Autofokus

Als Autofokus (AF) wird die Technik einer Kamera oder allgemein eines jeden optischen Apparates bezeichnet, automatisch auf das Motiv scharfzustellen. Grundsätzlich wird zwischen passivem Autofokus, also solchem, der nur das vom Motiv abgestrahlte oder reflektierte Licht verwendet, und aktivem Autofokus unterschieden, der auch bei völliger Dunkelheit funktioniert.

Inhaltsverzeichnis

Passiver Autofokus

Am weitesten verbreitet sind heute passive Autofokussysteme. Die beiden grundsätzlichen Techniken sind der Phasenvergleich und die Kontrastmessung. Der passive Autofokus ist auf genügende Beleuchtung und ausreichenden Objektkontrast angewiesen, um zu funktionieren. Durch Beleuchtung des Motivs mit einem Hilfslicht kann er jedoch zu einem aktiven Verfahren erweitert werden.

Kontrastmessung

Eine Fokussierung mittels Messung des Bildkontrasts läuft prinzipiell so ab, wie auch das Auge beziehungsweise ein Fotograf ohne weitere Hilfsmittel fokussieren: Die Bildweite des Objektivs wird solange variiert, bis der Kontrast maximal ist. Da die Kamera im Gegensatz zu einem Lebewesen keine Vorstellung davon hat, wie weit das Motiv ungefähr entfernt ist, reicht eine einzige Kontrastmessung nicht aus, um die Fokussierrichtung festzulegen. Erst wenn mindestens zwei Messungen vorliegen, ist nicht nur die Richtung bekannt, sondern es kann die Fokusposition evtl. auch extrapoliert werden.

Die Methode der Kontrastmessung kommt häufig in Video- und kompakten Digitalkameras zum Einsatz. Hier ist ohnehin ein das gesamte Format ausfüllender Bildsensor vorhanden, und die Integration des Phasenvergleichverfahrens in diesen Chip wäre sehr aufwendig bis unmöglich. Aufgrund des rechnerischen Aufwandes und nötigen Vorwissens der absoluten Verfahren („Depth from Defocus“) kommen in der Praxis meist nur relative Verfahren („Depth from Focus“) zum Einsatz.

Der Prozessor der Kamera errechnet dabei die Frequenzverteilung im Bild. Je größer der Anteil der hohen Frequenzen, desto schärfer das Bild. Relatives Verfahren bedeutet, dass mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokussierung notwendig sind, um eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe und die Richtung der nötigen Fokussierung zu ermitteln. Die Nachteile dieser Methode sind also großer Rechen- und Motoraufwand, was sich negativ auf die Batteriekapazität und Geschwindigkeit niederschlägt. Außerdem ist für eine erneute Fokusmessung ohne Veränderung des Bildausschnittes wiederum eine Fokusveränderung (=zunächst eine Defokussierung) notwendig, so dass diese neue Messung üblicherweise merklich Zeit benötigt.

Phasenvergleich

Die ältere passive Methode ist der Phasenvergleich. Dieses Verfahren ist zwar komplexer und erfordert einen speziellen Sensor, es erfordert jedoch prinzipiell keine große Rechenleistung, und die Fokussierrichtung kann mit der ersten Messung bestimmt werden.

Die Methode wurde erstmals 1976 durch Honeywells Visitronic-Chip realisiert. Die erste damit ausgerüstete Serienkamera war die Konica C35-AF. Das Funktionsprinzip beruht auf Triangulation der Objektentfernung durch (mindestens) zwei durch dieselbe Linse schauende Autofokussensoren (Stereobild). Das Ergebnis ist eine schnelle und genaue Fokussierung, die ohne erneute mechanische Fokussierung und damit ohne Zeitverlust beliebig oft wiederholt werden kann. Bei Digitalkameras findet dieses Verfahren wegen der höheren Kosten und technischen Komplexität überwiegend in den teureren Spiegelreflexkameras Verwendung, jedoch sind beispielsweise viele Kompaktkameras der Firma Ricoh ebenfalls mit dieser Technik ausgestattet, hier „Hybrid-AF“ genannt.

Autofokussensoren, die mit dem Phasenvergleich arbeiten, suchen an zwei voneinander entfernten Punkten vergleichbare Lichtintensitätsmuster. Eine erfolgreiche Fokusbestimmung kann also nur erfolgen, wenn auf der Bildausbreitungsrichtung zwischen beiden Punkten (längs oder quer) variierende Lichtintensitäten vorkommen; flächige oder parallel linierte Bildmotive ermöglichen bei diesen Liniensensoren keine Fokusbestimmung. Aus diesem Grunde sind meist mehrere AF-Sensoren in einer Kamera so untergebracht, dass deren Linienempfindlichkeiten quer zueinander orientiert sind. Um eine noch höhere Sensordichte und damit eine höhere und dynamische Fokusbestimmung zu erreichen, gibt es Kreuzsensoren, deren Linienempfindlichkeit in zwei Dimensionen ausgerichtet ist. Die in der Leistungsbeschreibung eines Kameramodells oft herausgestellte Anzahl von Kreuzsensoren könnte also mit zwei multipliziert und zusammen mit den übrigen AF-Sensoren als Qualitätsgröße herangezogen werden. Kreuzsensoren sind jedoch hauptsächlich in der motivwichtigen Bildmitte platziert, wo auf gleichem Raum nicht die doppelte Anzahl Liniensensoren unterzubringen ist.

Aktiver Autofokus

Der aktive Autofokus funktioniert auch in absoluter Dunkelheit. Man unterscheidet zwischen direkter Entfernungsmessung mittels Ultraschallwellen und der Erweiterung von passiven Methoden mittels Objektbeleuchtung.

Ultraschall-Laufzeitverfahren

Ein aktives Ultraschallverfahren (Sonar) kommt beispielsweise seit 1982 bei diversen Polaroid-Kameras zum Einsatz. Dabei wird die Zeit, die der Schall von der Kamera zum Objekt und zurück benötigt, gemessen und je nach berechneter Entfernung fokussiert. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es extrem schnell funktioniert, da keine Probefokussierung wie bei der Kontrastmessung notwendig ist. Nachteilig ist, dass keine präzise Auswahl des Fokus auf dem Motiv möglich ist und dass es durch Glasscheiben gar nicht und mit Spiegeln nur bedingt funktioniert, da es kein optisches Verfahren ist.

Objektbeleuchtung

AF-Hilfslicht am Blitzgerät in Betrieb
AF-Hilfslicht (im Dunkeln auf weiße Wand projiziert)

Eine Phasenvergleich- oder Kontrastmessung kann trotz zu geringer Leuchtleistung des Motivs durchgeführt werden, wenn dieses aktiv beleuchtet wird. Dabei kommt entweder ein Hilfslicht, das dem einer Taschenlampe ähnelt, oder Messblitze zur Anwendung.

Das AF-Hilfslicht ist meist rot (sichtbar) oder infrarot (unsichtbar, aber durch Längs-CA des Objektivs ungenauer). Wie im Bildbeispiel zu sehen ist, kommt dabei idealerweise kein gleichmäßiger Lichtfleck zum Einsatz, sondern es wird ein Muster auf das Motiv projiziert. Wenn der Phasenvergleich in der Horizontalen gemessen wird, eignet sich ein vertikales Linienmuster besonders gut. Der große Vorteil ist, dass mit solcher Beleuchtung sogar auf Flächen ohne jeden Kontrast fokussiert werden kann. Dieses Verfahren kommt deshalb auch dann zum Einsatz, wenn das Objekt eigentlich genügend Licht für die Messeinrichtung liefert, jedoch zu geringen Kontrast aufweist. Wenn die Kamera über kein eigenes Blitzlicht verfügt, ist das AF-Hilfslicht meist im Blitzgerät eingebaut.

Neben der (zeitlich) kontinuierlichen Ausleuchtung mit einem AF-Hilfslicht werden auch Messblitze verwendet. Diese Methode ist wohl kostengünstiger zu realisieren, hat aber neben der „Auffälligkeit“ den Nachteil, dass wegen der gleichmäßigen Ausleuchtung wie bei passiven Verfahren nur auf Objekte mit ausreichendem Kontrast scharfgestellt werden kann. Vorteilhaft ist, dass auch auf stark bewegte Objekte wegen unterdrückter Bewegungsunschärfe scharfgestellt werden können.

Allgemeine Eigenschaften

Die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Autofokus können sehr gut sein. Normalerweise liegen sie über dem, was manuell erreicht wird. Moderne Kameras messen verschiedene Bereiche des Bildes und entscheiden, wo das Objekt ist. Einige analoge Canon-Kameras benutzten sogar Eye-Tracking, um das relevante Fokusfeld über die Blickrichtung des Fotografen zu bestimmen. Viele Kameras sind auch fähig, zu entscheiden, ob sich das Objekt auf die Kamera zu oder von ihr weg bewegt, sowie welche Geschwindigkeit es hat, und verfolgen es (Prädiktions-Autofokus).

Einfache AF-Systeme besitzen nur einen Fokussensor. Höher entwickelte verfügen jedoch über ein ganzes Gitter von Sensoren. Die Nikon D3 und andere (semi-)professionell angesiedelte Nikon-Modelle haben sogar 51 Sensoren, die einzeln auswählbar sind, um das zu fokussierende Objekt zu erfassen. Bei den EOS-1D-Modellen von Canon sind es 45 Sensoren.

Wenn die Schärfe nicht in der tatsächlichen Bildebene sondern zum Beispiel mit einer Einstellscheibe oder einem Autofokus-Sensor in einer Hilfsebene ermittelt wird, kann es zu Fokussierungsfehlern bei der Entfernungseinstellung kommen, was sich dann in etwas unscharfen Abbildungen beziehungsweise Aufnahmen widerspiegelt.

Autofokus in Kameramobiltelefonen

Mittlerweile werden Autofokus-Systeme auch in einigen Mobiltelefonen mit eingebauter Digitalkamera eingesetzt. Diese sollen die bis jetzt weit verbreiteten Fixfokuslinsen ablösen und für eine höhere Bildschärfe sorgen.

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