Принцип работы оптического стабилизатора изображения в объективах Canon

Оптическая стабилизация изображения в объективах — это технология, позволяющая механически компенсировать угловые движения и дрожание фотокамеры для предотвращения смазывания изображения при больших выдержках (на жаргоне «шевелёнки»).

Система оптической стабилизации применяется в случаях когда вести съемку со штатива не представляется возможным и по сути дела, служит заменой штативу в некотором диапазоне значений выдержки.

Впервые технология оптической стабилизации изображения была представлена в 1994 году фирмой Canon получившая название OIS (англ. Optical Image Stabilizer — оптический стабилизатор изображения). Сама технология настолько хорошо зарекомендовала себя, что была подхвачена другими производителями объективов.

Кардинальных отличий принципов работы стабилизаторов нет, тем не менее разные производители называют свою реализацию оптической стабилизации по-разному:

• Canon — Image Stabilization (IS)
• Nikon — Vibration Reduction (VR)
• Panasonic — MEGA O. I.S.(Optical Image Stabilizer)
• Sony — Optical Steady Shot
• Sigma — Optical Stabilization (OS)
• Tamron — Vibration Compensation (VC)

Принцип работы оптического стабилизатора изображения объектива

Поскольку идея IS принадлежит Canon inc рассмотрим принцип работы стабилизатора на примере ее продукции.

В первой части материала рассмотрим наглядно работу IS не вдаваясь в теорию и технические термины, а в качестве пособия воспользуемся великолепными роликами компании.

Сердцем объективов IS от Canon является компактный и легкий стабилизатор изображения, который работает вместе с дополнительной группой линз, высокоскоростным микроконтролером и двумя вибро-гироскопическими датчиками, что позволяет безотказно и точно корректировать сотрясение и дрожание фотокамеры.

Как работает встроенный стабилизатор изображения

Дрожание (шевеленка) фотокамеры вызывает движение объектива, изменяя угол потока входящего света относительно оптической оси, и как следствие с проецированное изображение «плавает» по поверхности матрицы, в результате получаются размытые фотоснимки.

Объективы Canon оснащенные системой IS корректируют смещение потока света, перемещая подвижную двояковогнутой линзу оптического стабилизатора в противоположную сторону по направлению движения объектива. Это стабилизирует положение с проецированного изображения на матрице во время съемки и снижает степень «размазывания» снимка.

Демонстрация работы оптического стабилизатора изображения объектива

Объектив Canon EF 400mm f/4 DO IS USM — смоделированный для иллюстрации поперечный срез.

Новая технология Hybrid IS разработанная специально для макросъемки

Angle camera shake — Резкое изменение угла направления объектива (на рис. сверху) в круговой плоскости скажется на качестве изображения при обычной съемке (например пейзажной)     Shift camera shake — в то время как смещение фотоаппарата в линейной плоскости (на рис. внизу) параллельно объекта съемки больше скажется на качестве при макро съемке.

Технология Canon Hybrid IS — принцип работы

При макро съемке вибрация и дрожание фотокамеры влияет как на спроецированное изображение на матрице, так и на изображение сформированное в видоискателе что в свою очередь мешает сосредоточиться и зафиксировать четкое изображение.

В оптических стабилизаторах Hybrid IS задействованы: датчик угловой скорости для определения степени отклонения угла из-за эффекта дрожания рук, который использовался в обычных механизмах стабилизации изображения (в народе антитряс), а также новый датчик ускорения, определяющий степень смещения объектива в линейной плоскости. Микроконтролер анализирует сигналы с датчиков и по специальному алгоритму формирует управляющие сигналы для смещения линзы стабилизатора при помощи электромагнитного привода.

Таким образом оптические стабилизаторы Hybrid IS позволяют уменьшить влияние обеих типов «шевеленки».

Учитывая что при макро съемке зачастую не возможно воспользоваться штативом, технология Canon hybrid is просто незаменима.

Кнопки:
IS Off — демонстрация изображения в видоискателе снимаемого объекта с выключенным стабилизатором изображения
IS — демонстрация изображения в видоискателе снимаемого объекта с включенным стабилизатором изображения
Hybrid IS — демонстрация изображения в видоискателе снимаемого объекта при работе стабилизатора изображения Hybrid IS
Shooting — аналогична кнопки затвора (спуск затвора) в фотоаппарате, если кликнуть «мышкой» по кнопке, ролик продемонстрирует какой может получится снимок.

Dynamic IS — демонстрация работы динамического стабилизатора изображения

Dynamic IS используется телевиках и широкоугольных объективах при съемке фильмов. Динамический стаб помогает уменьшить дрожание и смещение фотокамеры при съемке во время ходьбы. Технология «Dynamic IS» ранее считалась трудно реализуемой.

 

 

Добавить комментарий

Способы стабилизации изображения

Автор(ы): Карпухин Илья Викторович
Рубрика: Технические науки
Журнал: «Евразийский Научный Журнал №2 2016»  (февраль)
Количество просмотров статьи: 6322
Показать PDF версию Способы стабилизации изображения

Карпухин И. В.

В статье исследуются способы стабилизации изображения. Рассмотрены основные технические характеристики, а также достоинства и недостатки разных способов.

Ключевые слова: стабилизация изображения, оптический стабилизатор, цифровой стабилизатор.

Введение

Современные требования, предъявляемые к оптическим приборам, сводятся в основном к сочетанию двух противоречащих друг другу характеристик: высокого углового разрешения и минимальной массы и габаритных размеров прибора. Эти требования сохраняются также для аппаратуры, работающей в условиях подвижного или недостаточно устойчивого основания. Для сохранения потенциальных возможностей оптических приборов в области разрешающей способности чаще сего используют различные дополнительные механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Такие устройства называют системами стабилизации изображения.

1 Способы стабилизации изображения

Существует два основных способа стабилизации изображения: оптический и цифровой (электронный). Электронная стабилизация изображения использует комплексный программный алгоритм улучшения качества изображения. Оптическая же является аппаратным решением.

1.1 Оптическая стабилизация изображения

Оптический стабилизатор состоит из двух элементов: детектора движения – системы гироскопов, которые фиксируют перемещение прибора в пространстве, и компенсирующей линзы. Принцип действия таков: компенсирующая линза в объективе смещается в противоположном направлении от зарегистрированного датчиком смещения. В результате лучи света на всех кадрах попадают в одну и ту же область на светочувствительной матрице. Снятие показаний с детектора происходит чаще, чем считывание данных с матрицы, и линза успевает скорректировать свое положение еще до снятия изображения с матрицы. Благодаря этому не возникает ни сдвигов изображения между кадрами, ни размытости в рамках одного кадра.

Одним из минусов оптического стабилизатора является использование при его производстве дорогостоящих и сложных механических элементов. Кроме того, наличие оптической группы из нескольких элементов может сказаться на светосиле объектива, то есть на способности обеспечивать тот или иной уровень освещенности изображения при данной яркости объекта.

В общем случае оптические стабилизаторы делятся на два вида: первые перемещают весь прибор на подвижном основании, вторые перемещают оптические элементы внутри прибора. В последних для стабилизации оптического изображения обычно применяются следующие элементы.

Зеркала.   Для изменения направления визирного луча может быть использовано плоскопараллельное зеркало с внутренним или наружным отражающим покрытием. Чтобы повернуть линию визирования на заданный угол, зеркало поворачивают на половинный угол.

Клинья.   Для малого отклонения визирного луча при значительном механическом перемещении применяются преломляющие оптические клинья. Два одинаковых клина, поворачивающихся в разные стороны на одинаковые угла, образуют клин с переменным углом отклонения луча.

Куб-призма.   Состоит из двух прямоугольных призм, склеенных гипотенузными гранями, на которых имеются отражающие покрытия. Куб-призма дает возможность изменения направления визирного луча больше, чем на 180˚.

Призма Дове, или призма прямого зрения. Эта призма оборачивает оптическое изображение сверху вниз. Призмой Дове пользуются для того, чтобы вращать изображение вокруг оси визирования.

Призма Пехана. Поскольку призма Дове имеет значительную длину, то в компактных устройствах для вращения изображения используют призму Пехана, представляющую собой склейку призмы Шмидта и полупентапризмы. Призма Пехана может работать и в сходящихся пучках, но потери света здесь больше, поэтому применяется она реже.

Жидкостный клин.   Кювета с эластичными стенками, прозрачными окнами, заполненная прозрачной легкотекучей жидкостью, используется в системах стабилизации оптического изображения как регулируемый оптический клин. В зависимости от наклона стеклянного окна визирный луч, проходящий через кювету, отклоняется в ту или иную сторону.

Количество оптических элементов, используемых для стабилизации оптического изображения, непрерывно увеличивается. Здесь приведены только основные, применение которых в оптическом приборостроении стало традиционным.

1.2 Цифровая стабилизация изображения

Действие цифрового стабилизатора основано на анализе смещения изображения на матрице. Изображение считывается только с части матрицы, таким образом по краям остается запас свободных пикселей. Эти пиксели и используются для компенсации смещения прибора. Т.е. при дрожании кадра картинка перемещается по матрице, а процессор фиксирует колебания и корректирует изображение, смещая его в противоположном направлении.

В цифровых стабилизаторах отсутствуют подвижные части (в частности, оптические группы из нескольких линз). Это положительно сказывается на надежности, так как меньше элементов подвержены поломке. Кроме того, использование цифровых стабилизаторов изображения позволяет увеличить чувствительность светопоглощающих элементов (матрицы).

Также скорость реакции цифрового стабилизатора может быть выше, чем оптического.

У цифровых стабилизаторов есть ряд недостатков по сравнению с оптическими, в частности, при плохой освещенности получается изображение низкого качества. С увеличением фокусного расстояния объектива эффективность снижается: на длинных фокусах матрице приходится совершать слишком быстрые перемещения со слишком большой амплитудой, и она просто перестаёт успевать за «ускользающей» проекцией.

Таким образом, считается, что стабилизация сдвигом матрицы менее эффективна, нежели оптическая стабилизация.

2 Основные технические характеристики

Одним из основных параметров, характеризующих качество функционирования систем стабилизации оптического изображения, является динамическая точность, которая определяется ошибками стабилизации оптического изображения и ошибками слежения линии визирования за исследуемым объектом.

Задача определения точности стабилизации оптического изображения сводится к измерению угловых отклонений линии визирования при угловых и возвратно-поступательных переносных движениях основания, обусловленных качкой подвижного объекта. При этом необходимо учитывать ряд специфических особенностей функционирования системы в системах рассматриваемого класса. Это, прежде всего, малые величины ошибок стабилизации и слежения; необходимость измерения точности стабилизации оптического изображения непосредственно на оптическом элементе, который соединен с системой неединичной кинематической связью и совершает колебания в инерциальном пространстве, необходимость измерения ошибок стабилизации и слежения при различных положениях системы и оптического элемента.

Список используемых источников

1. Система стабилизации и наведения линии визирования с увеличенными углами обзора / В.А, Смирнов, В.С. Захариков, В.В. Савельев // Гироскопия и навигация, № 4. Санкт-Петербург , 2011. С.4-11.

2. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д. Н. Еськов, Ю. П., Ларионов, В. А. Новиков [и др.]. Л.: Машиностроение,1988. 240 с.

3. Стабилизация оптических приборов / А. А. Бабаев -Л.: Машиностроение, 1975. 190 с.

Оптическая стабилизация изображения — NANOMOTION

Новости отрасли и применение

Стабилизация изображения (IS) включает в себя множество методов, которые используются для уменьшения размытия, связанного с дрожанием камеры, видеокамеры или другого устройства для получения изображения. Цифровая стабилизация изображения, хорошо известная на рынке цифровых фотоаппаратов, использует метод смещения электронного изображения (пикселей) от кадра к кадру для противодействия движению. Хотя этот метод потенциально может уменьшить вибрации от ваших рук, улучшая качество неподвижного изображения, чрезмерное время экспозиции может привести к шуму, который влияет на качество изображения по краям.

Оптическая стабилизация изображения (OIS) использует электромеханическое решение для изменения оптического пути к датчику изображения. Это может быть реализовано в самом объективе или в датчике изображения. Хотя подвижный объектив имеет то преимущество, что «нет движущихся проводов», он представляет собой большую массу, чем датчик изображения. Перемещение датчика изображения представляет собой небольшую движущуюся массу, но необходимо управлять гибким печатным проводом, который прикреплен.

Оптическая стабилизация изображения, перемещающая либо объектив, либо датчик изображения, перекочевала во множество приложений, связанных с получением изображений. Военным камерам, тепловизорам, биноклям и множеству оптических устройств требуются небольшие двигатели и быстрая реакция, чтобы обеспечить эту функциональность.

2 Двигатели Edge, прикрепленные к изгибу, управляются гироскопом, который подает аналоговый сигнал на двухосевую ASIC Nanomotion. Любое движение, создаваемое рукой, стабилизируется датчиком изображения.

Product Focus

Семейство миниатюрных пьезокерамических моторных элементов (или корпусных моторов) Nanomotion можно интегрировать в камеру или другое устройство обработки изображений для обеспечения оптической стабилизации изображения.

Edge Motor и ASIC от Nanomotion хорошо подходят для приложений OIS. Двигатель Edge весит 0,55 грамма и обеспечивает усилие 0,3 Н при максимальной скорости 150 мм/сек. Двигатель Edge поддерживается двухосевой ASIC, которая может функционировать как двухосный «только привод» или как двухосевой привод/контроллер, замыкая контур положения с датчиком положения.

Двигатель обеспечивает:

• Широкую полосу пропускания для быстрого перемещения и установки
• Небольшие габариты, но мощность
• Нулевой люфт

Реакция на синусоидальный вход

Амплитуда = 0,65 мм 9050405 Частота 9030405

Частота 1 Гц

Чтобы получить полное представление о конструкции системы и уровнях производительности, свяжитесь с Nanomotion по телефону [email protected] или +1 (631) 585-3000 или посетите веб-сайт www.nanomotion.com .

О

Используя запатентованную технологию, Nanomotion разрабатывает и производит полные решения для перемещения от начала до конца.

Узнайте больше о Nanomotion.

Видео

Решения для движения по отраслям

Оборонная оптика
Биомедицинская
Полупроводниковая промышленность
Другие отрасли

Поделиться: 3900 0004 Связанные статьи

Сфера деятельности: Эндоскопия

() Эндоскопы, разработанные в 1806 году, первоначально предназначались для исследования и подтверждения (диагностики) с помощью минимально инвазивной хирургической процедуры. Сегодня, с более чем 10 м

Оптическая микроскопия

() Микроскопия: Область использования микроскопа для просмотра образцов или объектов. В области микроскопии существует широкий спектр

Оптимизация спектрального сканирования

() Спектроскопия — это изучение взаимодействия (поглощение и излучение) между веществом и светом в зависимости от длины волны или частоты

Технология объектива Canon: стабилизация изображения

ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО CANON, НЕОБХОДИМО ДЛЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ EOS

СТАБИЛИЗАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ (IS)

ОПТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ CANON ДЛЯ УСТРОЙСТВА СОТРЯБЛЕНИЯ КАМЕРЫ

30

АРТИКУЛЫ

Одна из основных причин плохого качества изображения это дрожание камеры. Если вы двигаете камеру во время экспозиции, изображение, скорее всего, будет размытым. У Canon есть решение в виде специально разработанной группы элементов объектива, помогающих решить эту проблему — система оптической стабилизации изображения (IS).

Последнее обновление 6 января 2021 г.

В течение ряда лет решение Canon для преодоления последствий дрожания камеры, когда непреднамеренное движение камеры во время экспозиции приводит к размытым изображениям, заключалось в стабилизации изображения в ее объективах. . Включение IS с годами увеличилось, и в середине 2020 года Canon сделала еще один шаг вперед, разработав внутреннюю стабилизацию изображения (IBIS) в дополнение к своим оптическим конструкциям.

Здесь мы рассмотрим, как работает оптическая стабилизация изображения и когда она эффективна для вашей фотографии.

Как это работает

Стабилизация изображения (IS) Canon управляется группой элементов внутри объектива, которые перемещаются под прямым углом к ​​оси объектива. Движение этой специальной группы линз контролируется бортовым микрокомпьютером, который противодействует дрожанию камеры.

Когда IS включен и кнопка спуска затвора частично нажата, группа стабилизирующих линз, которая фиксируется в центральном положении, когда она не активна, освобождается. Затем запускаются два гироскопических датчика, которые определяют скорость и угол любого движения камеры. Данные обнаружения передаются на микрокомпьютер, который анализирует их и подготавливает инструкцию для специальной группы линз-стабилизаторов. Эта инструкция передается группе стабилизаторов линз, которые перемещаются с соответствующей скоростью и углом, чтобы противодействовать движению камеры.

Эта полная последовательность постоянно повторяется, чтобы обеспечить мгновенную реакцию на любое изменение силы или направления дрожания камеры. С момента частичного нажатия кнопки спуска затвора требуется около одной секунды, чтобы стабилизация стала действительно эффективной. Действие стабилизации продолжается примерно секунду после того, как вы уберете палец со спуска затвора.

Вверху: Покомпонентное изображение механизма стабилизации изображения, используемого в объективе EF 70-200mm f4.5-5.6L IS USM.

Преимущества IS

Оригинальные объективы с этой системой давали возможность коррекции примерно на 2 ступени, что позволяло держать объектив на две ступени ниже, чем это обычно возможно, поэтому 1/60 секунды дает аналогичные результаты с точки зрения резкости, например, до съемки с выдержкой 1/250 секунды.

Более современные объективы со стабилизатором поперечной устойчивости допускают большую коррекцию, и теперь мы обычно видим объективы, которые предлагают коррекцию на 3 или 4 ступени. EF 200mm f2L IS USM стал первым объективом Canon с коррекцией на 5 ступеней.

Хотя стабилизация изображения хорошо работает при съемке статичных объектов, она не может обеспечить такие же преимущества более длинной выдержки при съемке движущихся объектов — здесь скорость затвора необходима для того, чтобы заморозить действие.

Стабилизация изображения полностью противодействует движению камеры, а не движению объекта.

Вверху: В сентябре 1995 года компания Canon представила первый в мире объектив с технологией стабилизации изображения — EF 75-300mm f4-5.6 IS USM, которая давала преимущество в 2 ступени.

Правило удержания в руках…

Правило взаимного соответствия определяет самую медленную скорость затвора, которую следует использовать, когда вы держите камеру в руках. Это эмпирическое правило гласит, что скорость затвора не должна быть длиннее, чем единица фокусного расстояния вашего объектива. Например, если ваш объектив имеет фокусное расстояние 400 мм, самая длинная выдержка должна быть 1/400 секунды, если вы хотите избежать размытия, вызванного дрожанием камеры.

Вверху: Эта увеличенная часть церковных часов была снята с выдержкой 1/100 секунды на расстоянии 400 мм без стабилизации изображения. Объектив EOS 6D, EF 100–400 мм f4,5–5,6L IS USM.

Вверху: С теми же настройками, но с включенной стабилизацией изображения циферблат немного четче на 1/100 секунды.

Вверху: Тот же снимок был сделан с выдержкой 1/13 секунды на расстоянии 400 мм без стабилизации изображения.

Вверху: Этот снимок был сделан с теми же настройками и включенной стабилизацией изображения. Здесь явно видна польза от ИС.

При съемке с фокусным расстоянием 400 мм, если вы держите камеру правильно и у вас твердая рука, вы можете выжать выдержку 1/200 или даже 1/100 секунды одним нажатием – как мы сделали здесь – но со стабилизацией изображения вы можете легко делать приемлемо резкие изображения при гораздо более длинных выдержках.

С объективом EF 100-400mm f4.5-5.6L IS USM стабилизация изображения позволила нам работать вплоть до 1/13 секунды.

Фотосъемка при слабом освещении

Стабилизация изображения дает реальные преимущества при съемке при слабом освещении и интерьере, позволяя снимать без штатива в условиях все более сложного освещения.

Объективы с фокусным расстоянием от 200 мм до 300 мм было бы практически невозможно использовать при слабом освещении при съемке с рук, если бы они не имели стабилизации изображения. Это позволяет использовать длительные выдержки 1/60 секунды и 1/30 секунды (в зависимости от обращения с вашей камерой), которых вы, скорее всего, сможете достичь при слабом уровне освещенности.

ВЫШЕ: Витраж, снятый с рук с выдержкой 1/15 секунды, на камеру EOS 5D Mark II и объектив EF 70-300mm f4-5.6L IS USM с фокусным расстоянием 300 мм. Стабилизация изображения включена.

ВЫШЕ: Та же сцена и настройки, но на этот раз с отключенным стабилизатором изображения. Когда вы держите объектив 300 мм в руках при выдержке 1/15 секунды, отчетливо видны эффекты дрожания камеры.

Чтобы воспользоваться преимуществами объективов со стабилизацией изображения, необходимо контролировать скорость затвора. Рекомендуется работать в режиме с приоритетом выдержки (ТВ), так как это означает, что вы можете установить скорость, которая, как вы знаете, безопасна для съемки с рук, и ISO можно установить соответствующим образом, или вы можете оставить его на «Авто», чтобы камера следила за съемкой. Настройка ISO.

Панорамирование

Одна из ситуаций, когда система IS может работать против вас, — это когда вы пытаетесь проследить за движением объекта с помощью панорамирования. Этот метод часто используется для получения резкого объекта на фоне с размытым изображением движения, как, например, у этого велосипедиста.

Проблема возникает, когда камера не может отличить преднамеренное панорамирование от непреднамеренного дрожания камеры.

Система IS обнаруживает движение панорамирования и пытается противодействовать ему. Когда он выходит за пределы диапазона регулировки, он сбрасывается и начинает следующий цикл коррекции. Такое поведение может привести к непредсказуемым результатам при фотосъемке и рывкам при видеосъемке.

Для решения этой проблемы некоторые объективы Canon IS имеют дополнительный переключатель «режим», который имеет до трех настроек:

• Режим 1 — это стандартная операция по двум осям (тангаж и рыскание), в которой камера пытается исправить любое обнаруженное движение. Это стандартный режим, предназначенный для неподвижных объектов.
• Режим 2 предназначен специально для панорамирования. Он предназначен для игнорирования движения в направлении панорамирования, но корректирует любое обнаруженное движение под прямым углом к ​​направлению панорамирования.
• Режим 3 предназначен для фотографов, которые не хотят, чтобы IS влиял на изображение в видоискателе. В этом режиме стабилизация применяется только во время фактической экспозиции.

Некоторые современные объективы со стабилизатором поперечной устойчивости вообще обходятся без переключателя режимов и вместо этого включают автоматическое определение панорамирования.

Объектив и камера IS

Первоначальное решение Canon полностью разместить систему стабилизации изображения внутри объектива позволило оптимизировать работу каждого объектива. Улучшения в конструкции объектива и преобразователя, а также увеличенная мощность процессора сделали систему IS более быстрой и точной.

Нужно ли более 5 остановок? В то время мы думали, что нет. Огромные улучшения при более высоких настройках ISO означали, что ваши возможности были довольно широкими, когда дело дошло до сложных условий, и снимки, которые когда-то было невозможно сделать с рук, стали намного проще делать.

Появление IBIS

В 2020 году введение встроенной стабилизации изображения еще больше расширило потенциальные преимущества стабилизации изображения. В камерах EOS R5 и R6 предусмотрена встроенная 5-ступенчатая стабилизация изображения — это достигается путем перемещения датчика по большому кругу изображения, который предлагает система EOS R, что выполняется в постоянном цикле обратной связи с объективом.

Более того, камера не только предлагает стабилизацию изображения, но и работает в сочетании с системой стабилизации изображения на основе объектива Canon, обеспечивая до 8 ступеней эффективности.

Вы можете узнать больше о комбинациях камеры и объектива здесь

Самое интересное в этой недавней разработке то, что с 8-ступенчатой ​​IS вы можете делать резкие снимки с рук всего за 1, 2 или даже 4 секунды.