Pourquoi la capacité de mise au point automatique dépend-elle de l'ouverture plutôt que de la quantité de lumière disponible?

Parce que le fonctionnement de la mise au point automatique à détection de phase dépend de la différence des rayons lumineux à partir de la même zone dans le champ de vision lorsqu'ils frappent les côtés opposés de l'objectif. Plus l'ouverture effective de l'objectif est large (plus précisément appelée pupille d'entrée), plus les rayons lumineux comparés peuvent être espacés. Plus la différence entre les deux points est grande, meilleurs sont les systèmes AF performer en termes de précision et de rapidité. Plus de lumière aide aussi car elle augmente le contraste entre les bords plus clairs et plus sombres, mais seulement si cette lumière plus brillante atteint les lignes sur le réseau de capteurs PDAF.

Chaque collimateur autofocus utilise une paire de lignes de puits de pixels sensibles à la lumière similaires à celles trouvées sur le capteur de l'appareil photo. Chaque puits de pixel est (généralement) plus grand que les pixels du capteur d'image principal et ils ne sont pas filtrés pour la différenciation des couleurs comme un capteur masqué Bayer.

Pour profiter de l'ouverture plus large, les paires de capteurs de ligne pour un point de mise au point particulier dans le réseau AF, ou plus précisément, les microlentilles à l'entrée du réseau de capteurs PDAF qui dirigent la lumière vers les lignes à la surface du capteur PDAF, doivent être plus éloignées les unes des autres. Mais cela rend ces lignes peu utiles lorsqu'un objectif avec une ouverture plus étroite est fixé à l'objectif, car aucune lumière n'atteint ces points. Certains fabricants d'appareils photo couvrent un peu leur pari. Certains des points AF sont plus sensibles / précis mais ne fonctionnent bien qu'avec un objectif à grande ouverture. D'autres points de mise au point sont réglés pour pouvoir utiliser la lumière des objectifs avec des ouvertures plus étroites. Mais ces points ne peuvent pas profiter des rayons lumineux plus larges fournis par un objectif à grande ouverture.

Ceci est dû au fait que les deux lignes du tableau de mise au point pour chaque point de mise au point sont dans une position fixe. Si elles sont suffisamment proches l'une de l'autre pour pouvoir utiliser la lumière qui traverse chaque côté de l'objectif avec une ouverture f / 8 étroite, ils ne sont pas assez éloignés l'un de l'autre pour détecter la lumière qui traverse le bord de l'objectif avec une ouverture large f / 2,8 ou plus large. Même lorsqu'un objectif plus rapide se trouve sur l'appareil photo, ils n'utilisent que de la lumière tombant sur des parties de chaque côté de l'objectif qui sont suffisamment proches du centre pour que cette lumière puisse traverser l'ouverture la plus étroite.

Tous les points AF PDAF utilisent une paire de lignes. Les points AF de type croisé utilisent deux paires de lignes: une paire pour la verticale et une paire distincte pour l'horizontale. Les "points de type croix diagonale" ajoutent deux paires supplémentaires de lignes orientées à des angles de 45 ° par rapport aux lignes verticales et horizontales.

La distance entre ces lignes sur le réseau de capteurs PDAF (combinée à la façon dont les microlentilles à l'entrée du réseau PDAF dirigent la lumière tombant sur différentes parties de l'avant de l'objectif principal de la caméra) détermine comment loin du centre de l'axe optique de la lentille est échantillonné par cet ensemble de lignes sur le capteur PDAF. Si les deux lignes d'un collimateur autofocus échantillonnent la lumière de deux points opposés à l'avant de l'objectif qui sont plus proches du centre de l'axe optique de l'objectif, elles fonctionneront à des ouvertures plus étroites, mais elles seront moins sensibles. Si les deux lignes d'un collimateur AF échantillonnent la lumière de deux points opposés à l'avant de l'objectif qui sont plus éloignés de l'axe optique de l'objectif, elles seront plus sensibles, mais elles ne fonctionneront que si l'objectif a une pupille d'entrée suffisamment large. qu'il y a effectivement de la lumière atteignant ces lignes sur le réseau de capteurs PDAF.

Les fabricants d'appareils photo, en particulier Canon qui est indirectement mentionné dans votre question, couvrent un peu leurs paris. C'est particulièrement le cas des systèmes PDAF qui ont un très grand nombre de collimateurs AF. Certains des points sont réglés pour échantillonner la lumière transmise par des objectifs plus étroits, tels que f / 5,6 ou f / 8. D'autres points sont réglés pour regarder plus loin vers le bord sur les côtés opposés de l'objectif. Ces points ne reçoivent la lumière de l'objectif que si la pupille d'entrée est suffisamment large pour permettre à la lumière de les atteindre.

Dans le passé, Canon avait tendance à rendre chaque ensemble de lignes dans leurs points de type croisé sensible à différentes ouvertures . L'ensemble de lignes sensibles à l'horizontale peut être sensible aux objectifs avec une ouverture maximale de f / 5,6 ou plus, tandis que l'ensemble de lignes sensibles à la verticale pour le même collimateur AF peut uniquement fonctionner avec des objectifs ayant une ouverture de f / 4 ou plus. Un peu plus récemment, la coupure pour chaque paire de l'ensemble peut être respectivement de f / 8 et f / 5,6. Certains des modèles haut de gamme les plus récents ont des points de croisement où les deux ensembles de lignes pour un seul collimateur AF de type croisé sont compatibles avec des objectifs ou des combinaisons objectif / prolongateur / téléconvertisseur aussi étroits que f / 8. Les améliorations apportées à la technologie des systèmes AF ont permis aux plus petites différences détectées en échantillonnant des lignes de base plus étroites d'obtenir des performances qui ne pouvaient auparavant être obtenues qu'à partir de collimateurs AF utilisant une ligne de base plus large.

Ces mêmes améliorations peuvent également être utilisées pour améliorez les collimateurs AF f / 2,8! Canon a également eu tendance (et continue de le faire) à faire en sorte que les points de type croisé en diagonale utilisent une ligne de base plus large qui nécessite un objectif à ouverture plus large, généralement f / 2,8 ou plus large. Cela donne à ces points une sensibilité extrêmement précise là où cela est le plus nécessaire: lorsqu'ils sont utilisés avec des objectifs à grande ouverture qui donnent une profondeur de champ extrêmement faible et très peu de marge d'erreur AF.

Étant donné que les collimateurs AF de type croisé sont en réalité deux ensembles de lignes sensibles à un angle de 90 ° l'une par rapport à l'autre, rien n'indique que vous ne pouvez pas créer un collimateur autofocus de type croisé, ou même un collimateur AF de type croisé diagonal, qui fonctionnera avec des objectifs ayant une ouverture plus étroite que f / 2,8, f / 4, f / 5,6, etc. C'est juste que les fabricants d'appareils photo, en particulier celui référencé dans la citation contenue dans la question ci-dessus, ont choisi de faire croiser leur AF diagonal pointe leurs plus sensibles.

Par ailleurs, la même physique qui favorise la mise au point automatique avec des objectifs avec des ouvertures plus larges favorise également les appareils photo reflex numériques avec des capteurs plus grands. Parce que le miroir est plus grand, en particulier parce qu'il est plus large, et permet à la partie semi-translucide qui permet à la lumière à travers le miroir secondaire d'être réfléchie vers le bas dans le tableau PDAF d'être également plus large dans un appareil photo plein format que dans un APS-C caméra, la ligne de base utilisée pour les points de mise au point les plus sensibles peut également être plus large.

Pour une réponse un peu plus approfondie sur le fonctionnement des points de type croisé et une visualisation de la façon dont les points f / 2,8 nécessitent des lignes plus éloignées, voir cette réponse.

Pour une prise légèrement différente et quelques analyses plus approfondies de la façon dont l'ouverture maximale peut affecter les performances de la mise au point automatique (par rapport à Comment activer Canon AF avec téléconvertisseur?), veuillez consulter les deux réponses positives à: Le Canon 5D MK II avec 100-400 1: 4.5-5.6 fonctionnera correctement avec le convertisseur Kenko 1.4?

Sans entrer dans les détails du fonctionnement de l'autofocus "détection de phase", il n'est pas inexact de dire que c'est analogue à la vision stéréoscopique , que vous connaissez probablement.

Vous pouvez juger de la distance d'un objet que vous voyez parce que vos yeux le regardent sous des perspectives légèrement différentes. Si vous levez un doigt et regardez derrière, vous verrez deux doigts. Vos yeux doivent se tourner vers l'intérieur pour correspondre aux images. Plus le doigt est proche, plus la séparation des deux images sera grande et plus les yeux auront besoin de se tourner vers l'intérieur. Ce sont les informations que votre cerveau utilise pour calculer la distance de l'objet.

Il n'est pas difficile de voir que cet effet sera plus fort si les yeux sont plus éloignés. Ainsi, une plus grande distance entre les yeux permet une estimation plus précise de la distance.

Un système de mise au point automatique fait quelque chose de très similaire, mais au lieu d'utiliser deux yeux, il utilise des bords diagonalement opposés de l'objectif. Par exemple, il peut comparer la vue à travers la partie la plus à gauche de l'objectif et la vue à travers la partie la plus à droite. Les deux images seront décalées lorsque la mise au point n'est pas précise, de la même manière que vous voyez deux doigts lorsque vous regardez derrière. Plus l'ouverture est grande, plus la séparation entre ces vues est grande, et plus le jugement de «distance» (c'est-à-dire vers lequel se concentrer) peut être précis.

En gros, les angles des deux vues qu'un Le capteur de mise au point utilise est fixe. Ainsi, pour chaque capteur de mise au point, il existe une limite d'ouverture au-delà de laquelle il ne fonctionnera pas. Cela n'a rien à voir avec la quantité de lumière. Si l'ouverture est trop petite, la vue du capteur de mise au point sera obscurcie. Il essaie de regarder trop loin à gauche et à droite.

J'espère que cette illustration devrait clarifier les choses:

Sur la gauche, nous avons l'objectif, puis les lames d'ouverture qui en masquent une partie, puis le capteur AF. Le capteur AF regarde étroitement le long de deux directions distinctes, indiquées par les flèches. Il ne regarde pas à travers le milieu de l'objectif. Si l'ouverture est trop petite, cela bloquera la vue du capteur AF.

Voici un diagramme de l'autofocus à détection de phase

Lorsque l'image est nette, (2), les deux crayons de lumière vont au même endroit. Lorsqu'il n'est pas au point, ils vont à différents endroits (1, 3 ou 4). Les deux ont une différence entre eux codés dans le faisceau, par ex. rendant l'un un peu elliptique verticalement et l'autre horizontalement elliptique.

La distance entre les deux est une mesure indirecte du flou de l'image. La sensibilité, et donc la capacité de décider que l'image est mise au point ou non, dépend de la rapidité avec laquelle ils se séparent.

Vous pouvez voir à partir de la géométrie triangulaire des choses que la sensibilité est meilleure lorsque l'angle entre les deux les crayons est le plus gros.

L'autofocus à détection de contraste fonctionne différemment et prend plutôt une décision basée sur la netteté de l'image; de même, lorsque l'image est partout également nette (petite ouverture, profondeur de champ profonde), il est difficile pour le système de déterminer la meilleure mise au point.

La partie autofocus de l'appareil photo dispose de deux capteurs de ligne ¹ . Chaque pixel du capteur de ligne a un petit prisme devant lui, il ne capte donc que la lumière venant vers le capteur à un angle particulier:

Lorsqu'un capteur est conçu pour des objectifs plus rapides, cet angle est plus grand. Avec un objectif assez rapide, il est plus facile de mesurer la différence de phase.

En regardant cela par rapport à la vitesse de l'objectif, nous obtenons quelque chose comme ceci:

Dans ce cas, le capteur f / 2.8 essaie de répondre à la lumière qui aurait dû être transmise en dehors de l'ouverture. Puisque l'ouverture bloque une telle lumière, le capteur n'obtient tout simplement pas la lumière à laquelle il peut répondre.

Un capteur conçu pour l'ouverture (la ligne f / 4) reçoit de la lumière, donc cela fonctionne.

Il y a des cas limites. Le capteur de ligne est exactement cela - une ligne. Les pixels de la ligne reçoivent tous la lumière transmise au même angle, de sorte qu'ils ne reçoivent pas tous la lumière transmise par la même partie exacte de l'objectif. Dans un cas typique, l'appareil photo lira les données de l'objectif et désactivera tous les capteurs qui nécessitent une grande ouverture que celle fournie par l'objectif. Dans le cas d'un télé-extenseur, cependant, il est possible que l'appareil photo reçoive les données appropriées pour l'objectif sans le prolongateur. Dans ce cas, l'appareil photo peut continuer à essayer d'utiliser un capteur même lorsque l'ouverture fournie est plus petite que celle pour laquelle il a été conçu. Dans ce cas, vous pourriez vous retrouver avec la lumière entrant dans le capteur ressemblant à ceci:

Une partie du capteur reçoit de la lumière, et le reste non. Si un peu plus de la moitié du capteur reçoit de la lumière, vous avez encore au moins une chance que le système fonctionne toujours, même si votre ouverture est plus petite que celle pour laquelle il a été conçu. Néanmoins, il peut avoir du mal à trouver des parties de l’image qui coïncident jusqu’à ce qu’elle soit presque nette. Il est donc beaucoup plus susceptible de «chasser» et peut facilement «abandonner», même dans certains cas. là où il y a suffisamment de lumière et de contraste pour que la mise au point soit normalement rapide et précise.

1. Oui, il y a des capteurs croisés et autres, mais ce ne sont en gros que des capteurs linéaires.

Dans la plupart des cas, sans essayer de photographier le soleil ou dans une grotte sombre, l'ouverture sélectionnée sur l'objectif est une approximation approximative de la lumière disponible. Évidemment, plus l'ouverture est petite, moins la lumière est admise dans le capteur. De toute évidence, encore une fois, moins de lumière sur le capteur signifie qu'il y a moins de données disponibles pour l'autofocus à détection de phase à utiliser pour déterminer et verrouiller la mise au point correcte.

Le manuel ne devrait-il pas plutôt dire quelque chose comme "pas d'autofocus en dessous de 50 Lux"

Quelle méthode avez-vous et utilisez-vous pour mesurer le lux ou la luminance ou, mieux encore, la candela par mètre carré? N'est-ce pas un terme que la plupart des utilisateurs de reflex numériques comprennent à peine et ont peu ou pas de moyens d'utiliser? Pensez-vous qu'après l'achat d'un reflex numérique et d'un objectif autofocus, nous devrions également acheter un photomètre?

Je pense que la déclaration du manuel est une tentative d'expliquer brièvement et rapidement un sujet très compliqué. Après que la plupart d'entre nous utilisent des appareils photo et des objectifs autofocus pendant un certain temps, nous comprenons à partir de l'explication manuelle que, généralement, lorsque la lumière diminue, la probabilité de verrouillage de la mise au point automatique diminue également.