Come funziona l’autofocus: la tecnica e la tecnologia

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Nel seguente articolo approfondiremo il funzionamento dell’autofocus, accennato in un precedente articolo che potete trovare a questo indirizzo: La messa a fuoco.  A differenza di quanto già trattato, ovvero il sistema di autofocus a rilevamento di contrasto, questo articolo tratterà il più complicato sistema noto come Phase detect.

Phase detect AF

L’articolo che segue prende il considerazione il metodo di messa a fuoco “phase detect” (il più veloce ed il più usato nelle DSLR). Il secondo sistema è il “contrast detect” ed è usato sulle compatte o nelle reflex durante l’uso del live view. Sebbene abbia alcuni vantaggi rispetto al primo modello (in particolare i costi), è un sistema sostanzialmente più lento e quindi non ottimale per l’uso sulle reflex specie se professionali..

Il funzionamento del sistema AF a rilevazione di fase è abbastanza semplice nel suo funzionamento. Nello specchio principale (quello che devia la luce verso il mirino ottico) è presente una zona semitrasparente alle spalle del quale vi è un secondo specchio. La sua funzione è quella di dirigere parte della luce verso il sensore AF posizionato normalmente nella base della fotocamera.

Prima di colpire il sensore AF, la luce passa attraverso una matrice di micro-lenti che separano luce entrante per produrre una coppia di immagini che colpiscono i punti del sensore AF. Un ulteriore e semplice sensore misura la distanza tra queste due immagini per determinare se l’immagine è “prima” o “dopo” il punto di messa a fuoco e di quanto. Questa operazione viene effettuata per ogni punto del sensore AF: in pratica  ogni punto del sensore funge “banalmente” da telemetro.

I sistemi moderni sono molto più complessi di quanto raccontato qui sopra in quanto vengono introdotti concetti quali ‘high precision‘, ‘dual cross’ e ‘dual-line zigzag arrangement‘ che vedremo di seguito.

Caratteristiche dei sistemi AF (autofocus)

Le caratteristiche principali dei sistemi AF possono essere classificate come:

  • Numero dei punti
  • Geometria dei punti: semplice o complessa
  • accuratezza
  • Precisione
  • Sensibilità
  • Velocità
  • Area di copertura

Il numero di punti si spiega da sé: più sono più sarà efficiente la messa a fuoco. La geometria dei punti aggiunge un livello di complessità e, insieme al numero dei punti, costituisce uno dei parametri che distinguono il sistema di messa a fuoco di una reflex (ad esempio la Canon T3i/600D dispone di 9 punti AF con 1 del tipo a croce semplice  mentre la 7D ha 19 punti AF tutti a croce semplice).

La geometria complessa aggiunge dei concetti come i punti “dual-cross”  o a doppia linea a zig zag (“dual-line zigzag arrangement”).

In generale, l’accuratezza è legata a quanto il sensore AF sia capace di avvicinarsi alla realtà. Questa è influenzata, a livello locale, dalla geometria dei punti: un punto a croce ha una migliore possibilità di ottenere una messa a fuoco  corretta rispetto ad un punto a forma tradizionale.

La precisione è ripetibilità: se si scattano più immagini della stessa scena, quanto saranno simili tra di loro le messe a fuoco? Per le Reflex della Canon esistono due livelli di precisione AF: ‘normale’ (alla massima profondità di messa a fuoco quando l’obiettivo è alla sua massima apertura) e ‘precisione’ (ad 1/3 della profondità di messa a fuoco l’obiettivo è alla sua massima apertura). Occhio che la precisione è relativa alla profondità di messa a fuoco e non alla profondità di campo. I due valori sono correlati, ma non sono la stessa cosa.
La sensibilità è la reattività del sistema AF in condizioni di scarsa luminosità (più è in grado di lavorare con poca luce, più è sensibile). Il sensore AF è composto da una serie di sensori lineari a 48 bit più la circuiteria di amplificazione del segnale. Più  è ampia l’amplificazione (entro i limiti di segnale-rumore), meno luce serve. La sensibilità del sensore AF è specificata come EV. Più basso è il primo numero, più sensibile è il sistema. Ad esempio, la Canon  T3i/600D arriva a -0,5 EV, la IV/1DsIII 1D raggiunge -1 EV mentre la serie 1D X si spinge fino  a -2 EV. In pratica la 1D X è in grado di raggiungere la stessa messa a fuoco della T3i con la metà della luce. In alcuni casi la sensibilità viene associata all’apertura della lente (ad esempio messa a fuoco AF con apertura f/5.6):  in questo caso non ci si riferisce alla quantità di luce.

La velocità è un’altra caratteristica molto importante ed è relativa al tempo che il sensore AF impiega per effettuare la messa a fuoco finale.

L’ultimo parametro della lista è l’Area di copertura: più è ampia l’area del riquadro coperta dai punti AF, maggiore è la probabilità che un punto AF sarà sul soggetto. Vedremo meglio più avanti questo parametro.

Tra  tutti i parametri elencati il numero, la sensibilità, la velocità e l’area di copertura sono piuttosto semplici da gestire mentre la geometria, l’accuratezza e la precisione sono decisamente più complessi, soprattutto perché l’obiettivo montato sulla fotocamera andrà ad influenzare il modo in cui i punti AF.

Autofocus: Linee, croce e doppia croce

Una singola linea di punti AF può rilevare il contrasto  in una sola dimensione  “opposta”  all’orientamento della linea stessa.  Quindi, un sensore costituito da linee di punti AF orientare orizzontalmente  rileverà linee verticali (l’asta di una bandiera per esempio) mentre un sensore con le linee di punti AF orientate verticalmente  rileverà linee orizzontali (come un orizzonte). Va aggiunto inoltre che spesso si sente parlare di sensore lineare a sensibilità orizzontale:  altri non è se non un sensore lineare ad orientamento verticale (cambia solo il nome, insomma).

Una variante interessante è il sensore a doppia linea a zig zag (dual-line zigzag arrangement). Questo sensore è caratterizzato dall’avere alcune (o tutte)  doppie linee di punti AF parallele. I punti delle due linee sono compensanti da un ulteriore  mezzo punto. Questo si traduce nella possibilità di determinare in maniera molto più accurata il punto di allineamento di fase massima: il punto di allineamento di fase massima ha il doppio delle probabilità di cadere su un pixel di una delle due linee parallele rispetto alla singola linea. Questa soluzione è presente su alcuni punti AF della Canon 7D e su tutti i punti della  serie 1D.

In generale, ad ogni sensore AF di tipo lineare è associato un valore di apertura. La terminologia utilizzata è di solito “f /numero-sensitive.” Ad esempio, si può avere un sensore lineare con f/5.6-sensitive così come un sensore lineare con f/2.8-sensitive. Il  numero dopo la f/  si riferisce  alla massima apertura dell’obiettivo a cui  l’autofocus funziona.  Il termine “sensibilità” che compare dopo f/numero indica che abbiamo a che fare con i livelli di luce.

In soldoni, quando abbiamo a che fare con un sensore lineare con  f/2.8-sensitive, significa che lo stesso sensore richiede un obiettivo con apertura f/2.8 per funzionare. Un sensore lineare con f/5.6-sensitive lavora senza problemi con tutte le lenti dotate di massima apertura pari a f/5.6 o maggiore (non minore).

Occhio che queste soglie non sono assolute: una lente con apertura più limitata rispetto alla soglia potrebbe ancora funzionare ma con  ridotta efficacia, precisione e velocità. Canon, per esempio, per evitare che le performance della macchina siano castrate, effettua un controllo a livello elettronico disabilitando la funzione AF quando l’obiettivo montato non rientra nel range di specifica. Ovviamente il tutto è aggirabile usando un obiettivo di terze parti (tipo i Tamron) o semplicemente bloccando con del nastro adesivo i contatti elettrici (basta usare un moltiplicatore di focale per esempio per poter agire senza rischiare direttamente l’operazione sull’obiettivo.

Tutti i corpi delle Canon EOS sono dotati di sensori f/5.6-sensitive in modo da poter funzionare con qualunque obiettivo  Canon EF ed EF-S. Alcuni corpi della serie 1 hanno un sensore f/8-sensitive nel punto AF centrale: questo consente la messa a fuoco automatica anche se si usa  un obiettivo f/5.6 più un moltiplicatore di focale 1,4 x o un obiettivo f/4 più un moltiplicatore di focale 2x. Un vantaggio indubbio per gli utenti che lavorano con i telezoom.

Ovviamente una  sensore lineare con  f/2.8 è più preciso di una  sensore lineare con f/5.6:  più ampia è la soglia di apertura, più ampia è la base per la triangolazione telemetrica e, quindi, più precisa sarà la misura della messa a fuoco. Tuttavia, maggiore è l’apertura-sensitive, minore è il numero delle lenti in grado di lavorare a quell’apertura e soprattutto cresce notevolmente il loro costo. Inoltre, il campo di rilevamento dei sensori con apertura f/2.8 è più stretta: questo si traduce in un tempo più lungo di un sensore con apertura minore soprattutto quando abbiamo a che fare con soggetti decisamente fuori fuoco. Motivo per cui molti sensori sono dotati di una “doppie” linee: le prime con f/5.6, le seconde con f/2.8 (ad esempio). La messa a fuoco iniziale viene effettuata con le prime linee, quindi la messa a fuoco “fine” avviene impiegando le seconde linee.

Un sensore a croce è un sensore lineare orizzontale con “sovrapposto” un sensore di linea verticale. L’intersezione avviene proprio nel punto AF e questo permette di rilevare  le linee in entrambi gli orientamenti. Va da se che un sensore a croce avrà una possibilità decisamente più alta di un sensore lineare di “catturare” una caratteristica dell’immagine (una linea orizzontale o verticale) tale da attivare il sensore a croce in questione e quindi mettere a fuoco l’area.

Alcuni punti a croce hanno la stessa soglia di sensibilità per entrambe le linee di sensori: ad esempio, i 9 punti della 50D/60D e tutti i 19 punti della 7D sono punti a croce con una soglia di f/5.6 per entrambi gli orientamenti. Questo è un bene  in quanto tutti i punti funzionano come tipo a croce con qualsiasi obiettivo Canon. Ovviamente  il compromesso è una precisione inferiore rispetto alle linee con f/2.8. Alcuni punti a croce possono anche funzionare come lineari: si tratta di sensori a croce dove una linea ha sensibilità f/5.6 mentre l’altra ha una sensibilità di f/2.8. Se un obiettivo non ha un’apertura sufficientemente ampia, la linea con f/2.8 non entrerà in funzione ed il punto a croce si trasforma in una linea (normalmente è la linea orizzontale quella con sensibilità maggiore). In soldoni, quindi, un sensore a croce con una linea orizzontale con f/2.8-sensitive e una linea verticale f/5.6-sensitive funzionerà come un sensore a croce con un obiettivo f/2.8 o più veloce mentre, nel caso si utilizzi un obiettivo più lento, funzionerà come un sensore lineare.

Sensore con punti a doppia croce
Sensore con punti a doppia croce

Nell’immagine di sopra, in azzurro i sensori f/5,6 (con f/8 nell’AF centrale); in viola i sensori f/2,8 (con f/4 nell’AF centrale); in arancione i sensori a croce ed in grigio quelli lineari).

Un dual-cross point è  un sensore AF ancora più complesso. I sensori a croce sopra descritti sono composti da una linea verticale ed una linea orizzontale ed hanno la classica forma a “+”. Il dual cross point è composto da due punti a croce: il primo composto da linee orizzontale e verticale, il secondo “sfalsato” di 45°. In pratica si sovrappongono un “+” ed un “x”. Il risultato è questo tipo di punto è in grado di catturare anche linee diagonali, quindi la precisione è maggiore. Normalmente, con il dual cross point, abbiamo il sensore a croce “+” con una sensibilità di f/2.8 mentre il sensore a linee diagonali “x” ha una sensibilità pari a f/5.6.

Sensore con punti a doppia croce
Sensore con punti a doppia croce

Alta Precisione, punti invisibili e altro ancora

Come accennato in precedenza, esiste un punto AF chiamato “high precision” (ad alta precisione).  La sua caratteristica è di metter a fuoco ad 1/3 della lunghezza (o profondità) di messa a fuoco della lente alla massima apertura (i punti a precisione normale mettono a fuoco alla lunghezza di messa a fuoco). Generalmente, il punto di alta precisione è il punto centrale  ed opera in modalità  alta precisione con una lente f/2.8. In alcuni modelli, come la Canon 1D, i punti ad alta precisione sono  cinque disposti al centro sulla verticale

Oltre ai punti ad alta precisione esistono anche i punti AF invisibili: si tratta di punti di messa a fuoco non selezionabili manualmente il cui scopo è quello di aiutare i limitrofi nell’effettuare la messa a fuoco. In pratica, quando selezioniamo un punto di messa a fuoco, automaticamente la macchina fotografica attiva i punti AF invisibili adiacenti. Per esempio, ella Canon 5D abbiamo 6 punti invisibili utilizzati in automatico nel caso di scatto in modalità AF AI Servo (supponiamo in questa modalità di inseguire un soggetto non propriamente fermo). Questi sei punti non vengono però attivati quando si è in modalità scatto classico (One Shot).

Un’altra caratteristica degna di nota è il rilevamento del defocus estremo. Quando siamo completamente distanti dal fuoco corretto, comincia la vera sfida per il sistema AF che  che agisce per lo più dalla raffinazione di un’immagine che è fuori fuoco. I vecchi sistemi AF semplicemente muovevano il fuoco avanti e indietro fino a che qualche particolare dell’immagine non era sufficientemente nitida per attivare le linee dei sensori. I sensori più recenti, invece, utilizzano dei sensori di defocus estremo il cui scopo è quello di individuare la giusta direzione di messa a fuoco nonché la quantità di movimento (del motore) necessaria per raggiungere un’area in cui i sensori lineari possono essere attivati. Questi particolari sensori li abbiamo già nominati prima:  si tratta infatti dei sensori dual-line zig zag. Questi sensori non solo permettono di aumentare la precisione ma permettono anche il rilevamento del fuori fuoco analizzando e combinando le letture (o meglio) delle linee di sensori dual-line zig zag.  È importante sottolineare che il rilevamento del defocus estremo utilizza dati combinati dai sensori dual-line zig zag . Per esempio sul corpo della Canon 7D, tre punti verticali sono sensori doppia linea verticale (in alto al centro, al centro e in basso al centro) e i dati provenienti da questi tre differenti punti (e quindi tre differenti letture) permettono il rilevamento del defocus estremo.Sulla Canon  1D, tutte le linee verticali (cioè tutti i 61 punti AF) hanno la disposizione a dual-line zig zag , e quindi l’intero sensore AF agisce come un grande rivelatore di defocus estremo.

Indipendente dal numero e dalle caratteristiche dei singoli punti AF, fondamentale è la loro capacità di  lavorare insieme soprattutto quando siamo in modalità  AF AI Servo e quindi stiamo seguendo un oggetto in movimento. Poiché i punti di messa a fuoco f/5.6-sensitive generalmente acquisiscono la messa a fuoco più velocemente dei punti f/2.8-sensitive, il sistema AF spesso utilizza i primi per i dati di rilevamento. Tuttavia, le prestazioni dell’inseguimento del soggetto in movimento dipendono da molti fattori al di fuori del sensore AF stesso: il processore Digic e gli algoritmi di guida della previsione del movimento sono due dei parametri più delicati.

Tutto lavora in contemporanea

Tutto quanto visto fino ad ora (punti a croce, doppia croce, linee, defocus estremo e via discorrendo) è presente all’interno di un sistema AF. Ad esempio , prendendo ad esempio il sensore AF della Canon 1D, abbiamo la seguente struttura:

Il sensore della Canon 1D

Si noti che questo è l’intero sensore AF anche se a prima vista sembra essere solo un cluster di grandi dimensioni con due ulteriori cluster più piccoli ai lati. In realtà, quindi, stiamo guardando 20 punti AF (19 punti a “+” con f/5.6 e uno ad “x” con f/2.8 sovrapposto al punto centrale a ‘+’). Come interpretare lo schema:  ciascuna coppia  adiacente di linee  orizzontali (lo schema— —) rappresenta le linee dei sensori orizzontali di uno dei tre punti AF (le linee più lunghe contribuiscono a più punti AF), ciascuna coppia adiacente di linee verticali rappresenta le linee verticali di uno dei cinque punti AF (le linee più lunghe contribuiscono a più punti AF). Infine,  le coppie di singole linee diagonali rappresentano i punti a croce diagonale ad “x” con f/2.8.

Esaminando  infine sensori diagonali con f/2.8, si nota come questi siano molto più distanziati rispetto ai sensori lineari da f/5.6 presenti ai bordi del chip. Questo si traduce nella loro maggiore precisione rispetto ai sensori con f/5.6.

Area di  Copertura del sensore AF (autofocus)

Per tantissimi fotografi, questo è il più grande problema, e pesa moltissimo nella scelta della fotocamera. Sarebbe bello avere punti AF disponibili su tutta l’estensione del riquadro fotografico, ma ci sono limitazioni tecniche difficilmente superabili.  Nella migliore delle ipotesi, il sensore AF occupa solo la parte centrale della cornice di scatto  a causa della geometria abbastanza semplice  nonché per problemi di ottica . In poche parole, ci sono quattro ragioni :

  • Dimensioni dello specchio secondario: la luce che colpisce il sensore AF passa attraverso lo specchio principale  attraverso la sua zona semi-trasparente (la maggior parte della luce viene riflessa fino al mirino). La luce che filtra viene nuovamente riflessa dallo specchio secondario verso il sensore AF. Sullo specchio principale, la finestra semitrasparente è piccola (sempre che vogliate vedere nel mirino cosa fotografate!) e ha una geometria ben definita:  lo specchio principale deve eformare un angolo di 45 ° la luce entrante (in modo da dirigere la luce al pentaprisma) mentre lo specchio secondario deve essere sotto lo specchio principale angolato di 90 ° rispetto allo specchio principale. Ne deriva che la dimensione dello specchio secondario è limitata dalla distanza tra lo specchio principale ed il sensore fotografico (e parliamo di piccole distanze, quindi piccole dimensioni).
  • Distorsione: con molti obiettivi, i bordi della cornice di scatto sono soggetti a distorsione (barilotto / cuscinetto). Questo riduce particolarmente la precisione della rilevazione di fase AF (ricordate che vengono rilevate linee orizzontali e verticali o diagonali, ma non linee curve).
  • Vignettatura: il sistema AF ha bisogno di una certa quantità di luce per lavorare. Quasi tutte le lenti vignettano ad un certo punto della loro lunghezza focale (specie a zoom molto spinti). La vignettatura è un fenomeno direttamente legato alla quantità di luce relativa alla zona “vignettata”. Ciò si potrebbe tradurre in una scarsità di luce ai bordi della cornice di scatto. Ad esempio, il EF 17-40mm f/4L  ha più di due stop (di luce in meno) a causa della vignettatura alla massima lunghezza. Due stop in meno significa che ai bordi del fotogramma siamo sotto f/5.6 e il sensore AF non avrebbe abbastanza luce per operare.
  • Temperatura:  più sono grandi i sensori AF, più sono sensibili alle variazioni di temperatura. Il risultato è che i sensori cambiano dimensione a secondo della temperatura di esercizio. Questo riduce la precisione del sistema AF complessiva.

Attenzione però ad una particolarità: tutte queste limitazioni non si applicano alla messa a fuoco automatico  “a contrasto”, ovvero quando sulle reflex usate la modalità LiveView. La messa a fuoco in questi casi è possibile fino al bordo estremo della cornice di scatto. Ovviamente la velocità è decisamente più scarsa. Volete un esempio? Prendete il vostro smartphone e “mettete a fuoco” premendo un qualsiasi punto dello schermo: l’apparecchio ci metterà qualche secondo ma alla fine mi metterà a fuoco proprio la zona che avete indicato, indipendentemente da dove sia ubicata (questo perché gli smartphone, mancando di mirino ottico, usano la messa a fuoco a contrasto).

Tornando ai sensori AF, questi sono  limitati alla porzione centrale del telaio anche se alcuni corpi macchina offrono una copertura più estesa dell’area AF di altre. Per meglio comprendere le differenze tra alcune macchine fotografiche in commercio, osserviamo la sequenza di foto qui sotto riportata: si tratta della disposizione dei punti AF sul riquadro di scatto.

punti di messa a fuoco
I punti di messa a fuoco in differenti modelli di macchina fotografica, rapportati alla dimensione dell’area coperta dal sensore

Dai disegni si nota come la griglia di punti AF è decisamente concentrata al centro della scena, lasciando molto sguarnito il laterale. Lo stesso accade per le reflex della Nikon, dove la situazione è riassumibile con questi disegni (ricordo che la D7000 è una DX, quindi non un full frame. Essendo il sensore molto più piccolo, la griglia copre maggiormente l’area del sensore stesso).

Nikon D600
Nikon D7000 – Stesso sensore della D600

In soldoni, la 1D IV e 7D hanno una copertura maggiore rispetto alla dimensione del fotogramma. La 1D X ha la stessa diffusione laterale della 1D IV e 7D ma leggermente meno sulla verticale. La 5DII è quella con la minor copertura.

Oltre alla superficie coperta, anche la densità di punti è importante. Un array più densamente ricco di punti AF permette una maggiore selezione di un punto di messa a fuoco. Ancora più importante, una maggiore densità offre miglioramenti sostanziali nel caso di AF AI Servo (inseguimento di soggetti in movimento), in quanto i soggetti passano da un punto all’altro in modo più rapido: meno lag e più dati per guidare gli algoritmi predittivi.

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Fondatore di Fotografare in Digitale, ho sempre amato il mondo della fotografia e la possibilità di catturare un momento, un attimo, una sensazione tramite un semplice scatto.
Nato come fotografo per caso quando misi le mani sulla mia prima Nikon D1, ho ampliato le mie conoscenze ed esperienze fotografiche, decidendo quindi di condividerle con chiunque fosse interessato alla fotografia. Sono un fotografo amatoriale di buon livello e continuo imperterrito a girare per le città con la fedele Nikon (ora una D800) appesa al collo.