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Autofokus
Von Agon S. Buchholz für
Kefk Network Fotografie.
Fototechnik :
Fokussierung : Autofokus
: Übersicht
23-Aug-2001/04-Apr-06
Übersicht
Als Autofokus (Abk. AF, engl. autofocus) wird
die Technik einer Kamera oder allgemein eines jeden optischen Apparates
bezeichnet, selbstständig den Schärfepunkt auf das Motiv zu setzen.
Die automatische Fokussierung wird beispielsweise in vielen
Fotoapparaten, aber beispielsweise auch in Diaprojektoren sowie
Flachbett- oder Diascannern eingesetzt; vorhanden sind AF-Systeme auch
in Videokameras, in professionellen Fernseh- oder Filmproduktionen wird
jedoch i.d.R. noch immer manuell fokussiert. Auch bei anderen optischen
Technologien wie CD- oder DVD-Playern wird Autofokus-Technologie
eingesetzt.
Der normalsichtige Mensch ist es gewöhnt, Objekte scharf zu sehen; in
der optischen Sinneswahrnehmung wird dazu ein passives
Triangulationsverfahren, das so genannte Stereoverfahren, eingesetzt;
ein anderes Verfahren ist das Halbbildverfahren, das einen Stereovorsatz
voraussetzt.
In Autofokus-Spiegelreflexkameras werden stereoskopische Bilder durch
das normale monokulare Objektiv der Kamera (through the lens,
TTL) aufgenommen.
Differenzierungsbereiche
Grundsätzlich wird zwischen kontrastbasierten und
triangulationsbasierten Verfahren bzw. aktivem (mit Infrarothilfslicht
oder Ultraschallhilfe) und passivem (rein optischen) Autofokus
unterschieden:
- Kameras mit aktivem Autofokus senden Infrarot- oder
Ultraschallwellen bzw. (selten) Laserstrahlen aus und bestimmen die Entfernung des Objektes aus
der Reflexionsdauer der ausgestrahlten Wellen; sie basieren also auf
der Auswertung einer Zeitdifferenz.
Mit diesem System können AF-Kameras auch bei völliger
Dunkelheit das Objektiv scharf stellen, haben allerdings den
Nachteil, dass sie bei Aufnahmen durch eine Glasscheibe nur auf
dieses "Hindernis" scharfstellen. Voraussetzung für die
einwandfreie Funktionsweise eines aktiven Autofokus ist natürlich,
dass das Motiv die Infrarot- oder Ultraschallwellen gut reflektiert.
Ein Nachteil von aktiven Autofokussystemen ist, dass sie nur auf
kurze Entfernungen von wenigen Metern sicher funktionieren; die
meisten Kameras kompensieren dies, indem sie das Objektiv einfach
auf "Unendlich" fokussieren.
- Kameras mit passivem Autofokus zählen zu den
kontrastbasierten Verfahren analysieren den sichtbaren
Bildausschnitt auf Kontrastunterschiede, daher sind für eine präzise
Scharfeinstellung Kontrastunterschiede notwendig; sie basieren also
auf einer Kontrastdifferenz.
Prinzipbedingte Schwierigkeiten bekommt dieses System bei
diffusem Restlicht, monochromen Flächen und geringen
Kontrastunterschieden wie bei einem Motiv, das aus blauem Meer und
blauem Himmel besteht. Bei Dunkelheit können passive
Autofokus-Systeme daher nicht funktionieren, es sei denn, sie werden
durch ein aktives Autofokus-Hilfslicht unterstützt, das aber
wiederum nur eine begrenzte Reichweite hat.
Große Entfernungen stellen für ein passives Autofokussystem
jedoch kein Problem dar, da es nicht auf die
Reflexion eines Signals angewiesen ist, sondern nur einen
hinreichenden Motivkontrast benötigt.
Diese mit dem Objektiv verknüpfte Technik ist unabhängig von der
verwendeten Aufnahmetechnik und wird also sowohl bei konventionellen
Kameras als auch bei Digitalkameras eingesetzt.
Weiterhin wird unterschieden zwischen verschiedenen
Funktionsprinzipien des Autofokus; die wichtigsten sind der Phasendetektions-AF und der
Video-AF:
- Der Phasendetektions-AF basiert auf dem Prinzip, dass ein
kleiner Teil des vom Objektiv projizierten Bildes über eine
Teileroptik auf zwei CCD-Bildsensoren geworfen wird; der
kamerainterne Mikroprozessor vergleicht diese Informationen mit
einem Referenzsignal und berechnet daraus die Steueranweisungen für
den AF-Motor.
Bei Minolta- und Nikon-Kameras werden diese Informationen von
einem AF-Getriebemotor im Kameragehäuse umgesetzt, der die
Linsengruppen im Objektiv über ein Kupplungselement am Bajonett
bewegt; bei Canon sowie einigen Spezialobjektiven von Minolta und
Nikon befindet sich der Motor auch direkt im Objektiv.
Derartige Fokussier-Verfahren werden auch als Visiotronic,
Correfot,
Kontrastvergleich, Phasenvergleich,
Phasendifferenz-Detektion oder Phasenkorrelation
bezeichnet; bei den beiden letztgenannten Verfahren werden durch ein
bewegliches Prisma oder Gitter zwei Wechselstrome erzeugt, deren
Phase miteinander verglichen wird.
Der Phasendetektions-AF wird überwiegend bei
Kleinbildspiegelreflexkameras eingesetzt und ist – nach anderthalb
Jahrzenten der Entwicklung – mittlerweile recht zuverlässig
und für die meisten Situationen praxistauglich.
Passive AF-Systeme sind von der Lichtstärke des Objektivs
abhängig, da sie ja die Schärfe durch das Objektiv (through the
lens, TTL) bestimmen. Moderne Systeme arbeiten recht zuverlässig
bis zu Lichtstärken von 1:5,6. Spezialkonstruktionen wie Minoltas
Spiegelobjektiv 1:8/500 mm funktionieren nur dann mit Autofokus,
wenn die Objektivkonstruktion gezielt auf die jeweiligen
Kamerasensoren abgestimmt wurde. Das klappt i.d.R. bei
Originalherstellern, bei Objektiven von Fremherstellern jedoch nur
fallweise, unzuverlässig oder überhaupt nicht.
Abbildung: Typischer Stereo-Aufbau in kommerziell
erhältlichen AF-Kameras (Quelle: Rollei).
Übrigens scheint es auch aus Ingenieurssicht noch immer
Optimierungsspielraum für AF-Systeme zu geben; Minolta gibt
beispielsweise an, die Fokussiergeschwindigkeit bei der
Dynax 9 (1998 ff., eine Kamera der fünften AF-Generation)
gegenüber der
Dynax 9xi (1992 ff., ein Kamera der dritten AF-Generation)
ungefährt verdoppelt zu haben. Ein weiterer Vordopplungssprung wird
zwischen dere AF-Geschwindigkeit der
Dynax 7 (1999 ff., eine Kamera der fünften AF-Generation)
gegenüber der
Dynax 800si (1997 ff., eine Kamera der vierten AF-Generation)
angegeben. Glaubt man diesen Angaben, gibt es also offensichtlich
noch deutlichen Spielraum für signifikante Verbesserungen der
Fokussiergeschwindigkeit.
Meine eigenen Erfahrungen aus der fotografischen Praxis mit der
Entwicklungslinie von
Minolta 9000 (1985, erste Generation),
Dynax 9xi (1992, dritte Generation) und
Dynax 9 (1998, fünfte Generation) bestätigen diese qualitativen
Sprünge des grundlegenden AF-Systems ohne Einschränkung. Die
AF-Systeme bei den Prosumer-Digitalkameras – dem so genannten Video-AF – ab Mitte der
1990er Jahre halte ich dagegen für einen brachialen Rückschritt in
jeder Beziehung.
- Der Video-AF wird überwiegend im Bereich der Film- und
Videokameras sowie bei Consumer- und Prosumer-Digitalkameras
eingesetzt.
Beim Video-AF wird die Schärfe mehrmals pro Sekunde auf dem
CCD-Sensor überprüft, bei der Minolta Dimage Z1 beispielsweise mit
60 Hz; diese häufigen Messungen belasten den kamerainternen
Prozessor und können daher die gesamte Arbeitsgeschwindigkeit – also beispielsweise auch die Speichergeschwindigkeit –
der Kamera ausbremsen.
Dieses System ist bisher für fotografische Bedürfnisse
nur eingeschränkt paxistauglich, weil es für dynamische und quirlige
Motive einfach viel zu langsam und unsicher ist.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Ort, an dem die elektronisch
bestimmte Schärfemessung in Bewegung von Linsengruppen umgesetzt wird.
Dabei kann unterschiedenen werden zwischen:
- Systemen, bei denen die Linsen eines Objektivs bewegt werden.
Dies setzt spezielle AF-Objektive voraus; die Bewegung der Linsen
erfolgt entweder über einen Motor im Kameragehäuse und eine
mechanische Übertragung (Normalfall bei Minolta und Nikon), oder
über einen Motor im Objektiv selbst, zu dem nur die Steuersignale
elektrisch vom Kameragehäuse übertragen werden (Canon).
- Systemen, bei denen die Filmebene bewegt wird. Hier können
beliebige, manuell zu fokussierende Objektive genutzt werden; dieses
AF-Prinzip hat bishe rausschließlich Contax (bzw. Kyocera)
realisiert.
Autofokus-Messfeld
Als Autofokus-Messfeld bezeichnet man einen definierten Bereich im
Sucher, der an das AF-System zur Schärfemessung gekoppelt ist.
Einfache AF-Kameras sowie KB-SLR-Kameras der ersten Generation (1985 ff.)
verfügen über genau ein solches Feld in der Bildmitte. Höherwertige Kameras
haben mehrere Autofokus-Messfelder, die über den ganzen Bildbereich verteilt
sind; einzelne Messfelder oder Messfeld-Kombinationen lassen sich dann
teilweise über die Kamerakonfiguration zu- oder abschalten.
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| Abbildung: Ein zentraler Sensor kann
problemlos fokussieren. |
Abbildung: Ein zentraler Sensor kann
nicht fokussieren, die Kamera muss daher um 45 bis 90 Grad gedreht
und anschließend der Bildauschnitt neu bestimmt werden. Ein
Kreuzsensor hätte bei diesem Motiv keine Probleme. |
Der Nutzen zusätzlicher Messfelder ist umstritten, da weder die
Fokussiergeschwindigkeit noch die effektive Zuverlässigkeit der
automatischen Scharfstellung notwendig verbessert werden; vielmehr sind
AF-Kameras mit zahlreichen Sensoren sogar langsamer, da die
Kameraelektronig erheblich mehr Daten auswerten muss. Auch der Nutzen einer
autmatischen Auswahl des Schärfepunktes durch die Kameraelektronik ist
zumindest fraglich, da sich die Motivanalyse der Kamera-"Intelligenz"
keineswegs mit der Intention des Fotografen übereinstimmen muss; Resultat
sind dann knackscharfe Bilder, deren Schärfepunkt leider nicht auf dem
gewünschten Motiv, sondern irgendwo anders (kontratreiches Detail im
Hintergrund, Zweig im Vordergrund etc.) liegt.
Sinnvoll ist dagegen ein zentraler Kreuzsensor, dessen Schärfepunkt man
speichern kann (sog. Spotfokussierung), sowie evl. noch zusätzliche
Sensoren an den rechten und linken Seiten des Sucherbildes, die liegen
nämlich häufig in dem Bereich, in dem man bei hochformatigen
Porträtaufnahmen auf die Augen fokussieren möchte; einige Minolta-Kameras
verfügen beispielsweise über einen so genannten Flexiblen Fokuspunkt,
den man beliebig im Sucher platzieren kann.
Insbesondere bei modernen Mehrfeld-AF-Systemen ist es sinnvoll, wenn
nicht sogar unumgänglich, wenn die Kamera signalisiert, wenn und worauf sie
fokussiert hat. Bei der
Minolta Dynax 9 erfolgt diese Signalisierung durch ein im Sucher kurz
aufleuchtendes rotes Rähmchen. Arbeitet die Kamera jedoch im
kontinuierlichen AF-Nachführmodus, ist diese Signalisierung abgeschaltet,
der Fotograf sieht also erst auf den entwickelten Bildern, welchen
Bildbereich sich die Kameraelektronik zum Fokussieren ausgesucht hat.
Kreuzsensor
Als Kreuzsensor bezeichnet man einen AF-Sensor, der aus zwei um 90
Grad versetzten Sensoren zusammengesetzt ist. Dadurch wird der Autofokus bei
Motiven mit bestimmten gleichförmigen Strukturen sicherer.
Eine Weiterentwicklung ist der Dual-Kreuzsensor (Center Dual
Cross-hair Sensor) von Minolta, der aus zwei sich überlagernden
Einzelsensoren, einem Kreuzsensor und einem X-förmiger Sensor, besteht.
Diese Konstruktion ermöglicht ein besonders großes AF-Meßfeld und soll die
Leistungfähigkeit besonders lichtstarker Objektive besser auszunutzen
können; dieser Typ ist bisher allerdings nur in der
Minolta Dynax 7 aus dem Jahr 2000 realisiert worden.
Dynamische Schärfenachführung
Eine prinzipiell interessante, in der Praxis jedoch eher zweifelhsfte
Weiterentwicklung ist die dynamische Schärfenachführung bzw. der
Allrichtungs-Prädikationsautofokus; Minolta führte
diese Fokussieroption in den Kameras der
Dynax i-Serie (1988 ff.) ein. Dabei erfolgt die Scharfstellung auf der
Entfernungseben, in der sich das bewegte Motiv zum Zeitpunkt der effektiven
Belichtung voraussichtlich befinden wird. Berücksichgt wird dabei
auch die Auslöseverzögerung, also bei Spiegelreflexkameras das Abblenden des
Objektivs und das Hochklappen des Spiegels.
Wie bei jedem Orakel kann diese
Vorhersage mit einer berechenbaren Wahrscheinlichkeit eintreffen –
oder auch nicht. Permutiert die Kamerealektronik die Motivbewegung anders
als sich das Objekt tatsächlich bewegt (man stelle sich dazu beispielsweise
einen fliehenden, hakenschlagenden Hasen vor), stimmt der Schärfepunkt eben
nicht und die Aufnahme wird vermutlich unbrauchbar.
Theoretisch sollte es keine Probleme geben: nach Angaben von Minolta kann
die
Minolta Dynax 9 mit dem Objektiv 1:2,8/300 mm ein bewegtes Objekt
verfolgen und scharfstellen, das sich in einer Entfernung von nur acht
Metern befindet und sich mit 40 km/h bewegt. In der Praxis zeigen sich dann
aber doch gelegentlich gerade im Nahbereich die Grenzen moderner
Prädikations-AF-Systeme, die halt immer von einer mehr oder minder
vorhersehbaren Objektbewegung ausgehen.
Da sich dieser Modus bei neueren AF-Kamera allerdings meist nicht mehr abschalten
läßt, muss der Fotograf mit diesem Automatismus zu leben lernen.
AF-Modi
Die meisten höherwertigen AF-Kameras können in verschiedenen
Autofokus-Modi betrieben werden.
Schärfepriorität und Auslösepriorität
Die grundlegenden Modi jedes besseren AF-Systems sind Schärfe-
und Auslösepriorität.
Arbeitet die Kamera mit Schärfepriorität, kann die Kamera
nur ausgelöst werden, wenn die Elektronik eine ihrer Meinung nach
korrekte Schärfe eingestellt hat; viele einfachere AF-Kameras
arbeiten in der Standardeinstellung mit Schärfepriorität oder
unterstützen gar keine alternativen Fokussiermodi.
Bei der Auslösepriorität entscheidet dagegen der Fotograf
über dem Moment, in dem die Kamera auslösen soll; in komplizierten
Aufnahmesituationen ist dieser Modus möglicherweise der einzige Weg,
um überhaupt zu einem Bild zu kommen. Das Bild ist dann vielleicht
nicht optimal scharf, aber auch die AF-Automatiken der Kamera
garantieren ja nicht unbedingt eine Schärfe in genau dem
Motivbereich, den der Fotograf scharfgestellt haben möchte.
Warum sich die Kameraingenieure die Funktion der Schärfepriorität
auch ausgedacht haben mögen, selbst benutzt haben sie sie wohl nie;
es mag ja beruhigend wirken, sich einzureden, die Kamera würde mit
Schärfeprirität nur noch scharfe Bilder liefern, nichtsdestotrotz
ist dies eine (Selbst-) Täuschung: Über irgendwo im Bildbereich
scharfgestellte Bilder wird sich niemand freuen, von durch die
Schärfepriorität blockierten Aufnahmen hat der Fotograf auch nichts.
Ich deaktiviere derartige "Eigenintelligenzen" der Kamera daher
immer, soweit dies irgendwie möglich ist. Die Auslösepriorität ist
m.E. in allen Situationen die bessere Wahl – niemand
zwingt mich ja zum Auslösen, aber es hindert mich auch leine
Kameraelektronik daran, ein Bild genau dann auszulösen, wenn
ich es möchte.
Kontinuierlicher Autofokus mit Schärfenachführung
 Beim
Betrieb mit kontinuierlichen Autofokus wird die Schärfe und
meist auch die Belichtung fortlaufend angepasst; die Kamera geht
dabei grundsätzlich von einem bewegten Objekt aus, muss diese
Bildanalyse also nicht in jedem Einzelfall durchführen, was den
einen oder anderen Sekundenbruchteil sparen kann.
Naturgemäß sollte sich dieser Modus besser für Sport- und
Tierfotografie eignen als der statische Autofokus; bei diesem
wird ein einmal gefundener Schärfepunkt gespeichert, bis die
Auslösung erfolgt oder der Auslöser freigegeben wird. Die
Hauptvorteile dieses Modus sich die präzisere Fokussierung und die
höhere Kontrolle über den Schärfepunkt durch den Fotografen.
Überraschenderweise kann die Praxis ganz anders aussehen: Viele
moderne AF-Systeme sind auch mit statischem AF schnell genug für die
"Action"-Fotografie und liefern mit statischem AF zuverlässig
scharfe Aufnahmen von bewegten Objekten, während der kontinuierliche
AF unsicher zwischen (bewegtem) Hintergrund und (ebenfalls bewegtem)
Motiv hin- und herspringt und schwer vorhersehbar auf irgendetwas
fokussiert.
Noch verschärft wird diese Fotolotterie durch den automatischen
Autofokusmodus, wie ihn beispielsweise die
Minolta Dynax 9 bietet: Hier entscheidet die Kamera selbständig
darüber, ob sie lieber den statischen oder den dynamischen Autofokus
einsetzen möchte. Zum einen kostet die Bildanalyse durch die Kamera
wieder kostbare Sekundenbruchteile, zum anderen verliert der
Fotograf jegliche Kontrolle über die Fokussierung seines Bildes.
Welcher Fokussiermodus für eine konkrete Aufnahmesituation
gewählt werden sollte, muss also auch und gerade bei hochgradig
automatisierten Kameras letztlich der Fotograf fällen. Bei dieser
Entscheidung hilft nur Erfahrung, im Idealfall also eine Testreihe
vor der konkreten Aufnahme unter kontrollierten Bedingungen,
die der Fotograf bewusst analysiert, um die Funktionsweise seines
Werkzeuges unter realistischen Bedingungen besser kennenzulernen.
Geschichte und Entwicklung
Mehr oder minder marktreife Autofokus-Systeme wurden in der Fotografie
Mitte der 1970er Jahre eingeführt; die erste Kompaktkamera mit einem
passiven Autofokus-System war die Konica C35-AF von Konishiroku
Kogyo aus dem Jahr 1977; die erste Kompaktkamera mit einem aktiven
Autofokus-System stellte Canon 1979 mit der AF35M (Autoboy)
vor.
Die erste Kleinbild-Spiegelreflexkamera mit Wechselobjektiven und
Autofokus präsentierte Minolta 1985 mit der Minolta 7000 und der Minolta
9000.
Heute gilt die Ausstattung mit Autofokus im Consumer- und
Prosumer-Bereich als Standard; auch bei professionellen
Kleinbild-Spiegelreflexkameras werden nur noch wenige Kameras ohne AF-System
angeboten. In der Großformat- und Mittelformatfotografie sind AF-Systeme
jedoch noch immer eine Seltenheit.
Siehe auch
- Schärfentiefe
- Schärfepunkt
Literatur
- O. W. Hübsch und Thomas Maschke: Das neue Lexikon der
Fotopraxis (Information
Foto). München: Laterna Magica 1989.
- Bingzi Liao: Ein Beitrag zur Kamerafokussierung bei
verschiedenen Anwendungen der Bildverarbeitung (Dissertation).
Hamburg: Universität der Bundeswehr Hamburg, Juli 1993.
- Hugo Schöttle: DuMont’s Lexikon der Fotografie
(DuMont-Kunst-Taschenbucher; Band 58). Köln: DuMont Buchverlag 1978.
- Gerhard Teicher (Hrsg.): Handbuch der Fototechnik (8.
Ausgabe). Leipzig: VEB Fotokinoverlag, 1983.
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