In fotografia, l’operazione di messa a fuoco – detta anche focheggiatura – consiste nel rendere massima la nitidezza dell’immagine del soggetto ripreso, proiettata sul piano focale ed ivi catturata dal sensore o dalla pellicola. Tale risultato si ottiene facendo in modo che si spostino in avanti o all’indietro, in forma automatica o manuale, le lenti dell’obiettivo.
Messa a fuoco manuale ed automatica
Iniziamo il paragrafo con la descrizione della messa a fuoco manuale, che si effettua preminentemente tramite due modalità:
- spostando avanti o indietro l’intero obiettivo. Ciò avviene, ad esempio, nelle fotocamere di grande formato – come negli apparecchi a banco ottico – o nelle vecchie fotocamere a soffietto. In pratica, il fotografo fa scorrere su un apposito meccanismo a cremagliera l’intera piastra porta ottica;
- ruotando una ghiera presente sul barilotto dell’obiettivo, la quale movimenta gli elementi ottici interni all’obiettivo stesso. Ciò accade nelle fotocamere moderne di piccolo formato, dove la distanza fra il piano focale e l’innesto delle ottiche è fissa. La rotazione della ghiera mette in azione un apposito elicoide ad essa collegato, il cui movimento fa spostare le lenti dell’obiettivo. La rotazione della ghiera deve avvenire in un senso o nell’altro a seconda che la distanza del soggetto dal punto di ripresa aumenti o diminuisca. Così facendo, l’obiettivo si allunga per le distanze di messa a fuoco più vicine e si accorcia per quelle più lontane. In taluni obiettivi può accadere che le dimensioni esterne non varino durante l’operazione di messa a fuoco. Questi obiettivi, detti di tipo internal focusing, operano la focheggiatura muovendo esclusivamente le lenti interne dello schema ottico, senza far avanzare o arretrare la lente frontale.
In questo articolo faremo preminente riferimento ai moderni obiettivi con elicoide e ghiera di messa a fuoco. Naturalmente però, i principi di tipo generale valgono per qualunque sistema di focheggiatura.
Il secondo caso, che tratteremo estensivamente nel seguito dell’articolo, è quello della messa a fuoco automatica. Per effettuarla, la fotocamera s’avvale di un sistema, detto autofocus, che opera la focheggiatura del soggetto muovendo autonomamente, tramite un motore interno, le lenti dell’obiettivo. La gestione della messa a fuoco automatica, nelle moderne fotocamere digitali, si avvale di software e hardware estremamente evoluti e sofisticati. Si riescono infatti ad effettuare, in tempi rapidissimi, operazioni estremamente complesse come, ad esempio, il riconoscimento e l’inseguimento dei soggetti presenti nell’inquadratura.
Per completezza, citiamo pure il caso in cui la funzione di messa a fuoco sia del tutto assente. Ciò accade, ad esempio, nelle economiche fotocamere a fuoco fisso o in taluni obiettivi speciali che non abbisognano di focheggiatura.
Intervallo di messa a fuoco
L’estremo superiore dell’intervallo di messa a fuoco di un obiettivo è costituito di norma dall’infinito. L’infinito fotografico non ha nulla di metafisico. Eppure, su quest’argomento, si fa spesso confusione e sono molti coloro che non saprebbero fornirne una definizione rigorosa. Per comprendere il significato di infinito in fotografia, immaginiamo di allontanarci sempre più dal punto di ripresa. Prima o poi arriveremo ad una distanza oltre la quale diventa lecito assumere, con approssimazione accettabile, che i raggi di luce provenienti dai punti ivi ubicati giungano all’obiettivo paralleli, e non più divergenti. Ebbene, da quel valore di distanza in poi, si estende il cosiddetto infinito fotografico. I suoi punti appaiono nitidi sul piano focale quando, sulla scala delle distanze, si seleziona il simbolo “∞”. Peraltro, a tale scelta corrisponde l’allungamento minimo dell’elicoide.
All’altro capo dell’intervallo, vi è invece la cosiddetta distanza minima di messa a fuoco. Si tratta, ovviamente, della distanza più piccola alla quale si riesce a focheggiare un soggetto. Se non ci capita spesso di riprendere soggetti ravvicinati, possiamo evitare di attribuire un’eccessiva importanza a questa caratteristica perché, in fondo, solo gli obiettivi classificati come “macro” sono realmente ottimizzati alle distanze ravvicinate. Per gli obiettivi ordinari, invece, un basso valore della distanza minima di messa a fuoco costituisce un’utile prestazione aggiuntiva che tuttavia non sposta il rendimento migliore dell’ottica che si continua a registrare a distanze di messa a fuoco maggiori.
Sugli obiettivi più moderni, la distanza minima di messa a fuoco si è notevolmente abbassata rispetto a soli pochi decenni fa. Un valore tipico di distanza minima di messa a fuoco, oggi, in un obiettivo normale per il full frame, è pari grosso modo a 45 centimetri. I grandangolari beneficiano di norma di un valore più basso di tale distanza; i teleobiettivi di un valore più alto.
Adoperando particolari accessori – come anelli di prolunga o lenti addizionali – è possibile utilizzare gli obiettivi al di sotto della loro distanza minima di messa a fuoco. Tuttavia, se cerchiamo la massima qualità nelle riprese a distanza ravvicinata, è sempre preferibile dotarsi di un’ottica di tipo macro, specificamente progettata per raggiungere un rapporto di riproduzione pari, solitamente, ad 1:1.
Il sistema autofocus
Abbiamo già detto che la focheggiatura automatica è operata autonomamente dalla fotocamera, tramite un complesso sistema meccanico ed elettronico, detto autofocus, che provvede alla movimentazione delle lenti.
Le modalità d’attivazione e di funzionamento dei sistemi di messa a fuoco automatica variano di molto nei differenti modelli fotocamera. Innumerevoli, poi, sono i possibili settaggi legati a questa funzione. Giusto per dare qualche indicazione di massima, diciamo che l’autofocus s’attiva di solito premendo a metà corsa il pulsante di scatto. Il particolare della scena inquadrata sul quale si desidera focheggiare con maggior precisione, negli apparecchi fotografici più avanzati, può essere selezionato tramite un puntatore visibile all’interno del mirino o sul display. Talvolta, però, anche questa scelta è demandata al software della fotocamera – si pensi, ad esempio, alla funzione di riconoscimento automatico dei volti. L’avvenuta messa a fuoco viene poi confermata dalla fotocamera con l’accensione di un led o l’emissione di un segnale sonoro.
Gli autofocus, come è facile immaginare, sono sistemi estremamente complessi. Avendo essi il fine di movimentare rapidamente le lenti dell’obiettivo, potremmo essere portati a pensare che le complicazioni maggiori siano quelle di natura elettromeccanica. Ma non è così. La presenza dell’autofocus impone pesantissimi vincoli anche, e soprattutto, alla progettazione ottica. La realizzazione di motori piccoli, leggeri, veloci, affidabili e silenziosi, con la relativa elettronica di controllo, costituisce senza dubbio un’impresa ardua. Tuttavia c’è un ulteriore enorme problema da affrontare, costituito dalla esigua disponibilità di spazio all’interno del barilotto. Un problema che impone la progettazione di adeguati schemi ottici, senza i quali sarebbe del tutto impossibile ospitare a bordo di un obiettivo tanta componentistica.
Ubicazione dell’autofocus
I primi sistemi autofocus non avevano il motore nell’obiettivo, bensì all’interno del corpo macchina. All’epoca, un piccolo pignone spuntava dalla flangia d’innesto dell’ottica ed assicurava il collegamento meccanico fra il motore posto all’interno della fotocamera ed i vari ingranaggi presenti nel barilotto.
Il posizionamento del motore dell’autofocus nel corpo macchina presentava il grosso vantaggio di non penalizzare né l’ingombro, né il prezzo degli obiettivi. Tuttavia, l’esigenza di raggiungere prestazioni sempre più elevate ha comportato, un po’ alla volta, l’abbandono di questa soluzione. Il motore, oggigiorno, trova posto quasi esclusivamente all’interno delle ottiche.
Tale, ben più complicata, soluzione ha il vantaggio che ciascun motore può essere progettato sulla base delle specifiche esigenze d’ogni singolo modello di obiettivo, garantendo soluzioni progettuali ottimizzate caso per caso. In un grosso e pesante teleobiettivo, ad esempio, la messa a fuoco può richiedere spostamenti molto ampi dei gruppi ottici all’interno del barilotto ed un’operazione di questo genere diventerebbe ben presto troppo onerosa per un piccolo motore ubicato nel corpo macchina. Ospitare il motore dell’autofocus all’interno degli obiettivi però, oltre ad una progettazione notevolmente più complessa, ha comportato un grosso aumento delle dimensioni e del costo delle singole ottiche.
Storia dell’autofocus
La fotocamera compatta Konica C35 AF fu la prima a montare, nel 1977, un obiettivo autofocus. L’anno successivo arrivò la Polaroid SX 70 a sviluppo istantaneo, nella versione Sonar, che, col suo obiettivo non intercambiabile, fu la prima SLR ad offrire la messa a fuoco automatica. Per quanto riguarda le reflex ad obiettivi intercambiabili, invece, il primato appartiene alla Ricoh che, nel 1980, realizzò l’AF Rikenon 50 mm f/2 – uno strano obiettivo sormontato da un grosso scatolotto che fungeva da mirino.
Solo negli anni Ottanta, i sistemi autofocus entrarono finalmente in una fase più matura. In quel periodo, infatti, arrivarono diverse proposte da svariati produttori fra i quali Pentax, Vivitar, Olympus e Canon. Ma si trattò di proposte isolate, senza un vero sistema alle spalle.
Su questo fronte fu la Nikon ad arrivare per prima presentando, nel 1983, un sistema autofocus costruito attorno alla fotocamera professionale F3AF. Sul mercato amatoriale, invece, si dovette attendere fino al 1985. Arrivarono allora le reflex Minolta della famiglia Dynax – denominate Maxxum negli USA – il cui grado d’innovazione suscitò enorme scalpore fra i fotoamatori dell’epoca. Non a caso, le Minolta Dynax sono tuttora considerate le vere capostipiti dei moderni sistemi autofocus.
Naturalmente, a quei tempi, le prestazioni in termini di precisione e velocità degli autofocus erano ben lontane da quelle dei sistemi attuali. Di norma essi venivano adoperati solo su soggetti fermi o, al massimo, in movimento non troppo rapido. Col passare del tempo invece, grazie ai progressi della tecnologia, la situazione si è ribaltata. L’autofocus, infatti, viene oggi maggiormente adoperato ed apprezzato proprio da coloro che riprendono soggetti in rapido movimento, come accade ad esempio nella fotografia sportiva o in quella naturalistica, dove la messa a fuoco manuale può risultare problematica.
Autofocus di tipo attivo
L’autofocus di tipo attivo si basa sull’emissione, da parte della fotocamera, di un fascio di onde ad ultrasuoni o di radiazioni infrarosse. In pratica, l’apparecchio fotografico emette un fascio ed attende il ritorno dell’onda riflessa dal soggetto. Dal tempo impiegato da quest’ultima a tornare indietro, essendo nota la velocità di propagazione nell’aria dell’onda emessa, viene calcolata la distanza dal soggetto. Talvolta, invece del ritardo temporale, viene misurata l’intensità dell’onda riflessa. In tal caso, a suggerire la distanza dal soggetto, non è il ritardo temporale, bensì la misura dell’attenuazione del segnale di ritorno.
L’autofocus attivo è lento e rumoroso. Oggigiorno, tale tipologia di autofocus è stata quasi completamente abbandonata e viene utilizzata solo su alcune fotocamere compatte molto economiche o in affiancamento ai più sofisticati autofocus di tipo passivo. L’unico vantaggio presente nei sistemi autofocus attivi – sia quelli ad infrarosso che quelli ad ultrasuoni – consiste nella la loro capacità di operare la messa a fuoco in condizioni di bassa luminosità, al limite anche al buio.
Per il resto, questi sistemi presentano solo inconvenienti. La loro misurazione risulta poco affidabile soprattutto nel caso in cui vi siano degli ostacoli fra la fotocamera ed il soggetto da mettere a fuoco. La focheggiatura attraverso degli oggetti trasparenti, come un vetro, risulta impossibile. Risulta inoltre interdetto il montaggio sull’obiettivo di taluni accessori, la cui presenza non sarebbe riconosciuta dal trasmettitore ubicato nel corpo macchina. Per non parlare, poi, delle possibili interferenze con altri apparati che utilizzino emissioni sulle stesse frequenze.
I sistemi basati sull’infrarosso vanno anche in crisi in presenza di forti sorgenti di calore nelle vicinanze della fotocamera nonché nella messa a fuoco di soggetti neri, che assorbono questo tipo di radiazione. Quelli basati sugli ultrasuoni, invece, oltre ad essere ancor più lenti di quelli ad infrarosso, hanno una portata molto limitata, in termini di distanza massima di funzionamento dal soggetto.
A causa di questi gravi inconvenienti, oggigiorno la quasi totalità delle fotocamere utilizza autofocus di tipo passivo, i quali non ricorrono ad alcun tipo d’emissione, ma basano la loro azione esclusivamente sull’analisi dell’immagine inquadrata. I due tipi fondamentali di autofocus passivo sono quelli a misurazione del contrasto e quelli a rilevamento di fase, descritti nei prossimi due paragrafi.
Autofocus di tipo passivo a misurazione del contrasto
Il principio di funzionamento dei sistemi autofocus a misurazione del contrasto si basa sul fatto che un’immagine perfettamente a fuoco possiede un contrasto più elevato della stessa immagine fuori fuoco. Dunque, una volta selezionato il punto in cui si desidera focheggiare, la fotocamera muove le lenti dell’obiettivo fino a quando la differenza di contrasto fra due differenti toni all’interno dell’area prescelta non diventi massima.
Il modulo principale dei sistemi autofocus a misurazione del contrasto è costituito da un sensore CCD che analizza parte dei raggi di luce che attraversano l’obiettivo. I sistemi più sofisticati, per ottenere una maggior precisione, possono disporre di più sensori dedicati collocati sia davanti che dietro il piano focale.
Quest’approccio, tuttavia, non si dimostra eccessivamente rapido, a causa dei vari spostamenti a tentativo che i gruppi ottici sono chiamati inizialmente ad eseguire, con tanti stop ed altrettante ripartenze del motore dell’autofocus. La corsa da compiere, soprattutto nei teleobiettivi, potrebbe inoltre essere lunga. Soprattutto nella realizzazione di autofocus di tipo continuo su soggetti in rapido movimento, per i quali tale tecnologia si dimostra alquanto inadeguata.
Autofocus di tipo passivo a rilevamento di fase
Il principio di funzionamento dei sistemi autofocus a rilevamento di fase è decisamente più complicato. Una piccola porzione del fascio di luce che percorre l’obiettivo viene infatti deviata e convogliata verso le microlenti del modulo autofocus. Questo modulo contiene un piccolo sensore dedicato, formato da varie righe di pixel. La luce che arriva viene separata in tanti piccoli fasci, ognuno dei quali raggiunge una differente riga. I segnali così ricevuti dai CCD vengono analizzati e la loro fase viene confrontata con quella delle linee di pixel adiacenti. Quando il segnale diventa uguale per tutte le linee, vuol dire che il soggetto è a fuoco.
Per raggiungere una maggior precisione è preferibile disporre di parecchie righe di fotositi per poter incrociare fra loro i risultati, sia nella direzione verticale che in quella orizzontale. La bontà delle prestazioni dipende anche dalla sensibilità del sensore dell’autofocus. Maggiore è l’intervallo d’esposizione sopportato dal sensore, maggiori sono le capacità dell’autofocus di funzionare in condizioni d’illuminazione scarsa.
Gli autofocus a rilevamento di fase sono notevolmente più veloci di quelli a misurazione del contrasto. Analizzando i segnali ricevuti dai CCD, infatti, il sistema già sa se il fuoco cade davanti o dietro il soggetto e conosce pure la distanza da far percorrere ai gruppi ottici per raggiungere la perfetta messa a fuoco. Non ci sono quindi tentativi da fare, come accade nei sistemi a misurazione del contrasto e, dunque, la rapidità della focheggiatura dipende essenzialmente dalla velocità del motore.
Anche nella progettazione degli autofocus a rilevamento di fase ci sono molte difficoltà tecniche da superare. Oltre al tipo di motore utilizzato, molti altri fattori possono giocare contro le buone prestazioni del sistema, come ad esempio la lunghezza del barilotto o, se l’illuminazione della scena non è adeguata, l’apertura massima dell’obiettivo.
Motori ad ultrasuoni
Abbiamo già detto che la velocità del motore è fondamentale per realizzare dei sistemi autofocus performanti.
I micromotori impiegati nei primi sistemi autofocus erano affidabili ma, purtroppo, erano anche lenti e rumorosi. Essi erano infatti basati sulla trasformazione della forza elettromagnetica in forza di rotazione. Nei cosiddetti motori ad ultrasuoni, invece, la rotazione è ottenuta a partire da semplici vibrazioni generatesi grazie a due anelli concentrici di metallo: uno fisso, detto statore, e l’altro mobile, detto rotore. Un elemento ceramico piezoelettrico, azionato da un circuito elettronico, applica sullo statore delle vibrazioni non udibili generate da onde ad ultrasuoni che, trasmettendosi al rotore, ne provocano la rotazione a causa della frizione dovuta all’onda di vibrazione rotazionale.
Rispetto ai motori tradizionali, i motori ad ultrasuoni presentano i seguenti vantaggi:
- essendo privi di ingranaggi di riduzione, sono meccanicamente semplici e risultano, dunque, facili da costruire;
- sono veloci e silenziosi, con avvii ed arresti rapidi e precisi;
- il movimento del rotore rimane frenato quando il motore cessa di ruotare, la qual cosa è molto comoda in un sistema autofocus;
- presentano un’elevata coppia a bassa velocità, riuscendo così a produrre, a parità di velocità, una maggior quantità d’energia;
- la loro forma ad anello li rende particolarmente adatti ad essere ospitati all’interno del barilotto di un obiettivo.
Esistono svariati tipi di motori ad ultrasuoni, come quelli ad onda statica, quelli ad onda in movimento o quelli a lamina vibrante. In questa sede, tuttavia, non desideriamo approfondire gli aspetti elettromeccanici della questione.
Front e back-focus
In qualunque obiettivo fotografico, può talvolta accadere che il punto di massima nitidezza delle immagini proiettate sul piano focale vada a cadere in una posizione leggermente diversa da quella calcolata dai sistemi di focheggiatura, sia automatici che manuali. Se i problemi di messa a fuoco, però, non sono occasionali, bensì sistematici, potrebbe allora trattarsi di errori imputabili a starature o malfunzionamenti del sistema. In tali casi, se il punto di massima nitidezza si forma davanti al piano focale, si parla di front-focusing. In caso contrario, si parla di back-focusing.
Gli errori di messa a fuoco sopra menzionati possono essere causati da svariati fattori. Ad esempio la non perfetta gestione delle informazioni che provengono dai punti di calibrazione dell’autofocus, oppure il cattivo interfacciamento fra il corpo macchina e l’obiettivo, oppure i microscopici disallineamenti che possono affliggere il sensore, lo specchio e lo schermo di messa a fuoco. La stima imprecisa della distanza di messa a fuoco è alimentata pure dal fatto che i raggi di luce che raggiungono rispettivamente il mirino, il sensore dell’autofocus e l’elemento sensibile, non seguono la stessa strada, ma compiono percorsi diversi.
Nelle fotocamere di fascia alta è spesso presente un’utile funzione tramite la quale è possibile operare la calibrazione di precisione dell’autofocus e salvare, nella memoria dell’apparecchio, il valore delle correzioni da applicare nel calcolo della distanza di messa a fuoco, per ciascuno degli obiettivi posseduti. Nei casi più gravi, tuttavia, è preferibile rivolgersi ad un centro d’assistenza qualificato per un intervento tecnico che rimuova la causa del problema.
L’articolo è stato tratto e rivisitato dal libro Gli obiettivi fotografici, di Romolo Stolfa. L’autore ne ha autorizzato la pubblicazione.
