كيف يعمل التركيز التلقائي لاكتشاف الطور How Phase Detection Autofocus Works

كيف تعمل كاميرات DSLR

لفهم هذه المشكلة بمزيد من التفصيل، من المهم أن تتعرف أولاً على كيفية عمل كاميرا DSLR. تُظهر الرسوم التوضيحية النموذجية لكاميرات DSLR مرآة انعكاسية واحدة موضوعة بزاوية 45 درجة فقط. ما لم يظهروه هو أن هناك مرآة ثانوية خلف المرآة المنعكسة تعكس جزءًا من الضوء إلى مستشعر كشف الطور. ألقِ نظرة على الرسم التوضيحي المبسط أدناه الذي قمت بإنشائه من نموذج لصورة Nikon D800:



How DSLR Cameras Work


To understand this issue in more detail, it is important to get to know how a DSLR camera works first. The typical DSLR illustrations only show a single reflex mirror positioned at a 45-degree angle. What they don’t show, is that there is a secondary mirror behind the reflex mirror that reflects a portion of light into a phase-detect sensor. Take a look at the simplified illustration below that I made from a sample Nikon D800 image:

فيما يلي وصف لكل رقم موضح في الرسم التوضيحي أعلاه:

شعاع الضوء مرآة رئيسية/مرآة منعكسة مرآة ثانوية، تُعرف أيضًا باسم "المرآة الفرعية" مصراع الكاميرا ومستشعر الصورةدبوس غريب الأطوار (سداسي 1.5 مم) لضبط دبوس غريب الأطوار للمرآة الرئيسية (سداسي 1.5 مم) لضبط مستشعر اكتشاف طور المرآة الثانوية (مستشعر AF) محدد المناظر الخماسي

دعونا نلقي نظرة على ما يحدث داخل الكاميرا عند التقاط الصورة. تدخل أشعة الضوء إلى العدسة (1) وتصل إلى الكاميرا. تم وضع مرآة رئيسية شفافة جزئيًا (2) بزاوية 45 درجة، لذا فهي تعكس معظم الضوء عموديًا إلى المنشور الخماسي (8). يقوم المنشور الخماسي بتحويل الضوء العمودي بطريقة سحرية إلى ضوء أفقي وإعادته، بحيث ترى بالضبط ما تحصل عليه عندما تنظر من خلال عدسة الكاميرا (9). يمر جزء صغير من الضوء عبر المرآة الرئيسية وينعكس بواسطة المرآة الثانوية (3) التي تميل أيضًا بزاوية (54 درجة في العديد من كاميرات نيكون الحديثة، كما هو موضح أعلاه). بعد ذلك، يصل الضوء إلى مستشعر الطور / مستشعر التركيز البؤري التلقائي (7)، الذي يعيد توجيهه إلى مجموعة من المستشعرات (مستشعران لكل نقطة تركيز بؤري تلقائي). تقوم الكاميرا بعد ذلك بتحليل الصور من هذه المستشعرات ومقارنتها (على غرار كيفية تقييم التركيز البؤري على محدد المدى) وإذا لم تبدو متطابقة، فإنها توجه العدسة لإجراء التعديلات المناسبة (انظر أدناه للحصول على مزيد من التفاصيل).

Here is the description of each number shown in the above illustration:

1. Ray of light
2. Main/Reflex Mirror
3. Secondary Mirror, also known as “Sub-Mirror”
4. Camera Shutter and Image Sensor
5. Eccentric pin (1.5mm hex) for adjusting the Main Mirror
6. Eccentric pin (1.5mm hex) for adjusting the Secondary Mirror
7. Phase Detect Sensor (AF Sensor)
8. Pentaprism
9. Viewfinder

Let’s take a look at what happens inside the camera when a picture is taken. Light rays enter the lens (1) and make it into the camera. A partially transparent main mirror (2) is positioned at a 45-degree angle, so it reflects most of the light vertically into the pentaprism (8). The pentaprism magically converts the vertical light back into horizontal and reverts it, so that you see exactly what you get when you look through the viewfinder (9). A small portion of light goes through the main mirror and gets reflected by the secondary mirror (3) that is also tilted at an angle (54 degrees on many modern Nikon cameras, as illustrated above). Next, the light reaches the Phase Detect / AF Sensor (7), which redirects it to a group of sensors (two sensors per AF point). The camera then analyzes and compares images from these sensors (similar to how focus is evaluated on a rangefinder) and if they do not look identical, it instructs the lens to make proper adjustments (see below for more details).

في حين أن العملية المذكورة أعلاه تبدو واضحة إلى حد ما، إلا أن هناك مشكلة رئيسية واحدة في هذا النهج. مستشعر كشف الطور هو الذي يوجه العدسة لإجراء التعديلات المناسبة، بينما يتم التقاط الصورة بواسطة جهاز مختلف تمامًا – المستشعر الموجود في الجزء الخلفي من الكاميرا. لماذا هذه مشكلة؟ تذكر، عندما تلتقط صورة، تنقلب المرآتان الرئيسية والثانوية للأعلى، ويتم فتح الغالق ويضرب الضوء الصادر من العدسة مباشرة مستشعر الكاميرا (4). لكي يعمل التركيز البؤري التلقائي لاكتشاف الطور بشكل صحيح، يجب أن تكون المسافة بين حامل العدسة ومستشعر الكاميرا، وكذلك المسافة بين حامل العدسة ومستشعر اكتشاف الطور متطابقة. إذا كان هناك انحراف بسيط، فسيكون التركيز البؤري التلقائي غير صحيح. علاوة على ذلك، إذا لم تكن زاوية المرآة الثانوية كما ينبغي أن تكون بالضبط، فسيؤدي ذلك أيضًا إلى مشكلات في التركيز التلقائي.


While the above process looks more or less straightforward, there is one major problem with this approach. The Phase Detect sensor is the one that instructs the lens to make proper adjustments, while the image is captured by a completely different device – the sensor on the back of the camera. Why is this a problem? Remember, when you take a picture, both the main and the secondary mirrors flip up, the shutter is opened and the light from the lens directly hits the camera sensor (4). For phase detection autofocus to work correctly, the distance between the lens mount and the camera sensor, as well as the distance between the lens mount and the Phase Detect sensor must be identical. If there is even a slight deviation, autofocus will be incorrect. On top of this, if the angle of the secondary mirror is not precisely what it should be, it will also result in autofocus issues.

كيف يعمل مستشعر كشف الطور

كما قلت أعلاه، يعمل نظام اكتشاف الطور بشكل مشابه لكاميرات جهاز تحديد المدى. يتم استقبال الضوء الذي يرتد من المرآة الثانوية بواسطة اثنين أو أكثر من مستشعرات الصور الصغيرة (اعتمادًا على عدد نقاط التركيز التي يحتوي عليها نظام التركيز البؤري التلقائي) مع وجود عدسات ميكروية فوقها. لكل نقطة تركيز، كما ترى في عدسة الكاميرا، يوجد مستشعران صغيران لاختلاف الطور - واحد لكل جانب من جوانب العدسة، كما هو موضح في الرسم التوضيحي أعلى الصفحة (7) (يبالغ الرسم التوضيحي في تضخيم هذا السلوك من خلال يُظهر شعاعين ضوئيين منفصلين يصلان إلى مستشعرين منفصلين.


How Phase Detect Sensor Works


As I have already said above, the phase-detect system works similarly as rangefinder cameras. The light that gets bounced off the secondary mirror is received by two or more small image sensors (depending on how many focus points an AF system has) with microlenses above them. For each focus point, you see in a viewfinder, there are two tiny sensors for phase difference – one for each side of the lens, as shown in the illustration on top of the page (7) (the illustration over-exaggerates this behavior by showing two separate light beams reaching two separate sensors.

في الواقع، هناك أجهزة استشعار أكثر بكثير من اثنين على المرحلة الحديثة لكشف الجهاز، وتقع هذه المستشعرات قريبة جدًا من بعضها البعض). عندما يصل الضوء إلى هذين المستشعرين، إذا كان هناك جسم ما في بؤرة التركيز، فإن أشعة الضوء من الجوانب القصوى للعدسة تتلاقى مباشرة في وسط كل مستشعر (كما يحدث في مستشعر الصورة). سيكون لدى كلا المستشعرين صور متطابقة، مما يشير إلى أن الكائن في وضع تركيز مثالي بالفعل. إذا كان الجسم خارج نطاق التركيز، فلن يتقارب الضوء وسيضرب جوانب مختلفة من المستشعر، كما هو موضح أدناه (الصورة من ويكيبيديا):



In fact, there are way more sensors than two on a modern phase detect the device, and these sensors are located very close to each other). When the light reaches these two sensors, if an object is in focus, light rays from the extreme sides of the lens converge right in the center of each sensor (like they would on an image sensor). Both sensors would have identical images on them, indicating that the object is indeed in perfect focus. If an object is out of focus, the light would no longer converge and it would hit different sides of the sensor, as illustrated below (image courtesy of Wikipedia):

تمثل الأشكال من 1 إلى 4 الظروف التي يتم فيها تركيز العدسة (1) بالقرب جدًا، (2) بشكل صحيح، (3) بعيدًا جدًا، (4) بعيدًا جدًا. يمكن أن نرى من الرسوم البيانية أنه يمكن استخدام فرق الطور بين الملفين الشخصيين لتحديد ليس فقط في الاتجاه، ولكن مقدار تغيير التركيز لتحقيق التركيز الأمثل. لاحظ أنه في الواقع تتحرك العدسة بدلاً من المستشعر.

نظرًا لأن نظام اكتشاف الطور يعرف ما إذا كان الجسم يتم التركيز عليه من الأمام أو من الخلف، فيمكنه إرسال تعليمات دقيقة إلى عدسة الكاميرا حول الطريقة التي سيتم بها تحويل التركيز وبأي مقدار. إليك ما يحدث عندما تكتسب الكاميرا التركيز البؤري على موضوع ما (عملية التركيز البؤري التلقائي في حلقة مغلقة):

يتم تقييم الضوء الذي يمر عبر الجوانب القصوى للعدسة بواسطة مستشعرين للصور. واستنادًا إلى كيفية وصول الضوء إلى مستشعرات الصورة، يمكن لنظام التركيز البؤري التلقائي تحديد ما إذا كان الجسم يتم التركيز عليه من الأمام أو الخلف ومدى تركيزه، ثم يقوم نظام التركيز البؤري التلقائي بإرشاد العدسة لضبط تركيزها يتم تكرار ما ورد أعلاه عدة مرات حسب الحاجة حتى يتم تحقيق التركيز المثالي. إذا لم يكن من الممكن تحقيق التركيز البؤري، فستتم إعادة ضبط العدسة وتبدأ في استعادة التركيز البؤري، مما يؤدي إلى "صيد" التركيز البؤري. وبمجرد تحقيق التركيز البؤري المثالي، يرسل نظام التركيز البؤري التلقائي تأكيدًا بأن الهدف موجود في التركيز البؤري (نقطة خضراء داخل عدسة الكاميرا، إشارة صوتية، وما إلى ذلك). )


Figure 1 to 4 represent conditions where the lens is focused (1) too near, (2) correctly, (3) too far and (4) way too far. It can be seen from the graphs that the phase difference between the two profiles can be used to determine not just in which direction, but how much to change the focus to achieve optimal focus. Note that in reality, the lens moves instead of the sensor.

Since the phase-detect system knows if an object is front focused or back focused, it can send exact instructions to the camera lens on which way to turn its focus and by how much. Here is what happens when a camera acquires focus on a subject (closed-loop AF operation):

1. The light that passes through the extreme sides of the lens is evaluated by two image sensors
2. Based on how the light reaches the image sensors, the AF system can determine if an object is front or back focused and by how much
3. The AF system then instructs the lens to adjust its focus
4. The above is repeated as many times as needed until perfect focus is achieved. If focus cannot be achieved, the lens resets and starts reacquiring focus, resulting in focus “hunting”
5. Once perfect focus is achieved, the AF system sends a confirmation that the object is in focus (a green dot inside the viewfinder, a beep, etc)

كل هذا يحدث في جزء صغير من الوقت، ولهذا السبب يكون نظام اكتشاف الطور أسرع بكثير من نظام اكتشاف التباين (الذي يعتمد على تغيير التركيز ذهابًا وإيابًا حتى يتم التركيز، مع إجراء الكثير من تحليل بيانات الصورة على الصورة) مستوى الاستشعار).

يعد نظام اكتشاف الطور / التركيز البؤري التلقائي نظامًا معقدًا للغاية ويشهد تحسينات إلى حد كبير في كل مرة يتم فيها تحديث خط الكاميرا المتطور. على مر السنين، زاد عدد نقاط التركيز البؤري التلقائي، بالإضافة إلى عدد نقاط التركيز البؤري التلقائي من النوع المتقاطع الأكثر موثوقية. على سبيل المثال، تحتوي كاميرا Canon 1D X وCanon 5D Mark III على 61 نقطة تركيز، 41 منها من النوع المتقاطع. ألقِ نظرة على هذه المصفوفة المعقدة من مستشعرات التركيز البؤري التلقائي الموجودة في الكاميرا:




All this happens in a fraction of time, which is why the phase-detection system is much faster than the contrast-detection system (which relies on changing focus back and forth until focus is achieved, with lots of image data analysis happening on the image sensor level).

The phase-detection/AF system is a very complex system that sees improvements pretty much every time when a higher-end camera line is refreshed. Over the years, the number of autofocus points have been increasing, as well as the number of more reliable cross-type autofocus points. For example, the Canon 1D X and the Canon 5D Mark III have a whopping 61 focus points, 41 of which are cross-type. Take a look at this complex matrix of autofocus sensors on the camera:

لم يقتصر الأمر على زيادة عدد نقاط التركيز البؤري التلقائي فحسب، بل زاد أيضًا موثوقيتها. تأتي معظم الكاميرات الاحترافية الحديثة اليوم مزودة بأنظمة ضبط تلقائي للصورة سريعة للغاية وقابلة للتكوين بدرجة كبيرة والتي يمكنها تتبع الأهداف بشكل مستمر والحصول على التركيز.


Not only have the number of AF points increased, but also their reliability. Most modern professional cameras today come with extremely fast and highly configurable autofocus systems that can continuously track subjects and acquire focus.

مشاكل التركيز التلقائي لكاميرات DSLR

كما ترون أعلاه، فإن نظام التركيز التلقائي لاكتشاف الطور معقد للغاية ويتطلب دقة عالية للحصول على نتائج دقيقة. والأهم من ذلك، يجب تثبيت نظام اكتشاف الطور/التركيز البؤري التلقائي ومحاذاته بشكل صحيح أثناء عملية التصنيع. إذا كان هناك انحراف طفيف، وهو ما يحدث كثيرًا في التصنيع، فسيتم إيقاف التركيز التلقائي. هذا هو السبب الرئيسي وراء كون اكتشاف الطور هو مصدر المشكلات إلى حد كبير منذ ظهور أول كاميرا DSLR مزودة بمستشعر اكتشاف الطور. ومن خلال فهم هذه الانحرافات المحتملة، طورت جميع الشركات المصنعة لكاميرات DSLR نظام معايرة عالي الدقة يأخذ ذلك في الاعتبار ويسمح بمعايرة الكاميرا الفردية أثناء عملية الفحص وضمان الجودة (QA).

في حالة اكتشاف مشكلة في محاذاة مستشعر اكتشاف الطور، يقوم النظام بإجراء اختبار محوسب تلقائي يمر عبر كل نقطة تركيز ويقوم بضبطها يدويًا في الكاميرا. تتم إعادة معايرة النقاط المتوقفة وإعادة ضبطها، ثم تتم كتابة قيم التعويض في البرنامج الثابت للكاميرا. فكر في هذا كعملية مشابهة لعملية AF Fine Tune / AF Micro Adjust التي تحدث على مستوى اكتشاف الطور، باستثناء أنها تتم لكل نقطة تركيز بؤري تلقائي بشكل منفصل.


DSLR Autofocus Problems


As you can see above, the phase detection autofocus system is very complex and requires high precision to get accurate results. Most importantly, the phase-detect/AF system must be properly installed and aligned during the manufacturing process. If there is even a slight deviation, which does happen quite a bit in manufacturing, autofocus would be off. This is the main reason why phase-detect has been the source of problems pretty much since the first DSLR with a phase-detect sensor came out. Understanding these possible deviations, all DSLR manufacturers developed a high precision calibration system that takes this into account and allows for individual camera calibration during the inspection and quality assurance (QA) process.

If a phase-detect sensor alignment problem is detected, the system performs automatic computerized testing that goes through each and every focus point and manually adjusts it in the camera. The points that are off are re-calibrated and re-adjusted, then the compensation values are written into the camera firmware. Think of this as a similar process to AF Fine Tune / AF Micro Adjust that happens on the phase detection level, except it is done for each AF focus point separately.