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Autofocus
Introduzione
L’autofocus (abbreviato “AF”) è un sistema che mette a fuoco automaticamente l’immagine.
E’ costituito da un sensore che valuta la distanza della fotocamera dal soggetto e da un motore elettrico che attua la rotazione dei gruppi ottici, facendoli allontanare o avvicinare dal piano focale.
Solitamente, il sensore per l’AF, è dentro il corpo macchina mentre il motore dell’AF dentro l’obiettivo.
Molte reflex però, incorporano anche il motore di messa a fuoco, nel corpo macchina, per poter utilizzare questo sistema anche con i vecchi obiettivi non provvisti di autofocus. In questo caso il motore della fotocamera fa ruotare i gruppi ottici dell’obiettivo. Le più moderne reflex però non montano più i motori per risparmiare peso, e per utilizzare l’AF bisogna avere obiettivi provvisti di questo sistema.
Nella figura 01, vediamo un esempio di obiettivo con la ghiera della messa a fuoco manuale e l’interruttore per attivare o disattivare l’AF. Se l’interruttore è spostato su “off”, si procede con il solo fuoco manuale, mentre quando l’AF è acceso, per la messa a fuoco basterà premere fino a metà il pulsante di scatto ed in poco tempo (una frazione di secondo) l’immagine sarà a fuoco. Sulle macchine fotografiche digitali compatte, solitamente non c’è la possibilità di utilizzare la messa a fuoco manuale. Sulle reflex possiamo utilizzare tutte due. Sugli obiettivi più recenti, è possibile addirittura ruotare la ghiera della messa a fuoco mentre l’AF è inserito. Quando questo è possibile, solitamente è indicato con la scritta AF/M. Se non è previsto, ruotando la ghiera con l’AF inserito si rischia di rovinare la meccanica dell’obiettivo.
01 Schema esterno del barilotto di un obiettivo.
Interruttore dell'autofocus
Ghiera della messa a fuoco manuale
Sistemi autofocus attivi
Una delle tecnologie utilizzate per l’autofocus, è quella attiva. Solitamente viene impiegata in microscopia ma quasi mai nelle macchine fotografiche e per questa ragione non mi dilungherò su questo argomento.
Per poter mettere a fuoco un’immagine, è necessario valutare la distanza del soggetto dall’obiettivo. A questo scopo, nella tecnologia autofocus attiva, viene lanciato un segnale acustico o luminoso (infrarosso) che colpisce il soggetto e torna indietro fornendo le informazioni per determinare la distanza al sensore che ne riceve l’eco. Tutto ciò è possibile grazie al fatto che ad una maggior distanza corrisponde un maggior ritardo nel ritorno del segnale. Questo tipo di valutazione della distanza viene utilizzata ampiamente nel mondo degli animali e gli esempi classici sono i pipistrelli e i delfini.
Una volta calcolata la distanza dal soggetto, il processore comanda il motore e fa muovere le lenti fino a raggiungere la corretta messa a fuoco.
Questo sistema ha lo svantaggio di subire gli effetti rifrattivi di oggetti frapposti tra la macchina ed il soggetto come vetri trasparenti, ha una portata limitata, è lento, ma funziona perfettamente sia al buio che alla luce.
02 In questa figura, si vede come nell’autofocus attivo, venga inviata un’onda che colpisce il soggetto (il quadrato giallo) e torna indietro. Il segnale di ritorno viene captato da un ricevitore sulla fotocamera che in base al tempo trascorso da quando il segnale è stato emesso, è in grado di stabilire la distanza e regolare di conseguenza la posizione delle lenti per ottenere la messa a fuoco. Questo sistema è utilizzato principalmente su altri tipi di strumenti in quanto nella fotografia avrebbe degli svantaggi notevoli.
Sistemi autofocus passivi: introduzione
Nelle macchine fotografiche, il sistema autofocus più utilizzato, è quello passivo. In questo sistema non ci sono segnali emessi ma soltanto un’analisi dell’immagine per determinare la corretta messa a fuoco.
Ci sono due sistemi largamente utilizzati: l’autofocus a rilevamento di contrasto e quello a rilevamento di fase. Il più performante e innovativo è l’autofocus a rilevamento di fase ed è quello utilizzato sulle reflex di qualità.
Sistemi autofocus passivi: rilevamento di contrasto
Questo sistema è spesso utilizzato su macchine fotografiche poco costose ma nel corso del tempo si evoluto notevolmente.
Come si evince dal suo nome, è un sistema che mette a fuoco non basandosi sulla distanza del soggetto ma sul contrasto dell’immagine digitale. Assomiglia molto al ragionamento fatto dall’uomo quando mette a fuoco manualmente.
Il sistema analizza l’immagine sul sensore e valuta il contrasto dei pixel di una porzione di essa. Poi sposta le lenti e valuta nuovamente il contrasto; se è superiore a quello precedente, muove le lenti nella stessa direzione e valuta nuovamente il contrasto (esattamente come facciamo noi ruotando la ghiera un po’ per volta nella messa a fuoco manuale). Il sistema va avanti in questo modo fino a quando il contrasto non peggiora. A quel punto vuol dire che il fuoco corretto era nella posizione subito precedente e torna indietro. Per capire meglio, osservare la figura 03. Gli svantaggi principali di questo sistema sono due: non riesce a mettere a fuoco quando manca il contrasto (cielo, mare o qualunque soggetto uniforme), ed è lento per via dei numerosi passaggi di spostamento delle lenti ed analisi dell’immagine.
03a Scarso contrasto.
03d Contrasto molto elevato.
03b Contrasto lievemente maggiore.
03e Contrasto in diminuzione.
03c Contrasto maggiore.
03f L'immagine è a fuoco: situazione identica a 03d..
Introduzione
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03 In questa figura, vediamo le fasi della messa a fuoco di un sistema passivo a rilevamento di contrasto (utilizzato in fotocamere economiche o anche in modalità live view nelle reflex con AF principale a rilevamento di fase). La sequenza degli eventi è la medesima. Ogni immagine, da 03a a 03f, rappresenta una fase della messa a fuoco. Rilevando che il contrasto è basso nella prima immagine a sinistra, il sistema, sposta le lenti ottenendo l’immagine successiva. Ad ogni tentativo aumenta il contrasto fino all’ultima immagine dove diminuisce di nuovo e costringe il sistema a tornare indietro. Quindi la messa a fuoco ottimale è quella delle figure 03d e 03f.
Negli ingrandimenti in basso si vede la piccola porzione dell’immagine dove c’è la barca.
Sistemi autofocus passivi: rilevamento di fase
Nelle reflex più evolute il sistema AF utilizzato è quello a rilevamento di fase che è il più complesso ma anche il più preciso e rapido mai realizzato. Questo sistema è geniale e sfrutta la semitrasparenza dello specchio per inviare, in fase di riposo, una parte della luce verso due piccolissime lenti che proiettano ognuna metà dell’immagine su due sensori CCD; anch’essi sono piccolissimi e posti dietro le lenti (in giallo nella figura 04) e sono dedicati soltanto alla messa a fuoco. Il numero dei pixel di questi sensori varia da modello a modello e nelle reflex più costose è maggiore.
L’immagine è così divisa in una parte superiore ed una inferiore. La restante parte di luce va al mirino ottico.
La distanza della lente dal sensore (distanza A in figura 04) è uguale a quella della lente dai sensori di messa a fuoco, distanza B, nonostante in figura 04 non sia vero per esigenze del disegno.
In condizioni di messa a fuoco ottimale, la porzione di immagine creata su ognuno dei due piccoli CCD, è più piccola della superficie dei sensori stessi in modo da rilevare un qualunque cambiamento nella dimensione delle immagini formate (inferiore ma anche superiore senza uscire dai bordi dei sensori).
Quando l’immagine non è a fuoco, l’immagine sui CCD diventa leggermente più grande o più piccola. Grazie a questo fenomeno, è possibile capire che il fuoco c’è solo quando l’immagine ha una data grandezza sul CCD, tarata in fase di produzione. Per ottenere il risultato sperato con questo sistema, basterebbe quindi un solo CCD. In realtà con due sensori il procedimento è più veloce perché quando l’immagine è sfocata si verificano due possibilità a parità di grandezza dell’immagine (figura 05):
1) il fuoco è dietro al sensore e quindi le due immagini combaciano
2) il fuoco è davanti al sensore, le immagini non combaciano perché rovesciate l’una rispetto all’altra; questo consente al processore di capire subito in che direzione spostare le lenti accorciando notevolmente i tempi di messa a fuoco.
04 In questa rappresentazione schematica, la lente esterna rappresenta tutti i gruppi di lenti che sono in realtà presenti dentro l’obiettivo.
Nella figura vediamo che lo specchio della reflex è abbassato (fase di riposo).
Una delle proprietà di questo specchio è quella di essere semitrasparente. Quindi quando è in questa posizione, manda la luce al pentaprisma del mirino ma ne lascia passare una parte che viene convogliata in basso verso l’AF. La lente di ingrandimento ci mostra nel dettaglio come questa porzione di luce in ingresso viene utilizzata dal sistema di autofocus passivo a rilevamento di fase.
Le distanze A e B (tratteggiate in rosso) sono uguali.
Le linee nere sui sensori rappresentano le dimensioni corrette dell’immagine a fuoco.
Se l’immagine è più grande o più piccola di quella compresa fra le linee nere, l’immagine non sarà a fuoco. Per capire in che direzione spostare le lenti, è sufficiente valutare se le due immagini proiettate sui piccoli CCD combaciano o sono capovolte.
Pentaprisma
Specchio
Piano focale
Lenti AF
Sensori CCD dell'AF
Lente esterna
Luce
Nella figura 05a invece, vediamo la situazione quando il soggetto, l’omino verde, è a fuoco. Spostando le lenti dell’obiettivo in avanti o indietro, facciamo combaciare il piano di messa a fuoco con il soggetto. In questa situazione, le immagini piccole che si formano sui sensori AF, combaciano con la grandezza tarata (rappresentata dalle linee nere).
Nella figura 05b, il fuoco non si trova sul soggetto ma più vicino all’obiettivo mentre l’omino verde è nella posizione della figura precedente. In questo caso il soggetto risulta sfocato e le immagini prodotte sui sensori AF, non combaciano con le linee nere ma generano immagini di diverse dimensioni (linee rosse). Per capire se spostare le lenti dell’obiettivo in avanti o indietro e fare la cosa giusta al primo tentativo, è sufficiente vedere che le immagini non combaciano in quanto risultano capovolte (nella figura si capovolgono i raggi nel punto X).
Nella figura 05c invece, il fuoco è dietro il soggetto e quindi siamo sempre in una situazione in cui l’immagine è sfocata e le due metà di immagine prodotte sui sensori AF sono sempre di errate dimensioni (linee rosse) ma questa volta non sono capovolte l’una rispetto all’altra e combaciano. Una chiara indicazione della direzione di spostamento delle lenti.
05a Soggetto a fuoco.
05b Soggetto fuori fuoco: i frammenti dell’ immagine sui sensori AF sono capovolti l’uno rispetto all’altro ed hanno dimensioni errate.
05c Soggetto fuori fuoco: i frammenti dell’ immagine sui sensori AF combaciano l’una rispetto all’altra ma hanno dimensioni errate.
Messa a fuoco con il live view
Nelle reflex di buona qualità, il sistema di messa a fuoco è a contrasto di fase ma guardando la figura 01, diventa subito evidente che in modalità live view, con lo specchio alzato, tale sistema non può funzionare. Per questa ragione, tali macchine montano anche un sistema a rilevamento di contrasto utilizzato solo con l’AF in modalità live view. In questo caso, il rilevamento di contrasto è effettuato in tutta l’immagine sul sensore CMOS. Per facilitare la messa a fuoco, su questi modelli di reflex, spesso esiste la possibilità di effettuare uno zoom digitale per ingrandire solo l’area di messa a fuoco e vedere ad occhio più facilmente i contorni del soggetto direttamente sul display prima dello scatto.