Autofokus

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Als Autofokus (AF) wird die Technik einer Kamera oder allgemein eines jeden optischen Apparates bezeichnet, automatisch auf das Motiv scharfzustellen.

Der Fokus liegt auf dem Objekt, der Hintergrund verschwimmt
Umschalter zwischen manuellem und Autofokus an einem Objektiv

Die erste Kamera, die in Deutschland mit einem eingebauten Autofokus verkauft wurde, war im November 1977 die Konica C35 AF[1] Darauf folgten von allen Herstellern sehr schnell unterschiedlichste Varianten. Das Ausstattungsmerkmal wurde im Amateurbereich innerhalb eines Jahres zum Standard bei neuen Kameras. Sehr schnell folgten die ersten Kleinbild-Spiegelreflexkameras mit automatischer Scharfstellung des Objektivs durch das Kameragehäuse: 1981 die Pentax ME F, gefolgt 1983 von Nikons nach einem ähnlichen Prinzip funktionierender Nikon F3AF. Grundsätzlich wird dabei zwischen aktivem Autofokus, der auch bei völliger Dunkelheit funktioniert, und passivem Autofokus unterschieden, bei dem nur das vom Motiv abgestrahlte oder reflektierte Licht verwendet wird.

Geschwindigkeit und Genauigkeit des Autofokus können sehr gut sein und liegen heute normalerweise über dem, was manuell erreichbar ist. Moderne Kameras messen dabei verschiedene Bildbereiche, um schließlich selbst zu entscheiden, wo das Objekt ist. Einige analoge Canon-Kameras benutzten sogar Eye-Tracking, um so über die Blickrichtung des Fotografen das momentan relevante Fokusfeld zu bestimmen.[2]

Mittlerweile werden Autofokus-Systeme auch schon in einigen Mobiltelefonen mit eingebauter Digitalkamera eingesetzt, um dort die bis jetzt eingesetzten Fixfokuslinsen abzulösen und so für eine höhere Bildschärfe zu sorgen.

Allgemeines[Bearbeiten]

Einfache AF-Systeme verfügen nur über einen einzigen Fokussensor, höher entwickelte dagegen inzwischen über ein ganzes Gitter von Sensoren. So besitzen etwa die EOS-1D-Modelle von Canon 45 Fokussensoren[2], und die Nikon D3 sowie andere im semi-professionellen Bereich angesiedelte Nikon-Kameras sogar bis zu 51 Sensoren, die für die Erfassung des zu fokussierenden Objekts einzeln auswählbar sind.

Autofokus-Modi[Bearbeiten]

In der Fotopraxis werden heute neben der traditionellen manuellen Fokussierung (MF) verschiedene Autofokus-Modi unterschieden[3]:

  • AF.S (engl. single autofocus): Die Kamera stellt den Fokus auf das anvisierte Objekt ein und behält diese Einstellung anschließend bei, auch dann, wenn sich das Objekt bis zur Aufnahme an einen näheren oder weiter entfernten Ort bewegt.
  • AF.C (engl. continuous autofocus): Die Kamera stellt den Fokus auf das anvisierte Objekt ein und regelt diese Einstellung anschließend je nachdem, ob sich das Objekt bis zur Aufnahme an einen näheren oder weiter entfernten Ort bewegt, kontinuierlich nach.
  • AF.A (engl. automatic autofocus): Die Kamera entscheidet von Fall zu Fall selber, ob es sich bei dem Objekt um ein unbewegtes handelt, das sie am besten per AF.S fokussiert, oder um ein bewegtes, das sie per AF.C fokussiert.

Fokussierungsfehler[Bearbeiten]

Wird die Schärfe nicht in der tatsächlichen Bildebene (bei analogen Kameras der des fotografischen Films, bei Digitalkameras der des Bildsensors) ermittelt, sondern zum Beispiel mit einer Mattscheibe oder einem Autofokus-Sensor in einer separaten Hilfsebene, kann es zu Fokussierungsfehlern bei der Entfernungseinstellung kommen, was sich dann in leicht unscharfen Abbildungen beziehungsweise Aufnahmen widerspiegelt. Moderne Digitalkameras bieten deshalb mittlerweile auch die Möglichkeit, die Lage ihrer Autofokus-Sensoren in der Kamera noch einmal nachzujustieren.

Passiver Autofokus[Bearbeiten]

Am weitesten verbreitet sind heute passive Autofokussysteme, und die beiden grundsätzlichen Techniken dabei der Phasenvergleich und die Kontrastmessung. Passive Autofokussierung ist jedoch stets auf genügende Beleuchtung und ausreichenden Objektkontrast angewiesen. Wird das Motiv mit einem Hilfslicht zusätzlich beleuchtet, kann man die rein passive Autofokussierung damit aber auch zu einem quasi aktiven Verfahren erweitern.

Kantenkontrastmessung[Bearbeiten]

Die Fokussierung mittels Kontrastmessung an Konturkanten läuft prinzipiell so ab, wie auch das Auge, also der Fotograf, ohne weitere Hilfsmittel fokussiert: Die Bildweite des Objektivs wird solange variiert, bis der Helligkeitsverlauf an Hell/Dunkel-Konturkanten eine maximale Steilheit hat. Der Prozessor der Kamera errechnet dazu die Frequenzverteilung im Bild, und je größer der Anteil der hohen Frequenzen (also abrupten Hell-Dunkel-Wechsel), desto schärfer das Bild.

Die Kamera muss allerdings verschiedene Foki ausprobieren, um die Verstellrichtung zu bestimmen. Erst wenn mindestens zwei Messungen vorliegen, ist nicht nur die Richtung bekannt, sondern es kann ggf. auch die nächste Fokusposition extrapoliert werden.

Die Methode der Kantenkontrastmessung 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 der Autofokussierung meist nur relative Verfahren (depth from focus) zum Einsatz, wobei relative Verfahren in diesem Zusammenhang bedeutet, dass, um eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe und die Richtung der nötigen Fokussierung zu bestimmen, stets mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokussierung notwendig sind (sozusagen eine „Versuchsreihe“ zur Bildschärfenoptimierung). Die Nachteile dieser Methode sind großer Rechen- und Motoraufwand, was sich negativ auf die Batterieladung und die benötigte Zeit auswirkt. Auch ist für jede neue Fokusmessung (auch ohne Veränderung des Bildausschnittes) zunächst einmal wieder eine Fokusveränderung, also Defokussierung, notwendig; daher wird erneut Zeit benötigt, auch wenn keine Verbesserung erreichbar ist.

Phasenvergleich[Bearbeiten]

Die ältere passive Methode ist der Phasenvergleich, der zwar komplexer ist und außerdem einen zusätzlichen Sensor erfordert, dafür aber prinzipiell weniger Rechenleistung benötigt und auch die Fokussierrichtung schon mit der ersten Messung bestimmen kann.

Die Methode leitet sich vom rein optischen Schnittbildindikator ab, einem Hilfsmittel, das bei den rein mechanischen Kameras der 60er Jahre als Zubehör zum Einsatz kam. Im Zentrum der durch den Sucher betrachteten Mattscheibe waren dabei zwei gegeneinander geneigte unmattierte Kreishälften angebracht, so dass sich beim manuellen Fokussieren zwei Halbbilder aufeinander zuschoben, bis sie schließlich bei Scharfstellung exakt zusammenpassten. Diese Technik ist auch die Grundlage des Phasenerkennungsautofokus. Er besteht aus zwei Sensorzeilen, die die Lage der beiden Halbbilder zueinander an senkrechten Kanten beurteilen können.

Die Methode wurde erstmals 1976 durch Honeywells Visitronic-Chip realisiert. Die erste damit ausgerüstete Serienkamera war 1977 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 wird dieses Verfahren wegen der höheren Kosten und technischen Komplexität überwiegend in den teureren Spiegelreflexkameras verwendet, jedoch sind inzwischen auch viele Kompaktkameras, z. B. der Firma Ricoh, mit dieser Technik ausgestattet, in Kombination mit dem oben beschriebenen Kontrastverfahren als „Hybrid-AF“ bezeichnet.

Liniensensoren und Kreuzsensoren[Bearbeiten]

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 inzwischen sogenannte 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[Bearbeiten]

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

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

Ultraschall-Laufzeitverfahren[Bearbeiten]

Ein aktives Ultraschallverfahren (Sonar) wird beispielsweise seit 1982 bei verschiedenen Polaroid-Kameras eingesetzt. 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, da es kein optisches Verfahren ist, durch Glasscheiben gar nicht und bei Spiegeln auch nur bedingt funktioniert. Außerdem funktioniert das Verfahren nur bis zu einer gewissen Entfernung, die in manchen Fällen weit unter der hyperfokalen Entfernung liegt.

Objektbeleuchtung[Bearbeiten]

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

AF-Hilfslicht[Bearbeiten]

Das AF-Hilfslicht ist meist rot oder – z.B. bei der Pentax K-5grün (sichtbar), alternativ infrarot (unsichtbar), in letzterem Fall dann allerdings durch Längs-CA des Objektivs auch etwas ungenauer. Wie im Bildbeispiel zu sehen, kommt dabei idealerweise kein gleichmäßiger Lichtfleck zum Einsatz, sondern ein auf das Motiv projiziertes Muster. Wenn der Phasenvergleich in der Horizontalen gemessen wird, eignet sich ein vertikales Linienmuster besonders gut. Größter Vorteil allerdings ist, dass mit solch einem Beleuchtungsmuster sogar auf Flächen ohne jeden Kontrast fokussiert werden kann, weshalb man dieses Verfahren auch dann verwendet, wenn das Objekt eigentlich genügend Licht für die Messung liefert, jedoch zu geringen Kontrast aufweist. Verfügt die Kamera über kein eigenes Blitzlicht, ist das AF-Hilfslicht meist im zugehörigen Blitzgerät eingebaut.

Neben der (zeitlich) kontinuierlichen Ausleuchtung mit einem AF-Hilfslicht werden auch Messblitze verwendet. Deren Vorteil ist außer ihren geringen Kosten (es wird keine weitere Lichtquelle benötigt) die Tatsache, dass damit auch schnell bewegte Objekte aufgrund ihrer unterdrückten Bewegungsunschärfe scharfgestellt werden können, Nachteil dagegen (neben ihrer „Auffälligkeit“), dass durch die gleichmäßige Ausleuchtung, wie bei rein passiven Verfahren, wieder nur Objekte mit ausreichendem Kontrast fokussierbar sind.

Spezielle Erweiterungen des Autofokus[Bearbeiten]

In Verbindung mit dem Autofokus bieten einige Kameras weitere Funktionen an.

Fokus-Falle[Bearbeiten]

Bei der Fokus-Falle (engl. focal trap, trap focus, catch-in focus) überlässt die Kamera die Einstellung der Schärfeebene dem Fotografen und prüft selbst lediglich periodisch, ob sich ein Objekt in der gewählten Schärfeebene befindet: Ist das der Fall, löst sie aus. Ein Anwendungsbeispiel dieser Technik wäre etwa die Beobachtung einer Futterstelle auf einer Lichtung: Sobald ein Tier an der scharfgestellten Position auftaucht, wird es von der Kamera automatisch fotografiert.

Prädiktiver Autofokus[Bearbeiten]

Beim prädiktiven Autofokus (engl. predictive autofocus, vielfach auch fälschlich als „prädikativer Autofokus“ bezeichnet) kann die Kamera bei Serienaufnahmen erkennen, ob und wie schnell sich das Objekt bewegt und daraus die voraussichtlich nächste Position des Objekts abschätzen. Dazu wird zwischen den einzelnen Bildern der Serienaufnahme der Fokus erneut gemessen, für die nächste Aufnahme extrapoliert und passend eingestellt. Dadurch ist es möglich, zum Beispiel herankommende Fahrzeuge auch bei Serienaufnahmen durchgängig scharf abzubilden.

Kameras mit prädiktivem Autofokus, bei Canon zuerst in deren noch analoger Canon EOS RT aus dem Jahr 1989 realisiert[2] und später AI Servo getauft, werden inzwischen von zahlreichen Herstellern angeboten, so u. a. von Nikon, Pentax, Olympus und Panasonic.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Konica C35 AF. Der Artikel zur Konica C35 AF in der englischen Wikipedia.
  2. a b c Michael J. Hußmann: 20 Jahre EOS – Canons SLR-System; in: Foto Magazin, 1. Mai 2007, zuletzt abgerufen 21. Juni 2012.
  3. SLR photography guide: Nikon focus modes, zuletzt abgerufen 21. Juni 2012.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Autofokus – Sammlung von Bildern