Почему возможности автофокусировки зависят от диафрагмы, а не от количества доступного света?

Не вдаваясь в подробности того, как работает «фазовый» автофокус, будет неверным сказать, что он аналогичен стереоскопическому зрению , с которым вы, вероятно, знакомы.

Вы можете судить о расстоянии до объекта, который видите, потому что ваши глаза смотрят на него с немного разных точек зрения. Если вы поднимете палец и посмотрите за него, вы увидите два пальца. Ваши глаза должны повернуться внутрь, чтобы соответствовать изображениям. Чем ближе палец, тем больше будет разделение двух изображений, и тем больше глаза должны быть обращены внутрь. Это информация, которую ваш мозг использует для расчета расстояния до объекта.

Нетрудно заметить, что этот эффект будет сильнее, если глаза расставлены дальше. Таким образом, большее расстояние между глазами позволяет более точно оценить расстояние.

Система автофокусировки делает нечто очень похожее, но вместо двух глаз она использует диагонально противоположные края линзы. Например, он может сравнивать вид через крайнюю левую часть линзы с видом через крайнюю правую часть. Два изображения будут смещены, если фокус будет неточным, так же, как вы видите два пальца, когда смотрите за ними. Чем больше апертура, тем больше расстояние между этими изображениями и тем точнее может быть оценка «расстояния» (т.е., на чем сфокусироваться).

Грубо говоря, углы двух видов, которые использует датчик фокусировки, фиксированы. Таким образом, для каждого датчика фокусировки существует предел диафрагмы, за которым он работать не будет. Это никак не связано с количеством света. Если диафрагма слишком мала, обзор датчика фокусировки будет закрыт. Он пытается смотреть слишком далеко влево и вправо.

Надеюсь, эта иллюстрация прояснит ситуацию:

Слева у нас объектив, затем лепестки диафрагмы, закрывающие его часть, затем датчик автофокуса. Датчик автофокусировки смотрит узко в двух разных направлениях, указанных стрелками. Он не смотрит через середину объектива. Если диафрагма слишком мала, она будет блокировать обзор датчика автофокусировки.

Почему возможности автофокусировки зависят от диафрагмы, а не от количества доступного света?

Потому что то, как работает автофокусировка с определением фазы, зависит от разницы в световых лучах из одной и той же области поля зрения, когда они падают на противоположные стороны объектива. Чем шире эффективная апертура линзы (более правильно называемая входным зрачком), тем шире могут быть сравниваемые световые лучи. Чем шире разница между двумя точками, тем лучше системы автофокусировки могут работать с точки зрения точности и скорости. Больше света тоже помогает, потому что увеличивает контраст между более светлыми и темными краями, но только если этот более яркий свет достигает линий на массиве датчиков PDAF.

Каждая точка автофокусировки использует пару линий светочувствительных пиксельных лунок, подобных тем, которые находятся на датчике камеры. Каждая лунка пикселя (как правило) больше, чем пиксели основного датчика изображения, и они не фильтруются для различения цветов, как датчик с маской Байера.

Чтобы воспользоваться более широкой апертурой, пары линейных датчиков для конкретной точки фокусировки в массиве AF или, точнее, микролинзы на входе в массив датчиков PDAF, которые направляют свет на линии на поверхности датчика PDAF. , должны быть дальше друг от друга. Но это делает эти линии не очень полезными, когда к объективу прикреплена линза с более узкой апертурой, потому что тогда свет не достигает этих точек. Некоторые производители камер немного подстраховываются. Некоторые точки фокусировки более чувствительны и точны, но хорошо работают только с объективами с большой апертурой. Другие точки фокусировки настроены так, чтобы можно было использовать свет от объективов с более узкой апертурой. Но эти точки не могут использовать более широкие световые лучи, обеспечиваемые объективом с широкой апертурой.

Это связано с тем, что две линии массива фокусировки для каждой точки фокусировки находятся в фиксированном положении. Если они расположены достаточно близко друг к другу, чтобы иметь возможность использовать свет, проходящий через каждую сторону объектива с узкой диафрагмой f/8, они недостаточно далеко друг от друга, чтобы воспринимать свет, проходящий через край линзы. объектив с широкой диафрагмой f/2.8 или более широкой. Даже когда на камере установлен светосильный объектив, они используют свет, падающий только на части каждой стороны объектива, которые находятся достаточно близко к центру, чтобы этот свет мог пройти через более узкую апертуру.

Все точки фокусировки PDAF используют пару линий. Точки фокусировки крестового типа используют две пары линий: одну пару для вертикали и отдельную пару для горизонтали. «Точки диагонального крестообразного типа» добавляют две дополнительные пары линий, ориентированных под углом 45° к вертикальным и горизонтальным линиям.

Расстояние между этими линиями на матрице датчиков PDAF (в сочетании с тем, как микролинзы на входе матрицы PDAF направляют свет, падающий на различные части передней части основного объектива камеры) определяет, как далеко от центра объектива оптическая ось измеряется этим набором линий на датчике PDAF. Если две линии для точки автофокусировки отбирают свет из двух противоположных точек на передней части объектива, которые находятся ближе к центру оптической оси объектива, они будут работать при более узких диафрагмах, но они будут менее чувствительными. Если две линии для точки автофокусировки отражают свет из двух противоположных точек на передней части объектива, которые находятся дальше от оптической оси объектива, они будут более чувствительными.

Производители камер, особенно Canon, на которую косвенно ссылается ваш вопрос, немного ограничивают свои ставки. Особенно это касается систем PDAF с очень большим количеством точек автофокусировки. Некоторые точки настроены на выборку света, проходящего через более узкие линзы, такие как f/5,6 или f/8. Другие точки настроены так, чтобы смотреть дальше к краю на противоположных сторонах линзы. Эти точки получают свет от хрусталика только в том случае, если входной зрачок достаточно широк, чтобы позволить свету достичь их.

В прошлом Canon делала каждый набор линий в точках перекрестного типа чувствительными при разных значениях диафрагмы. Горизонтально чувствительный набор линий может быть чувствительным к объективам с максимальной диафрагмой f/5,6 или шире, в то время как вертикальный чувствительный набор линий для той же точки автофокусировки может работать только с объективами с диафрагмой f/4 или более широкой. Еще совсем недавно отсечка для каждой пары в наборе может составлять f/8 и f/5.6 соответственно. Некоторые из более поздних моделей высокого класса имеют точки пересечения, в которых оба набора линий для одной точки автофокусировки крестового типа совместимы с объективами или комбинациями объектив/удлинитель/телеконвертер с узкими диафрагмами вплоть до f/8.

Те же улучшения можно использовать для улучшения точек автофокусировки f/2.8! Canon также стремилась (и до сих пор делает) делать так, чтобы диагональные точки крестового типа использовали более широкую базовую линию, что требует объектива с более широкой апертурой, обычно f / 2,8 или шире. Это обеспечивает чрезвычайно точную чувствительность тех точек, где это необходимо больше всего: при использовании объективов с широкой апертурой, которые дают чрезвычайно малую глубину резкости и очень малый запас погрешности автофокусировки.

Поскольку точки автофокусировки «крестового типа» на самом деле представляют собой два набора линий, чувствительных друг к другу под углом 90°, ничто не говорит о том, что вы не можете создать точку автофокусировки крестового типа или даже точку автофокусировки диагонального типа, которая будет работать с объективы с апертурой уже, чем f/2.8, f/4, f/5.6 и т. д. Просто производители камер, особенно тот, который упоминается в цитате, содержащейся в вопросе выше, решили максимально использовать диагональные точки пересечения автофокусировки. чувствительные.

Между прочим, та же самая физика, которая способствует автофокусировке с объективами с более широкой апертурой, также подходит для цифровых зеркальных камер с большими сенсорами. Поскольку зеркало больше, особенно потому, что оно шире, и позволяет полупрозрачной части, которая позволяет свету, проходящему на вторичное зеркало, отражаться вниз в массив PDAF, также быть шире в полнокадровой камере, чем в APS-C. камеры базовая линия, используемая для наиболее чувствительных точек фокусировки, также может быть шире.

Для получения более подробного ответа о том, как работают точки перекрестного типа, и визуализации того, как точки f / 2,8 требуют линий, которые находятся дальше друг от друга, см. этот ответ .

Для немного другого взгляда и пары более тщательных взглядов на то, как максимальная диафрагма может повлиять на производительность автофокусировки (по сравнению с тем, как включить Canon AF с телеконвертером? ), см. два ответа на вопрос: будет ли Canon 5D MK II с 100-400 1:4.5-5.6 нормально работают с конвертером Kenko 1.4?

Вот схема фазового автофокуса

Когда изображение находится в фокусе (2), два пучка света попадают в одно и то же место. Когда он не в фокусе, они идут в разные места (1, 3 или 4). У этих двух есть разница между ними, закодированная в луче, например, делая один немного эллиптическим по вертикали, а другой - эллиптическим по горизонтали.

Расстояние между ними является косвенной мерой того, насколько изображение не в фокусе. Чувствительность и, следовательно, способность определять, находится ли изображение в фокусе или не в фокусе, зависит от того, насколько быстро они расходятся.

Из треугольной геометрии вещей видно, что чувствительность наилучшая, когда угол между двумя карандашами наибольший.

Автофокус с определением контраста работает по-другому и вместо этого принимает решение на основе резкости изображения; аналогичным образом, когда изображение везде одинаково четкое (маленькая апертура, большая глубина резкости), системе трудно определить, где лучше всего сфокусироваться.

Автофокусная часть камеры имеет пару линейных датчиков ¹ . Каждый пиксель в линейном датчике имеет перед собой небольшую призму, поэтому он собирает только свет, идущий к датчику под определенным углом:

Когда датчик предназначен для более быстрых объективов, этот угол больше. С достаточно светосильным объективом проще измерить разность фаз.

Глядя на это относительно скорости объектива, мы получаем что-то вроде этого:

В этом случае датчик f/2.8 пытается реагировать на свет, который должен был бы пройти за пределы диафрагмы. Поскольку апертура блокирует такой свет, сенсор просто не получает света, на который он может реагировать.

Сенсор, рассчитанный на диафрагму (линия f/4), принимает свет, так что он работает.

Бывают пограничные случаи. Линейный датчик - это именно линия. Все пиксели в линии принимают свет, проходящий под одним и тем же углом, поэтому они не все получают свет, проходящий через одну и ту же часть линзы. В типичном случае камера будет считывать данные с объектива и отключать любые датчики, которым требуется большая апертура, чем обеспечивает объектив. Однако в случае телеудлинителя камера может получать данные, подходящие для объектива, без удлинителя. В этом случае камера может продолжать попытки использовать датчик, даже если предоставленная апертура меньше, чем она предназначена. В этом случае свет, попадающий на датчик, может выглядеть так:

Часть датчика получает свет, а остальная часть нет. Если чуть больше половины датчика получает свет, у вас все еще есть шанс, что система все еще работает, даже если ваша апертура меньше, чем она предназначена. Тем не менее, ему может быть трудно найти совпадающие части изображения, пока оно не окажется почти в фокусе, поэтому он с большей вероятностью будет «охотиться» и может легко просто «сдаться», даже в тех случаях, когда достаточно света и контраста, чтобы обычно он фокусируется быстро и точно.

1. Да, есть скрещенные датчики и тому подобное, но в основном это просто дополнительные линейные датчики.

В большинстве случаев, явно не пытаясь сфотографировать солнце или темную пещеру, диафрагма, выбранная на объективе, является грубым приближением доступного света. Очевидно, что чем меньше апертура, тем меньше света попадает на матрицу. Очевидно, что опять же, чем меньше света на датчике, тем меньше доступных данных для автофокусировки с определением фазы, которые можно использовать для определения и фиксации правильного фокуса.

Разве в руководстве не должно быть написано что-то вроде «нет автофокуса ниже 50 люкс»?

Какой метод вы используете для измерения люксов или яркости или, что еще лучше, кандел на квадратный метр? Разве это не термин, который большинство пользователей зеркальных камер едва понимают и практически не используют? Вы предполагаете, что после покупки зеркалки и объектива с автофокусом мы должны купить еще и экспонометр?

Я считаю, что заявление в руководстве является попыткой кратко и быстро объяснить очень сложную тему. После того, как большинство из нас какое-то время используют автофокусные камеры и объективы, мы понимаем из объяснений руководства, что, как правило, с уменьшением освещенности снижается и вероятность блокировки автофокуса.