Sep 28 2009

Mise au point sur l'autofocus

A900_autofocus.jpgLes pages d'informations sur le fonctionnement de l'autofocus principal des réflex sont nombreuses sur internet mais la plupart sont fausses. Elles décrivent presque toutes un type d'autofocus qui n'est utilisé que dans les compacts ou qui n'est apparu que très récemment comme autofocus secondaire dans les reflex dotés de la visée sur écran, à l'exception notable des Sony.

Afin de remettre les choses en place, nous allons passer en revue les principaux types d'autofocus ce qui nous demandera un détour par les dispositifs manuels car l'autofocus principal des réflex dérive étroitement de l'un des plus regrettés, le stigmomètre à champ coupé.

Autofocus actif

L'autofocus actif n'a été utilisé que dans un seul reflex, un modèle très particulier, le Polaroid SX-70 et dans quelques caméscopes très anciens. L'appareil, sur le modèle du radar ou du sonar, émet un signal ultrasonique ou infrarouge et mesure le temps le temps qu'il met à faire l'aller-retour entre lui et le sujet sur lequel il se réfléchit. Connaissant la vitesse de propagation du signal, l'appareil calcule la distance. Il fonctionne même dans le noir.

Autofocus passif

L'autofocus passif ne nécessite aucune émission de signal car il exploite la lumière réfléchie par le sujet. Les deux méthodes principalement utilisées sont la mesure de contraste d'image et la mesure de déphasage d'image, dite à détection de contraste de phase.

Autofocus à mesure de contraste d'image

Ce mode de mesure est utilisé par exploitation de l'image du capteur principal sur les appareils non reflex et sur la plupart des reflex récents quand ils sont en mode visée sur écran (liveview). Il semble n'avoir jamais été utilisé sur les reflex autofocus.

Partant du principe qu'une image nette est plus contrastée qu'un image floue du même sujet, l'autofocus à mesure de contraste d'image ne cherche pas à obtenir la plus grande netteté mais le plus grand contraste entre la zone la plus claire et la zone la plus sombre de la portion d'image qu'il analyse. Il peut être très précis mais il est assez lent car pour faire la mise au point, il lui faut faire du flou. Le seul moyen dont il dispose pour savoir qu'il a atteint le point optimal, c'est de le dérégler puis de revenir au réglage précédent.

Admettons que le point soit complètement déréglé comme lorsqu'on passe d'un sujet à un autre à une distance très différente. L'autofocus n'a aucune idée de la direction à prendre pour obtenir une mise au point correcte. Statistiquement, l'algorithme peut partir du principe que le sujet à plus de probabilité de se trouver du côté de l'étendue la plus grande (exemple : si la mise au point actuelle est à 2.50m, le sujet a plus de probabilité de se trouver entre 2.50m et l'infini qu'entre 2.50m et la distance minimale de mise au point de l'appareil) mais une probabilité n'est pas une certitude. Admettons donc que nous ayons photographié un sujet à 2.50m puis que nous visions désormais un sujet qui se trouve à 1m. Puisque statistiquement le sujet devrait se trouver plus loin, après avoir calculé le contraste maximal de la zone visée (qui est actuellement floue), le calculateur d'autofocus va déplacer le bloc optique de l'objectif de façon à faire la mise au point à 2.50m plus quelques centimètres puis va de nouveau mesurer le contraste. Celui-ci ayant baissé, il va faire faire demi-tour au bloc optique pour le caler à 2.50m moins quelques centimètres, mesurer de nouveau le contraste, constater que celui-ci à augmenté et donc poursuivre pas à pas dans le même sens. Arrivé au contraste maximal lorsque qu'il aura commandé la mise au point à 1m, l'autofocus n'a aucune idée qu'il s'agit du maximum. Il va donc commander la mise au point à 1m moins quelques centimètres, constater que le contraste a baissé et refaire demi-tour pour retourner à 1m. Il peut aller jusqu'à affiner cette mesure en se livrant à quelques allers-retours supplémentaires avec un pas de progression plus petit pour augmenter sa précision au détriment une fois de plus de la vitesse.

Autre inconvénient, comme il compare des images successives, pour qu'il puisse fonctionner correctement, il faut viser un sujet dont la distance ne change pas ou du moins très peu entre deux mesures consécutives. Si le sujet est agité, il pourra avoir du mal à y parvenir car les distances des deux images comparées seront trop différentes. De plus, pour fonctionner rapidement, il a besoin d'objectifs spécialement conçus qui communiquent leur position actuelle et dont le moteur permet des mouvements très rapide de très faible amplitude. Ces inconvénients ont rapidement conduit les concepteurs de reflex autofocus à utiliser une autre méthode, la détection de contraste de phase.

Autofocus à détection de contraste de phase

Un autofocus à détection de contraste de phase utilise un tout autre principe. Il consiste à regarder la même image en suivant deux chemins opposés par rapport au centre de l'objectif, à orienter les rayons lumineux suivant ces deux chemins via des lentilles et des prismes vers des paires de détecteurs appelées basis et à mesurer le décalage symétrique (le déphasage) des franges de contraste des deux images obtenues par rapport à la position identique qu'elles auraient dû avoir si le point était correctement fait. Il s'agit en fait d'un fonctionnement très similaire à celui des stigmomètres et des micro-prismes couramment utilisés en argentique manuel. Contrairement au précédent, l'autofocus à détection de contraste de phase ne recherche pas le point, il le calcule en une seule fois à partir du déphasage mesuré et commande à l'objectif de se positionner de façon à l'annuler. Comme il ne cherche pas à savoir si une image est nette ou pas, il est très peu sensible à la qualité optique des objectifs mais il a besoin d'en connaître les caractéristiques. A l'allumage ou au changement d'objectif, le boîtier interroge celui qui est monté pour connaître sa distance minimale de mise au point ainsi que son ouverture maximale par plage de focales. En monture alpha, cette opération d'identification s'accompagne d'un calage automatique à l'infini.
basisillus.gif
La plupart des modules AF des reflex sont formés de paires de détecteurs CCD ou CMOS dénommés basis, composés de deux lignes alignées bout à bout de quelques rangées de photosites. Un basis est sensible aux contrastes qui la coupe, d'autant plus que l'angle est proche de la perpendiculaire. A l'opposé, il est totalement insensible à ceux qui lui sont parallèles ou proche de l'être. Pour former un détecteur sensible aux contrastes dans toutes les directions, on utilise deux basis disposés à 90°. Leur longueur détermine leur précision. Plus ils sont longs, plus ils sont précis mais plus il nécessitent des objectifs à grande ouverture pour « voir », non pas à cause de la quantité de lumière nécessaire mais à cause du trajet des rayons lumineux. Pour simplifier, plus le détecteur est long, plus il « regarde » le sujet en passant loin du centre de l'objectif, or un objectif peu lumineux a une diamètre étroit qui masque la partie de l'image qu'il doit voir. Suivant leur conception, ces détecteurs plus précis peuvent être séparés ou combinés avec un détecteur normal (double croix).
afsensor.jpg
La position des détecteurs est rappelée dans le viseur par des symboles gravés sur un élément du verre de visée souvent illuminés lorsqu'ils sont actifs. On les appelle collimateurs.

Sur les boîtiers Canon de très haut de gamme depuis l'EOS 3 et sur les Nikon équipés du module CAM-2000, ce ne sont pas des basis qui sont utilisés mais des capteurs rectangulaires de faible résolution, de l'ordre de 128x85 soit un peu plus de 10.000 photosites sur lesquels les détecteurs. Le principalement avantage de ces capteurs d'AF, c'est qu'ils peuvent être reconfigurés en changeant, supprimant ou ajoutant des lentilles, des prismes et le logiciel sans avoir à concevoir et fabriquer un nouveau capteur.

Les détecteurs de l'AF à contraste de phase devant être fonctionnels pendant la visée reflex, une partie, 40% environ, de la lumière traversant l'objectif est détournée de la visée grâce à la couche de réflexion semi-transparente du miroir principal basculant. Le trajet de la lumière est ensuite dévié par un miroir secondaire, situé sur la face arrière du miroir principal, vers les groupes de lentilles de focalisation qui sont positionnées dans le bas de la chambre reflex de façon à ce que la distance parcourue par la lumière soit exactement la même que celle parcourue lorsqu'elle arrive sur le capteur ou sur le dépoli du viseur. Tout ceci nécessite des réglages très fins qui lorsqu'ils n'ont pas été bien effectués ou ont dérivé avec le temps induisent des problèmes de front ou back focus, c'est à dire de mise au point décalée vers l'avant ou l'arrière. Les prismes et les détecteurs se situent un peu plus loin et l'encombrement du tout n'est pas négligeable surtout lorsqu'on cherche un grande précision.

Bien que normalement, l'AF à détection de contraste de phase ne cherche pas le point, il arrive qu'il y soit obligé. Ceci se produit lorsque l'objectif est complètement défocalisé ou que le sujet ne présente pas de zones assez contrastée ou encore qu'il se présente sous la forme de motifs répétitifs rigoureusement identiques. Dans ce cas, le calculateur du boîtier va demander à l'objectif d'effectuer une mise au point rapide sur l'ensemble des distances possibles et essayer de voir quelque chose au passage. Il arrive qu'il n'y parvienne pas et dans ce cas il abandonne. C'est dans ce genre de situation qu'on reconnaît la supériorité de certains modules AF sur d'autres.

Le talon d'Achille de ce type d'autofocus est sa précision. Pour qu'il soit très précis, il faut que les détecteurs soient les plus larges possibles. Or comme nous l'avons vu, agrandir les détecteurs nécessite des optiques lumineuses fort coûteuses et aussi de la place dans la chambre reflex. C'est pourquoi les fabricants ont fait des compromis.

Premier compromis, ils n'ont pas cherché à obtenir que la mise au point soit exacte mais qu'elle soit suffisante pour qu'une mire apparaisse nette sur un tirage d'environ 25cm de diagonale regardé à 25cm de distance. Ceci se traduit par une tolérance sur l'exactitude de la mise au point, la profondeur de focus. Contrairement à la profondeur de champ, la profondeur de focus se répartirait symétriquement autour du point optimal et son ordre de grandeur serait proportionnel à la distance. Le module AF peut effectuer la mise au point n'importe où à l'intérieur de la profondeur de focus donc pas forcément deux fois de suite exactement à la même distance. Les fabricants ne communiquant pas sur ce sujet, je n'ai pas pu trouver d'information plus précise.

Deuxième compromis, ils ont conçu la plupart des modules AF de façon à ce qu'ils puissent fonctionner avec les objectifs les plus courants dont l'ouverture maximale est comprise entre f/3.5 et f/5.6, f/8 plus rarement. Seuls les boîtiers professionnels généralement plus gros ont été dotés de capteurs de plus grande dimension fonctionnant avec les objectifs ouvrant au moins à f/2.8. L'habitude prise par les photographes de scruter leurs photos numériques à fort grossissement sur écran, la baisse de prix des tirages grand format ainsi que l'augmentation du nombre d'amateurs passionnés s'équipant en objectif haut de gamme ont conduit les fabricants à équiper les boîtiers de gamme inférieure de ces capteurs, depuis le 20D par exemple chez Canon.

Autre facteur d'imprécision, afin d'obtenir une grande rapidité, certains modules AF ne vérifient pas après coup que l'ordre de positionnement qu'ils ont transmis à l'objectif a bien été exécuté. En monture EOS par exemple, il appartient à ce dernier de s'autocontrôler puis d'informer le calculateur du boîtier qu'il l'a fait. Si l'objectif est décalé, le calculateur n'en saura rien.

Evolution

Ces limitations ainsi que l'arrivée de l'AF en visée sur écran permettent d'envisager qu'arrive prochainement un AF à double détente, approche rapide à détection de contraste de phase pendant que le miroir est baissé puis fignolage avec la mesure du contraste d'image sur le signal du capteur principal.

A suivre

Dans un prochain article très technique, je montrerai en détail, schémas à l'appui, comment fonctionne l'AF à détection de contraste de phase.

Commentaires   

# Très intéressant !matieu 28-09-2009 12:02
Bravo pour cet article très intéressant qui vient consolider un peu plus mes maigres connaissances sur la technique pure...

... vivement la suite :D
# Merci !Breizhoo 28-09-2009 12:32
Encore une fois, merci pour cet article des plus intéressants ! Vivement le prochain ...
# Bravo!papyrazzi 02-10-2009 16:45
Et merci pour ce bel et très intéressant article écrit très clairement et que tous peuvent comprendre sans être exhaustif.
Encore merci pour ce boulot Jean-Michel.
# Jodrack 11-10-2009 14:00
Bravo super article, clair et pointu.
Un grand bravo.
# et les zooms xi?NantesBreizh 15-11-2013 00:09
Bonjour, j'ai découvert il y a peu cet espace "alpha": passionnant!
Je possède encore des zooms Minolta xi...qui valent ce que leur âge leur permet, mais sont très confortables en vidéo. Quel principe utilisent-ils pour le zooming, et la retouche AF?
Merci, et continuez longtemps à nous enrichir de votre savoir.

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