Perché la capacità di autofocus dipende dall'apertura piuttosto che dalla quantità di luce disponibile?

Perché il modo in cui funziona l'autofocus a rilevamento di fase dipende dalla differenza nei raggi luminosi dalla stessa area nel campo visivo quando colpiscono i lati opposti dell'obiettivo. Più ampia è l'apertura effettiva dell'obiettivo (chiamata più propriamente pupilla d'ingresso), più ampi possono essere i raggi di luce che vengono confrontati. Più ampia è la differenza tra i due punti, migliori sono i sistemi AF che possono eseguire in termini di precisione e velocità. Anche più luce aiuta perché aumenta il contrasto tra i bordi più chiari e quelli più scuri, ma solo se quella luce più brillante raggiunge le linee sulla matrice del sensore PDAF.

Ogni punto AF utilizza una coppia di linee di pozzetti di pixel sensibili alla luce simili a quelli che si trovano sul sensore della fotocamera. Ogni pozzetto di pixel è (generalmente) più grande dei pixel del sensore di immagine principale e non vengono filtrati per la differenziazione del colore come lo è un sensore mascherato Bayer.

Per sfruttare l'apertura più ampia, le coppie di sensori di linea per un particolare punto di messa a fuoco nell'array AF, o più precisamente, le microlenti all'ingresso dell'array di sensori PDAF che puntano la luce verso le linee sulla superficie del sensore PDAF, devono essere più distanti l'uno dall'altro. Ma ciò rende quelle linee non molto utili quando un obiettivo con un'apertura più stretta è collegato all'obiettivo, perché in tal caso nessuna luce raggiunge quei punti. Alcuni produttori di fotocamere coprono un po 'la loro scommessa. Alcuni punti AF sono più sensibili / precisi ma funzionano bene solo con un obiettivo ad ampia apertura. Altri punti di messa a fuoco sono sintonizzati per poter utilizzare la luce di obiettivi con aperture più strette. Ma questi punti non possono sfruttare i raggi di luce più ampi forniti da un obiettivo ad ampia apertura.

Ciò è dovuto al fatto che le due linee sulla matrice di messa a fuoco per ciascun punto di messa a fuoco sono in una posizione fissa. Se sono abbastanza vicine l'una all'altra da poter utilizzare la luce che attraversa ciascun lato l'obiettivo con un'apertura stretta f / 8, non sono abbastanza distanti l'uno dall'altro per percepire la luce che attraversa il bordo dell'obiettivo con un'apertura ampia f / 2.8 o maggiore. Anche quando un obiettivo più veloce è sulla fotocamera, utilizzano solo la luce che cade su parti di ciascun lato dell'obiettivo che sono abbastanza vicine al centro da consentire a quella luce di attraversare l'apertura più stretta.

Tutti i punti AF PDAF utilizzano una coppia di linee. I punti AF a croce utilizzano due coppie di linee: una coppia per la verticale e una coppia separata per l'orizzontale. I "punti di tipo a croce diagonale" aggiungono altre due coppie di linee orientate ad angoli di 45 ° alle linee verticali e orizzontali.

La distanza tra queste linee sull'array di sensori PDAF (combinato con il modo in cui le microlenti all'ingresso dell'array PDAF puntano la luce che cade su varie parti della parte anteriore dell'obiettivo principale della fotocamera) determina come lontano dal centro dell'asse ottico dell'obiettivo viene campionato da quella serie di linee sul sensore PDAF. Se le due linee per un punto AF campionano la luce da due punti opposti sulla parte anteriore dell'obiettivo che sono più vicini al centro dell'asse ottico dell'obiettivo, funzioneranno con aperture più strette, ma saranno meno sensibili. Se le due linee per un punto AF campionano la luce da due punti opposti sulla parte anteriore dell'obiettivo che sono più lontani dall'asse ottico dell'obiettivo, saranno più sensibili, ma funzioneranno solo se l'obiettivo ha una pupilla d'ingresso sufficientemente ampia che c'è effettivamente luce che arriva a quelle linee sulla matrice di sensori PDAF.

I produttori di fotocamere, in particolare Canon a cui si fa riferimento indirettamente nella tua domanda, proteggono un po 'le loro scommesse. Questo è particolarmente vero con i sistemi PDAF che hanno un numero molto elevato di punti AF. Alcuni punti sono sintonizzati per campionare la luce che viene trasmessa da obiettivi più stretti, come f / 5.6 of / 8. Altri punti sono regolati per guardare oltre il bordo sui lati opposti dell'obiettivo. Questi punti ricevono la luce dall'obiettivo solo se la pupilla di ingresso è sufficientemente ampia da consentire alla luce di raggiungerli.

In passato, Canon tendeva a rendere ogni serie di linee nei punti a croce sensibili a diverse aperture . Il set di linee sensibili orizzontalmente può essere sensibile agli obiettivi con un'apertura massima di f / 5.6 o maggiore, mentre il set di linee sensibili verticalmente per lo stesso punto AF può funzionare solo con obiettivi con apertura f / 4 o maggiore. Un po 'più di recente il limite per ogni coppia nel set può essere rispettivamente f / 8 ef / 5.6. Alcuni dei modelli più recenti di fascia alta hanno punti d'incrocio in cui entrambi i gruppi di linee per un singolo punto AF a croce sono compatibili con obiettivi o combinazioni obiettivo / estensore / moltiplicatore di focale fino a f / 8. I miglioramenti nella tecnologia dei sistemi AF hanno consentito che le differenze minori rilevate campionando linee di base più strette si traducessero in prestazioni che in precedenza potevano essere ottenute solo da punti AF utilizzando una linea di base più ampia.

Questi stessi miglioramenti possono essere utilizzati anche per migliora f / 2.8 punti AF! Canon tendeva anche (e continua a farlo) a fare in modo che i punti a croce diagonali utilizzassero una linea di base più ampia che richiede un obiettivo con apertura più ampia, di solito f / 2.8 o più ampio. Ciò conferisce a quei punti una sensibilità estremamente precisa dove è più necessaria: quando viene utilizzato con obiettivi ad ampia apertura che offrono una profondità di campo estremamente ridotta e un margine minimo per l'errore AF.

Poiché i punti AF di "tipo a croce" sono in realtà due serie di linee sensibili a un angolo di 90 ° l'una rispetto all'altra, non c'è nulla che dica che non si possa creare un punto AF di tipo a croce, o anche un punto AF a croce funzionerà con obiettivi con un'apertura più stretta di f / 2.8, f / 4, f / 5.6, ecc. È solo che i produttori di fotocamere, in particolare quello a cui si fa riferimento nella citazione contenuta nella domanda sopra, hanno scelto di rendere la loro croce AF diagonale indica quelli più sensibili.

Per inciso, la stessa fisica che predilige l'AF con obiettivi con aperture più ampie favorisce anche le fotocamere DSLR con sensori più grandi. Perché lo specchio è più grande, in particolare perché è più largo, e consente alla parte semitrasparente che consente alla luce attraverso lo specchio secondario di essere riflessa verso il basso nell'array PDAF anche di essere più ampia in una fotocamera full frame rispetto a una APS-C fotocamera, la linea di base utilizzata per i punti di messa a fuoco più sensibili può anche essere più ampia.

Per una risposta un po 'più profonda su come funzionano i punti di croce e una visualizzazione di come i punti f / 2.8 richiedono linee più distanti, vedi questa risposta.

Per una ripresa leggermente diversa e un paio di analisi più approfondite su come l'apertura massima può influire sulle prestazioni dell'AF (rispetto a Come abilitare Canon AF con moltiplicatore di focale?), vedere le due risposte con voto positivo a: La Canon 5D MK II con 100-400 1: 4.5-5.6 funzionerà correttamente con il convertitore Kenko 1.4?

Senza entrare nei dettagli di come funziona l'autofocus "a rilevamento di fase", non è impreciso affermare che è analogo alla visione stereoscopica , che probabilmente conosci.

Puoi giudicare la distanza di un oggetto che vedi perché i tuoi occhi lo stanno guardando da prospettive leggermente diverse. Se alzi un dito e guardi dietro, vedrai due dita. I tuoi occhi devono girarsi verso l'interno per abbinare le immagini. Più il dito è vicino, maggiore sarà la separazione delle due immagini e più gli occhi dovranno girarsi verso l'interno. Queste sono le informazioni che il tuo cervello usa per calcolare la distanza dell'oggetto.

Non è difficile vedere che questo effetto sarà più forte se gli occhi sono più distanti. Pertanto, una maggiore distanza tra gli occhi consente una stima più accurata della distanza.

Un sistema di messa a fuoco automatica fa qualcosa di molto simile, ma invece di utilizzare due occhi, utilizza bordi diagonalmente opposti dell'obiettivo. Ad esempio, può confrontare la vista attraverso la parte più a sinistra dell'obiettivo con la vista attraverso la parte più a destra. Le due immagini verranno spostate quando la messa a fuoco non è precisa, allo stesso modo in cui si vedono due dita quando si guarda dietro. Maggiore è l'apertura, maggiore è la separazione tra queste viste e più precisa può essere la valutazione della "distanza" (ovvero dove mettere a fuoco).

In parole povere, gli angoli delle due viste che un l'uso del sensore di messa a fuoco è fisso. Pertanto per ogni sensore di messa a fuoco esiste un limite di apertura oltre il quale non funzionerà. Questo non ha nulla a che fare con la quantità di luce. Se l'apertura è troppo piccola, la vista del sensore di messa a fuoco sarà oscurata. Sta cercando di guardare troppo a sinistra ea destra.

Speriamo che questa illustrazione chiarisca le cose:

A sinistra abbiamo l'obiettivo, poi le lamelle del diaframma che ne oscurano una parte, quindi il sensore AF. Il sensore AF sta guardando strettamente lungo due direzioni separate, indicate dalle frecce. Non sta guardando attraverso il centro dell'obiettivo. Se l'apertura è troppo piccola, bloccherà la vista del sensore AF.

Ecco un diagramma dell'autofocus a rilevamento di fase

Quando l'immagine è a fuoco, (2), le due matite di luce vanno nello stesso punto. Quando è fuori fuoco, vanno in posti diversi (1, 3 o 4). I due hanno una differenza tra loro codificata nel raggio, ad es. rendendone uno un po 'ellittico verticalmente e l'altro ellittico orizzontalmente.

La distanza tra i due è una misura indiretta di quanto l'immagine sia sfocata. La sensibilità, e quindi la capacità di decidere che l'immagine è a fuoco o fuori fuoco, dipende dalla velocità con cui si separano.

Puoi vedere dalla geometria triangolare delle cose che la sensibilità è migliore quando l'angolo tra i due le matite sono più grandi.

L'autofocus con rilevamento del contrasto funziona in modo diverso e prende invece una decisione in base alla nitidezza dell'immagine; allo stesso modo, quando l'immagine è ugualmente nitida ovunque (apertura ridotta, profondità di campo profonda), è difficile per il sistema determinare dove si trova la migliore messa a fuoco.

La parte dell'autofocus della fotocamera ha un paio di sensori di linea ¹ . Ogni pixel nel sensore di linea ha un piccolo prisma davanti, quindi raccoglie solo la luce che arriva verso il sensore con un angolo particolare:

Quando un sensore è progettato per obiettivi più veloci, quell'angolo è maggiore. Con un obiettivo abbastanza veloce, è più facile misurare la differenza di fase.

Guardando questo rispetto alla velocità dell'obiettivo, otteniamo qualcosa del genere:

In questo caso, il sensore f / 2.8 sta cercando di rispondere alla luce che avrebbe dovuto essere trasmessa al di fuori del diaframma. Poiché l'apertura blocca tale luce, il sensore semplicemente non riceve la luce a cui può rispondere.

Un sensore progettato per l'apertura (la linea f / 4) riceve la luce, quindi funziona.

Ci sono alcuni casi limite. Il sensore di linea è esattamente questo: una linea. I pixel nella linea ricevono tutti la luce trasmessa allo stesso angolo, quindi non tutti ricevono la luce trasmessa attraverso la stessa identica parte dell'obiettivo. In un caso tipico, la fotocamera leggerà i dati dall'obiettivo e disabiliterà tutti i sensori che richiedono un'apertura maggiore di quella fornita dall'obiettivo. Nel caso di un tele-extender, tuttavia, è possibile che la fotocamera riceva i dati appropriati per l'obiettivo senza l'extender. In questo caso, la fotocamera potrebbe continuare a provare a utilizzare un sensore anche quando l'apertura fornita è inferiore a quella per cui è progettata. In questo caso, potresti ritrovarti con la luce che entra nel sensore in questo modo:

Una parte del sensore riceve la luce e il resto no. Se poco più della metà del sensore riceve luce, hai ancora almeno qualche possibilità che il sistema funzioni ancora, anche se la tua apertura è più piccola di quella per cui è progettata. Tuttavia, potrebbe avere difficoltà a trovare parti coincidenti dell'immagine fino a quando non è quasi a fuoco, quindi è molto più probabile che "caccia" e potrebbe facilmente "arrendersi", anche nei casi dove la luce e il contrasto sono sufficienti per mettere a fuoco normalmente in modo rapido e preciso.

1. Sì, ci sono sensori incrociati e simili, ma fondamentalmente sono solo più sensori di linea.

Nella maggior parte dei casi, ovviamente non tentando di fotografare il sole o in una grotta buia, l'apertura selezionata sull'obiettivo è un'approssimazione approssimativa della luce disponibile. Ovviamente, minore è l'apertura, minore è la luce che viene ammessa al sensore. Ovviamente, ancora una volta, la minore luce sul sensore significa che ci sono meno dati disponibili per l'autofocus a rilevamento di fase da utilizzare per determinare e bloccare la messa a fuoco corretta.

Il manuale non dovrebbe invece dire qualcosa come "nessun autofocus sotto i 50 Lux"

Che metodo hai e usi per misurare lux o luminanza o, ancora meglio, candele per metro quadrato? Non è un termine che la maggior parte degli utenti di DSLR capisce a malapena e ha pochi o nessun mezzo da usare? Suggerite che, dopo aver acquistato una DSLR e un obiettivo autofocus, dovremmo acquistare anche un esposimetro?

Credo che l'affermazione nel manuale sia un tentativo di spiegare brevemente e velocemente un argomento molto complicato. Dopo che la maggior parte di noi usa fotocamere e obiettivi con messa a fuoco automatica per un po ', capiamo dalla spiegazione del manuale che, generalmente, con il diminuire della luce, diminuisce anche la probabilità di blocco della messa a fuoco automatica.