위상 검출 자동 초점은 어떻게 작동하나요?

عند الحديث عن تقنية DSLR 카메라، يلاحظ وجود قدر كبير من الالتباس حول كيفية عمل التركيز التلقائي باكتشاف الطور (Phase Detection Autofocus) بدقة. قد لا يكون هذا الموضوع محط اهتمام الكثيرين، ولكن إذا كنت تتساءل عن سبب وكيفية حدوث مشكلة في التركيز التلقائي (Autofocus) في الكاميرا، فإن هذا المقال سيوضح ما يحدث داخل الكاميرا فيما يتعلق بالتركيز التلقائي عند التقاط الصورة. هناك كم هائل من الملاحظات السلبية حول مشاكل التركيز التلقائي في أدوات متطورة مثل Canon 5D Mark III 그리고 Nikon D800 그리고 Pentax K-5 وغيرها من كاميرات SLR الرقمية. ويبدو أن معظم المصورين لا يدركون أن المشكلة الأساسية لا تكمن بالضرورة في طراز 또는 نوع معين من الكاميرات، بل في الطريقة المحددة التي تكتسب بها هذه الكاميرات التركيز. إذا بحثت على الإنترنت، ستجد آلاف التقارير عن مشاكل التركيز التلقائي في جميع أنواع كاميرات DSLR تعود لأكثر من 10 سنوات. وبالتالي، فإن مشاكل التركيز الأمامي (Front Focus) والتركيز الخلفي (Back Focus) التي نراها في الكاميرات الحديثة ليست جديدة على الإطلاق؛ فقد كانت موجودة منذ ظهور أول كاميرا DSLR مزودة بمستشعر اكتشاف الطور.

كيف تعمل كاميرات DSLR؟

لفهم هذه المشكلة بتعمق أكبر، من الضروري أولاً معرفة كيفية عمل DSLR 카메라. عادةً ما تظهر الرسوم التوضيحية النموذجية لكاميرات DSLR مرآة عاكسة واحدة فقط موضوعة بزاوية 45 درجة. لكن ما لا تظهره هذه الرسوم هو وجود مرآة ثانوية خلف المرآة العاكسة، تقوم بعكس جزء من الضوء إلى مستشعر اكتشاف الطور. ألقِ نظرة على الرسم التوضيحي المبسّط أدناه، والذي قمت بإعداده بناءً على صورة نموذجية لكاميرا Nikon D800:

فيما يلي وصف لكل رقم يظهر في الرسم التوضيحي أعلاه:

1. 빛줄기
2. المرآة الرئيسية / العاكسة
3. المرآة الثانوية، والمعروفة أيضًا باسم “المرآة الفرعية”
4. غالق الكاميرا ومستشعر الصورة
5. دبوس لا مركزي (1.5mm hex) لضبط المرآة الرئيسية
6. دبوس لا مركزي (1.5mm hex) لضبط المرآة الثانوية
7. مستشعر اكتشاف الطور (AF Sensor)
8. الموشور الخماسي (Pentaprism)
9. معين المنظر (Viewfinder)

دعنا نلقي نظرة على ما يحدث داخل الكاميرا عند التقاط صورة. تدخل أشعة الضوء إلى العدسة (1) وتصل إلى داخل الكاميرا. تتمركز مرآة رئيسية شبه شفافة (2) بزاوية 45 درجة، لتعكس معظم الضوء عموديًا إلى المنشور الخماسي (8). يقوم المنشور الخماسي بتحويل الضوء العمودي إلى أفقي ويعكسه، لتتمكن من رؤية ما تحصل عليه تمامًا عند النظر عبر معين المنظر (9). يمر جزء صغير من الضوء عبر المرآة الرئيسية وينعكس بواسطة المرآة الثانوية (3) التي تميل أيضًا بزاوية (54 درجة في العديد من كاميرات Nikon الحديثة، كما هو موضح أعلاه). بعد ذلك، يصل الضوء إلى مستشعر اكتشاف الطور / التركيز التلقائي (7)، الذي يعيد توجيهه إلى مجموعة من المستشعرات (مستشعران لكل نقطة تركيز تلقائي). تقوم الكاميرا بعد ذلك بتحليل ومقارنة الصور من هذه المستشعرات (على غرار كيفية تقييم التركيز في كاميرات تحديد المدى) وإذا لم تبدو متطابقة، فإنها تُصدر تعليمات للعدسة لإجراء التعديلات المناسبة (انظر أدناه لمزيد من التفاصيل).

بينما تبدو العملية المذكورة أعلاه واضحة إلى حد ما، إلا أن هناك مشكلة رئيسية واحدة في هذا النهج. فمستشعر اكتشاف الطور هو الذي يُصدر تعليمات للعدسة لإجراء التعديلات المناسبة، بينما يتم التقاط الصورة بواسطة جهاز مختلف تمامًا – وهو المستشعر الموجود في الجزء الخلفي من الكاميرا. لماذا يمثل هذا مشكلة؟ تذكر أنه عند التقاط صورة، ترتفع كل من المرآة الرئيسية والثانوية، ويُفتح الغالق، ويصل الضوء من العدسة مباشرة إلى مستشعر الكاميرا (4). لكي يعمل التركيز التلقائي باكتشاف الطور بشكل صحيح، يجب أن تكون المسافة بين 렌즈 홀더 ومستشعر الكاميرا، وكذلك المسافة بين حامل العدسة ومستشعر اكتشاف الطور، متطابقة تمامًا. إذا كان هناك انحراف طفيف واحد، فسيكون التركيز التلقائي غير صحيح. علاوة على ذلك، إذا لم تكن زاوية المرآة الثانوية دقيقة كما ينبغي، فسيؤدي ذلك أيضًا إلى مشاكل في التركيز التلقائي.

كيف يعمل مستشعر اكتشاف الطور؟

يعتمد عمل مستشعر اكتشاف الطور على مبدأ مقارنة الطور الضوئي، حيث يعمل هذا النظام بشكل مشابه لكاميرات تحديد المدى (rangefinder). فالضوء الذي ينعكس عن المرآة الثانوية تستقبله مجموعة من مستشعرات الصور الصغيرة (مستشعرين 또는 أكثر، حسب عدد نقاط التركيز في نظام التركيز التلقائي) التي تعلوها عدسات دقيقة. لكل نقطة تركيز تراها في معين المنظر، يوجد مستشعران صغيران مخصصان لاكتشاف فرق الطور – أحدهما لكل جانب من جوانب العدسة، كما هو موضح في الرسم التوضيحي أعلى الصفحة (7) (يُبالغ الرسم التوضيحي في هذا السلوك بإظهار شعاعين ضوئيين منفصلين يصلان إلى مستشعرين منفصلين).

في الواقع، تحتوي أجهزة اكتشاف الطور الحديثة على عدد أكبر بكثير من مستشعرين، وتقع هذه المستشعرات بالقرب الشديد من بعضها البعض. عندما يصل الضوء إلى هذين المستشعرين، إذا كان الجسم في بؤرة التركيز، فإن أشعة الضوء القادمة من الأطراف القصوى للعدسة تتلاقى مباشرة في مركز كل مستشعر (تمامًا كما يحدث على مستشعر الصورة). في هذه الحالة، ستحتوي كلا المستشعرين على صور متطابقة، مما يشير إلى أن الجسم في بؤرة تركيز مثالية. أما إذا كان الجسم خارج بؤرة التركيز، فلن تتلاقى أشعة الضوء وستصطدم بجوانب مختلفة من المستشعر، كما هو موضح أدناه (الصورة مقدمة من ويكيبيديا):

تمثل الأشكال من 1 إلى 4 حالات يكون فيها التركيز (1) قريبًا جدًا، (2) صحيحًا، (3) بعيدًا جدًا، 그리고 (4) بعيدًا للغاية. يتضح من الرسوم البيانية أن فرق الطور بين الملفين الشخصيين يمكن استخدامه لتحديد ليس فقط الاتجاه الذي يجب تغيير التركيز فيه، بل أيضًا مقدار هذا التغيير لتحقيق التركيز الأمثل. تجدر الإشارة إلى أنه في الواقع، تتحرك العدسة بدلاً من المستشعر.

نظرًا لأن نظام اكتشاف الطور يعرف ما إذا كان الجسم يعاني من تركيز أمامي 또는 خلفي، فإنه يستطيع إرسال تعليمات دقيقة إلى عدسة الكاميرا حول الاتجاه الذي يجب أن تدور فيه بؤرتها ومقدار هذا الدوران. إليك ما يحدث عندما تقوم الكاميرا بالتركيز على هدف (عملية التركيز التلقائي ذات الحلقة المغلقة):

1. يتم تقييم الضوء الذي يمر عبر الأطراف القصوى للعدسة بواسطة مستشعرين للصور.
2. بناءً على كيفية وصول الضوء إلى مستشعرات الصور، يمكن لنظام التركيز التلقائي تحديد ما إذا كان الجسم يعاني من تركيز أمامي 또는 خلفي ومقدار هذا الانحراف.
3. يقوم نظام التركيز التلقائي بعد ذلك بإصدار تعليمات للعدسة لتعديل بؤرتها.
4. تتكرر الخطوات المذكورة أعلاه عدة مرات حسب الحاجة حتى يتم تحقيق التركيز المثالي. إذا تعذر تحقيق التركيز، تعيد العدسة ضبط نفسها وتبدأ في إعادة البحث عن التركيز، مما يؤدي إلى ظاهرة “بحث التركيز”.
5. بمجرد تحقيق التركيز المثالي، يرسل نظام التركيز التلقائي تأكيدًا بأن الجسم في بؤرة التركيز (مثل نقطة خضراء داخل محدد المنظر، 또는 صوت تنبيه، وما إلى ذلك).

تحدث كل هذه العمليات في جزء من الثانية، وهذا هو السبب في أن نظام اكتشاف الطور أسرع بكثير من نظام اكتشاف التباين (الذي يعتمد على تغيير التركيز ذهابًا وإيابًا حتى يتم تحقيق التركيز، مع إجراء الكثير من تحليل بيانات الصورة على مستوى مستشعر الصورة).

يُعد نظام التركيز التلقائي القائم على اكتشاف الطور (phase-detection AF) نظامًا معقدًا للغاية يشهد تحسينات مستمرة مع كل تحديث لخطوط الكاميرات الاحترافية المتطورة. على مر السنين، تزايد عدد نقاط التركيز التلقائي بشكل ملحوظ، وكذلك عدد نقاط التركيز التلقائي المتقاطعة (cross-type) الأكثر موثوقية. على سبيل المثال، تتميز كاميرات Canon 1D X 그리고 Canon 5D Mark III بـ 61 نقطة تركيز مذهلة، منها 41 نقطة من النوع المتقاطع. ألقِ نظرة على هذه المصفوفة المعقدة من مستشعرات التركيز التلقائي في الكاميرا:

لم يقتصر الأمر على زيادة عدد نقاط التركيز التلقائي (AF)، بل شمل أيضًا تحسين موثوقيتها بشكل كبير. تأتي معظم الكاميرات الاحترافية الحديثة اليوم مزودة بأنظمة تركيز تلقائي فائقة السرعة وعالية التكوين، قادرة على تتبع الأهداف باستمرار وتحقيق التركيز بدقة.

مشاكل التركيز التلقائي في كاميرات DSLR

تُعد مشاكل التركيز التلقائي في كاميرات DSLR تحديًا يواجهه العديد من المصورين، حيث يتطلب نظام اكتشاف الطور (phase detection autofocus) دقة عالية جدًا للحصول على نتائج صحيحة. الأهم من ذلك، يجب أن يتم تركيب ومحاذاة نظام اكتشاف الطور/التركيز التلقائي بشكل صحيح أثناء عملية التصنيع. إذا كان هناك أدنى انحراف، وهو أمر يحدث كثيرًا في التصنيع، فإن التركيز التلقائي سيكون غير دقيق. هذا هو السبب الرئيسي وراء كون نظام اكتشاف الطور مصدرًا للمشاكل منذ ظهور أول كاميرا DSLR مزودة بمستشعر اكتشاف الطور. إدراكًا لهذه الانحرافات المحتملة، طوّر جميع مصنعي كاميرات DSLR نظام معايرة عالي الدقة يأخذ ذلك في الاعتبار ويسمح بالمعايرة الفردية للكاميرا أثناء عملية الفحص وضمان الجودة (QA).

في حال اكتشاف مشكلة في محاذاة مستشعر اكتشاف الطور، يقوم النظام بإجراء اختبار آلي محوسب يمر عبر كل نقطة تركيز ويضبطها يدويًا داخل الكاميرا. يتم إعادة معايرة وإعادة ضبط النقاط غير الدقيقة، ثم تُكتب قيم التعويض في البرامج الثابتة (firmware) للكاميرا. يمكن اعتبار هذه العملية مشابهة لـ AF Fine Tune / AF Micro Adjust التي تحدث على مستوى اكتشاف الطور، ولكنها تُجرى لكل نقطة تركيز تلقائي على حدة.