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Autofokus

Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre begannen die Kamerahersteller, ihre Produkte mit automatischen Fokussystemen auszurüsten. Zwei haben sich durchgesetzt.

Diverse Verfahren kamen ab den 1970er Jahren zum Einsatz, die auf Infrarotlösungen bauten oder im Fall einiger Polaroid-Kameras in Systemen mit Ultraschallmessung gipfelten. Aus den vielen verschiedenen Systemen haben sich zwei Techniken herauskristallisiert, die aktuell genutzt werden: Die so genannte „Phasendetektions-“ und die „Kontrastmessung“.

Phasendetektion
Beim Phasendetektionsverfahren werden zwei Halbbilder durch motorisches Verstellen des Objektivs in Deckung gebracht. Ist dieser Zustand erreicht, ist das Bild scharf eingestellt.
Kontrastmessung
Die ideale Bildschärfe ist erreicht, wenn Kontrastkanten randscharf abgebildet werden. Die Kontrastmessung einer Kamera erkennt, ob dies der Fall ist. Wenn nicht, wird hier ein weicher Verlauf sichtbar.
Phasendetektion
In Spiegelreflexkameras wie der Nikon D4s sind spezielle Fokussensormodule im Strahlengang angebracht, die das Bild per „Phasendetektion“ vermessen und damit die automatische Scharfeinstellung durchführen.

Phasendetektion

Spiegelreflexkameras nutzen in der Regel die „Phasendetektionsmessung“. Innerhalb des Spiegelkasten- und Suchersystems befindet sich ein lichtempfindlicher Sensor, der aber nicht zur Bilderfassung, sondern nur für die Scharfeinstellung zuständig ist. Für ihn wird das Licht durch so genannte „Split-Linsen“ in zwei Halbbilder aufgeteilt. Wenn die­se deckungsgleich auf dem Autofokussensor auftreffen, ist die Schärfe am Objektiv korrekt eingestellt.

Stellt der Sensor eine Abweichung fest, kann er die Fokusverstellung im Objektiv per Motor­antrieb nachregeln, bis beide Halbbilder wieder übereinander liegen. Ältere Fotografen erinnern sich  an Kameras, die zur manuellen Fokuseinstellung noch einen „Schnittbildindikator“ im Sucher zeigten, bei dem ebenfalls der obere und der untere Teil des Sucherbilds in Übereinstimmung gebracht werden musste, um die Schärfe korrekt einzustellen. Die Phasendetektionsmessung der modernen SLRs ähnelt diesem System.

Der Vorteil der Phasendetektion: Sie ist sehr schnell. Ihr Nachteil: Wenn der Spiegel der SLR-Kamera hochgeklappt wird, um das Licht auf den Film oder auf den Bildsensor fallen zu lassen, wird der Fokussensor verdeckt und kann in diesem Moment nicht nachregeln. 

Kompaktkameras und spiegellose Systemkameras, die laufend ein elektronisches Sucherbild mit ihrem Sensor erzeugen, besitzen diesen Nachteil nicht, denn sie stellen auf andere Art scharf.

Kontrastmessung

Bei einem unscharfen Bild wird aus einer scharfen Kontrastkante zwischen Schwarz zu Weiß ein weicher Verlauf mit vielen Helligkeitsabstufungen. Das lässt sich im Foto messen, ähnlich wie es das Bildbearbeitungsprogramm „Adobe Photoshop“ mittels der Histogramm-Anzeige möglich macht (siehe Abbildungen oben). Diese stellt die Menge der Pixel einer bestimmten Helligkeitsstufe dar.

  • Bei einem gleichmäßigen Verlauf sind alle Helligkeitswerte von Schwarz nach Weiß im Histogramm repräsentiert, die zudem  durch gleichmäßige Werteanzahl ähnliche Höhen zeigen.
  • Sind nur klar begrenzte Schwarz- und Weißbereiche zu sehen, gibt das Histogramm lediglich zwei spitze, hohe Ausschläge an. 

Ähnlich bestimmt die Kontrastmessung den Fokus, indem die Kamera das Bild laufend auf dessen Kontraste untersucht. Basierend auf diesen Informationen verstellt sie das Objektiv, um schließlich eine Wiedergabe zu erreichen, die möglichst wenige Helligkeitsabstufungen, dafür aber mit maximalem Höhenausschlag  (so genannten „Peaks“) erreicht. 

Es gab sogar Digitalkameras, die diese Ausschläge in ein akustisches Signal umwandelten. Der Fotograf konnte so mit der ansteigenden Höhe eines Dauertons den Grad der Schärfe „hören“.

Autofokusfelder
Die Abbildung zeigt Autofokusfelder im Sucher der Nikon D5500. Hier stehen 39 Felder zur Auswahl, wobei die Kameraautomatik oder der Anwender bestimmt, welche aktiv sein sollen.

Fokusfelder

In der einfachsten Form eines Autofokussystems wird die Schärfe im Mittelpunkt des Fotos festgelegt. Aktuelle Kameras bieten viel mehr Fokusfelder, um einen größeren Bildbereich abzudecken und die Fokussierung auf Motivelemente einzustellen, die außerhalb des Zentrums liegen.

Die Wahl der Fokusfelder kann automatisch von der Kamera durchgeführt oder manuell vom Anwender festgelegt werden. So wählt er zum Beispiel bei Porträtbildern das Feld, das genau über dem Auge der fotografierten Person liegt.

Kreuzsensoren

Vielfach ist bei den Autofokussystemen der SLRs von „Kreuzsensoren“ die Rede. Wenn man sich zunächst die eingangs erwähnte „Schnittbildindikator“-Analogie in Erinnerung ruft, so wird hier durch eine horizontale Linie das Bild geteilt, um die zwei Teilhälften oben und unten per Fokusverstellung in Deckung und damit in die Schärfe zu bringen. Die Messung erfolgt hier also nur für vertikale Strukturen.

Der Kreuzsensor eines Phasendetektionsautofokus kann die Messung sowohl in der Vertikalen als auch in der Horizontalen durchführen, um schneller und präziser fokussieren zu können. Tatsächlich sind bei vielen Phasendetektionssystemen die Kreuzsensoren  leicht gekippt, sodass sie natürliche Strukturen besser erkennen können. Da ihr Aufbau komplexer ist, nutzen viele Kameras entweder nur beim zentralen Fokuspunkt oder für einige wenige Felder im mittleren Bildbereich die Kreuzsensoren. 

Antrieb für den Autofokus

Bei den ersten Spiegelreflexkameras mit Autofokus war dessen Antrieb in die Kamera integriert. Über ein simples Kupplungssystem wurde die Motorkraft der Kamera auf den Verstellmechanismus im Objektiv übertragen.

Heutzutage sind Fokus­antriebe in den Objektiven üblich. Dabei kommen in der Regel keine normalen Elektromotoren zum Einsatz, sondern Antriebssysteme, die den Objektivkörper und den Verstellring selbst als „Wanderwellenmotor“ nutzen. Piezoelektrische Elemente erzeugen Vibrationen, durch die sich eine Wellenbewegung ergibt, mit der sich der Fokusmechanismus verschiebt.

Diese Antriebe werden als „Ultraschallmotoren“ bezeichnet, weil sie hochfrequente Schwingungen zur Bewegung erzeugen, die das menschliche Gehör nicht erfasst. Die Hersteller bezeichnen sie mit Kürzeln wie Sigmas „HSM“ („Hyper Sonic Motor“), Canons „USM“ („Ultra Sonic Motor“) oder Nikons „SWM“ („Silent-Wave Motor“).

Durch den „Direktantrieb“ in den Objektiven können diese kontinuierlich etwa bei Videoaufnahmen durchgeführt werden. Die ständig nachgeführte Schärfeverstellung ist im Film nämlich nicht zu hören.