Come funziona l'autofocus a rilevamento di fase?

Quando si parla di tecnologia delle fotocamere reflex digitali , spesso si fa molta confusione sul funzionamento dell'autofocus a rilevamento di fase (PDAF). Questo argomento potrebbe non interessare a molti, ma se vi state chiedendo perché e come si verificano problemi di autofocus nella vostra fotocamera, questo articolo spiegherà cosa succede al suo interno quando scattate una foto. Esistono innumerevoli recensioni negative sui problemi di autofocus di dispositivi di fascia alta come la Canon 5D Mark III, la Nikon D800, la Pentax K-5 e altre fotocamere reflex digitali. La maggior parte dei fotografi sembra non essere consapevole che il problema principale non risiede necessariamente nel modello o nel tipo specifico di fotocamera, ma piuttosto nel particolare modo in cui queste fotocamere acquisiscono la messa a fuoco. Una rapida ricerca su internet rivelerà migliaia di segnalazioni di problemi di autofocus in tutti i tipi di fotocamere reflex digitali risalenti a più di 10 anni fa. Pertanto, i problemi di messa a fuoco anteriore e posteriore che riscontriamo nelle fotocamere moderne non sono una novità; esistono fin dalla prima reflex digitale con sensore a rilevamento di fase.

Come funzionano le fotocamere reflex digitali?

Per comprendere a fondo questo problema, è fondamentale capire prima come funziona una fotocamera reflex digitale (DSLR) . Le illustrazioni tipiche delle DSLR mostrano solitamente un singolo riflettore posizionato a un angolo di 45 gradi. Tuttavia, ciò che queste illustrazioni non mostrano è uno specchio secondario dietro il riflettore, che riflette parte della luce verso il sensore a rilevamento di fase. Osservate l'illustrazione semplificata qui sotto, che ho creato basandomi su un'immagine tipica di una Nikon D800:

Di seguito viene fornita una descrizione di ciascun numero mostrato nell'illustrazione qui sopra:

1. raggio di luce
2. Specchio principale/riflettente
3. Lo specchio secondario, detto anche “sottospecchio”
4. Otturatore della fotocamera e sensore di immagine
5. Perno decentrato (esagono da 1.5 mm) per la regolazione dello specchio principale
6. Perno eccentrico (esagono da 1.5 mm) per la regolazione dello specchio secondario
7. Sensore di rilevamento di fase (sensore AF)
8. Pentaprisma
9. Mirino

Vediamo cosa succede all'interno di una fotocamera quando si scatta una foto. I raggi luminosi entrano nell'obiettivo (1) e raggiungono l'interno della fotocamera. Uno specchio primario semitrasparente (2) è posizionato con un'angolazione di 45 gradi, riflettendo la maggior parte della luce verticalmente verso il prisma pentagonale (8). Il prisma pentagonale converte la luce verticale in luce orizzontale e la riflette, in modo da poter vedere esattamente ciò che si vede guardando attraverso il mirino (9). Una piccola parte della luce attraversa lo specchio primario e viene riflessa dallo specchio secondario (3), anch'esso inclinato (54 gradi in molte fotocamere Nikon moderne, come mostrato sopra). La luce raggiunge quindi il sensore di rilevamento di fase/autofocus (7), che la reindirizza verso una serie di sensori (due sensori per ogni punto di messa a fuoco automatica). La fotocamera analizza e confronta le immagini provenienti da questi sensori (in modo simile a come viene valutata la messa a fuoco nelle fotocamere a telemetro) e, se non appaiono identiche, impartisce all'obiettivo le opportune regolazioni (vedi sotto per maggiori dettagli).

Sebbene il processo descritto sopra sembri abbastanza semplice, questo approccio presenta un problema fondamentale. Il sensore a rilevamento di fase impartisce all'obiettivo le istruzioni necessarie per effettuare le regolazioni, mentre l'immagine viene catturata da un dispositivo completamente diverso: il sensore sul retro della fotocamera. Perché questo è un problema? Ricordiamo che quando si scatta una foto, sia lo specchio primario che quello secondario si alzano, l'otturatore si apre e la luce proveniente dall'obiettivo viaggia direttamente verso il sensore della fotocamera (4). Affinché l'autofocus a rilevamento di fase funzioni correttamente, la distanza tra l'innesto dell'obiettivo e il sensore della fotocamera, così come la distanza tra l'innesto dell'obiettivo e il sensore a rilevamento di fase, devono essere esattamente le stesse . Anche una minima deviazione può causare un autofocus errato. Inoltre, se l'angolo dello specchio secondario non è preciso come dovrebbe, anche questo può causare problemi di autofocus.

Come funziona un sensore di rilevamento di fase?

Il funzionamento di un sensore a rilevamento di fase si basa sul principio del confronto di fase ottica, funzionando in modo simile a una fotocamera a telemetro. La luce riflessa da uno specchio secondario viene ricevuta da una serie di minuscoli sensori di immagine (due o più, a seconda del numero di punti di messa a fuoco nel sistema di autofocus) montati su microlenti. Per ogni punto di messa a fuoco visto nel mirino, ci sono due minuscoli sensori dedicati al rilevamento delle differenze di fase: uno su ciascun lato della lente, come illustrato nel diagramma in cima alla pagina (7) (il diagramma esagera questo comportamento mostrando due fasci di luce separati che arrivano a due sensori separati).

In realtà, i moderni dispositivi a rilevamento di fase contengono molti più di due sensori, e questi sensori sono posizionati molto vicini tra loro. Quando la luce raggiunge questi due sensori, se l'oggetto è a fuoco, i raggi luminosi provenienti dai bordi estremi della lente convergono direttamente al centro di ciascun sensore (proprio come accade con un sensore di immagine). In questo caso, entrambi i sensori avranno immagini identiche, a indicare che l'oggetto è perfettamente a fuoco. Se l'oggetto è fuori fuoco, i raggi luminosi non convergeranno e colpiranno lati diversi del sensore, come mostrato di seguito (immagine per gentile concessione di Wikipedia):

Le figure da 1 a 4 rappresentano i casi in cui la messa a fuoco è (1) troppo vicina, (2) corretta, (3) troppo lontana e (4) troppo lontana. I diagrammi dimostrano che la differenza di fase tra i due profili può essere utilizzata per determinare non solo la direzione in cui la messa a fuoco dovrebbe essere modificata, ma anche l'entità di questa modifica per ottenere una messa a fuoco ottimale. È importante notare che, in realtà, è l'obiettivo che si muove, non il sensore.

Poiché il sistema di rilevamento di fase sa se un soggetto è a fuoco anteriore o posteriore, può inviare istruzioni precise all'obiettivo della fotocamera sulla direzione e sull'entità della rotazione di messa a fuoco. Ecco cosa succede quando la fotocamera mette a fuoco un soggetto (autofocus a circuito chiuso):

1. La luce che attraversa i bordi estremi dell'obiettivo viene valutata da due sensori di immagine.
2. In base al modo in cui la luce raggiunge i sensori di immagine, il sistema di autofocus può determinare se l'oggetto è a fuoco anteriore o posteriore e di quanto è elevata questa deviazione.
3. Il sistema di autofocus quindi impartisce all'obiettivo l'ordine di regolare la messa a fuoco.
4. I passaggi sopra descritti vengono ripetuti tutte le volte necessarie fino a ottenere una messa a fuoco perfetta. Se non è possibile raggiungere la messa a fuoco, l'obiettivo si regola automaticamente e ricomincia la ricerca della messa a fuoco, dando luogo al fenomeno della "ricerca della messa a fuoco".
5. Una volta raggiunta la messa a fuoco perfetta, il sistema di autofocus invia una conferma che l'oggetto è a fuoco (ad esempio, un punto verde nel mirino, un segnale acustico, ecc.).

Tutte queste operazioni si svolgono in una frazione di secondo, motivo per cui il sistema di rilevamento di fase è molto più veloce del sistema di rilevamento di contrasto (che si basa sulla continua variazione della messa a fuoco fino al raggiungimento della messa a fuoco, con una grande quantità di analisi dei dati dell'immagine effettuata a livello del sensore di immagine).

L'autofocus a rilevamento di fase (AF) è un sistema estremamente complesso che viene costantemente migliorato ad ogni aggiornamento delle fotocamere professionali di fascia alta. Nel corso degli anni, il numero di punti di messa a fuoco è aumentato significativamente, così come il numero di punti di messa a fuoco a croce, più affidabili. Ad esempio, le fotocamere Canon 1D X e Canon 5D Mark III vantano ben 61 punti di messa a fuoco, di cui 41 a croce. Osservate attentamente questa complessa rete di sensori di messa a fuoco all'interno della fotocamera:

Non solo è aumentato il numero di punti di messa a fuoco automatica (AF), ma è migliorata significativamente anche la loro affidabilità. La maggior parte delle moderne fotocamere professionali è oggi dotata di sistemi di autofocus ultraveloci e altamente configurati, in grado di seguire continuamente i soggetti e di raggiungere una messa a fuoco precisa.

Problemi di autofocus nelle fotocamere reflex digitali

I problemi di autofocus nelle fotocamere reflex digitali (DSLR) rappresentano una sfida per molti fotografi, poiché il sistema di autofocus a rilevamento di fase richiede una precisione estremamente elevata per ottenere risultati accurati. È fondamentale che il sistema di autofocus a rilevamento di fase sia installato e allineato correttamente durante il processo di produzione. Anche la minima deviazione, piuttosto comune in fase di produzione, comprometterà la precisione dell'autofocus. Questo è il motivo principale per cui il sistema a rilevamento di fase è stato fonte di problemi fin dalla comparsa della prima fotocamera DSLR dotata di questo sensore. Consapevoli di queste potenziali deviazioni, tutti i produttori di fotocamere DSLR hanno sviluppato un sistema di calibrazione di alta precisione che tiene conto di questo aspetto e consente la calibrazione individuale di ogni fotocamera durante il processo di ispezione e controllo qualità (QA).

Se viene rilevato un problema di allineamento del sensore a rilevamento di fase, il sistema esegue un test automatico computerizzato che analizza ogni punto di messa a fuoco e lo regola manualmente all'interno della fotocamera. I punti imprecisi vengono ricalibrati e regolati nuovamente, e i valori di compensazione vengono quindi scritti nel firmware della fotocamera. Questo processo può essere considerato simile alla regolazione fine/micro-regolazione AF a livello di rilevamento di fase, ma viene eseguito su ogni singolo punto di messa a fuoco.