فوکوس خودکار تشخیص فاز در برابر تشخیص کنتراست: چگونه میکرولنزهای روی سنسور سرعت و دقت را تعیین می‌کنند

برای اینکه یک سیستم فوکوس خودکار روی سوژه قفل شود، دوربین باید به دو سوال فیزیکی پاسخ دهد: عناصر لنز را در چه جهتی حرکت دهد و دقیقاً تا چه حد آن‌ها را جابه‌جا کند. محدودیت اصلی در اینجا نور است. سیستم باید روشنایی کافی داشته باشد تا بتواند اختلاف فاز بین دو پرتو ورودی را اندازه‌گیری کند یا کنتراست پیکسل‌های مجاور را بسنجد. وقتی نور از یک آستانه بحرانی کمتر می‌شود، قطعیت ریاضی تشخیص فاز از بین می‌رود و دوربین مجبور می‌شود به ارزیابی آزمون و خطای کنتراست روی بیاورد. در سال ۲۰۲۶، سرعتی که دوربین به این دو سوال پاسخ می‌دهد، تعیین می‌کند که آیا یک سوژه با حرکت سریع کاملاً واضح ثبت می‌شود یا در اثر تاری حرکت از دست می‌رود.[2][6]

فوکوس خودکار تشخیص فاز به عنوان یک محاسبه‌گر فاصله عمل می‌کند و از پیکسل‌های اختصاصی روی سنسور تصویر برای تشخیص اختلاف فاز در نور ورودی بهره می‌برد. این سیستم نور ورودی را از طریق میکرولنزهای تخصصی تقسیم کرده و پرتوها را به نیمه‌های چپ‌بین و راست‌بین پیکسل هدایت می‌کند. با مقایسه اختلاف منظر بین این دو تصویر جابه‌جا شده، پردازنده سیگنال تصویر دوربین فاصله دقیق تا سوژه را در یک مرحله اندازه‌گیری محاسبه می‌کند. از آنجا که تشخیص فاز خطای فوکوس و جهت اصلاح را به طور همزمان تعیین می‌کند، بدون نیاز به حرکت رفت و برگشتی لنز در موقعیت‌های مختلف، فوکوس را قفل می‌کند.[1][2]

این قابلیت پیش‌بینی، تشخیص فاز را فوق‌العاده سریع می‌کند. سیستم‌های پیشرفته می‌توانند در ۰٫۱ تا ۰٫۳ ثانیه به فوکوس برسند، که برای ردیابی حرکات نامنظم در عکاسی ورزشی یا حیات وحش به اندازه کافی سریع است. در طول ردیابی مداوم فوکوس خودکار، سیستم اندازه‌گیری‌های اختلاف فاز را ۳۰ تا ۶۰ بار در ثانیه به‌روزرسانی کرده و محرک لنز را در زمان واقعی تنظیم می‌کند. این مزیت سرعت به ویژه در محیط‌های پویا، مانند پهپادها یا رباتیک، بسیار حیاتی است؛ جایی که یک سنسور ۱۳ مگاپیکسلی مانند سونی IMX258 برای از بین بردن تقلای فوکوس روی سوژه‌های متحرک به تشخیص فاز متکی است.[6][7]

در مقایسه، فوکوس خودکار تشخیص کنتراست بیشتر به عنوان یک بررسی‌کننده وضوح عمل می‌کند تا یک محاسبه‌گر فاصله. این سیستم نیازی به پیکسل‌های تخصصی نیمه‌پوشیده ندارد؛ در عوض، کنتراست تصویر ثبت‌شده را مستقیماً از پیکسل‌های استاندارد سنسور تجزیه و تحلیل می‌کند. سیستم بر این اصل کار می‌کند که یک تصویر زمانی در واضح‌ترین حالت خود قرار دارد که کنتراست بین پیکسل‌های مجاور در حداکثر میزان خود باشد. برای یافتن این نقطه اوج، دوربین باید عناصر لنز را گام به گام حرکت دهد و به طور مداوم ارزیابی کند که آیا کنتراست در حال افزایش است یا کاهش.[1][5]

از آنجا که تشخیص کنتراست بر تنظیمات آزمون و خطا متکی است، باید عمداً لنز را از نقطه فوکوس کامل عبور دهد و سپس جهت را معکوس کند؛ فرآیندی که به عنوان تقلا شناخته می‌شود. این امر باعث می‌شود تشخیص کنتراست ذاتاً کندتر از تشخیص فاز باشد. با این حال، از آنجا که این سیستم داده‌های واقعی تصویر که به سنسور برخورد می‌کنند را ارزیابی می‌کند، برای سوژه‌های ثابت بسیار دقیق است. در محیط‌های کنترل‌شده، مانند تصویربرداری پزشکی یا کیوسک‌های اسکن اسناد، تشخیص کنتراست حداکثر وضوح را بدون خطر خطاهای فوکوس جلو یا فوکوس عقب که گاهی اوقات سیستم‌های تشخیص فاز را درگیر می‌کند، تضمین می‌نماید.[2][3]

گذار از دوربین‌های بازتابی تک‌لنزی دیجیتال به معماری‌های بدون آینه، نحوه استقرار این سیستم‌ها را اساساً تغییر داد. دوربین‌های سنتی به یک ماژول فوکوس خودکار مجزا در کف دوربین متکی بودند و از یک آینه ثانویه استفاده می‌کردند که نور را از سنسور اصلی منحرف می‌کرد. این مسیر دوگانه، نوری که به آرایه فاز اختصاصی می‌رسید را حدود ۵۰ درصد کاهش می‌داد و خطاهای تراز مکانیکی ایجاد می‌کرد. دوربین‌های بدون آینه پیکسل‌های تشخیص فاز را مستقیماً در سنسور تصویر اصلی تعبیه می‌کنند، که این کار آینه ثانویه را حذف کرده و اجازه می‌دهد پوشش فوکوس خودکار در کل کادر گسترش یابد.[4]

حذف جعبه آینه همچنین آزادی‌های جدیدی به مهندسان اپتیک داد. به عنوان مثال، مانت Z نیکون از قطر داخلی ۵۵ میلی‌متر و فاصله کانونی فلنج بسیار کوتاه ۱۶ میلی‌متری استفاده می‌کند. این هندسه امکان استفاده از لنزهایی با حداکثر دیافراگم تا f/0.95 را فراهم می‌کند که سنسور را غرق در نور می‌سازد. از آنجا که سیستم فوکوس خودکار صحنه را دقیقاً به همان روشی می‌خواند که سیستم نوردهی انجام می‌دهد، دوربین‌های بدون آینه می‌توانند تشخیص چهره و چشم را در زمان واقعی انجام دهند، روی مردمک چشم سوژه قفل شوند و حتی زمانی که موانع به طور موقت دید را مسدود می‌کنند، آن را بی‌نقص ردیابی کنند.[4]

همان‌طور که مهندسان در مورد سیستم‌های تعبیه‌شده خاطرنشان می‌کنند: انتخاب فناوری اشتباه برای فوکوس خودکار در آزمایشگاه شکست نمی‌خورد، بلکه در میدان عمل شکست می‌خورد. برای به حداکثر رساندن عملکرد در تمام شرایط نوری، دوربین‌های مدرن به فوکوس خودکار هیبریدی متکی هستند. این رویکرد، دستیابی سریع تشخیص فاز را با دقت نقطه‌ای تشخیص کنتراست ترکیب می‌کند. به عنوان مثال، دوربینی مانند سونی a6500 از ۴۲۵ نقطه تشخیص فاز برای انجام کارهای سنگین استفاده می‌کند تا لنز را سریعاً به محدوده درست هدایت کند و سپس کار را برای تنظیم دقیق نهایی به ۱۶۹ نقطه تشخیص کنتراست می‌سپارد. این هم‌افزایی تضمین می‌کند که دوربین نقاط قوت هر دو فناوری را به ارث می‌برد؛ استفاده از تشخیص فاز برای سرعت و تشخیص کنتراست برای اطمینان از اینکه سوژه دقیقاً در فوکوس قرار می‌گیرد.[5][6]