk maakt tijdens de inspectie en kwaliteitsborging (QA).

Als er een uitlijningsprobleem met de fasedetectiesensor wordt gedetecteerd, voert het systeem een ​​geautomatiseerde computertest uit die elk scherpstelpunt doorloopt en handmatig in de camera aanpast. Onnauwkeurige punten worden opnieuw gekalibreerd en aangepast, waarna de compensatiewaarden naar de firmware van de camera worden geschreven. Dit proces is vergelijkbaar met AF Fine Tune/AF Micro Adjust op fasedetectieniveau, maar wordt voor elk autofocuspunt afzonderlijk uitgevoerd.