W pierwszym z wpisów traktujących o systemach automatycznego ustawiania ostrości w smartfonach opisałem zasadę działania mechanizmu autofokusa pracującego w oparciu o detekcję kontrastu. Tym razem postaram się przybliżyć inną – i coraz częściej wykorzystywaną w telefonach metodę na automatyczne ustawianie ostrości: detekcję fazy. O ile opisanie zasady działania detekcji kontrastu było naprawdę proste, to detekcja fazy jest trochę trudniejsza do wyłuszczenia :) Postaram się jednak uczynić to w możliwie najprostszy sposób, bez wnikania w skomplikowane (i różne dla poszczególnych producentów, a w dodatku często tajne i chronione patentami) szczegóły techniczne.

No to do dzieła. Wyobraźmy sobie, że fotografujemy jakiś punktowy obiekt, umieszczony w osi obiektywu; przykładowo maleńką, idealnie okrągłą czarną kropkę na białej kartce. A teraz zastanówmy się jak będzie wyglądał obraz tej kropki zarejestrowany przez matrycę światłoczułą. Jeżeli podczas robienia zdjęcia obiektyw telefonu był wyostrzony na kropkę, to obraz będzie po prostu punktem – jej wiernym odwzorowaniem. Oczywiście zakładamy, że nasze doświadczenia odbywają się w idealnym świecie i robione są przy użyciu idealnych przyrządów.

Trochę trudniej jest sobie wyobrazić wygląd obrazu naszej kropki, po sfotografowaniu jej „rozostrzonym” obiektywem. Optyka uczy, że obraz ten będzie kołem. Kołem, bo fotografujemy telefonem, urządzeniem pozbawionym mechanizmu przysłony (w przypadku obiektywu w nią wyposażonego, obraz naszej kropki przypomniałby raczej jakiś wielokąt, odpowiadający kształtem wyglądowi przysłony ograniczającej dostęp światła do matrycy).

Tym sposobem dochodzimy powoli do zasady działania systemu autofokusa opartego o detekcję fazy. Okazuje się bowiem, że dla danego modułu fotograficznego można wyznaczyć ścisły związek pomiędzy położeniem soczewek odpowiedzialnych za ogniskowanie obiektywu, jego „wyostrzeniem” na pewien punkt fotografowanej sceny, a średnicą obrazu tego punktu otrzymanego na matrycy światłoczułej. Im ta średnica jest mniejsza, tym bliżej jesteśmy idealnej ostrości. Co ciekawe, już po pierwszym pomiarze system autofokusa działający dzięki detekcji fazy jest w stanie obliczyć w którą stronę i o ile trzeba ruszyć soczewki ogniskujące, żeby trafić z ostrością „w punkt”!

Rzućmy okiem na rysunek, który przybliża, jak system detekcji fazy może działać w praktyce:

By Cmglee (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Fioletowa kropa reprezentuje punkt, na który próbujemy wyostrzyć obiektyw. Żółta linia to sensor światłoczuły. Dwie przysłony (na rysunku różowa i zielona) wydzielają dwie wiązki ze stożka światła wpadającego do naszego obiektywu od strony fotografowanego obiektu. Te dwie wiązki przebiegają przez skrajne i przeciwległe fragmenty obiektywu. Sytuacja oznaczona numerem 2 pokazuje poprawnie ustawioną ostrość: oba wydzielone promienie trafiają w to samo miejsce na powierzchni matrycy. W sytuacjach 1, 3 i 4 padają one jednak w różnie miejsca na detektorze światłoczułym. System automatycznego ustawiania ostrości jest w stanie określić która wiązka trafiła gdzie, a także obliczyć na podstawie wzajemnej odległości „ustrzelonych” miejsc, o ile, i w którą stronę „przekręcić” obiektyw, żeby poprawnie ustawić ostrość. Mniej więcej tak to działa, reszta to już szczegóły technologiczne.

Pewnie części z Was chodzi teraz po głowie pytanie: a gdzie i czym jest ta rzeczona faza? Otóż cały ten mechanizm potrzebuje do obliczeń zmierzyć, między innymi, różnicę dróg przebytych przez obie wydzielone wiązki. Na rysunku nasz fotografowany obiekt został umieszczony w osi obiektywu, więc drogi pokonane przez oba promienie światła są równe, ale to jest przecież przypadek szczególny. Okazuje się, że w praktyce owa różnica w drogach najczęściej występuje i jest często mniejsza od długości fali światła widzialnego, czyli możemy dosłownie mówić o pomiarze różnicy faz fali. Ot, i cała tajemnica.

Autofokus działający w oparciu o detekcję różnicy faz jest szybszy od tego pracującego na zasadzie maksymalizacji kontrastu. Odpowiedni procesor dokonuje obliczeń zaraz po wykonaniu pierwszego pomiaru potrzebnych mu parametrów (różnicy faz, kątów padania wiązek, odległości obrazów itp.) i od razu ustala, o ile, i w którą stronę poprzesuwać odpowiednie soczewki w obiektywie, żeby złapać ostrość. Świetnie się nadaje do śledzenia obiektów w ruchu. Z kolei detekcja kontrastu wymaga wielu pomiarów i działania trochę metodą prób i błędów.

Wadą automatycznego ustawiania ostrości opartego o detekcję fazy jest natomiast jego ograniczona dokładność. Pomiary i obliczenia są skomplikowane, a ich charakter nie pozwala uniknąć pewnych niedokładności. Dlatego też często słyszymy (zwłaszcza w przypadku smartfonów) o autofokusie hybrydowym, który potrafi działać na dwa sposoby. Błyskawicznie znajduje bliską „okolicę” maksymalnej ostrości dzięki detekcji fazy, a następnie przełącza się w tryb maksymalizacji kontrastu i korzystając z tej metody dokonuje drobnej (i przez to szybkiej) poprawki.

Kolejna wada opisywanego dzisiaj typu autofokusa jest taka sama, jak w przypadku tego omawianego poprzednio. Żeby metoda detekcji fazy działała, potrzebne jest światło, czyli ustalanie ostrości tym sposobem marnie działa w trudnych warunkach oświetleniowych (czyli przykładowo w nocy).

Na sam koniec jeszcze wspomnę, że sprzęt potrzebny do uruchomienia detekcji fazy jest o wiele bardziej wymagający od tego, koniecznego do badaniu kontrastu. Matryce światłoczułe muszą zostać wyposażone w dodatkowe sensory systemu autofokusa, a całość do sprawnego działania potrzebuje mocnego procesora lub/i wsparcia dedykowanych układów. I to jest przyczyna, dla której ten typ automatycznego ustawiania ostrości trafia raczej do telefonów z wyższej półki.

Oto przykłady smartfonów wykorzystujących metodę detekcji fazy podczas pracy systemu autofokusa: iPhone 6, iPhone 6S, Samsung Galaxy S5, Samsung Galaxy S7, Sony Xperia M5, Sony Xperia Z5, Lenovo Moto X Style.

Następnym razem opowiem o autofokusie laserowym :)