À de rarissimes exceptions près, et sauf si vous en décidez autrement, tous les appareils photo se chargent eux-mêmes de la mise au point nécessaire à l’obtention d’une photo nette, c’est-à-dire qu’ils sont autofocus.

Cette possibilité, présentée en 1976 sur le prototype reflex Leica Correfot dont l’électronique occupait le volume d’une brouette, fut réalisée commercialement en 1977 avec le compact Konica C35AF, donc bien avant la photo numérique. Le tout premier reflex à en bénéficier en 1985, le Minolta 7000, dont le fabricant avait racheté les brevets du Correfot, donnait déjà largement satisfaction. Il recourait déjà au dispositif très complexe de corrélation de phase que nous vous expliquons ici. Bien sûr, l’autofocus a fait depuis de considérables progrès.

Plusieurs principes très différents ont été inventés, mais aujourd’hui seuls deux restent utilisés : l’autofocus par détection de contraste et l'autofocus par corrélation (ou différence) de phase.

Les appareils photo actuels sont dotés d’un seul objectif pour permettre la prise de vues, et comme nous l'avons vu dans notre article sur la visée, cet objectif sert à la fois pour à la visée et pour la photo, sauf dans des cas désormais plus que rares. L’autofocus, qu’il soit à détection de contraste ou par corrélation de phase, se fait par cet unique objectif, ce qui évite tout problème en photo rapprochée.

L’autofocus par détection de contraste

Ce principe consiste pour l’appareil à tenter de trouver le contraste maximum de l’image, obtenu lorsque le sujet est au point. Explication.

Prenons d’abord le cas d’un éclairage ponctuel. Ce peut-être une toute petite lampe, ou, pourquoi pas, un chat de l'espace (à yeux lumineux), plongé dans l’obscurité et qui cligne de l’œil. Si la mise au point de l’objectif est faite correctement, cela va donner un point lumineux dans le plan du capteur.

Autofocus et détection de phase, illustration 1, image ponctuelle
L’objectif d’un appareil, lorsqu’il est mis au point, donne d’un éclairage ponctuel une image ponctuelle dans le plan du capteur. © Édouard Elcet.

En revanche, plus la mise au point est décalée, plus l’image de la prunelle lumineuse de notre chat sera floue. Elle sera aussi plus étalée. Si nous cherchons à l’interpréter en termes de contraste, au lieu d’avoir une courbe des densités bien pointue ou carrée, on aura une courbe plus douce et plus aplatie.

Autofocus et détection de phase, illustration 2, variation selon les sources lumineuses
Dans le cas d’une source lumineuse ponctuelle parfaitement mise au point, le signal recueilli par le capteur présente un pic élevé et une faible dispersion. Dans le cas d’une mise au point décalée vers l’avant ou l’arrière, la tache de la source est floue et le signal prend un aspect de courbe élargie.© Édouard Elcet.

Cette recherche d’un contraste maximal est effectuée directement dans le capteur. Il en faut donc un… Voilà pourquoi, historiquement, elle est apparue après la technique de corrélation de phase qui, elle, est compatible avec les appareils argentiques.

Malheureusement, avec la détection de contraste, la nature du flou de l’image ne permet pas à l’appareil de décider si la mise au point du sujet est trop proche ou trop éloignée — à l'exception des boîtiers Micro 4/3 et 1" Panasonic équipés de la technologie DFD.
Il faut donc procéder par tâtonnements, et c’est pour cela que l’AF par détection de contraste, surtout sur les appareils un peu anciens (compacts ou reflex en fonction LiveView, c’est-à-dire avec visée par l’écran arrière) est plus poussive que celle par corrélation de phase. En revanche, elle fonctionne un peu mieux en basse lumière, et c’est surtout la seule viable avec des objectifs peu lumineux. Lorsque l’on active le déclencheur, l’appareil effectue un léger décalage de mise au point. Si son processeur, c’est-à-dire son "cerveau", détecte une amélioration de la netteté, c’est qu’il doit continuer dans ce sens jusqu’à l’obtention d’un contraste maximal. Dès qu’il va vers une nouvelle chute du contraste, c’est qu’il faut revenir en sens inverse, et ainsi de suite, jusqu’à ce qu’une netteté parfaite ait été atteinte.

Ce principe s’est largement affiné ces dernières années, car son inévitable adoption par les reflex dotés du LiveView et de la vidéo l’a rendu incontournable. Les fabricants ont amélioré la précision de la détection et la rapidité de la mise au point des objectifs en y intégrant des moteurs de type différent, beaucoup plus efficaces et plus puissants, ainsi que des microprocesseurs plus "intelligents", sans toutefois atteindre la rapidité de la corrélation de phase, comme l’expliquait Jeff Meyer dans un article sur l’état des lieux du LiveView en 2013. De plus, comme la mise au point se fait sur toute l’image ou presque, le processeur peut tenter d’analyser le genre de photo que fait l’usager et s’efforcer, par exemple, d’y reconnaître des visages humains. 

L’autofocus par corrélation de phase

L’autofocus par corrélation de phase est autrement plus compliqué. Cela consiste en une sorte de mesure de distance par triangulation, qui n’est pas sans évoquer la manière dont nous, humains, pouvons, lorsque nous avons nos deux yeux, évaluer les distances. En effet, l’œil gauche et l’œil droit ne voient pas exactement la même chose. Indépendamment de la connaissance que nous avons de notre environnement (qui nous fait dire qu’un chien est plus grand qu’une souris), c’est la différence de points de vue entre nos deux yeux qui nous permet d’évaluer les distances. Rappelons que l’écart entre nos pupilles est en moyenne de 57 à 65 mm. Nous reprendrons ici le fil de l’exposé (en français !) de l’excellent photographe animalier qu’est Pierre Toscani, illustré de magnifiques schémas interactifs, et dont nous vous conseillons vivement la lecture.

Autofocus et détection de phase, illustration 3, filtre
Si l’on place un filtre bicolore (ici bleu et orange) devant l’objectif, mais que la source lumineuse ponctuelle est parfaitement au point, le point lumineux présente une couleur homogène.© Édouard Elcet.

Afin de vous faire comprendre comment fonctionne la corrélation de phase, reprenons notre chat de l'espace dont nous n’avons ici figuré que l’œil (clin d’œil à celui d’Alice au pays des merveilles). Plaçons devant l’objectif un filtre bicolore (ici moitié bleu, moitié orange) et observons sur le capteur la tache lumineuse formée par la prunelle du chat. Celle-ci a une teinte homogène, qui est l’addition des deux couleurs du filtre, car tous les rayons issus de la source lumineuse, après avoir été teintés par le filtre, convergent, grâce à l’objectif, en un point du capteur. La prunelle du chat fait une petite tache tout de même, pas un point.

Autofocus et détection de phase, illustration 4,filtre 2
Si la mise au point est réglée pour une distance trop éloignée, la source ponctuelle génère une tache floue bicolore, de telle sorte que les couleurs sont du même côté que celles du filtre. © Édouard Elcet.

Maintenant, tout en conservant le filtre, décalons la mise au point de l’objectif sur une distance trop courte pour la position réelle de la source lumineuse. On observe que, si le filtre est bleu dans sa moitié supérieure, le haut de la tache est bleu, et le bas de la tache orange.

Mais il faut ajouter que cette différenciation est d’autant meilleure que la luminosité de l’objectif est élevée. Il faut au moins f/5,6 pour que ce type d’autofocus fonctionne ; Fujifilm, avec un principe de corrélation de phase que nous verrons plus loin, est arrivé à f/8, mais depuis peu de temps. Donc, pas question de mettre un doubleur derrière un zoom (sauf un "tromblon" ouvrant à f/2,8 constant) : cela ne fonctionne pas. Dans ce cas, il faut recourir à une mise au point manuelle.
Malheureusement, les reflex actuels ont perdu les aides de visée (microprismes et stigmomètre, alias télémètre de Dodin) de leurs prédécesseurs, ce qui rend la mise au point fort difficile et approximative (reconnaissons que lesdites aides de visée s’assombrissaient en pareil cas). On pourrait alors penser à passer en LiveView, mais cadrer avec précision en LiveView avec un long télé n’est pas des plus simples.

Autofocus et détection de phase, illustration 5, filtre 3
Si la mise au point est réglée pour une distance trop proche, la source ponctuelle génère une tache floue bicolore, de telle sorte que les couleurs sont du côté opposé à celles du filtre. © Édouard Elcet.

Que se passe-t-il si l’objectif est réglé pour une distance trop courte pour la position du sujet ? L’image va se former en avant du capteur. On aura aussi une tache floue, mais dont les couleurs seront inversées par rapport à la position du filtre : en haut l’orange, en bas le bleu. Cette inversion se constate aussi bien si la limite séparatrice des couleurs du filtre est verticale que si elle est horizontale.

Autofocus et détection de phase, illustration 6
Si, en arrière du plan du capteur, on place un objectif dans une position telle que le plan du capteur soit à son foyer, les rayons issus de cet objectif seront parallèles. © Édouard Elcet.

Maintenant, supprimons le capteur afin de laisser les rayons diverger en arrière du plan où celui-ci se trouvait. Plaçons en arrière une lentille ou un groupe optique dont le foyer se trouve dans le plan du capteur. On peut appeler ce petit objectif collecteur, condenseur, objectif-relais... Lorsque le sujet est parfaitement au point, il sortira de ce collecteur des rayons parallèles. C’est un principe de physique qu’on apprend au lycée ; nous faisons ici juste une petite révision pour comprendre. Remarquez que les rayons du haut de l’objectif traversent la moitié inférieure du collecteur. Notez aussi que le collecteur est précédé d’un cache (ou masque), qui est une fine lamelle noire opaque. Ce cache ne laisse passer la lumière qu’à travers une fente qui, dans le cas de notre schéma, est verticale.

Autofocus et détection de phase, illustration 7
Lorsque le sujet se trouve trop proche, cela décale le plan de l’image en arrière et de ce fait, les rayons sortant du collecteur sont divergents. © Édouard Elcet.

Si le chat (ou plutôt son œil) se trouve trop près de l’objectif pour la distance sur laquelle celui-ci a été réglé, l’image se trouve rejetée en arrière du plan normal du capteur, et de ce fait les rayons issus du collecteur divergent.

Autofocus et détection de phase, illustration 8
Lorsque le sujet est trop éloigné, le plan de l’image se trouve avancé, et les rayons sortant du collecteur convergent. © Édouard Elcet.

À l’inverse, si notre chat s’éloigne, le plan de l’image de sa pupille s’avance, et en sortie de collecteur les rayons convergent.

Autofocus et détection de phase, illustration 9
Le dispositif autofocus à détection de phase comporte fondamentalement, outre le collecteur et son premier cache, un jeu de lentilles miniatures précédées d’un autre cache et deux petits capteurs. Cet ensemble se nomme collimateur. Le ou les collimateurs sont chargés de détecter la netteté, ou non, du point. © Édouard Elcet.

En fait, le filtre bicolore ne nous a servi que pour expliciter les différences qui existent entre les images générées par les parties haute et basse, ou droite et gauche, de l’image ; il n'intervient pas dans la réalité.

Intéressons-nous à ce qui se passe à l’arrière du collecteur, que nous vous montrons désormais agrandi. En arrière de celui-ci, on place deux lentilles de la taille d’un grain de riz, chacune servant à focaliser les rayons sur un capteur DTC (en franglais CCD) de forme très étroite, comme on le verra plus loin. Les lentilles sont précédées d’un cache doté de deux trous ronds. Ce cache ne sert qu'à empêcher l’entrée de lumière parasite.
Généralement, les micro-lentilles sont moulées dans une même plaque transparente. Lorsque le sujet est au point, les barrettes de DTC sont placées de telle sorte que celles-ci reçoivent une image parfaitement nette. Si le sujet, comme l’œil lumineux de notre chat, est ponctuel, le signal sera très peu étendu et aura un maximum de contraste. Mais aussi, il sera centré, car la micro-lentille reçoit des rayons parallèles et dans son axe optique…

Autofocus et détection de phase, illustration 10
Si le sujet est trop éloigné, les pinceaux lumineux issus du couple de lentilles de refocalisation divergent l’un de l’autre. L’image se forme davantage en arrière. Le signal est moins contrasté et décalé du milieu de chacun des capteurs. C’est l’inverse si le sujet est trop proche. © Édouard Elcet.

Mais il en va autrement lorsque l’objectif n’est pas au point sur le sujet (toujours l’œil brillant et ponctuel du chat). Vous constatez alors ce qui se passe dans les figures ci-dessus. Remarquez qu’au niveau des capteurs, les signaux ne sont pas identiques selon que la mise au point est trop proche ou trop éloignée. Non seulement en fonction du décalage la courbe sera plus douce, mais aussi, en passant de l’une à l’autre situation, les courbes s’inversent. Donc, avec l’autofocus par détection de phase, le microprocesseur de l’appareil va instantanément savoir dans quel sens agir sur la mise au point pour avoir l’image la plus nette.

Autofocus et détection de phase, illustration 11

Dans le cas d’un sujet ponctuel, le signal est simple. En superposant les deux courbes de réponse établies par les capteurs, le processeur de l’image peut immédiatement évaluer le sens et l’amplitude de décalage du point, et ainsi imposer à l’objectif le mouvement nécessaire.

Autofocus et détection de phase, illustration 12

Cependant, les sujets réels sont toujours plus complexes. Lorsque leur contraste est satisfaisant, en comparant les signaux du couple de capteurs, le processeur peut identifier les pics homologues, donc trouver le sens dans lequel il faut actionner l’objectif et mesurer le décalage qu’il faut lui appliquer.

Autofocus et détection de phase, illustration 13

Cependant, si le sujet est insuffisamment contrasté, la mise au point peut s’avérer impossible. Le photographe doit alors rechercher un élément suffisamment contrasté pour permettre la mesure et bloquer celle-ci (AF-Lock, c’est-à-dire mémorisation de distance) ou effectuer le point manuellement.

Autofocus et détection de phase, illustration 14
Voici une représentation schématique en volume du dispositif AF le plus simple possible. Nous avons rendu les caches transparents pour montrer les micro-lentilles de refocalisation. © Édouard Elcet.

La figure ci-dessus montre la réalisation de principe de l’autofocus par détection de phase. En pratique, comme nous le verrons, on n’a pas affaire à un trajet lumineux linéaire. En effet, lorsqu’on fait appel à des capteurs spécifiques pour l’autofocus, il faut pouvoir alternativement permettre l’autofocus (et la visée reflex) et la prise de vues. Il y a donc forcément mémorisation de distance entre les deux. Et avec des sujets mobiles, il faut même anticiper le mouvement propre du sujet !

Autofocus et détection de phase, illustration 15
Les capteurs en croix, plus efficaces que les capteurs linéaires, présentent un cache avant en croix et 4 lentilles précédées d’un cache arrière à 4 trous circulaires, chacun correspondant aux lentilles de refocalisation. © Édouard Elcet.

Très vite, les fabricants se sont aperçus que pour gagner en efficacité, il fallait recourir à des capteurs en croix et pas seulement à des capteurs linéaires. On peut ainsi analyser le décalage de mise au point à la fois verticalement et horizontalement. Malheureusement, ceux-ci requièrent une ouverture d’objectif encore plus élevée : f/2,8 ou 4, au lieu de f/5,6.

Autofocus et détection de phase, illustration 16
Typiquement, sur un reflex, le module AF est placé sous la chambre reflex. Afin de raccourcir le trajet de la lumière utilisée pour la mesure, un miroir fixe de renvoi est placé sous le collecteur. © Édouard Elcet.

Le schéma ci-dessus, qui correspond en plus "attractif" aux épures utilisées par les constructeurs lors du dépôt de brevets, présente en pratique le module AF. Selon les reflex, ce miroir peut être tourné à 45° vers l’arrière ou, comme ici, vers l’avant. Sa mise en place lors du montage de l’appareil requiert une précision extrême. Vous retrouvez ici les éléments énoncés à travers les schémas précédents, mais aussi l’illustration de notre article sur la visée.

Lorsque le reflex est en position de visée "normale" (c’est-à-dire pas en LiveView), le miroir principal est en position basse. Ce miroir est semi-transparent en son centre : une partie du trajet lumineux le traverse pour atteindre le petit miroir secondaire et, de là, descendre verticalement vers le module AF.
Lorsque l’on déclenche, cela fait remonter à l’horizontale le miroir principal contre le verre de visée, le miroir secondaire venant se plaquer contre le miroir principal. C’est bien pour cela que l’AF par détection de phase a longtemps été impossible sur les reflex en mode visée par l’écran : nous allons y revenir.

Le Canon EOS-1DX ne comporte pas moins de 61 collimateurs, assurant un autofocus efficace même pour suivre des sujets en mouvement rapide. Document Canon.

Autre point, les collimateurs se sont multipliés : on est passé de 1 à 9, puis à une trentaine, et à plus de 60 parfois, comme l’explique John Reilly avec des schémas dynamiques. Leur nombre dépend aussi en partie du niveau de gamme du boîtier.

La sélection des collimateurs, lorsqu’elle est laissée à la discrétion de l’appareil, est appuyée par l’analyse d’image fournie par la cellule multizone qui sert à la mesure d’exposition. Le processeur peut ainsi tenter de comprendre quel type de sujet est photographié, et gérer de manière experte les différents collimateurs qui se passent le relais en fonction de ce que fait le sujet. Bien sûr, la mise au point de l’objectif doit être vive comme l’éclair : pas question de déplacer l’énorme bloc optique d’un 2,8/400 : on ne déplace que quelques lentilles dans le fût, à l’aide de moteurs spéciaux (4 sur un télézoom Fujifilm). On peut ainsi photographier des sujets en mouvements aussi bien linéaires (oiseaux, cyclisme, sports motorisés) que très difficilement prévisible (un match de rugby par exemple), avec une rapidité de mise au point qui n’a plus rien à voir avec ce que le photographe le plus avancé pouvait faire auparavant.

L’intégration de la détection de phase aux capteurs

Cependant, le lancement de compacts semi-pros voire professionnels, des hybrides à objectifs interchangeables (sortes de reflex où dépoli et miroir sont remplacés par une visée électronique à travers un oculaire), l’utilisation croissante du LiveView et de la vidéo ont obligé les fabricants à tenter de sortir du dilemme autofocus reflex ou détection de contraste.

Les progrès en miniaturisation ont permis d’intégrer directement l’AF par différence de phase au sein même des photosites des capteurs, déjà dédiés à la détection de contraste. Fujifilm (qui a toujours recouru à ses propres capteurs CMOS, les X-Trans) dès 2010 avec le F300EXR, et Canon au moins depuis 2013 avec le 70D, ont proposé à ce sujet des solutions remarquables. Mais d’autres fabricants comme Nikon, Olympus, Panasonic, Sony… en ont également. La technologie est même désormais appliquée à des smartphones !

Autofocus et détection de phase, illustration 18
Schémas de fonctionnement de la détection de phase Fujifilm. À gauche, "L/R light interception filter" : filtre d’interception gauche ou droit (c’est-à-dire cache) ; "Phase detection sensor" : capteur dédié à la détection du contraste avec un filtre pixel vert ; "Microlenses" : micro-lentilles ; "X-Trans color filter" : filtre coloré X-Trans ; et enfin photodiode. À droite, 1 : cache ; 2 : rayons lumineux ; 3 : filtre coloré (rouge, vert ou bleu) ; 4 : photodiode ; 5 : séparateur pour éliminer la lumière environnante des photosites. Document Fujifilm.

Le procédé Fujifilm permet une réponse de l’AF en 0,06 s sur certains modèles, 0,08 s sur d’autres un peu plus anciens, et il est utilisable jusqu’à f/8. En revanche, il requiert des photosites dédiés, ce qui impose au fabricant une petite interpolation pour les "trous" dans la matrice dus aux pixels dévolus à l’autofocus, mais pas à générer l’image. Il va de soi que cela ne se voit absolument pas et que le capteur donne bien la résolution qu’il promet. C’est seulement une petite difficulté supplémentaire, mais la courageuse équipe de conception Fujifilm n’est plus à cela près !

Schémas des "dual pixels" Canon. À chaque micro-lentille couvrant un photosite correspondent en fait deux photodiodes jumelles. Les pinceaux lumineux qu’elles atteignent diffèrent légèrement, ce qui permet la mise au point. Documents Canon.

Dans le cas de Canon, ce sont tous les photosites du capteur qui sont utilisés à la fois dans la création de l’image et dans la mise au point. 80 % de la surface de visée est ainsi utilisable en LiveView pour la mise au point. Nous vous conseillons de visionner le petit film de cette page Canon. Chaque photosite, cependant, comporte un couple de photodiodes qui permet l’analyse de la netteté de l’image. Le procédé est efficace avec l’ensemble de la gamme d’objectifs de la marque, et la mise au point se fait bien plus vite et efficacement qu’avec la classique détection de contraste, ce qui est très appréciable en LiveView et en vidéo. Bien entendu, dans les cas généraux de photo avec les reflex Canon, le classique AF par module situé dans le plancher de la chambre reflex reste nécessaire.

Pour en savoir plus (liens externes) :
Et sur votre site préféré :
  • Un "vieux test" (2007) du Canon EOS 40D. On n’avait alors que 9 collimateurs !
> Tout notre glossaire

PARTAGER
Contact Vie privée, Cookies Conditions Générales d'Utilisation