Como funciona o autofoco por detecção de fase?

Ao discutir a tecnologia de câmeras DSLR , muitas vezes há muita confusão sobre como funciona o autofoco por detecção de fase (PDAF). Este tópico pode não interessar a muitos, mas se você está se perguntando por que e como ocorrem problemas de autofoco em sua câmera, este artigo explicará o que acontece dentro da câmera quando você tira uma foto. Existem inúmeras avaliações negativas sobre problemas de autofoco em dispositivos de ponta, como a Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 e outras câmeras DSLR. A maioria dos fotógrafos parece desconhecer que o problema principal não é necessariamente o modelo ou tipo específico da câmera, mas sim a maneira particular como essas câmeras obtêm o foco. Uma rápida pesquisa na internet revelará milhares de relatos sobre problemas de autofoco em todos os tipos de câmeras DSLR, alguns com mais de 10 anos. Portanto, os problemas de foco frontal e traseiro que vemos em câmeras modernas não são novidade; eles existem desde a primeira DSLR com sensor de detecção de fase.

Como funcionam as câmeras DSLR?

Para entender melhor esse problema, é essencial primeiro compreender como funciona uma câmera DSLR . Ilustrações típicas de DSLRs geralmente mostram apenas um único refletor posicionado em um ângulo de 45 graus. No entanto, o que essas ilustrações não mostram é um espelho secundário atrás do refletor, que reflete parte da luz para o sensor de detecção de fase. Observe a ilustração simplificada abaixo, que criei com base em uma imagem típica de uma Nikon D800:

A seguir, uma descrição de cada número mostrado na ilustração acima:

1. feixe de luz
2. Espelho principal/refletor
3. O espelho secundário, também conhecido como “subespelho”
4. Obturador da câmera e sensor de imagem
5. Pino descentrado (hexagonal de 1.5 mm) para ajuste do espelho principal.
6. Pino excêntrico (hexagonal de 1.5 mm) para ajuste do espelho secundário.
7. Sensor de detecção de fase (sensor AF)
8. Pentaprisma
9. Visor

Vamos dar uma olhada no que acontece dentro de uma câmera quando você tira uma foto. Os raios de luz entram na lente (1) e chegam ao interior da câmera. Um espelho primário semitransparente (2) está posicionado em um ângulo de 45 graus, refletindo a maior parte da luz verticalmente para o prisma pentagonal (8). O prisma pentagonal converte a luz vertical em horizontal e a reflete, para que você possa ver exatamente o que vê ao olhar pelo visor (9). Uma pequena porção da luz passa pelo espelho primário e é refletida pelo espelho secundário (3), que também está inclinado em um ângulo (54 graus em muitas câmeras Nikon modernas, como mostrado acima). A luz então chega ao sensor de detecção de fase/autofoco (7), que a redireciona para uma matriz de sensores (dois sensores para cada ponto de autofoco). A câmera então analisa e compara as imagens desses sensores (de forma semelhante à avaliação do foco em câmeras de telêmetro) e, se elas não parecerem idênticas, instrui a lente a fazer os ajustes apropriados (veja abaixo para mais detalhes).

Embora o processo acima pareça bastante simples, existe um grande problema com essa abordagem. O sensor de detecção de fase instrui a lente a fazer os ajustes necessários, enquanto a imagem é capturada por um dispositivo completamente diferente — o sensor na parte traseira da câmera. Por que isso é um problema? Lembre-se de que, ao tirar uma foto, os espelhos primário e secundário se elevam, o obturador abre e a luz da lente viaja diretamente para o sensor da câmera (4). Para que o autofoco por detecção de fase funcione corretamente, a distância entre a montagem da lente e o sensor da câmera, bem como a distância entre a montagem da lente e o sensor de detecção de fase, deve ser exatamente a mesma . Se houver mesmo uma pequena variação, o autofoco estará incorreto. Além disso, se o ângulo do espelho secundário não for tão preciso quanto deveria, isso também levará a problemas de autofoco.

Como funciona um sensor de detecção de fase?

O funcionamento de um sensor de detecção de fase baseia-se no princípio da comparação de fase óptica, funcionando de forma semelhante a uma câmara de telémetro. A luz refletida por um espelho secundário é recebida por uma matriz de minúsculos sensores de imagem (dois ou mais, dependendo do número de pontos de foco no sistema de autofoco) montados em microlentes. Para cada ponto de foco visto no visor, existem dois minúsculos sensores dedicados à detecção de diferenças de fase — um de cada lado da lente, como ilustrado no diagrama no topo da página (7) (o diagrama exagera este comportamento mostrando dois feixes de luz separados chegando a dois sensores separados).

Na verdade, os dispositivos modernos de detecção de fase contêm muito mais do que dois sensores, e esses sensores estão localizados muito próximos um do outro. Quando a luz atinge esses dois sensores, se o objeto estiver em foco, os raios de luz provenientes das extremidades da lente convergem diretamente no centro de cada sensor (assim como acontece com um sensor de imagem). Nesse caso, ambos os sensores terão imagens idênticas, indicando que o objeto está perfeitamente em foco. Se o objeto estiver fora de foco, os raios de luz não convergirão e atingirão lados diferentes do sensor, como mostrado abaixo (imagem cortesia da Wikipedia):

As figuras 1 a 4 representam casos em que o foco está (1) muito próximo, (2) correto, (3) muito distante e (4) muito distante. Os diagramas demonstram que a diferença de fase entre os dois perfis pode ser usada para determinar não apenas a direção em que o foco deve ser alterado, mas também a magnitude dessa alteração para se obter o foco ideal. É importante observar que, na realidade, é a lente que se move, e não o sensor.

Como o sistema de detecção de fase sabe se um objeto está em foco frontal ou traseiro, ele pode enviar instruções precisas para a lente da câmera sobre a direção e a quantidade de foco que ela deve girar. Veja o que acontece quando a câmera foca em um objeto (autofoco de circuito fechado):

1. A luz que passa pelas extremidades da lente é avaliada por dois sensores de imagem.
2. Com base na forma como a luz atinge os sensores de imagem, o sistema de autofoco consegue determinar se o objeto está com foco na frente ou atrás e qual a magnitude desse desvio.
3. Em seguida, o sistema de autofoco instrui a lente a ajustar o foco.
4. Os passos mencionados acima são repetidos quantas vezes forem necessárias até que se obtenha o foco perfeito. Caso o foco não seja alcançado, a lente se reajusta e inicia novamente a busca pelo foco, resultando no fenômeno de "busca de foco".
5. Assim que o foco perfeito for alcançado, o sistema de autofoco envia uma confirmação de que o objeto está em foco (como um ponto verde dentro do visor, um sinal sonoro de alerta, etc.).

Todas essas operações ocorrem em uma fração de segundo, razão pela qual o sistema de detecção de fase é muito mais rápido do que o sistema de detecção de contraste (que depende da mudança constante de foco até que o foco seja alcançado, com muita análise de dados de imagem feita no nível do sensor de imagem).

O autofoco por detecção de fase (AF) é um sistema altamente complexo que passa por aprimoramentos contínuos a cada atualização das linhas de câmeras profissionais de ponta. Ao longo dos anos, o número de pontos de autofoco aumentou significativamente, assim como o número de pontos de autofoco do tipo cruzado, mais confiáveis. Por exemplo, as câmeras Canon 1D X e Canon 5D Mark III possuem impressionantes 61 pontos de autofoco, 41 dos quais são do tipo cruzado. Observe este intrincado conjunto de sensores de autofoco na câmera:

Não só o número de pontos de autofoco (AF) aumentou, como também a sua fiabilidade foi significativamente melhorada. A maioria das câmaras profissionais modernas vem equipada com sistemas de autofoco ultrarrápidos e altamente configurados, capazes de acompanhar continuamente os objetos e obter uma focagem precisa.

Problemas de foco automático em câmeras DSLR

Problemas de autofoco em câmeras DSLR representam um desafio para muitos fotógrafos, já que o sistema de autofoco por detecção de fase exige altíssima precisão para alcançar resultados exatos. Fundamentalmente, o sistema de detecção de fase/autofoco deve ser instalado e alinhado corretamente durante o processo de fabricação. Se houver o menor desvio, o que é bastante comum na fabricação, o autofoco ficará impreciso. Essa é a principal razão pela qual o sistema de detecção de fase tem sido fonte de problemas desde o surgimento da primeira câmera DSLR com sensor de detecção de fase. Reconhecendo esses desvios potenciais, todos os fabricantes de câmeras DSLR desenvolveram um sistema de calibração de alta precisão que leva isso em consideração e permite a calibração individual de cada câmera durante o processo de inspeção e garantia da qualidade (QA).

Se for detectado um problema de alinhamento do sensor de detecção de fase, o sistema realiza um teste automatizado computadorizado que percorre cada ponto de foco e o ajusta manualmente dentro da câmera. Os pontos imprecisos são recalibrados e reajustados, e os valores de compensação são então gravados no firmware da câmera. Esse processo pode ser considerado semelhante ao ajuste fino/microajuste de foco automático no nível de detecção de fase, mas é realizado em cada ponto de foco automático individualmente.