Autofocus

 

Télémétrie par différence de phase

Fig. 01 : Vue partielle d'un capteur de module de détection de mise au point de boîtier Nikon D2H.

La longueur des plus grandes barrettes de CCD est inférieure à 2 mm.

Avant l’apparition des boîtiers reflex, les photographes qui ne pouvaient s’offrir un appareil à télémètre devaient estimer la distance du sujet et reporter le résultat de cette estimation visuelle sur l’échelle de la bague de mise au point de l’objectif. Il n’était pas possible d’utiliser un téléobjectif dans de telles conditions… Les appareils plus chers disposaient d’un télémètre optique soi couplé à l’objectif, soi indépendant. Dans ce dernier cas, la valeur de la distance mesurée devait être reportée sur la bague de mise au point de l’objectif. Sur les appareils haut de gamme (Leica M), le télémètre étant couplé à l’objectif, mesure et réglage de mise au point s’effectuent simultanément. L’opération est assez rapide et très précise lorsque le sujet n’est pas trop éloigné. D’ailleurs, pendant longtemps, de nombreux photo-reporters ont préféré ce type d’appareil au reflex car il permettait d’effectuer la mise au point même lorsque les conditions d’éclairage étaient très défavorables (la piètre qualité de l’écran dépoli des reflex a longtemps été un de leurs principaux points faibles).

La figure ci-dessous présente l’agencement d’un télémètre optique d’appareil photographique. Ce dispositif est composé de deux systèmes optiques différents créant chacun une image distincte de la scène visée. Deux fenêtres, de part et d’autre de l’appareil photographique, permettent à la lumière de pénétrer respectivement dans chaque système optique. La fenêtre principale, à gauche, permet la visée directe de la totalité du champ embrassé par l’objectif ; à droite, la fenêtre secondaire, de champ plus réduit, permet de déterminer la distance du sujet. Par un jeu de miroirs et de prismes, les deux images virtuelles redressées sont superposées puis renvoyées à travers l’oculaire. Lorsque le dispositif est réglé sur l’infini, les deux images d’un sujet proche apparaissent décalées car la visée secondaire n’est pas précisément orientée vers le sujet. En ajustant la position angulaire du premier miroir, on fait converger l’axe de visée secondaire vers le sujet. Ce faisant, les deux images se rapprochent dans le viseur jusqu’à se confondre parfaitement lorsque le premier miroir est correctement orienté. La position angulaire du premier miroir permet ainsi de déterminer la distance du sujet.

Fig. 02 : Schéma d'un système de visée télémétrique.

Avec ce type de télémètre, la précision de la mesure de distance est proportionnelle à l’écartement des deux fenêtres de visée (malheureusement cet écartement est limité par les dimensions de l’appareil photographique) et inversement proportionnelle à l’éloignement du sujet. Ceci est dû au principe même du dispositif, car l’angle de rotation du miroir devient de plus en plus faible au fur et à mesure que le sujet s’éloigne. Cette technique n’est donc pas adaptée à l’usage des téléobjectifs qui exigent une mise au point très précise sur des sujets lointains. C’est la raison pour laquelle le viseur reflex (qui permet également un cadrage plus rigoureux) s’impose avec les objectifs de longueur focale supérieure à 135 mm.

Le photographe équipé d’un boîtier reflex “fait la netteté” sur le verre dépoli du viseur en observant précisément le sujet à travers l’objectif de prise de vue. La face inférieure du dépoli et la surface sensible du capteur étant tous deux à la même distance de l’objectif, lorsque l’image apparaît nette dans le viseur, elle l’est également sur le capteur. Ainsi, la précision du dispositif n’est plus liée à la distance du sujet.

Fig. 03 : Le viseur reflex permet la mise au point à travers l’objectif.

Parce que la qualité du verre dépoli des premiers boîtiers reflex ne permettait pas toujours d’apprécier correctement la netteté de l’image, de nombreux moyens ont été inventés afin d’aider le photographe à effectuer rapidement une mise au point précise : microprismes, télémètre de Dodin (stigmomètre), champ clair réticulé… Avant la généralisation de la mise au point automatique, la grande majorité des boîtiers en étaient pourvus, mais depuis, l’électronique et l’informatique ont remplacé tous ces astucieux dispositifs…

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Principe de fonctionnement du détecteur de mise au point d’un boîtier reflex à mise au point automatique.

Bien souvent, le principe de fonctionnement des appareils les plus sophistiqués fait appel à des notions assez simples. Les systèmes de détection de mise au point utilisés dans les boîtiers photographiques ne font pas exception à cette règle. La figure suivante illustre la seule notion nécessaire à la compréhension de ces systèmes.

Lorsqu’une source lumineuse ponctuelle est placée au foyer principal objet d’une lentille convergente, les rayons lumineux émergents sont parallèles à l’axe optique. La lentille convergente peut être considérée comme une lentille collimatrice. Si la source lumineuse s’éloigne, les rayons émergents convergent derrière la lentille. Plus on éloigne la source lumineuse, plus le point de convergence des rayons émergents se rapproche de la lentille. À la limite, lorsque la source est à l’infini, les rayons lumineux émergents convergent au foyer principal image. À l’inverse, si la source lumineuse se rapproche, les rayons lumineux divergent derrière la lentille.

Fig. 04 : Comportement des rayons émergents selon la position de
la source lumineuse par rapport au foyer principal objet d'une lentille.

Si la source lumineuse est remplacée par le faisceau convergent issu d’un objectif photographique, le comportement des rayons lumineux derrière la lentille collimatrice reste inchangé (voir ci-dessous).

Fig. 05 : Comportement des rayons émergents selon la position du foyer de l'objectif par rapport au foyer objet d'une lentille.

Lorsque le foyer de l'objectif se confond avec le foyer principal objet de la lentille collimatrice, les rayons lumineux émergents sont parallèles à l’axe optique (collimatés). Le moindre décalage du foyer de l'objectif par rapport au foyer principal objet de la lentille collimatrice fait converger ou diverger les rayons lumineux à sa sortie. C’est cette propriété qui est mise à profit dans les télémètres des boîtiers à mise au point automatique :

  • le faisceau émergent est convergent lorsque l'objet est au-delà du plan de mise au point (l'image se forme devant le capteur),
  • le faisceau émergent est divergent lorsque l'objet est en deçà du plan de mise au point (l'image se forme derrière le capteur).

Lorsque le faisceau n’est ni convergent ni divergent (collimaté), le plan de mise au point coïncide avec la position du sujet. En fait, le dispositif adopté permet bien mieux que la simple détection du sens de l’erreur…

Le schéma de la figure suivante illustre l’agencement des différents éléments d’un détecteur de mise au point.

Fig. 06 : Éléments essentiels d’un détecteur de mise au point.

On trouve, à gauche, l’objectif de prise de vue formant l’image sur le plan du capteur derrière lequel une lentille collimatrice est positionnée de manière à ce que son foyer principal objet coïncide avec le plan du capteur. De cette manière, comme nous l’avons vu précédemment, si la mise au point est correctement réglée, les rayons lumineux émergents sont rejetés à l’infini parallèlement à l’axe optique. Derrière la lentille collimatrice, de part et d’autre de l’axe optique, deux petites lentilles convergentes reforment l’image crée par l’objectif en focalisant une partie du faisceau lumineux sur deux barrettes de CCD situées à l’extrémité du dispositif. Ces CCD sont positionnés de manière à ce que les images d’une source ponctuelle située à l’infini sur l’axe optique se forment en leur centre lorsque la mise au point est correctement réglée. Les diagrammes, à gauche, représentent la distribution de la lumière à la surface de chaque CCD dans de telles circonstances : les deux courbes sont parfaitement superposables. Des masques opaques percés d’ouvertures de formes adaptées sont placés devant la lentille collimatrice et les petites lentilles de focalisation pour que seule la lumière utile puisse pénétrer à l’intérieur du dispositif (voir figure suivante).

Fig. 07 : Masques utilisés avec récepteur à deux barrettes de CCD (capteur linéaire).

Lorsque l'objet est plus proche que le plan de mise au point, son image se forme derrière le capteur et apparaît donc floue sur celui-ci. À la sortie de la lentille collimatrice, les deux petites lentilles focalisent la lumière derrière les CCD, formant sur ceux-ci des images également floues. De plus, le faisceau étant divergent derrière la lentille collimatrice, ces images apparaissent décalées par rapport aux centres des CCD (plus éloignées de l’axe optique).

À l’inverse, lorsque l'objet est plus loin que le plan de mise au point, l’image se forme devant le capteur et les deux petites lentilles focalisent la lumière légèrement devant les CCD : les images formées sur les CCD sont donc floues et décalées par rapport aux centres. Le faisceau étant convergent derrière la lentille collimatrice, le décalage des images est inversé par rapport au cas précédent (images plus proches de l’axe optique).

Fig. 08 : Réponse des barrettes de CCD en fonction de la position du plan de mise au point (source lumineuse ponctuelle).

En superposant les courbes de distribution de la lumière obtenues sur chacune des deux barrettes de CCD, on constate :

  • qu’elles ont la même forme (car elles sont obtenues d’après deux images d’un même sujet),
  • qu’elles sont déphasées dans un sens ou dans l’autre selon le sens de l’erreur de mise au point,
  • que le déphasage entre les deux courbes est proportionnel à l’importance de l’erreur de mise au point.

Ce dispositif est intéressant car il permet de déterminer simultanément le sens et l’amplitude de la correction à apporter pour que la mise au point soit correcte. C’est ce que l’on appelle un télémètre par différence de phase.

Lorsque l’amplitude des signaux issus des CCD est suffisamment importante, l’analyse est facilitée et les calculs de déphasage sont plus précis (figure suivante). Pour cela, il est nécessaire qu’un minimum de lumière atteigne les CCD. C’est la raison pour laquelle, la télémétrie par différence de phase devient imprécise lorsque les conditions d’éclairage sont défavorables, et inopérante en dessous d’un certain seuil d’éclairement. De la même manière, le sujet visé doit présenter un minimum de contraste.

Fig. 09 : Exemples de courbes de réponse des CCD selon le sujet, l’écart de mise au point et l’éclairement.

Il est possible de rendre le dispositif plus discriminant en y ajoutant une deuxième paire de lentilles de focalisation et de CCD. Les lentilles et CCD supplémentaires sont alors disposés selon un plan orienté à 90° par rapport aux autres, formant ainsi un “capteur en croix” (figure suivante).

Fig. 10 : Les modules à quatre barrettes de CCD (capteur en croix) sont plus discriminants que les modules à 2 barrettes.

L’écartement des lentilles du module de télémétrie détermine la valeur minimale de l’angle au sommet du cône utile émergent de l’objectif compatible avec le bon fonctionnement du système.

Sur la figure suivante apparaît le cône utile émergent d’un objectif d’ouverture géométrique minimale N = 1.4. Son demi angle au sommet est repéré u’. Cet angle u’ varie avec l’ouverture de l’objectif : il est d’autant plus faible que l’ouverture géométrique de l’objectif est plus élevée (par exemple, u' vaut 19,7° pour N = 1.4 ; 10,2° pour N = 2.8 ; 5,1° pour N = 5.6).

Les faisceaux lumineux pénétrant à l’intérieur du module de télémétrie sont inclus dans un cône d’ouverture bien plus faible, de demi angle au sommet v’. Cet angle v’ est fixe par construction : il est déterminé par l'entre axe des lentilles de focalisation du module.

Fig. 11 : Angles d'ouverture du cône utile émergent du Nikkor AF 85 mm f/1.4 (u') et du module de télémétrie (v').

Tant que l’angle u’ est supérieur à l’angle v’ le module de télémétrie fonctionne normalement. Lorsque l’angle u’ est inférieur à l’angle v’, le module ne recevant pas assez de lumière (voire plus du tout), il cesse de fonctionner. Les modules installés dans les boîtiers photographiques fonctionnent normalement tant que le demi angle au sommet du cône utile émergent est égal à 5° environ (N = 5.6).

Remarque :

Tant que l’angle u’ est supérieur à l’angle v’, la quantité de lumière pénétrant dans le module est identique quelle que soit l’ouverture de l’objectif : un module construit pour fonctionner jusqu’à N = 5.6 reçoit la même quantité de lumière, qu’il soit utilisé avec un objectif ouvert à N = 2 ou un objectif ouvert à N = 5.6. Si la mise au point automatique semble plus performante avec l’objectif le plus lumineux, ceci ne doit pas être attribué au fonctionnement du module de télémétrie, mais à la chaîne cinématique embarquée dans l’objectif et assurant le mouvement des éléments impliqués dans la réalisation de la mise au point (puissance du moteur, présence ou absence d’une transmission, amplitude de déplacement, etc).

L'animation suivante illustre ce qui précède. Dans cet exemple, on constate que la quantité de lumière reçue par le module est rigoureusement constante pour toute valeur d’ouverture de l’objectif égale ou inférieure à N = 5.6. Aux valeurs supérieures, le flux lumineux parvenant aux barrettes de CCD diminue (jusqu’à N = 8). Au-delà de N = 9, plus aucune lumière ne parvient jusqu’à elles, et le module ne fonctionne plus.

Fig. 12 : Effet de l'ouverture de l'objectif sur le fonctionnement du module de détection de mise au point.

Remarque :

Les modules de télémétrie linéaires ou “en croix” dont le principe vient d’être décrit utilisent une lentille collimatrice. Il existe des modules équipés d'une lentille de champ. Celle-ci est virtuellement placée sur le plan focal (récepteur image)  ou, plus généralement, derrière celui-ci. Ceci ne change pas fondamentalement les choses quant au principe de fonctionnement de l'ensemble.

Le principe de fonctionnement d'un module à lentille de champ est présenté par l'animation suivante. Ici, la lentille de champ est positionnée sur le plan focal. Par conséquent, les deux faisceaux lumineux continuent de s'écarter même après avoir traversé la lentille de champ. Dans cet exemple, le plan de mise au point objet est situé à 0,79 m du plan focal. L’animation permet de visualiser la réponse des CCD lorsque la distance de réglage de l'objectif varie entre 0,45 m et l'infini. Lorsque les courbes de réponse des CCD se superposent parfaitement, l'objectif est précisément réglé sur 0,79 m.

Fig. 13 : Principe de fonctionnement d'un module de détection de mise au point à lentille de champ.

L’entraxe du couple de lentilles de focalisation détermine l’angle d’ouverture minimum du cône utile émergent permettant de les éclairer, et par conséquent le Nombre d’ouverture maximum de l’objectif compatible avec le fonctionnement du module de télémétrie. Afin de rendre l'animation ci-dessus plus lisible, j'ai volontairement choisi un couple de lentilles de focalisation très écartées. En contrepartie, un tel module ne peut fonctionner qu’avec des objectifs ayant un Nombre d’ouverture inférieur ou égal à N = 2. En réalité, l’entre axe du couple de lentilles de focalisation est toujours moindre. Les entre axes les plus importants sont adaptés aux objectifs dont le Nombre d’ouverture est inférieur ou égal à N = 2.8 ; les entraxes les plus courants autorisent l’emploi d’objectifs dont le Nombre d’ouverture est inférieur ou égal à N = 5.6.

Pour une erreur de mise au point donnée, le déphasage des images sur les CCD est d’autant plus fort que l’entre axe des lentilles de focalisation est important. En d'autres termes, plus l’entre axe des lentilles de focalisation est fort, plus il est facile de détecter une faible erreur de mise au point. En contrepartie, un entre axe important est incompatible avec les objectifs peu lumineux.

Dans la réalité il est évidemment impossible de placer le module de détection de mise au point derrière le capteur car celui-ci n’est pas transparent ; on le place donc sous la chambre reflex (figure suivante). Une plage semi-transparente, aménagée dans la partie centrale du miroir principal, laisse passer une fraction de la lumière provenant de l’objectif. Cette lumière est déviée une première fois vers la lentille collimatrice du module par un miroir secondaire (ces deux miroirs s’escamotent simultanément avant chaque prise de vue). Afin de gagner en compacité, le faisceau lumineux est souvent dévié une deuxième fois à l’intérieur même du module par un miroir de renvoi situé entre la lentille collimatrice et les petites lentilles de focalisation.

Fig. 14 : Implantation du module de détection de mise au point sous la chambre reflex.

Pour être fiables, ces modules de détection de mise au point très miniaturisés doivent être réalisés avec une précision extrême, et leur positionnement à l’intérieur du boîtier photographique doit être ajusté avec la plus grande rigueur. Les résines constituant les éléments optiques sont sélectionnées en fonction de leur capacité à ne pas absorber l’humidité, ce qui pourrait modifier leurs propriétés et affecter, au gré des conditions climatiques, la qualité de la mesure. La moindre variation de la distance séparant les différents composants du module peut également influencer la précision de la mesure. La conception mécanique des modules fait donc l’objet d’un soin particulier afin de minimiser l’effet des différences de dilatation des matériaux utilisés lors des changements de température.

L’analyse des signaux issus des CCD, les calculs de déphasage ainsi que la commande et le contrôle du moteur électrique déplaçant les lentilles sont confiés à des microprocesseurs de plus en plus puissants qui exécutent ces tâches en une fraction de seconde. Ainsi, aujourd’hui, tout le monde peut réaliser relativement facilement des photos au téléobjectif, qui autrefois nécessitaient une grande dextérité (ou beaucoup de chance). Actuellement, les performances de ces systèmes sont si élevées qu’ils permettent, sur des sujets en déplacement rapide, d’assurer simultanément la mise au point “en continu” et la prise de vues à des cadences supérieures à dix images par seconde !

Fig. 15 : Module de détection de mise au point.

Les photos suivantes présentent le module de détection de mise au point Multi-CAM1300 équipant le boîtier Nikon D1H. Ce module permet d'analyser cinq zones distinctes du champ image grâce à trois lentilles collimatrices différentes :

  • une lentille en position centrale illuminant trois groupes de micro-lentilles de focalisation affectés à l'analyse des trois zones placées verticalement au centre de l'image ;
  • deux latérales illuminant deux groupes de micro-lentilles de focalisation affectés à l'analyse des zones placées à droite et à gauche de l'image (sur la photo suivante, les boîtiers recevant les micro-lentilles et les circuits supports de CCD affectés à l'analyse de ces deux zones ont été retirés pour laissé apparaître le miroir de renvoi).

Fig. 16 : Le module de détection de mise au point Multi-CAM1300 du boîtier Nikon D1H.

L'illustration suivante présente le circuit intégrant les barrettes de CCD affectées à l'analyse des trois zones placées verticalement au centre de l'image. On distingue :

  • au centre, les quatres barrettes de CCD agencées en croix et affectées à l'analyse de la partie centrale de l'image ;
  • en haut, le couple de barrettes affectées à l'analyse de la partie centrale supérieure de l'image (ce couple est incliné de 11° par rapport à l'horizontale de manière à le rendre plus discriminant dans l'analyse de motifs à structure horizontale) ;
  • en bas, le couple de barrettes affectées à l'analyse de la partie centrale inférieure de l'image (parfaitement horizontal, ce couple est très efficace dans l'analyse de motifs à structure verticale).

Fig. 17 : Circuit affecté à l'analyse des trois zones placées verticalement au centre de l'image (Multi-CAM1300).

L'illustration suivante présente l'un des deux circuits intégrant les barrettes de CCD affectées à l'analyse des zones latérales de l'image. On distingue les quatre barrettes de CCD agencées en croix. La distance entre ce circuit et sa lentille collimatrice est inférieure à celle du module central, et ces barrettes sont également 25% plus courtes : les croix latérales sont donc légèrement moins sensibles que la croix centrale.

Fig. 18 : Circuit affecté à l'analyse des zones latérales de l'image (Multi-CAM1300). En fond, cristaux de quartz.

L'illustration suivante présente une plaquette à quatre micro-lentilles de focalisation moulées, et son masque désolidarisé. Cette plaquette de micro-lentilles est affectée à l'analyse d'une des deux zones latérales de l'image.

Fig. 19 : Plaquette de quatre micro-lentilles et masque associé (Multi-CAM1300). En fond, le filtre IR qui recouvre le capteur d’image du Nikon D1H.

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Références :

  • Digital focus detecting device (Minolta Camera - Kabushiki Kaisha - 1989).
  • Large aperture medium telephoto lens system (Nikon Corporation - 1997).
  • Focus detecting device having light distribution detection (Nikon Corporation - 1997).
  • Focus detection device (Nikon Corporation - 1997).
  • Internal focusing telephoto lens (Nikon Corporation - 1998).
  • Rangefinder optical system (Asahi Kogaku - Kogyo Kabushiki Kaisha - 2002).
  • Interchangeable lens (Nikon Corporation - 2007).

PT, le 27 novembre 2013.

Pierre Toscani (2008-2016) • Photos, textes et illustrations ne sont pas libres de droits