Autofokus: Autofokussysteme im Überblick

Autofocus – Einleitung

Ein optisches Autofokussystem (oder AF-System) verwendet einen Sensor, ein Steuersystem und einen Motor, um auf einen automatisch oder manuell ausgewählten Punkt oder Bereich zu fokussieren. Ein elektronischer Entfernungsmesser hat anstelle des Motors ein Display; die Einstellung des optischen Systems muss bis zur Anzeige manuell vorgenommen werden. Autofokusmethoden werden nach ihrer Art als aktive, passive oder hybride Varianten unterschieden.

Autofokussysteme sind auf einen oder mehrere Sensoren angewiesen, um den richtigen Fokus zu bestimmen. Einige AF-Systeme basieren auf einem einzigen Sensor, während andere eine Reihe von Sensoren verwenden. Die meisten modernen Spiegelreflexkameras verwenden optische Durchlichtsensoren, wobei ein separates Sensorarray für die Belichtungsmessung sorgt, obwohl letzteres so programmiert werden kann, dass die Belichtungsmessung auf den gleichen Bereich wie einer oder mehrere der AF-Sensoren priorisiert wird.

Die optische Autofokussierung durch das Objektiv ist heutzutage oft schneller und präziser als die manuelle Scharfstellung mit einem gewöhnlichen Sucher, obwohl eine präzisere manuelle Scharfstellung mit speziellem Zubehör wie Fokussierlupen erreicht werden kann. Eine Autofokusgenauigkeit innerhalb von 1/3 der Schärfentiefe (DOF) bei der größten Blendenöffnung des Objektivs ist bei professionellen AF-SLR-Kameras üblich.

Die meisten Multisensor-AF-Kameras erlauben eine manuelle Auswahl des aktiven Sensors, und viele bieten eine automatische Auswahl des Sensors mit Hilfe von Algorithmen, die versuchen, die Position des Motivs zu erkennen. Einige AF-Kameras sind in der Lage, zu erkennen, ob sich das Motiv auf die Kamera zu oder von ihr weg bewegt, einschließlich Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten, und die Schärfe auf das Motiv zu halten – eine Funktion, die hauptsächlich in der Sport- und anderen Action-Fotografie verwendet wird; bei Canon-Kameras wird dies als AI-Servo bezeichnet, während es bei Nikon-Kameras als “kontinuierlicher Fokus” bezeichnet wird.

Die von den AF-Sensoren gesammelten Daten werden zur Steuerung eines elektromechanischen Systems verwendet, das den Fokus des optischen Systems einstellt. Eine Variante des Autofokus ist ein elektronischer Entfernungsmesser, ein System, bei dem dem Bediener Schärfedaten zur Verfügung gestellt werden, die Einstellung des optischen Systems jedoch weiterhin manuell erfolgt.

Die Geschwindigkeit des AF-Systems ist stark abhängig von der größten Blendenöffnung, die das Objektiv bei der aktuellen Brennweite bietet. Blendenstufen von etwa f/2 bis f/2,8 gelten im Allgemeinen als optimal in Bezug auf Fokussiergeschwindigkeit und Genauigkeit. Schnellere Objektive als diese (z.B.: f/1,4 oder f/1,8) haben typischerweise eine sehr geringe Schärfentiefe, was bedeutet, dass es trotz der erhöhten Lichtmenge länger dauert, bis die richtige Schärfe erreicht wird.

Die meisten Consumer-Kamerasysteme können nur mit Objektiven mit einer größten Blendenöffnung von mindestens f/5,6 zuverlässig autofokussieren, während professionelle Modelle oft mit Objektiven mit einer größten Blendenöffnung von f/8 umgehen können, was besonders bei Objektiven in Verbindung mit Telekonvertern nützlich ist.

Aktiver Autofokus

Aktive AF-Systeme messen den Abstand zum Motiv unabhängig vom optischen System und stellen das optische System anschließend für die korrekte Scharfstellung ein.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Entfernung zu messen, einschließlich Ultraschall-Schallwellen und Infrarotlicht. Im ersten Fall werden Schallwellen von der Kamera ausgesendet, und durch Messung der Verzögerung ihrer Reflexion wird die Entfernung zum Motiv berechnet. Polaroidkameras wie die Spectra und die SX-70 waren für die erfolgreiche Anwendung dieses Systems bekannt. Im letzteren Fall wird in der Regel Infrarotlicht verwendet, um die Entfernung zum Objekt zu triangulieren. Kompaktkameras wie die Nikon 35TiQD und 28TiQD, die Canon AF35M und die Contax T2 und T3 sowie frühe Videokameras verwendeten dieses System. Ein neuerer Ansatz, der in einigen Geräten der Unterhaltungselektronik, wie z.B. Mobiltelefonen, enthalten ist, basiert auf dem Prinzip der Lichtlaufzeit, bei dem ein Laser- oder LED-Licht auf das Objekt gerichtet wird und die Entfernung auf der Grundlage der Zeit berechnet wird, die das Licht benötigt, um zum Objekt und zurück zu gelangen. Diese Technik wird manchmal auch als Laser-Autofokus bezeichnet und ist in vielen Mobiltelefonmodellen verschiedener Hersteller enthalten. Sie ist auch in industriellen und medizinischen Geräten vorhanden.

Eine Ausnahme von der zweistufigen Methode ist der mechanische Autofokus, der in einigen Vergrößerungsgeräten vorhanden ist, die das Objektiv direkt einstellen.

Passiver Autofokus

Passive AF-Systeme bestimmen den korrekten Fokus, indem sie eine passive Analyse des Bildes durchführen, das in das optische System eintritt. Sie richten in der Regel keine Energie, wie z.B. Ultraschall oder Infrarot-Lichtwellen, auf das Motiv. (Ein Autofokus-Hilfsstrahl aus normalerweise infrarotem Licht ist jedoch erforderlich, wenn nicht genug Licht für passive Messungen vorhanden ist). Passive Autofokussierung kann durch Phasendetektion oder Kontrastmessung erreicht werden.

Phasendetektion

Die Phasendetektion (PD) wird erreicht, indem das einfallende Licht in Bildpaare aufgeteilt und verglichen wird. Die passive Phasendetektion durch die sekundäre Bildregistrierung durch das Objektiv (TTL SIR) wird häufig bei Film- und digitalen Spiegelreflexkameras verwendet. Das System verwendet einen Strahlteiler (implementiert als kleiner halbtransparenter Bereich des Hauptreflexspiegels, der mit einem kleinen Sekundärspiegel gekoppelt ist), um Licht auf einen AF-Sensor an der Unterseite der Kamera zu lenken. Zwei Mikrolinsen fangen die von den gegenüberliegenden Seiten des Objektivs kommenden Lichtstrahlen ein und lenken sie auf den AF-Sensor, wodurch ein einfacher Entfernungsmesser mit einer Basis innerhalb des Objektivdurchmessers entsteht. Die beiden Bilder werden dann auf ähnliche Lichtintensitätsmuster (Spitzen und Täler) analysiert, und der Trennungsfehler wird berechnet, um festzustellen, ob sich das Objekt in der vorderen oder hinteren Fokusposition befindet. Daraus ergibt sich die Richtung und eine Schätzung des erforderlichen Ausmaßes der Fokusringbewegung.

PD AF in einem kontinuierlichen Fokussierungsmodus (z.B. “AI Servo” für Canon, “AF-C” für Nikon, Pentax und Sony) ist ein geschlossener Regelkreis. Der PD-Autofokus in einem Modus mit Schärfespeicherung (z.B. “One-Shot” für Canon, “AF-S” für Nikon und Sony) wird allgemein als “eine Messung, eine Bewegung” mit offenem Regelkreis angesehen, aber die Scharfstellung wird nur dann bestätigt, wenn der AF-Sensor ein scharfgestelltes Motiv sieht. Die einzigen offensichtlichen Unterschiede zwischen den beiden Modi bestehen darin, dass ein Modus mit Schärfespeicherung bei der Schärfebestätigung anhält und ein Modus mit kontinuierlicher Scharfeinstellung prädiktive Elemente für die Arbeit mit sich bewegenden Zielen aufweist, was darauf hindeutet, dass es sich um denselben Prozess mit geschlossenem Regelkreis handelt.

Obwohl AF-Sensoren typischerweise eindimensionale lichtempfindliche Streifen sind (nur einige Pixel hoch und einige Dutzend breit), verfügen einige moderne Kameras (Canon EOS-1V, Canon EOS-1D, Nikon D2X) über TTL-Flächen-SIR-Sensoren, die rechteckig sind und zweidimensionale Intensitätsmuster für eine feinere Analyse liefern. Kreuzfokuspunkte haben ein Sensorpaar, das im 90°-Winkel zueinander ausgerichtet ist, obwohl ein Sensor typischerweise eine größere Blende benötigt als der andere.

Einige Kameras (Minolta 7, Canon EOS-1V, 1D, 30D/40D, Sony DSLR-A700, DSLR-A850, DSLR-A900) haben auch einige “hochpräzise” Fokuspunkte mit einem zusätzlichen Satz von Prismen und Sensoren; sie sind nur mit “lichtstarken Objektiven” mit bestimmten geometrischen Blendenöffnungen (typischerweise Blendenzahl 2,8 und schneller) aktiv. Die erweiterte Präzision kommt von der breiteren effektiven Messbasis des “Entfernungsmessers”.

Kontrast-Erkennung

Der Autofokus mit Kontrasterkennung wird durch die Kontrastmessung innerhalb eines Sensorfeldes durch das Objektiv erreicht. Der Intensitätsunterschied zwischen benachbarten Pixeln des Sensors nimmt bei korrekter Bildschärfe natürlich zu. Das optische System kann dadurch so lange justiert werden, bis der maximale Kontrast erkannt wird. Bei dieser Methode beinhaltet der Autofokus überhaupt keine tatsächliche Entfernungsmessung. Dies stellt bei der Verfolgung sich bewegender Motive eine große Herausforderung dar, da ein Kontrastverlust keinen Hinweis auf die Richtung der Bewegung zur Kamera hin oder von ihr weg gibt.

Der Autofokus mit Kontrasterkennung ist eine gängige Methode bei Digitalkameras ohne Verschluss und Reflexspiegel. Die meisten DSLRs verwenden diese Methode (oder eine Mischung aus Autofokus mit Kontrast- und Phasendetektion), wenn sie in ihren Live-View-Modi fokussieren. Eine bemerkenswerte Ausnahme bilden Canon Digitalkameras mit Dual Pixel CMOS AF. Bei spiegellosen Kameras mit Wechselobjektiven wird in der Regel ein Autofokus mit Kontrastmessung verwendet, obwohl die Phasendetektion bei den meisten spiegellosen Kameras inzwischen zur Norm geworden ist, wodurch sie im Vergleich zur Kontrasterkennung eine deutlich bessere AF-Nachführleistung aufweisen.

Die Kontrasterkennung stellt im Vergleich zur Phasenerkennung andere Anforderungen an das Objektivdesign. Während die Phasendetektion erfordert, dass das Objektiv seinen Fokuspunkt schnell und direkt an eine neue Position bewegt, verwendet der Autofokus zur Kontrasterkennung stattdessen Objektive, die den Fokusbereich schnell durchlaufen können und genau an dem Punkt stoppen, an dem der maximale Kontrast erkannt wird. Das bedeutet, dass Objektive, die für die Phasendetektion entwickelt wurden, bei Kameragehäusen mit Kontrasterkennung oft schlecht funktionieren.

Assistenzlampe

Das Hilfslicht (auch als AF-Beleuchtung bekannt) “aktiviert” passive Autofokussysteme bei schlechten Licht- und Kontrastsituationen bei einigen Kameras. Die Lampe projiziert sichtbares oder IR-Licht auf das Motiv, das das Autofokussystem der Kamera zur Scharfstellung verwendet. Viele Kameras, die nicht über eine spezielle Autofokus-Hilfslichtquelle verfügen, verwenden stattdessen ihren eingebauten Blitz, der das Motiv mit stroboskopischen Lichtblitzen ausleuchtet. Die Stroboskoplichtblitze unterstützen das Autofokussystem in der gleichen Weise wie eine spezielle Autofokus-Hilfsleuchte, haben jedoch den Nachteil, dass sie lebende Motive erschrecken oder verärgern. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kamera, wenn sie eine Blitz-Fokussierhilfe verwendet und auf eine Betriebsart eingestellt ist, die den Blitz außer Kraft setzt, auch die Fokussierhilfe deaktivieren kann und der Autofokus das Motiv möglicherweise nicht erfasst. Ähnliches stroboskopisches Blitzen wird manchmal verwendet, um den Rote-Augen-Effekt zu reduzieren, aber diese Methode ist nur dazu gedacht, die Augenpupillen des Motivs vor der eigentlichen Aufnahme zu verengen und so Netzhautreflexe zu reduzieren.

In einigen Fällen verfügen externe Blitzgeräte über integrierte Autofokus-Hilfslampen, die den stroboskopischen Kamerablitz ersetzen. Eine weitere Möglichkeit, kontrastbasierte AF-Systeme bei schwachem Licht zu unterstützen, besteht darin, ein Lasermuster auf das Motiv zu strahlen. Die Lasermethode wird kommerziell als Hologramm-AF-Laser bezeichnet und wurde um das Jahr 2003 herum in Sony Cybershot-Kameras eingesetzt, darunter die Modelle F707, F717 und F828 von Sony.

Nina Limbachhttps://dotkaufen.de
Schreiben ist meine Leidenschaft! Insbesondere wenn es um Produktreviews und Ratgeber im Bereich Technik geht, kenne ich kein Halt mehr. Neutral, ehrlich und auf den Punkt gebracht - das sind meine Texte.

Ähnliche Beiträge

Kommentare

HINTERLASSEN SIE EINE ANTWORT

Please enter your comment!
Please enter your name here

Produkt suchen

Kategorien

Beitrag teilen