¿Cómo funciona el enfoque automático por detección de fase?

Al hablar de la tecnología de las cámaras DSLR , suele haber mucha confusión sobre cómo funciona el enfoque automático por detección de fase (PDAF). Este tema puede no interesar a muchos, pero si te preguntas por qué y cómo se producen los problemas de enfoque automático en tu cámara, este artículo te explicará qué sucede dentro de la cámara al tomar una fotografía. Existen innumerables reseñas negativas sobre problemas de enfoque automático en dispositivos de gama alta como la Canon 5D Mark III, la Nikon D800, la Pentax K-5 y otras cámaras réflex digitales. La mayoría de los fotógrafos parecen desconocer que el problema principal no reside necesariamente en el modelo o tipo específico de cámara, sino en la forma particular en que estas cámaras logran enfocar. Una búsqueda rápida en internet revelará miles de informes sobre problemas de enfoque automático en todo tipo de cámaras DSLR que datan de hace más de 10 años. Por lo tanto, los problemas de enfoque frontal y posterior que observamos en las cámaras modernas no son nada nuevo; han existido desde la primera DSLR con sensor de detección de fase.

¿Cómo funcionan las cámaras DSLR?

Para comprender mejor este problema, es fundamental entender primero cómo funciona una cámara DSLR . Las ilustraciones típicas de una DSLR suelen mostrar solo un reflector colocado en un ángulo de 45 grados. Sin embargo, lo que estas ilustraciones no muestran es un espejo secundario detrás del reflector, que refleja parte de la luz hacia el sensor de detección de fase. Observe la ilustración simplificada a continuación, que creé a partir de una imagen típica de una Nikon D800:

A continuación se describe cada número que aparece en la ilustración anterior:

1. rayo de luz
2. Espejo principal/reflectante
3. El espejo secundario, también conocido como “subespejo”
4. Obturador de la cámara y sensor de imagen
5. Pasador descentrado (hexagonal de 1.5 mm) para ajustar el espejo principal.
6. Pasador excéntrico (hexagonal de 1.5 mm) para ajustar el espejo secundario.
7. Sensor de detección de fase (sensor AF)
8. Pentaprisma
9. Visor

Veamos qué sucede dentro de una cámara al tomar una fotografía. Los rayos de luz entran por el objetivo (1) y llegan al interior de la cámara. Un espejo primario semitransparente (2) está colocado a 45 grados, reflejando la mayor parte de la luz verticalmente hacia el prisma pentagonal (8). El prisma pentagonal convierte la luz vertical en horizontal y la refleja, de modo que se ve exactamente lo que se obtiene al mirar a través del visor (9). Una pequeña porción de la luz pasa a través del espejo primario y es reflejada por el espejo secundario (3), que también está inclinado (54 grados en muchas cámaras Nikon modernas, como se muestra arriba). La luz llega entonces al sensor de detección de fase/enfoque automático (7), que la redirige a una matriz de sensores (dos sensores por cada punto de enfoque automático). La cámara analiza y compara las imágenes de estos sensores (de forma similar a como se evalúa el enfoque en las cámaras telemétricas) y, si no parecen idénticas, le indica al objetivo que realice los ajustes necesarios (véase más abajo para más detalles).

Aunque el proceso anterior parece bastante sencillo, este método presenta un problema importante. El sensor de detección de fase indica al objetivo que realice los ajustes necesarios, mientras que la imagen es capturada por un dispositivo completamente diferente: el sensor en la parte posterior de la cámara. ¿Por qué esto es un problema? Recuerde que al tomar una fotografía, tanto el espejo primario como el secundario se elevan, el obturador se abre y la luz del objetivo viaja directamente al sensor de la cámara (4). Para que el autoenfoque por detección de fase funcione correctamente, la distancia entre la montura del objetivo y el sensor de la cámara, así como la distancia entre la montura del objetivo y el sensor de detección de fase, deben ser exactamente iguales . Si existe incluso una ligera desviación, el autoenfoque será incorrecto. Además, si el ángulo del espejo secundario no es tan preciso como debería, esto también provocará problemas de autoenfoque.

¿Cómo funciona un sensor de detección de fase?

El funcionamiento de un sensor de detección de fase se basa en el principio de comparación de fase óptica, similar al de una cámara telemétrica. La luz reflejada por un espejo secundario es recibida por una matriz de diminutos sensores de imagen (dos o más, según el número de puntos de enfoque del sistema de autoenfoque) montados en microlentes. Para cada punto de enfoque visible en el visor, hay dos diminutos sensores dedicados a detectar diferencias de fase: uno a cada lado de la lente, como se ilustra en el diagrama de la parte superior de la página (7) (el diagrama exagera este comportamiento mostrando dos haces de luz separados que llegan a dos sensores distintos).

De hecho, los dispositivos modernos de detección de fase contienen muchos más de dos sensores, y estos se encuentran muy cerca uno del otro. Cuando la luz incide sobre estos dos sensores, si el objeto está enfocado, los rayos de luz provenientes de los extremos de la lente convergen directamente en el centro de cada sensor (al igual que en un sensor de imagen). En este caso, ambos sensores mostrarán imágenes idénticas, lo que indica que el objeto está perfectamente enfocado. Si el objeto está desenfocado, los rayos de luz no convergerán e incidirán en lados opuestos del sensor, como se muestra a continuación (imagen cortesía de Wikipedia):

Las figuras 1 a 4 representan casos en los que el enfoque es (1) demasiado cercano, (2) correcto, (3) demasiado lejano y (4) demasiado lejano. Los diagramas demuestran que la diferencia de fase entre los dos perfiles puede utilizarse para determinar no solo la dirección en la que debe cambiarse el enfoque, sino también la magnitud de dicho cambio para lograr un enfoque óptimo. Es importante destacar que, en realidad, es la lente la que se mueve, no el sensor.

Como el sistema de detección de fase sabe si un sujeto está enfocado por delante o por detrás, puede enviar instrucciones precisas al objetivo de la cámara sobre la dirección y la cantidad de enfoque que debe girar. Esto es lo que sucede cuando la cámara enfoca un sujeto (autoenfoque de bucle cerrado):

1. La luz que atraviesa los bordes extremos de la lente es evaluada por dos sensores de imagen.
2. En función de cómo la luz llega a los sensores de imagen, el sistema de autoenfoque puede determinar si el objeto está enfocado frontal o posterior y cuál es la magnitud de esta desviación.
3. A continuación, el sistema de autoenfoque le indica al objetivo que ajuste su enfoque.
4. Los pasos mencionados anteriormente se repiten tantas veces como sea necesario hasta lograr un enfoque perfecto. Si no se logra enfocar, el objetivo se reajusta y comienza a buscar el enfoque nuevamente, lo que da lugar al fenómeno de "búsqueda de enfoque".
5. Una vez que se logra un enfoque perfecto, el sistema de autoenfoque envía una confirmación de que el objeto está enfocado (por ejemplo, un punto verde dentro del visor, un sonido de alerta, etc.).

Todas estas operaciones se realizan en una fracción de segundo, razón por la cual el sistema de detección de fase es mucho más rápido que el sistema de detección de contraste (que se basa en cambiar el enfoque repetidamente hasta lograrlo, con un gran análisis de datos de imagen realizado a nivel del sensor de imagen).

El enfoque automático por detección de fase (AF) es un sistema muy complejo que se perfecciona continuamente con cada actualización de las cámaras profesionales de gama alta. Con el paso de los años, el número de puntos de enfoque automático ha aumentado significativamente, al igual que el número de puntos de enfoque automático de tipo cruzado, que son más fiables. Por ejemplo, las cámaras Canon 1D X y Canon 5D Mark III cuentan con la impresionante cifra de 61 puntos de enfoque automático, 41 de los cuales son de tipo cruzado. Eche un vistazo a esta intrincada disposición de sensores de enfoque automático en la cámara:

No solo aumentó el número de puntos de enfoque automático (AF), sino que también mejoró significativamente su fiabilidad. La mayoría de las cámaras profesionales modernas vienen equipadas con sistemas de enfoque automático ultrarrápidos y de alta configuración, capaces de seguir sujetos de forma continua y lograr un enfoque preciso.

Problemas de enfoque automático en cámaras DSLR

Los problemas de autoenfoque en las cámaras DSLR representan un desafío para muchos fotógrafos, ya que el sistema de autoenfoque por detección de fase requiere una precisión extremadamente alta para obtener resultados exactos. Es fundamental que el sistema de detección de fase/autoenfoque se instale y alinee correctamente durante el proceso de fabricación. Incluso la más mínima desviación, algo bastante común en la fabricación, provocará un autoenfoque impreciso. Esta es la razón principal por la que el sistema de detección de fase ha sido una fuente de problemas desde la aparición de la primera cámara DSLR con sensor de detección de fase. Conscientes de estas posibles desviaciones, todos los fabricantes de cámaras DSLR han desarrollado un sistema de calibración de alta precisión que las tiene en cuenta y permite la calibración individual de cada cámara durante el proceso de inspección y control de calidad.

Si se detecta un problema de alineación del sensor de detección de fase, el sistema realiza una prueba automatizada computarizada que recorre cada punto de enfoque y lo ajusta manualmente dentro de la cámara. Los puntos imprecisos se recalibran y reajustan, y los valores de compensación se registran en el firmware de la cámara. Este proceso puede considerarse similar al ajuste fino/microajuste del enfoque automático a nivel de detección de fase, pero se realiza individualmente en cada punto de enfoque automático.