Comment fonctionne l'autofocus à détection de phase ?

Lorsqu'on aborde la technologie des appareils photo reflex numériques , la confusion règne souvent autour du fonctionnement de l'autofocus à détection de phase (PDAF). Ce sujet n'intéressera peut-être pas tout le monde, mais si vous vous demandez pourquoi et comment des problèmes d'autofocus surviennent sur votre appareil, cet article vous expliquera ce qui se passe à l'intérieur de l'appareil lors de la prise de vue. On trouve d'innombrables avis négatifs concernant des problèmes d'autofocus sur des appareils haut de gamme comme le Canon 5D Mark III, le Nikon D800, le Pentax K-5 et autres reflex numériques. La plupart des photographes semblent ignorer que le problème fondamental ne réside pas nécessairement dans le modèle ou le type d'appareil, mais plutôt dans la manière dont ces appareils effectuent la mise au point. Une simple recherche sur Internet révélera des milliers de témoignages concernant des problèmes d'autofocus sur tous types de reflex numériques, remontant à plus de dix ans. Par conséquent, les problèmes de mise au point avant et arrière que l'on observe sur les appareils modernes ne sont pas nouveaux ; ils existent depuis le tout premier reflex numérique équipé d'un capteur à détection de phase.

Comment fonctionnent les appareils photo reflex numériques ?

Pour mieux comprendre ce problème, il est essentiel de comprendre le fonctionnement d'un appareil photo reflex numérique (DSLR) . Les illustrations classiques de reflex numériques ne montrent généralement qu'un seul réflecteur positionné à un angle de 45 degrés. Cependant, elles omettent souvent le miroir secondaire situé derrière le réflecteur, qui réfléchit une partie de la lumière vers le capteur à détection de phase. Observez l'illustration simplifiée ci-dessous, que j'ai réalisée à partir d'une image typique d'un Nikon D800 :

Voici la description de chaque nombre figurant dans l'illustration ci-dessus :

1. faisceau de lumière
2. Miroir principal/réfléchissant
3. Le miroir secondaire, également appelé « sous-miroir »
4. obturateur et capteur d'image de l'appareil photo
5. Goupille excentrée (hexagonale de 1.5 mm) pour le réglage du miroir principal
6. Goupille excentrique (hexagonale de 1.5 mm) pour le réglage du miroir secondaire
7. Capteur de détection de phase (capteur AF)
8. Pentaprisme
9. Viseur

Voyons ce qui se passe à l'intérieur d'un appareil photo lors de la prise d'une photo. Les rayons lumineux pénètrent dans l'objectif (1) et atteignent l'intérieur de l'appareil. Un miroir primaire semi-transparent (2), incliné à 45 degrés, réfléchit la majeure partie de la lumière verticalement vers le prisme pentagonal (8). Ce dernier convertit la lumière verticale en lumière horizontale et la réfléchit, vous permettant ainsi de voir exactement ce que vous voyez dans le viseur (9). Une petite partie de la lumière traverse le miroir primaire et est réfléchie par le miroir secondaire (3), également incliné (54 degrés sur de nombreux appareils Nikon modernes, comme illustré ci-dessus). La lumière atteint ensuite le capteur de détection de phase/autofocus (7), qui la redirige vers une matrice de capteurs (deux capteurs par point d'autofocus). L'appareil analyse et compare alors les images provenant de ces capteurs (de la même manière que la mise au point est évaluée sur les télémètres), et si elles ne sont pas identiques, il ordonne à l'objectif d'effectuer les ajustements nécessaires (voir ci-dessous pour plus de détails).

Bien que le processus décrit ci-dessus semble relativement simple, cette approche présente un problème majeur. Le capteur à détection de phase commande à l'objectif les ajustements nécessaires, tandis que l'image est capturée par un dispositif totalement différent : le capteur situé à l'arrière de l'appareil photo. Pourquoi cela pose-t-il problème ? Rappelons que lors de la prise d'une photo, les miroirs primaire et secondaire se relèvent, l'obturateur s'ouvre et la lumière provenant de l'objectif atteint directement le capteur de l'appareil photo (4). Pour que l'autofocus à détection de phase fonctionne correctement, la distance entre la monture d'objectif et le capteur de l'appareil photo, ainsi que la distance entre la monture d'objectif et le capteur à détection de phase, doivent être parfaitement identiques . Le moindre écart entraînera une mise au point automatique incorrecte. De plus, si l'angle du miroir secondaire n'est pas suffisamment précis, cela provoquera également des problèmes d'autofocus.

Comment fonctionne un capteur de détection de phase ?

Le fonctionnement d'un capteur à détection de phase repose sur le principe de la comparaison de phase optique, à l'instar d'un appareil photo télémétrique. La lumière réfléchie par un miroir secondaire est captée par un ensemble de minuscules capteurs d'image (deux ou plus, selon le nombre de points de mise au point du système autofocus) montés sur des microlentilles. Pour chaque point de mise au point visible dans le viseur, deux minuscules capteurs sont dédiés à la détection des différences de phase : un de chaque côté de la lentille, comme illustré dans le schéma en haut de la page 7 (ce schéma simplifie ce phénomène en représentant deux faisceaux lumineux distincts arrivant sur deux capteurs différents).

En réalité, les dispositifs modernes de détection de phase comportent bien plus de deux capteurs, et ces capteurs sont très proches l'un de l'autre. Lorsque la lumière atteint ces deux capteurs, si l'objet est net, les rayons lumineux provenant des bords de la lentille convergent directement au centre de chaque capteur (comme pour un capteur d'image). Dans ce cas, les deux capteurs affichent des images identiques, indiquant que l'objet est parfaitement net. Si l'objet est flou, les rayons lumineux ne convergent pas et frappent différentes parties du capteur, comme illustré ci-dessous (image reproduite avec l'aimable autorisation de Wikipédia) :

Les figures 1 à 4 représentent les cas où la mise au point est (1) trop proche, (2) correcte, (3) trop éloignée et (4) encore plus éloignée. Ces schémas démontrent que la différence de phase entre les deux profils permet de déterminer non seulement la direction du déplacement de la mise au point, mais aussi son amplitude pour obtenir une netteté optimale. Il est important de noter qu'en réalité, c'est la lentille qui se déplace, et non le capteur.

Le système de détection de phase, sachant si un sujet est au premier plan ou au second plan, peut envoyer des instructions précises à l'objectif concernant la direction et l'amplitude de la mise au point. Voici ce qui se passe lorsque l'appareil photo effectue la mise au point sur un sujet (autofocus en boucle fermée) :

1. La lumière traversant les bords extrêmes de la lentille est analysée par deux capteurs d'image.
2. En fonction de la façon dont la lumière atteint les capteurs d'image, le système autofocus peut déterminer si l'objet est mis au point en avant ou en arrière et quelle est l'ampleur de cet écart.
3. Le système autofocus ordonne ensuite à l'objectif d'ajuster sa mise au point.
4. Les étapes décrites ci-dessus sont répétées autant de fois que nécessaire jusqu'à l'obtention d'une mise au point parfaite. Si la mise au point est impossible, l'objectif se réajuste et recommence à la rechercher, ce qui explique le phénomène de « recherche de mise au point ».
5. Une fois la mise au point parfaite obtenue, le système autofocus envoie une confirmation que l'objet est net (par exemple, un point vert dans le viseur, un signal sonore, etc.).

Toutes ces opérations se déroulent en une fraction de seconde, c'est pourquoi le système de détection de phase est beaucoup plus rapide que le système de détection de contraste (qui repose sur le changement de mise au point en continu jusqu'à ce qu'elle soit obtenue, avec une analyse importante des données d'image effectuée au niveau du capteur d'image).

L'autofocus à détection de phase (AF) est un système très complexe qui bénéficie d'améliorations constantes à chaque mise à jour des gammes d'appareils photo professionnels haut de gamme. Au fil des ans, le nombre de points autofocus a considérablement augmenté, de même que celui des points autofocus de type croisé, plus fiables. Par exemple, les appareils photo Canon 1D X et Canon 5D Mark III disposent de 61 points autofocus, dont 41 de type croisé. Observez ce réseau complexe de capteurs autofocus à l'intérieur de l'appareil :

Non seulement le nombre de points autofocus (AF) a augmenté, mais leur fiabilité a également été considérablement améliorée. La plupart des appareils photo professionnels modernes sont aujourd'hui équipés de systèmes autofocus ultrarapides et performants, capables de suivre les sujets en continu et d'effectuer une mise au point précise.

Problèmes d'autofocus sur les appareils photo reflex numériques

Les problèmes d'autofocus des appareils photo reflex numériques constituent un défi pour de nombreux photographes, car le système d'autofocus à détection de phase exige une précision extrême pour des résultats précis. Il est crucial que ce système soit correctement installé et aligné lors de la fabrication. Le moindre écart, pourtant fréquent en production, entraîne une mise au point imprécise. C'est la principale raison des problèmes rencontrés avec les systèmes à détection de phase depuis l'apparition des premiers reflex numériques équipés de ce type de capteur. Conscients de ces écarts potentiels, tous les fabricants de reflex numériques ont développé un système d'étalonnage de haute précision qui en tient compte et permet un étalonnage individuel de chaque appareil lors des contrôles qualité.

Si un problème d'alignement du capteur à détection de phase est détecté, le système effectue un test automatisé informatisé qui parcourt chaque point de mise au point et le corrige manuellement au sein de l'appareil photo. Les points imprécis sont recalibrés et réajustés, et les valeurs de compensation sont ensuite enregistrées dans le micrologiciel de l'appareil. Ce processus est similaire au réglage fin/micro-réglage de l'autofocus au niveau de la détection de phase, mais il est appliqué individuellement à chaque point de mise au point automatique.