Op deze pagina Top Matglas Lenssysteem Split image Werkelijkheid Wanneer werkt dit systeem niet? Microprisma Toepassing
Scherpstelling door fase detectie
(coïncidentiedetector)
Stigmometer
Fotografie » TechTalk » Fysica » Werking stigmometer
Manuele spiegelreflexcamera's waren vaak uitgerust met een stigmometer of split prisma voor de scherpstelling. Naast de stigmometer had de zoeker ook een microprismagebied (eigenlijk allemaal kleine split prisma's die microscopische pyramides vormen). In dit artikel wordt uitgelegd hoe dit systeem werkt (en en passant ook hoe de contrast-detektiemethode werkt, maar dit is in een oogwenk uitgelegd). In de automatische spiegelreflextoestellen wordt eenzelfde systeem toegepast voor de scherpstelling, waarbij een speciale sensor en bijhorende electronika wordt gebruikt voor de scherpstelling: een coïncidentiedetektor. Een dergelijke detektor is in staat de verschuiving van twee beelden vast te stellen.

Dit artikel is grotendeels gebaseerd op
Principle of the Split Image Focusing Aid and the Phase Comparison Autofocus Detector in Single Lens Reflex Cameras,
vertaald met toelating van Doug Kerr.
Alle technische artikels over
digitale fotografie:
Vergelijkingen compact/SLR
Vergelijkingen film/digitaal
Bespreking lenzen en accessoires
Fotografie en natuurkunde Portretfotografie en het werken met modellen
Manuele scherpstelling door middel van een
stigmometer en microprisma gebied
wordt hier uitgelegd.
Dit moet u zeker als inleiding lezen!
Meer artikels over de
werking van een digitaal fototoestel
kan u hier vinden.

Scherpstelling door middel van een matglas

Stigmometer of split prisma
Klik op de foto voor meer uitleg over het manueel scherpstellen door midel van een split prisma
In een reflextoestel kan het focusvlak gevonden worden door het beeld dat op een matglas valt te bekijken. Dit systeem is niet bijzonder nauwkeurig omdat het matglas zelf een zekere beeldonscherpte veroorzaakt. Het zogenaamde "matglas" is trouwens maar een vulgair stukje plastiek. Vroeger werd er echt glas gebruikt, dat ruw gemaakt werd door contact met waterstoffluoride.

Om op een meer nauwkeurige manier scherp te stellen werden manuele reflextoestellen uitgerust met een split prisma of stigmometer. De middelste deel van de zoeker is uitgerust met een dubbele prisma dat twee beelden produceert. Omdat er geen matglas aanwezig is is het beeld scherp. Maar we gaan niet werken met de beeldscherpte: het split prisma systeem verschuift namelijk beide delen van het beeld als de scherpstelling onjuist is (hoe dit gebeurt is de kern van het artikel). Onze ogen zijn beter in staat de beeldverschuiving te bepalen dan de beeldscherpte te beoordelen. Onze ogen zijn namelijk heel gevoelig voor gebroken lijnen. Dit systeem wordt in de schuifpasser (vernier) toegepast.

Het systeem met split prisma voor het scherpstellen wordt in een modernere uitvoering gebruikt in autofocus reflextoestellen. Het systeem met matglas kan vergeleken worden met het scherpstellen door middel van contrastdetektie zoals bij compacttoestellen.

Hoewel het systeem met split-prisma (en eventueel micro-prisma's) zeer nauwkeurig werkt bij het manueel scherpstellen (of het controleren van de automatische scherpstelling) wordt het meestal nooit aangeboden op moderne reflextoestellen. De gewone klant heeft nooit gewerkt met een dergelijk systeem dat hij eigenlijk "storend" vind. Beroepsfotografen maken echter nog steeds gebruik van dit systeem om de scherpstelling te controleren. Een split prisma kan nadien wel ingebouwd worden: bepaalde bedrijven leveren speciale kits ter vervanging van het gewone matglas.

Lenssysteem in een camera

We beginnen met de voorstelling van onze zeer eenvoudige camera. Dit toestel is uitgerust met één perfekte lens. Een lens breekt het licht zodanig dat alle lichtstralen afkomstig uit lichtpunt R op de gevoelige plaat samenomen op punt r. In ons voorbeeld werden er slechts twee rode lichtstralen getekend, maar in feite komen alle stralen (gelegen tussen de twee getekende, uiterste stralen) terecht op punt r. Andere lichtstralen die buiten de twee uitersten liggen komen niet terecht op de gevoelige plaat. Met deze voorstelling kan je al zien dat hoe groter de lens, hoe meer lichtstralen opgevangen kunnen worden door de lens en gebroken worden om de gevoelige plaat te bereiken.
De lens is eveneens uitgerust met een diafragma, dat bij onze ideale lensconstruktie samenvalt met de lens zelf.

Hier werd de lens naar het onderwerp verplaatst, zodat het scherpe beeld (het reëel beeld) niet meer op de sensorplaat valt, maar er juist voor. Op de gevoelige plaat zelf vormen de lichtpunten een cirkel (in technische termen circle of confusion genoemd), in 't mooi vloamsch heet dat een verstrooingscirkel.

Maar we moeten verder. In plaats van een gevoelige plaat wordt er bij spiegelreflextoestellen een matglas gebruikt voor het scherpstellen. Alle reflextoestellen zijn voorzien van een opklapbare spiegel die het beeld ofwel naar het matglas, ofwel naar de de sensor stuurt. We laten even de spiegel opzij en doen alsof die niet bestaat voor dit deel van het betoog.
Een matglas vangt het licht op en straalt het verder uit, waardoor je het beeld dat op het matglas valt kan zien. Zou het matglas volledig doorzichtig zijn, dan zou je het beeld niet zien. Het matglas verstrooit het licht over een brede hoek, en zou er geen lens juist achter het matglas geplaatst zijn (een collimatorlens) dan zou je nauwelijks iets van het beeld zien. De collimatorlens is hier eveneens niet getekend, maar een volledig beeld van een spiegelreflex kan u hier vinden. Het matglas en de collimatorlens (meestal een soort fresnel-lens) veroorzaken een kleine beeldonscherpte, waardoor je nooit kan zien of het beeld in perfekte focus is.
Na de collimatorlens volgt een pentamirror of pentaprisma (de rare construktie boven in het reflextoestel) dat nodig is om het beeld om te keren. Een monomirror in al zijn eenvoud keert het beeld niet om.

Hier hebben we weer onze lens naar het onderwerp verplaatst waardoor opnieuw het reëel beeld voor het matglas valt.

Scherpstelling door middel van split image

We hebben de inleiding afgehandeld en beginnen met de bespreking van de stigmometer, de voorziening die voor een betere manier van scherpstellen zorgt.

Het onderwerp is nu een horizontale lijn geworden, met de blauwe punt naar ons toe gericht, en de rode van ons af. Het onderwerp staat nog steeds evenwijdig met de camera, maar werd rond zijn as gedraaid. Ook werd er een speciale soort lens ingevoerd die ons zal toelaten de werking van het split image gemakkelijker uit te leggen:

  • De iris heeft nu twee openingen, één boven en één onder. Later zullen we zien dat deze speciale lens niet nodig was: het wordt enkel gebruikt ter verduidelijking.
  • De rode stralen passeren enkel door de bovenste opening, en de blauwe enkel de onderste. In werkelijkheid zal dit ook het geval zijn!
Het matglas is er niet meer, maar we geven enkel de plaats aan waar het reëel beeld gevormd wordt. Het oculair (ooglens) dient om de lichtstralen te bundelen naar de ogen. Meer dan een dioptrie-correctie voert het oculair niet uit.

Zoals je uit het beeld ziet, vallen de rode en blauwe lichtstralen niet op het oculair: de lichtstralen passeren boven en onder de ooglens.

Op de plaats van het matglas plaatsen we echter twee kleine prisma's die het licht afbuigen zodat het wel door de oculair gestuurd wordt. De rode prisma (die het licht van de rode objectuiteinde opvangt) staat dichter bij ons, de blauwe is verderaf gelegen. Je ziet zelfs al de basisstruktuur van de stigmometer (zij het dat het beeld vertikaal gespleten is terwijl echte stigmometers het beeld horizontaal splitsen).

Herhaling cursus optica:
Een reëel beeld is het beeld van het onderwerp dat je door een matglas of gevoelige plaat kan opvangen.
Het virtueel beeld is het beeld dat je door de lens (of in dit geval de prisma's) ziet. Een virtueel beeld kan je niet "opvangen" zoals een reëel beeld.
Virtuele beelden heb je normaal met concave (holle) lenzen, reële heb je met convexe (bolle) lenzen.
Nu halen we de grote trukkendoos boven! Als we onze lens dichterbij het object plaatsen, dan valt het reëel beeld niet meer mooi op het prisma, maar er juist voor. De rode en blauwe lichtstralen vervolgen hun weg, en komen verschoven terecht op het dubbelprisma. Het prisma breekt de lichtstralen zodat het beeld naar het oculair gestuurd wordt. We zien nu echter een gebroken beeld, dat karakteristiek is voor een verkeerd gefocusseerd beeld. Onze ogen zijn bijzonder gevoelig voor dit vernier-effekt.

In werkelijkheid

Laten we nu werken met een echt lenzensysteem met een normale opening. Met het volgend beeld (dat enkel van toepassing is op de rode lichtstralen) zal je merken dat lichtstralen die door andere plaatsen van de lens passeren (de magenta lijnen) door het prisma verder afgebroken worden zodat ze niet opgevangen worden door de oculairlens. Het is alsof de lens wel dergelijke vreemde openingen gehad zou hebben (voor wat betreft het beeld dat door de prisma's gestuurd wordt).

Maar hoe komt het dat de stralen van de blauwe punt door de blauwe prisma gaan en omgekeerd? Om dit aan te tonen bekijken we het volledig systeem van boven.

De lichtstralen van het rode uiteinde van het voorwerp passeren de lens en vallen op het rode prisma, de lichstralen van het blauwe uiteinde vallen keurig op de blauwe prisma. Wat we als een soort axioma hadden aangenomen gebeurt ook effektief. Al onze vooropstellingen met de vreemdsoortige lens zijn dus ook werkelijkheid.

Dit is de construktie zoals die ook in werkelijkheid bestaat: de twee prisma's (halve cirkels) zijn ingebouwd in het matglas. Door het matglas zie je het reëel beeld, door de prisma's zie je het gebroken beeld.

Wanneer werkt dit systeem niet?

Uit de vorige beelden had je al kunnen afleiden, dat als de lensopening kleiner gemaakt wordt het systeem niet meer zou werken. Inderdaad, de rode stralen die correct op het oculair hadden moeten vallen worden nu tegengehouden door de iris. De magenta lichtstralen die wel door de iris kunnen worden echter door het prisma afgebogen zodat ze niet meer op de ooglens vallen. In dit geval is het prismagebied volledig zwart!

Meestal wordt echter scherpgesteld met de iris volledig open; het is pas bij het nemen van de foto dat de iris eventueel wat gesloten wordt om minder licht door te laten. In deze gevallen heb je dus geen last van de kleinere opening. Er zijn echter lenzen die fabricagematig slechts een beperkte opening hebben: goedkope lenzen en lenzen met een zeer lange brandpuntafstand (telelenzen). Door de vorm van de prisma's te veranderen (kleinere afbuighoek) kan men ervoor zorgen dat lichtstralen van kleinere lenzen toch op het oculair vallen, maar dit gaat ten koste van de gevoeligheid van het systeem. Zelfs met een lens met een grote opening is de shift (de verschuiving van de gebroken beelden) veel kleiner als je een prisma met een kleinere afbuighoek zou gebruiken.

Digitale reflexfototoestellen gebruiken meerdere prismasystemen, om zowel een zeer nauwkeurige scherpstelling mogelijk te maken met lenzen met een grote opening als een voldoende scherpstelling met lenzen met een kleinere maximale opening.

Met een Spiegellens blijft de stigmometer in principe werken, want de lichtstralen lopen via de zijkanten van de optiek. Een 500mm ƒ/8 zoals de Sony SAL-2470Z gedraagt zich als een ƒ/5.6-lens wat betreft de scherpstelling.

Microprisma Systeem

Naast een dubbele prisma hebben sommige spiegelreflextoestellen ook een gebied met microprisma's (meestal een ring rond de twee hoofdprisma's). Als het beeld in het hoofdprisma zwart is geworden, kan je nog steeds scherpstellen met behulp van de microprisma's. De microprisma's zijn minder kieskeurig wat betreft de lensopening. Als het beeld in focus is, is het beeld door het microprismagebied niet gebroken: het ziet er normaal uit. Als het beeld echter uit focus is, dan wordt het beeld door iedere microprisma verschillend afgebroken. Van zodra het onderwerp (of de camera) licht beweegt, dan wordt het beeld zeer onrustig (ik kan het moeilijk anders uitleggen, je moet het zien in een oude spiegelreflex).

Het split prisma systeem toegepast bij autofocus

Het principe dat uitgelegd werd voor het manueel scherpstellen wordt ook toegepast bij autofocussytemen. Het systeem kan heel snel en nauwkeurig scherpstellen, omdat het precies weet hoe ver het object staat —iets dat de contrastmethode (gebruikt bij compact-toestellen) niet kan.

De twee prisma's sturen hun beeld naar twee kleine CCD sensoren (dezelfde die in de camera zelf gebruikt worden, maar ze hebben misschien maar 100 op 1000 pixels (langwerpige stroken). Omdat er weinig pixels zijn, gebeurt de verwerking ook zeer snel, en dit is wel nodig om bijvoorbeeld een motor aan volle snelheid te kunnen volgen. De prisma's zijn zodanig gemonteerd, dat in tegenstelling met het optisch equivalent het electronisch equivalent twee beelden bekomt die van hetzelfde gebied afkomstig zijn, enkel verschoven ten gevolge van de focusfout.

Hier zie je opnieuw de instelling met matglas. Op het matglas zijn aanduidingen gegraveerd waar de sensoren aktief zijn. Nikon gebruikt een tweede spiegel om het beeld naar de autofocussensoren te sturen, Canon gebruikt een soort periskoop dat als het ware het licht "oppikt" van de positie (deze plaats is op het matglas gegraveerd). Het is belangrijk dat enkel het beeld van de sensorplaats verder kan. Later zal je lezen dat daardoor het beeld op de focussensor altijd redelijk scherp zal blijven, zelfs al staat de focus totaal verkeerd (het werkt als een soort gesloten iris dat de scherptediepte groter maakt). Een bijkomende lens in nodig om het beeld opnieuw te concentreren (voorbij het vlak waar het reëel beeld ontstaat lopen de lichtstralen namelijk uit elkaar). Deze lens heeft geen invloed op de werking van het geheel. Daaropvolgend hebben we de prisma's en de sensors.

Op het tweede focaal vlak (dus na de tweede lens die een tweede reëel beeld produceert) hebben we nu geen matglas, maar een ondoorzichtige plaat waarin de twee prisma's gemonteerd zijn. De groene "schoorstenen" dienen om stoorstraling van de andere prisma's tegen te gaan. Als het beeld in focus is komen de lichtstralen op dezelfde plaats op beide sensoren. Als het beeld niet in focus is, zijn de twee beelden verschoven ten opzichte van elkaar. Met een fase vergelijking (ook soms wel coïncidentiedetektor genaamd in onze contreien) kan de elektronika bepalen hoeveel beide beelden van elkaar verschoven zijn.

Als de focus verkeerd is (er wordt een beeld gevormd vòòr de sensor array, zie magenta lijnen) dan wordt het beeld verschoven geprojecteerd. Het geprojecteerde beeld is ook minder scherp, maar de software heeft daar geen moeite mee: van zodra het beeld bijna in focus is, is het geprojecteerde beeld ook scherp. Omdat slechts een heel klein gebied van het volledig beeld gebruikt wordt voor de scherpstelling is de conus dat daardoor ontstaat zeer scherp (puntvormig). Zelfs bij verkeerde focus zit je maar met een kleine verstrooingscirkel.

Als laatste zie je een voorstelling van beide sensoren, hier met slechts een 10-tal pixels. Bij een juiste focus zien beide sensoren eenzelfde object. Als de focus niet juist staat, dan zien biede sensoren het object verschoven (en ook een beetje minder scherp). Het systeem van scherpstelling door middel van een stigmometer of split prisma wordt vaak scherpstelling door middel van fase detektie genoemd. De focus sensoren zijn namelijk lineaire CCD elementen en het signaal wordt door middel van klokpulsen afgetapt. Het signaal van beide sensoren wordt overgezet in het tijdsdomein, waarbij de focusfout overeenkomt met een fasefout.

Echte camera's zijn uitgerust met meerdere focusplaatsen (aangeduid in de zoeker). De geselecteerde focuspoint licht meestal kortstondig op bij het bereiken van de focus. Op iedere focuspoint heb je een sensor dat vooral gevoelig is voor vertikale of horizontale beeldelementen; enkel op de centrale punt heb je een dubbele sensor dat zowel gevoelig is voor horizontale als vertikale beeldelementen.

Zoals je in de tekst over de manuele camera's hebt gelezen, heeft iedere sensor een minimale lensopening nodig om te werken. Autofocustoestellen zijn daarom uitgerust met twee prisma's per sensor, die ieder berekend zijn voor één soort lens. Het prisma dat geschikt is voor lichtsterke lenzen (ƒ/2.8) werkt nauwkeuriger (dit is meestal ook nodig want dergelijke lichtsterke lenzen hebben een beperkte scherptediepte), terwijl het andere prisma blijft werken met weinig lichtsterke lenzen (tot aan ƒ/5.6). Manuele scherpstelling is nodig indien de lens minder lichtsterk is (bijvoorbeeld ten gevolge van het geruik van een extender).

Samenvatting

Dit is een schematische voorstelling. Het beeld moet scherp zijn op het beeldvlak (plaats van de sensor). Tijdens het scherpstellen vangt een spiegel het beeld op (tussen lens en sensor) en stuurt die door naar de focus sensoren (secondary image registration), dit zijn de lijnsensoren. Hoe dit praktisch gebeurt kan u hier zien: werking van een spiegelreflex. Als het beeld niet scherp is, dan verschuiven beide beelden ten opzichte van elkaar zoals op een split prisma (het beeld is ook wat minder scherp maar dit effekt wordt niet gebruikt).

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren