¿Por qué la capacidad de enfoque automático depende de la apertura en lugar de la cantidad de luz disponible?

Sin entrar en los detalles de cómo funciona el enfoque automático de "detección de fase", no es incorrecto decir que es análogo a la visión estereoscópica , con la que probablemente esté familiarizado.

Puedes juzgar la distancia de un objeto que ves porque tus ojos lo miran desde perspectivas ligeramente diferentes. Si levantas un dedo y miras detrás de él, verás dos dedos. Sus ojos deben volverse hacia adentro para hacer coincidir las imágenes. Cuanto más cerca esté el dedo, mayor será la separación de las dos imágenes y más necesidad tendrán los ojos de volverse hacia adentro. Esta es la información que tu cerebro usa para calcular la distancia del objeto.

No es difícil ver que este efecto será más fuerte si los ojos están más separados. Por lo tanto, una mayor distancia entre ojos permite una estimación de distancia más precisa.

Un sistema de enfoque automático hace algo muy similar, pero en lugar de usar dos ojos, utiliza los bordes diagonalmente opuestos de la lente. Por ejemplo, puede comparar la vista a través de la parte más a la izquierda de la lente con la vista a través de la parte más a la derecha. Las dos imágenes se desplazarán cuando el enfoque no sea preciso, de la misma manera que ve dos dedos cuando mira detrás de él. Cuanto mayor sea la apertura, mayor será la separación entre estas vistas y más preciso puede ser el juicio de "distancia" (es decir, hacia dónde enfocar).

En términos generales, los ángulos de las dos vistas que utiliza un sensor de enfoque son fijos. Por lo tanto, para cada sensor de enfoque hay un límite de apertura más allá del cual no funcionará. Esto no tiene nada que ver con la cantidad de luz. Si la apertura es demasiado pequeña, la vista del sensor de enfoque se oscurecerá. Está tratando de mirar demasiado hacia la izquierda y hacia la derecha.

Esperemos que esta ilustración aclare las cosas:

A la izquierda tenemos la lente, luego las hojas de apertura oscureciendo parte de ella, luego el sensor AF. El sensor AF está mirando estrechamente a lo largo de dos direcciones separadas, indicadas por las flechas. No está mirando a través del medio de la lente. Si la apertura es demasiado pequeña, bloqueará la vista del sensor AF.

¿Por qué la capacidad de enfoque automático depende de la apertura en lugar de la cantidad de luz disponible?

Porque la forma en que funciona el enfoque automático de detección de fase depende de la diferencia en los rayos de luz de la misma área en el campo de visión cuando inciden en los lados opuestos de la lente. Cuanto más amplia sea la apertura efectiva de la lente (más propiamente llamada pupila de entrada), más separados pueden estar los rayos de luz que se comparan. Cuanto mayor sea la diferencia entre los dos puntos, mejor será el rendimiento de los sistemas AF en términos de precisión y velocidad. Más luz también ayuda porque aumenta el contraste entre los bordes más claros y los más oscuros, pero solo si esa luz más brillante llega a las líneas en el conjunto de sensores PDAF.

Cada punto AF utiliza un par de líneas de píxeles sensibles a la luz similares a las que se encuentran en el sensor de la cámara. Cada píxel es (generalmente) más grande que los píxeles del sensor de imagen principal y no se filtran para diferenciar el color como lo hace un sensor enmascarado de Bayer.

Para aprovechar la apertura más amplia, los pares de sensores de línea para un punto de enfoque particular en la matriz AF, o más precisamente, las microlentes en la entrada de la matriz de sensores PDAF que apuntan la luz a las líneas en la superficie del sensor PDAF. , deben estar más separados unos de otros. Pero eso hace que esas líneas no sean muy útiles cuando se conecta una lente con una apertura más estrecha a la lente, porque entonces la luz no llega a esos puntos. Algunos fabricantes de cámaras cubren un poco su apuesta. Algunos de los puntos de enfoque son más sensibles/precisos, pero solo funcionan bien con una lente de gran apertura. Otros puntos de enfoque se ajustan para poder utilizar la luz de lentes con aperturas más estrechas. Pero esos puntos no pueden aprovechar los rayos de luz más amplios proporcionados por una lente de gran apertura.

Esto se debe a que las dos líneas de la matriz de enfoque para cada punto de enfoque están en una posición fija. Si están lo suficientemente cerca el uno del otro para poder usar la luz que atraviesa cada lado de la lente con una apertura estrecha de f/8, no están lo suficientemente separados entre sí para sentir la luz que atraviesa el borde de la lente. objetivo con una gran apertura de f/2.8 o mayor. Incluso cuando hay una lente más rápida en la cámara, solo usan la luz que cae en partes de cada lado de la lente que están lo suficientemente cerca del centro para que esa luz atraviese la apertura más estrecha.

Todos los puntos de enfoque PDAF usan un par de líneas. Los puntos de enfoque de tipo cruzado utilizan dos pares de líneas: un par para la vertical y un par separado para la horizontal. Los "puntos de tipo cruz diagonal" añaden dos pares de líneas adicionales orientadas en ángulos de 45° a las líneas verticales y horizontales.

La distancia que separan estas líneas en la matriz de sensores PDAF (combinada con la forma en que las microlentes en la entrada de la matriz PDAF apuntan la luz que cae sobre varias partes del frente de la lente principal de la cámara) determina qué tan lejos del centro de la lente El eje óptico está siendo muestreado por ese conjunto de líneas en el sensor PDAF. Si las dos líneas para un punto AF toman muestras de luz de dos puntos opuestos en la parte frontal de la lente que están más cerca del centro del eje óptico de la lente, funcionarán en aperturas más estrechas, pero serán menos sensibles. Si las dos líneas para un punto AF toman muestras de luz de dos puntos opuestos en la parte frontal de la lente que están más lejos del eje óptico de la lente, serán más sensibles,

Los fabricantes de cámaras, en particular Canon, a la que se hace referencia indirectamente en su pregunta, cubren un poco sus apuestas. Este es especialmente el caso de los sistemas PDAF que tienen una gran cantidad de puntos AF. Algunos de los puntos están sintonizados para muestrear la luz que pasa por lentes más estrechos, como f/5.6 o f/8. Otros puntos se sintonizan para mirar más allá del borde en lados opuestos de la lente. Estos puntos solo reciben luz de la lente si la pupila de entrada es lo suficientemente ancha como para permitir que la luz llegue a ellos.

En el pasado, Canon tendía a hacer que cada conjunto de líneas en sus puntos de tipo cruz fuera sensible a diferentes aperturas. El conjunto de líneas de sensibilidad horizontal puede ser sensible a lentes con una apertura máxima de f/5.6 o mayor, mientras que el conjunto de líneas de sensibilidad vertical para el mismo punto AF solo puede funcionar con lentes que tengan una apertura de f/4 o mayor. Un poco más recientemente, el corte para cada par del conjunto puede ser f/8 y f/5.6, respectivamente. Algunos de los modelos de gama alta más recientes tienen puntos de cruce en los que ambos conjuntos de líneas para un único punto AF de tipo cruz son compatibles con lentes o combinaciones de lente/extensor/teleconversor tan estrechos como f/8.

¡Esas mismas mejoras también se pueden usar para mejorar los puntos AF f/2.8! Canon también tendía (y aún lo hace) a hacer que los puntos de tipo cruz diagonales usen una línea de base más ancha que requiere una lente de mayor apertura, generalmente f/2.8 o más ancha. Esto le da a esos puntos una sensibilidad extremadamente precisa donde más se necesita: cuando se usa con lentes de gran apertura que brindan una profundidad de campo extremadamente baja y un margen muy pequeño para el error de AF.

Dado que los puntos AF de "tipo cruzado" son en realidad dos conjuntos de líneas sensibles en un ángulo de 90° entre sí, no hay nada que diga que no puede hacer un punto AF de tipo cruzado, o incluso un punto AF de tipo cruzado diagonal, que funcionará con lentes que tienen una apertura más estrecha que f/2.8, f/4, f/5.6, etc. Es solo que los fabricantes de cámaras, particularmente el que se menciona en la cita contenida en la pregunta anterior, han optado por aprovechar al máximo sus puntos de cruce de AF diagonales. los sensibles.

Por cierto, la misma física que favorece el AF con lentes con aperturas más amplias también favorece a las cámaras DSLR con sensores más grandes. Porque el espejo es más grande, particularmente porque es más ancho, y permite que la parte semitranslúcida que permite que la luz a través del espejo secundario se refleje en la matriz PDAF también sea más ancha en una cámara de fotograma completo que en una APS-C. cámara, la línea de base utilizada para los puntos de enfoque más sensibles también puede ser más ancha.

Para una respuesta un poco más profunda sobre cómo funcionan los puntos de tipo cruzado y una visualización de cómo los puntos f/2.8 requieren líneas que están más separadas, consulte esta respuesta .

Para una toma ligeramente diferente y un par de miradas más detalladas sobre cómo la apertura máxima puede afectar el rendimiento de AF (en comparación con ¿Cómo habilitar Canon AF con teleconvertidor? ), consulte las dos respuestas votadas a favor de: ¿La Canon 5D MK II con 100-400 1: 4.5-5.6 funciona correctamente con el convertidor Kenko 1.4?

Aquí hay un diagrama del enfoque automático de detección de fase

Cuando la imagen está enfocada, (2), los dos lápices de luz van al mismo lugar. Cuando está fuera de foco, van a diferentes lugares (1, 3 o 4). Los dos tienen una diferencia entre ellos codificados en el haz, por ejemplo, haciendo que uno sea un poco elíptico verticalmente y el otro horizontalmente elíptico.

La distancia entre los dos es una medida indirecta de cuán desenfocada está la imagen. La sensibilidad y, por lo tanto, la capacidad de decidir si la imagen está enfocada o desenfocada, depende de la rapidez con la que se separan.

Puedes ver por la geometría triangular de las cosas que la sensibilidad es mejor cuando el ángulo entre los dos lápices es mayor.

El enfoque automático de detección de contraste funciona de manera diferente y, en cambio, toma una decisión basada en la nitidez de la imagen; del mismo modo, cuando la imagen es igualmente nítida en todas partes (apertura pequeña, gran profundidad de campo), es difícil para el sistema determinar dónde está el mejor enfoque.

La parte de enfoque automático de la cámara tiene un par de sensores de línea ¹ . Cada píxel en el sensor de línea tiene un pequeño prisma frente a él, por lo que solo recoge la luz que llega al sensor en un ángulo particular:

Cuando un sensor está diseñado para lentes más rápidos, ese ángulo es mayor. Con una lente lo suficientemente rápida, eso hace que sea más fácil medir la diferencia de fase.

Mirando esto en relación con la velocidad de la lente, obtenemos algo como esto:

En este caso, el sensor f/2.8 intenta responder a la luz que debería haberse transmitido fuera de la apertura. Dado que la apertura bloquea esa luz, el sensor simplemente no recibe luz a la que pueda responder.

Un sensor diseñado para la apertura (la línea f/4) recibe luz, por lo que funciona.

Hay algunos casos límite. El sensor de línea es exactamente eso: una línea. Todos los píxeles de la línea reciben la luz que se transmite en el mismo ángulo, por lo que no todos reciben la luz que se transmite a través de la misma parte exacta de la lente. En un caso típico, la cámara leerá los datos de la lente y deshabilitará cualquier sensor que requiera una apertura mayor que la que proporciona la lente. Sin embargo, en el caso de un extensor de tele, es posible que la cámara reciba los datos apropiados para la lente sin el extensor. En este caso, es posible que la cámara siga intentando usar un sensor incluso cuando la apertura provista sea más pequeña de lo que está diseñada. En este caso, podría terminar con la luz entrando al sensor con este aspecto:

Parte del sensor recibe luz y el resto no. Si un poco más de la mitad del sensor recibe luz, aún tiene al menos alguna posibilidad de que el sistema siga funcionando, aunque su apertura sea más pequeña de lo que está diseñado. No obstante, puede tener dificultades para encontrar partes coincidentes de la imagen hasta que esté casi enfocada, por lo que es mucho más probable que "cace" y puede simplemente "abandonar", incluso en los casos en que hay suficiente luz y contraste que normalmente se enfocaría de forma rápida y precisa.

1. Sí, hay sensores cruzados y demás, pero estos son básicamente más sensores de línea.

En la mayoría de los casos, obviamente sin intentar fotografiar el sol o en una cueva oscura, la apertura seleccionada en la lente es una aproximación aproximada de la luz disponible. Obviamente, cuanto más pequeña es la apertura, menos luz se admite en el sensor. Obviamente, nuevamente, la menor cantidad de luz en el sensor significa que hay menos datos disponibles para que el enfoque automático de detección de fase los use para determinar y bloquear el enfoque correcto.

¿No debería el manual decir algo como "sin enfoque automático por debajo de 50 Lux"?

¿Qué método tienes y utilizas para medir lux o luminancia o, mejor aún, candela por metro cuadrado? ¿No es un término que la mayoría de los usuarios de DSLR apenas entienden y tienen pocos o ningún medio para usar? ¿Sugiere que, después de comprar una DSLR y una lente de enfoque automático, deberíamos comprar también un fotómetro?

Creo que la declaración en el manual es un intento de explicar breve y rápidamente un tema muy complicado. Después de que la mayoría de nosotros usamos cámaras y lentes de enfoque automático por un tiempo, entendemos por la explicación manual que, en general, a medida que se apaga la luz, la probabilidad de que se bloquee el enfoque automático también se reduce.