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Scharfmacher

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Seit mehr als 40 Jahren gibt es Kameras und Objektive, die ohne Zutun des Fotografen scharfstellen. In dieser Zeit sind die Autofokusverfahren immer zuverlässiger, schneller und vielseitiger geworden. Michael J. Hußmann erzählt in der neuen DOCMA-Ausgabe 81 die Entwicklungsgeschichte des Autofokus und beschreibt, wie aktuelle AF-Systeme die gewachsenen Anforderungen in Foto- und Videografie bewältigen.

Die erste AF-Kamera war die Konica C35 AF, eine vollautomatische Kleinbild-Kompaktkamera, die 1977 auf den Markt kam. Schon Anfang der 1970er Jahre gab es Objektive, die unabhängig von der Kamera mit einem eingebauten Entfernungsmesser scharfstellten. 1981 folgte mit der Pentax ME F die erste Spiegelreflexkamera mit integriertem TTL-Autofokus, der die maximale Schärfe am höchsten Kontrast erkannte. Als zukunftsträchtiger erwies sich allerdings die 1985 eingeführte Minolta 7000; ihr Funktionsprinzip der Phasendetektion setzte sich durch und wird bis heute in SLRs genutzt. Nachdem der Autofokus bei professionellen Fotografen zunächst auf Skepsis stieß, setzte er sich dennoch schnell durch. Obwohl Sie natürlich auch heute noch die Möglichkeit haben, das Bild manuell scharfzustellen, sind allein Leicas Messsucherkameras der M-Reihe bewusst auf eine rein manuelle Fokussierung ausgelegt.

Phasendetektion

Das heute noch dominierende AF-Verfahren geht auf das Correfot-System zurück, dessen Prototyp Leica auf der photokina 1976 vorstellte. Die Technologie wurde nie zur Serienreife entwickelt und später an Minolta verkauft.

Das Grundprinzip der Phasendetektion war bereits von den Schnittbildindikatoren bekannt, die damals zur Unterstützung der manuellen Fokussierung in die meisten SLR-Mattscheiben integriert waren.

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Nur bei einem perfekt fokussierten Objektiv stammen alle Lichtstrahlen, die in einem Punkt auf dem Sensor ­zusammentreffen, vom selben Punkt des Motivs (oben). Wenn das Objektiv auf eine weitere (Mitte) oder nähere (unten) Entfernung scharfgestellt ist, kommen die Lichtstrahlen von verschiedenen Motivdetails, je nachdem, welchen Weg sie durch das Objektiv genommen haben.

Wenn man das Objektiv auf ein bestimmtes Motiv fokussiert hat, treffen sich alle Lichtstrahlen, die von einem Punkt des Motivs ausgehen, am Ende wieder in einem Punkt in der Bildebene. Die unterschiedlichen Wege, die diese Lichtstrahlen durch das Objektiv nehmen, spielen dabei keine Rolle. Wenn ein Motiv dagegen außerhalb der Schärfe liegt, treffen die Lichtstrahlen von einem Punkt dieses
Motivs je nach dem Weg, den sie durch das Objektiv zurücklegen, an einer anderen Stelle auf den Film (oder heute den Sensor), was ein unscharfes Bild ergibt. Die Lichtstrahlen, die dann auf denselben Punkt des Films oder Sensors treffen, müssen folglich von unterschiedlichen Punkten des Motivs kommen.

Um auf dieser Basis die Schärfe zu beurteilen, muss man zwei Bilder vergleichen, die jeweils von den Strahlen erzeugt werden, die aus der linken beziehungsweise rechten Hälfte des Objektivs treten. Wenn das Objektiv perfekt scharfgestellt ist, sind beide Bilder identisch; liegt die Schärfe aber vor oder hinter dem Motiv, sind die Bilder gegeneinander verschoben. Aus der Richtung und dem Ausmaß der Verschiebung, der sogenannten Phase, ergibt sich, in welche Richtung und wie weit die Fokussierung korrigiert werden muss.

Ein Schnittbildindikator besteht aus zwei, meist übereinander angeordneten Prismen. Sie lenken den Blick des Fotografen durch die linke beziehungsweise rechte Hälfte des Objektivs. So entstehen zwei Schnittbilder, die man durch Drehen des Fokusrings zur Deck­ung bringen muss. Ganz ähnlich ist auch der AF-Sensor einer SLR aufgebaut. Damit ihn aber überhaupt Licht erreicht, während der Rückschwingspiegel ein Bild auf die Suchermattscheibe reflektiert, ist er nicht vollständig verspiegelt. In seiner Mitte lässt der Rückschwingspiegel einen Teil des Lichts zu einem dahinter angebrachten Sekundärspiegel hindurch, der es – manchmal noch über einen dritten Spiegel – zum AF-Sensor im Kamera­boden umleitet.

Die Kamera ist so konstruiert, dass das Licht zur Mattscheibe, zum Bildsensor und zum AF-Sensor jeweils dieselbe Strecke zurücklegt. Wenn der Autofokus eine optimale Schärfe meldet und im Sucher ein scharfes Bild entsteht, wird auch das vom Sensor aufgenommene Bild scharf sein.

Der AF-Sensor ist ähnlich wie ein Bildsensor aufgebaut, besteht aber nur aus zwei Zeilen von Pixeln, die zur Ermittlung der Phasenverschiebung miteinander verglichen werden. Ein Strahlenteiler lenkt jeweils die Hälfte des Lichts auf jede der beiden Pixelzeilen. Im Prinzip würde eine einzige Messung der Phasenverschiebung genügen, um die optimale Fokusposition zu finden, die der Fokussiermotor nur noch anfahren muss. Zur Sicherheit sollte die Kamera aber mit einer weiteren Messung kontrollieren, ob damit die Fokusposition optimaler Schärfe erreicht ist.

Mit einer waagerechten Aufteilung der Lichtstrahlen kann man leicht auf vertikale Strukturen scharf stellen, während bei horizontalen Strukturen keine klare Phasenverschiebung erkennbar ist. Teilt man die Lichtstrahlen dagegen nicht nur zwischen links und rechts, sondern auch zwischen oben und unten, und misst mit zwei Pixelspalten auch eine senkrechte Phasenverschiebung, dann entsteht ein sogenannter Kreuzsensor, der auf alle Strukturen fokussieren kann, egal wie sie ausgerichtet sind. Da das Licht weiter aufgeteilt wird, braucht ein Kreuzsensor mehr Licht und deshalb lichtstärkere Objektive.

Am Funktionsprinzip der Phasen­detektion hat sich bis heute nichts geändert. Lediglich die Zahl der Messfelder ist gestiegen, und ebenso der Teil des Bildfelds, den die Messfelder abdecken. Am Rand ist allerdings keine Phasendetektion möglich – durch den begrenzten Strahlengang im AF-Sensor und teilweise auch durch eine Vignettierung im Objektiv wird ein großer Teil der Randstrahlen ausgeblendet, so dass keine Phasenverschiebung mehr ermittelt werden kann.

 


Scharfmacher: Mehr über die Funktionsweise von Autofokussystemen erfahren Sie im vollständigen Artikel in der neuen DOCMA 81 (Ausgabe März/April 2018)


 

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