Muss der Phasenerkennungs-Autofokus auf dem Sensor für die Genauigkeit angepasst werden?

Betrachten Sie die Entwicklung von AF-Systemen in den letzten Jahrzehnten:

Bei herkömmlichen DSLR-Kameras ist eine Feinabstimmung des PDAF-Autofokus basierend auf einem separaten Sensor erforderlich, um mehrere verschiedene mögliche Fehler zu überwinden. Zu diesen Fehlern gehören:

• Leicht unterschiedliche optische Abstände zwischen dem Bildsensor und dem Objektiv im Vergleich zum optischen Abstand zwischen dem PDAF-Sensor und dem Objektiv.
• Objektivpositionierungsfehler, wenn sich das Objektiv tatsächlich um eine geringfügig andere Entfernung bewegt, als die Kamera es angewiesen hat. Dies kann so einfach sein wie mechanischer Verschleiß im Fokussiermechanismus des Objektivs oder ein leicht falsch eingestellter elektromechanischer Fokuspositionssensor im Objektiv.
• Leichte Schwankungen im Registrierungsabstand des Objektivs (a/k/a-Flanschbrennweite oder in der Kinowelt Backfokus-Entfernung). Wenn das Objektiv etwas näher oder weiter vom Bildsensor und dem PDAF-Sensor entfernt ist als in der Designspezifikation angegeben, sind möglicherweise unterschiedliche Einstellungen für den Nah- und Fernfokus erforderlich, da das Objektiv für die Verwendung mit dem angegebenen Registrierungsabstand und den angegebenen Fokussierbewegungen konzipiert wurde Mechanismus wird nicht im genauen Verhältnis der erforderlichen Entfernungen sein.

Bei den meisten Kameras, die eine Fokussierung auf der Grundlage von Informationen des Bildsensors verwenden, spielt keines dieser Dinge wirklich eine Rolle, da die endgültige Fokussierung mithilfe von Methoden zur Kontrasterkennung und nicht zur Phasenerkennung erfolgt. Die frühesten CDAF-Systeme hatten keine PDAF-Fähigkeit, sodass die gesamte Fokussierung mit CDAF erfolgte. Dies gilt jedoch auch für Kameras mit „hybridem“ sensorbasiertem PDAF in Kombination mit CDAF.

• Wenn die Kamera eine auf dem Hauptbildsensor basierende PDAF-Fähigkeit enthält, wird die PDAF-Funktion verwendet, um das Objektiv sehr schnell in die Nähe der gewünschten Fokusentfernung zu bringen, und dann wird CDAF verwendet, um die Fokusposition entweder zu bestätigen oder weiter zu verfeinern.
• Es gibt offensichtlich keinen Unterschied in der Länge des optischen Wegs vom Objektiv zum Sensor, da es sich um genau denselben Sensor handelt.
• Anpassungen der Objektivposition unter Verwendung der Kontrasterkennung sind auch nicht anfällig für Fehler in dem von der Kamera angewiesenen Bewegungsbetrag im Vergleich zu dem tatsächlich vom Objektiv ausgeführten Bewegungsbetrag, da die Kamera das Objektiv einfach weiter bewegt, bis sie die Position findet hat den höchsten Kontrast, anstatt dem Objektiv zu sagen, wie weit es sich bewegen soll, und abhängig vom Objektiv, diese Anweisung genau zu befolgen.
• Jeglicher mechanischer Verschleiß, Registrierungsfehler oder Fehlausrichtung der Fokuspositionssensoren sind strittig, da die Kamera für die endgültige Fokusposition nicht von ihnen abhängig ist. Stattdessen misst es den Kontrast in dem vom Objektiv auf den Sensor projizierten Bild und bewegt das Objektiv, bis der Kontrast maximiert ist.

Eine einfache Analogie zwischen der Fokussierung mit einem dedizierten PDAF-Sensor und der Fokussierung mit bildsensorbasiertem CDAF (einschließlich hybridem PDAF+CDAF) wäre der Vergleich der Fokussierung des Objektivs einer alten Speed-Grafikkamera mit der Fokussierung mit einer alten Spiegelreflexkamera mit manuellem Fokus.

• Die Speed ​​Graphic lieferte keinen durch den Objektivsucher. Der Fotograf hat den Abstand zwischen Kamera und Motiv geschätzt (oder mit einem kameraexternen Messgerät gemessen). Der Fotograf stellte dann die Fokusentfernung des Objektivs ein, indem er die indizierten Entfernungsmarkierungen auf dem Objektiv verwendete. Der Fokus war nur so genau wie die richtige Platzierung der Entfernungsmarkierungen auf dem Objektiv und die richtige Schätzung/Messung der Entfernung zwischen Kamera und Motiv.
• Die Film-Spiegelreflexkamera bot einen Blick durch die Linse des Motivs. Der Fotograf bewegte den Fokussiermechanismus am Objektiv (normalerweise durch Drehen des Fokusrings), bis das Motiv am fokussiertesten erschien. Unter der Annahme, dass der Spiegel und die Mattscheibe der Kamera richtig ausgerichtet waren, spielte es keine Rolle, wie genau oder ungenau die auf dem Objektiv angezeigte Entfernungsskala war, da der Fotograf in diesem Fall das Objektiv nicht anhand der Entfernungsskala fokussierte, sondern es fokussierte basierend auf dem, was sie durch den Sucher gesehen haben.
• Ein auf einem hybriden PDAF + CDAF-Bildsensor basierendes AF-System wäre so, als würde man die Entfernungsskala des Objektivs verwenden, um sich der Motiventfernung anzunähern, und dann durch den Sucher schauen, um sie noch näher einzustellen.

Mit dem auf dem Hauptbildsensor basierenden reinen PDAF-System, das von Canons Dual Pixel CMOS AF in Live View sowohl für Video- als auch für Standbilder verwendet wird, werden Aspekte von Off-Sensor-PDAF und On-Sensor-CDAF kombiniert.Anstelle einer einmaligen AF-Messung, gefolgt von einer einzigen Anweisung an das Objektiv, wie weit es sich bewegen soll, wie es bei einem typischen PDAF mit einem separaten PDAF-Sensor¹ der Fall ist, führt der DP CMOS AF von Canon zusätzliche Messungen durch, während das Objektiv bewegt wird. was normalerweise mit CDAF gemacht wird. Dies ist möglich, weil PDAF unter Verwendung des Hauptbildsensors durchgeführt wird, sodass keine Zeit darauf verwendet wird, den Reflexspiegel zwischen der PDAF-Messung und bevor das Bild aufgenommen werden kann, hochzuklappen. PDAF kann aktiv bleiben, bis der Bildsensor vor der Aufnahme des Bildes gelöscht werden muss, ohne die Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera zu verlangsamen.

• Es gibt offensichtlich keinen Unterschied in der Länge des optischen Wegs vom Objektiv zum Sensor, da es sich um genau denselben Sensor handelt.

• Anpassungen der Objektivposition unter Verwendung von „Rinse-and-Repeat“-Messungen sind auch nicht so anfällig für Fehler in dem von der Kamera angewiesenen Bewegungsbetrag im Vergleich zu dem tatsächlich vom Objektiv ausgeführten Bewegungsbetrag, da die Kamera den Fokus weiterhin optisch misst und aktualisieren Sie die Anweisungen, wie weit das Objektiv zu bewegen ist, bis es die Position mit dem höchsten Kontrast² findet, anstatt dem Objektiv einmal zu sagen, wie weit es sich bewegen soll, und dann abhängig vom Objektiv, dieser Anweisung ohne erneute optische Überprüfung genau zu folgen.

• Jeglicher mechanischer Verschleiß, Registrierungsfehler oder Fehlausrichtung der Fokuspositionssensoren sind strittig, da die Kamera für die endgültige Fokusposition nicht von ihnen abhängig ist. Stattdessen misst es den Kontrast in dem vom Objektiv auf den Sensor projizierten Bild und bewegt das Objektiv, bis der Kontrast maximiert ist.

In Summe:

• PDAF, das auf einem speziellen AF-Sensor basiert, misst , wie unscharf das Motiv ist , berechnet, wie weit und in welche Richtung sich das Objektiv bewegen muss, und weist das Objektiv an, sich in diese Position zu bewegen. Es wird normalerweise nicht optisch nachgemessen, um zu bestätigen, dass sich das Objektiv tatsächlich um die angegebene Entfernung bewegt hat oder dass sich das Motiv jetzt in einem akzeptablen Fokus befindet. Denn PDAF ist in erster Linie auf Geschwindigkeit ausgelegt. Wenn bestätigt wird, dass sich das Objektiv um die angewiesene Entfernung bewegt hat, wird dies normalerweise über einen mechanischen Positionssensor im Objektiv erreicht, anstatt ihn optisch zu messen. Dies liegt daran, dass der Spiegel bereits nach oben geschwenkt werden kann (in diesem Fall ist der PDAF-Sensor „blind“), da der Objektivpositionssensor verwendet wird, um die endgültige Position des Objektivs an die Anweisungen der Kamera anzupassen.
• CDAF misst, wie viel Kontrast das Motiv hat, und bewegt das Objektiv, bis es die Position findet, die maximalen Kontrast bietet. Es ist nicht auf eine bestimmte Position des Objektivs angewiesen, die den richtigen Fokus in einer bestimmten Entfernung liefert, sondern nur darauf, die Position des Objektivs zu finden, die den größten Kontrast bietet.
• Der bildsensorbasierte PDAF kann Folgemessungen und überarbeitete Anweisungen auf die gleiche Weise verwenden wie der CDAF, um das AF-Ziel zu "einengen". Da die Distanz, zu der sich die Linse bewegen soll, verringert wird, werden auch alle damit verbundenen Fehler verringert, wenn sich die Linse um eine geringfügig andere Distanz als angewiesen bewegt. Bei der Verwendung von STM-Objektiven ist die kleinste mögliche Bewegungseinheit ein Schritt des Schrittmotors, und der AF kann nicht näher als den nächsten Schritt kommen, unabhängig davon, welche AF-Technologie verwendet wird.

I infer on-sensor pdaf without cdaf still has to overcome errors (i.e. flange focal distance, lens positioning). Does on-sensor pdaf allow to overcome such errors maybe by iterations?

Die meisten, wenn nicht alle Fehler sind beim Fokussieren dieselben wie bei der tatsächlichen Aufnahme des Bildes und werden daher aufgehoben, da PDAF im Hauptbildsensor statt in einem separaten PDAF-Sensor durchgeführt wird. Auf dem Hauptbildsensor basierendes PDAF hat auch den Vorteil, nicht „blind“ zu sein, ohne dass ein Reflexspiegel den Hauptbildsensor blockiert. Es gibt nicht annähernd so viel Geschwindigkeitseinbuße für das erneute Messen des Fokus, nachdem das Objektiv nach der anfänglichen Messung bewegt wurde und bevor das Bild ohne Spiegel in der Mischung aufgenommen wurde. Indem in der Lage ist, inkrementelle Messungen vorzunehmen, während die Linse bewegt wird, können Fehler, die sich aus Unterschieden zwischen angewiesenen und tatsächlichen Bewegungsbeträgen ergeben, erheblich reduziert werden.Ein Fehler von 1 % für eine Bewegung von 0,1 mm ist um den Faktor 100 deutlich kleiner als ein Fehler von 1 % für eine Bewegung von 10 mm.

_{¹ Selbst bei „Servo“-AF oder „kontinuierlichem“ AF ist der Vorgang eine PDAF-Messung → eine Objektivbewegung → eine PDAF-Messung → eine Objektivbewegung → endlos, bis der Auslöser vollständig gedrückt wird. Es gibt keine Verfeinerung der Objektivposition auf "Nullstellung" bei einem stationären Motivabstand. Vielmehr basiert es auf der Annahme, dass sich das Motiv höchstwahrscheinlich bei jeder PDAF-Messung in einer anderen Entfernung befindet → Linsenbewegungszyklus . Jede zusätzliche Messung wird durchgeführt, um zu messen, wie sich das Motiv bewegt hat, und nicht, wie nahe das Objektiv gekommen ist, um das Motiv richtig auf die vorherige Messung zu fokussieren → Bewegungszyklus. Prädiktive Logik wird auch verwendet, um abzuschätzen, wo sich das Subjekt in einem xx befinden wirdAnzahl der Mikrosekunden, in denen sich der Verschluss öffnet, nachdem der Spiegel hochgeklappt wurde.
² Sowohl PDAF als auch CDAF hängen vom Kontrast zwischen Details im Motiv ab, um zu messen, wie fokussiert das Objektiv ist.}

Es hängt nicht vom Sensortyp ab (dedizierter PDAF vs. Bildsensor PDAF).

Der Anpassungsbedarf ergibt sich aus der Tatsache, dass der phasenbasierte Autofokus anhand von Sensordaten arbeitet, um den absoluten Fokussierabstand des Objektivs zu bestimmen. Wenn das, was das Objektiv tut, nicht das ist, was die Kamera befiehlt (aufgrund der physikalischen Unvollkommenheiten, Inkompatibilitäten zwischen den Objektiven), leidet die Fokussiergenauigkeit.

(Im Gegensatz dazu steuert der kontrastbasierte Autofokus ;-) das Objektiv, ohne absolute Positionen zu kennen oder zu benötigen - und daher ohne die Notwendigkeit einer präzisen Anpassung. Es weist das Objektiv lediglich an, sich vorwärts oder rückwärts zu bewegen, bis das Ergebnis akzeptabel ist. Selbst wenn die Linsenmaschinerie leicht abweicht, wird sie schließlich immer noch den richtigen Fokus erreichen.)

Auf einer tieferen Ebene benötigt keine Digitalkamera wirklich Autofokus-Anpassungen. Es ist ein Relikt aus alten Zeiten, als Filmkameras nicht überprüfen konnten, was wirklich aufgenommen wurde. Heutzutage könnte jede Kamera einfach aus den sofort verfügbaren Ergebnissen lernen und die Phasendetektions-Autofokusentfernungen mit wenig Benutzereingriff automatisch einstellen. Aber soweit ich weiß, tun sie das nicht.