Autofokus: Autofokussysteme im Überblick

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Im ersten Teil haben wir Dir einen Überblick über die Entstehung des Autofokus gegeben und haben Dir erklärt, wie dieser funktioniert. In diesem Teil schauen wir uns die verschiedenen Autofokus-Systeme ein wenig genauer an und zeigen Dir, welche Entwicklungen es aktuell gibt.

Die im ersten Teil angeführten Argumente treffen für alle auf dem Markt verfügbaren Autofokussysteme zu. Bei genauer Betrachtung ergibt sich jedoch eine klare Trennung der Funktionsweise in

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• aktive
• und passive AF-Systeme

Dieser Artikel stammt aus dem ColorFoto-Magazin 06-2017.

Aktive AF-Systeme

Bei aktiven Systemen wird von der Kamera ein Signal „aktiv“ zum Objekt gesendet. Das kann ein Ultraschallton, ein Laser- oder ein Infrarotstrahl sein. Vom anvisierten Objekt wird das Signal zurück zur Kamera reflektiert, die Messelektronik wertet Daten wie Zeit, Strecke oder Winkel aus und stellt dann automatisch auf das Objekt scharf.

Vorteile aktiver AF-Systeme

Ein Vorteil der aktiven AF-Verfahren ist, dass sie auch bei schlechten Lichtverhältnissen oder sogar bei völliger Dunkelheit arbeiten.

Nachteile aktiver AF-Systeme

Nachteilig ist die Begrenzung des Aufnahmeabstands auf einige Meter. Sehr glatte und entsprechend ausgerichtete Flächen können zudem die Signal-Reflexion behindern oder verfälschen.

Passive AF-Systeme

Passive AF-Systeme brauchen keinen Sender und gestatten daher eine kompakte Bauweise und damit eine kostengünstige Gesamtkonzeption. Alle modernen AF-Systeme sind passive Systeme, bei denen die Kamera keine Messsignale sendet, sondern nur passiv über Sensoren Schärfe oder Kontrast des Motivs auswertet und mit diesen Informationen die Fokuseinstellung steuert.

Reicht die Umgebungshelligkeit oder – je nach System – der Motivkontrast nicht aus, zeigt das System deutliche Schwächen. Es kann keinen eindeutigen Fokussierpunkt finden und fokussiert sehr langsam oder falsch.

AF-Hilfslicht

In solchen Fällen kann man sich mit einem zusätzlichen AF-Hilfslicht behelfen. Manche Blitzgeräte und Kameras haben ein solches an Bord. Damit wird das Motiv kurz „angestrahlt“. In dieser kurzen, hellen bzw. kontrastreichen Beleuchtungsphase stellt das System auf das angestrahlte Objekt scharf. Obwohl hier ein Lichtstrahl gesendet wird, spricht man nicht von einem aktiven AF-System.

Vermutlich, weil dieses zusätzliche Licht nur zur „Beleuchtung“ des Motivs dient und kein Messsignal ist, das nach Reflexion gezielt ausgewertet wird.

Passiv AF-Verfahren: Kontrastmessung und Phasendetektion

Zwei passive AF-Verfahren sind aktuell Stand der Technik: Kontrastmessung und Phasendetektion.

So funktioniert die Kontrastmessung

Die Kontrastmessung ist dabei im Prinzip nichts anderes als das Fokussieren von Hand: Das Motiv wird anvisiert und mit dem Einstellring stellt man von unscharf nach scharf, bis die optimale Einstellung erreicht ist. Um auf Nummer sicher zu gehen, fokussiert man über die gewählte Schärfenebene hinaus, bis das Objekt wieder unscharf wird. Solche Wiederholungen sind auch beim Kontrast-AF erforderlich. Optimal scharfgestellt ist dann, wenn der Kontrast des beurteilten Motivs das Maximum erreicht hat.

Stark vereinfacht kann man sich so die Funktionsweise der AF-Kontrastmessung vorstellen. Statt des Fotografen bewertet allerdings ein Sensor in der Kamera das Geschehen und steuert den Vorgang. Das kann ein Sensor sein, der speziell zur Kontrastauswertung eingebaut ist. Nahezu immer wird jedoch der ohnehin vorhandene Bildsensor für diese Aufgabe genutzt oder spezielle Ausschnitte davon. Ein Nachteil beim Kontrast-AF war lange Zeit seine relativ geringe Geschwindigkeit.

Vorteile der Kontrastmessung

Vorteile sind die einfachere Bauweise und der geringere Platzbedarf. Denn in spiegellosen Systemkameras sowie in Kompaktkameras fällt das Licht vom Objektiv permanent auf den Sensor. Da lag es nahe, das Signal des Sensors direkt als AF-Signal zu nutzen und sich den Umweg über ein teures AF-Modul zu sparen.

Nachteile der Kontrastmessung

Die klassischen Geschwindigkeitsnachteile sind dabei übrigens längst Geschichte, denn die rapide steigende Rechenkapazität hat zu neuen Technologien geführt, mit denen der Kontrast-AF jetzt auf der Überholspur ist – mehr darüber weiter unten im Abschnitt „Die Vielfalt der Systeme“.

So funktioniert die Phasendetektion

SLR-Kameras haben stattdessen einen separaten Phasen-Autofokus. Bei der klassischen AF-Kamera lenkt ein Schwingspiegel das Licht in den Sucher und gibt erst im Moment der Aufnahme den Lichtweg zum Sensor frei. Dieser kann also gar kein AF-Signal liefern. Stattdessen werden Teilbilder des Motivs aus dem Hauptstrahlengang auf spezialisierte AF-Sensoren umgelenkt. Dieses Umlenken der Teilbilder erfolgt je nach System durch geometrische Strahlenteilung, mit Prismen, Linsen und einem teildurchlässigen Spiegel.

Die AF-Sensoren werten die Abbildungen der Teilbilder aus und geben der AF-Steuerung vor, wie zu fokussieren ist, damit der anvisierte Bereich auch scharf ist. Die Fokussierung ist abgeschlossen, wenn die beiden Teilbilder zur Deckung gebracht sind. Die Kamera ermittelt mit einer einzigen Messung, in welche Richtung und wie weit die Linsen verschoben werden müssen, um ein scharfes Bild zu erzeugen.

Vorteile der Phasendetektion

Gegenüber der Kontrastmessung war dieses Verfahren schneller, denn die Fokussensoren erfassen bereits mit einer Messung, wie viel und in welcher Richtung die Linsen bewegt werden müssen. Das Ergebnis „sitzt“ fast ohne Nachjustierung. Komplexe Motivverfolgungen gelingen zuverlässig durch die Kombination von 100 und mehr AF-Feldern. Und so setzt dieses AF-System in seinen maximalen Ausbaustufen, also in den schnellen Top-SLRs wie Nikon D5 oder Canon EOS 1DX II, immer noch Maßstäbe.

Nachteile der Phasendetektion

Der konstruktive Aufwand ist jedoch immer größer als beim Kontrast-AF, und der komplexe Aufbau erfordert teure Einzelkomponenten.

Die Phasen-Messung ist prinzipiell flott, aber noch nicht auf den Punkt genau.

Die Entscheidung der Hersteller

Jetzt muss der Hersteller entscheiden:

Wird nachfokussiert oder nicht?

Geschwindigkeit und Genauigkeit sind hier klassische Antipoden und immer ist ein Kompromiss nötig. Manche Hersteller bieten bei eigens dafür ausgelegten Objektiven Lösungen an, mit denen man das über eine USB-Dockingstation softwareseitig selbst einstellt, bei Sigma etwa zwischen

• Geschwindigkeitspriorität
• Standard
• oder Präzisionspriorität.

Professionelle Tele-, Makro- und Zoomobjektive mit weiten Verstellwegen bieten zudem oft die Möglichkeit, den Fokussierbereich einzuschränken. Dann muss der Autofokus beispielsweise nur zwischen drei Metern und unendlich statt zwischen 1,2 Metern und unendlich suchen und gewinnt dadurch Sekundenbruchteile, die über scharf oder unscharf entscheiden können.

Du interessierst Dich für das Thema? Dann empfehlen wir Dir diesen Lerninhalt in der Fotoschule:

• So geht es: Objektive justieren mit dem USB-Dock (Sigma)

Die einfache Annahme „Kontrastmessung für Spiegellose und Kompaktkameras, Phasendetektion für SLRs“ trifft in der Praxis so allerdings längst nicht mehr zu.

Manche Kamerahersteller kombinieren die beiden AF-Verfahren zu einem Hybridsystem, und die Kamera wählt bei der Aufnahme je nach Einstellungen und Umgebungslicht das besser geeignete AF-Verfahren.

Im Live-View-Modus – aber auch im Video-Modus – ist bei SLR-Kameras der Spiegel hochgeklappt. Der Strahlengang zu den AF-Sensoren ist dadurch unterbrochen. Manche SLR-Kameras schalten deswegen automatisch von Phasen- auf Kontrast-AF um. Sie arbeiten dann im Live-View-Betrieb wie eine spiegellose Kamera: Der Sensor liefert das Bildsignal für den Monitor und übernimmt per Kontrast-AF auch die Fokussierung. Da die SLR-Kameras und ihre Objektive aber für den Phasen-AF ausgelegt sind, führt Live-View-Betrieb mit Kontrast- AF-Messung auf dem Sensor meist zu einer langsamen bis extrem langsamen AF-Steuerung.

Der prädikative Autofokus

Eine besondere AF-Form ist der prädiktive – vorausplanende – Autofokus.

Bei Serienaufnahmen wird analysiert, wohin und wie schnell sich das aufzunehmende Objekt bewegt. Das ist ein unschlagbares Werkzeug bei schnell ablaufenden Vorgängen. Die Präzision, mit der die komplexen Berechnungs- und Einstellvorgänge ablaufen, hängt nicht zuletzt vom Preis der Kamera und des Objektivs ab.

Linien- und Kreuzsensoren

Die Sensoren zur Autofokussierung haben unterschiedliche Eigenschaften.

Eigenschaften von Liniensensoren

Liniensensoren erkennen gut Strukturen, die nicht in der gleichen Richtung wie die Sensoren selbst verlaufen. Senkrecht angeordnete Liniensensoren erkennen waagrechte Motive also besonders gut. In der Praxis ist es nicht zu vermeiden, dass sich die Anordnung der Sensorzeilen mit dem Verlauf von Linien und Kanten im Motiv deckt. Das kann zu Fokussierfehlern oder längerem Hin- und Hersuchen führen.

Eigenschaften von Kreuzsensoren

Die Lösung für diese Problematik heißt Kreuzsensoren.

Sie erkennen sowohl waagrecht als auch senkrecht und schräg verlaufende Bildstrukturen. So ist sichergestellt, dass eine exakte Fokussierung erfolgt, unabhängig davon, welchen dominierenden Strukturverlauf das Motiv hat. Kreuzsensoren sind nicht nur universeller in ihren Eigenschaften, sie sind auch teurer als Liniensensoren und erfordern einen höheren konstruktiven Aufwand.

Lichtstärke und Autofokus

Die Leistungsfähigkeit eines Autofokussystems hängt auch von der Lichtmenge ab, die durch das Objektiv auf den Sensor gelangt.

Generell kann man sagen, dass es für den Autofokus immer besser ist, wenn ein Objektiv eine große Blendenöffnung aufweist. Bei lichtschwachen Objektiven mit kleiner Blendenöffnung funktioniert der Autofokus nur eingeschränkt, in manchen Fällen sogar gar nicht mehr.

1: In der Mitte sitzen fünf diagonale Kreuzsensoren über fünf klassisch horizontal/ senkrecht ausgerichteten Kreuzsensoren. Die diagonalen arbeiten bis Blende 2,8, die anderen bis Blende 5,6.

2: Um die mittleren fünf Kreuzsensoren befinden sich 16 weitere Kreuzsensoren bis Blende 5,6. Zusammen ergibt dies 21 klassisch ausgerichtete Kreuzsensoren bis Blende 5,6 plus fünf diagonale Kreuzsensoren bis Blende 2,8.

3: Ebenfalls im Randbereich sitzen links und rechts je 10 Sensoren, die ausschließlich horizontale Linien erfassen und bis Blende 5,6 arbeiten.

4: Im Randbereich kann der Fotograf links und rechts je 10 weitere Kreuzsensoren bis Blende 4 nutzen. Bei Blende 5,6 erfassen alle 10 noch horizontale Linien.

• In unserer Abbildung (oben) arbeiten bei Objektiven mit Blende 2,8 oder besser sieben zentrale Kreuzsensoren mit hoher Empfindlichkeit.
• Bei Objektiven mit einer Lichtstärke im Bereich 2,8 bis 4 ist nur noch der zentrale Autofokussensor ein Kreuzsensor und das auch nur noch mit normaler Empfindlichkeit; alle übrigen 44 Sensoren arbeiten nur noch als vertikale Liniensensoren.
• Bei Objektiven, die eine Lichtstärke im Bereich 4,0 bis 5,6 haben, gibt es gar keinen Kreuzsensor mehr. Alle 45 AF-Sensoren arbeiten als vertikale Liniensensoren.
• Und bei lichtschwachen Objektiven mit einer Lichtstärke im Bereich 5,6 bis 8,0 ist nur noch ein einziger AF-Sensor aktiv. In diesem Fall muss man manuell fokussieren.

Sony hat das Problem mit Doppelsensoren gelöst. Zwei Sensoren sitzen übereinander einer arbeitet bei Blende 2,8 oder besser, der andere übernimmt, wenn Blende 2,8 nicht zur Verfügung steht. So hat man an dieser Stelle trotzdem einen Messwert.

Wichtig ist auch: Wo sitzen die Sensoren? Nur in der Mitte oder im ganzen Bild? Ideal ist eine Verteilung über das ganze Bildfeld, vor allem um bewegte Motive zu verfolgen.

Die Vielfalt der Systeme

Aktuell werden die Messungen für Belichtung und Autofokus immer mehr zusammengefasst. Über das reine Scharfstellen hinaus nutzen aktuelle Kameras die Ergebnisse der Mehrfeld-AF-Messung in Verbindung mit der Belichtungsmessung und -steuerung dazu, Sicherheit und Komfort beim Fotografieren weiter zu erhöhen. Je nachdem, in welchem Bildbereich etwa das AF-System das Motiv erkennt, legt die Kamera den Schwerpunkt der Belichtungsmessung in diesen Bereich, um die Belichtung des Hauptmotivs zu optimieren.

Auch jede automatische Motivprogrammwahl basiert auf der Analyse der Entfernungs- und Belichtungsverteilung. Erkennt der Computer eine Landschaft, wird er kleine Blenden bevorzugen, bei einem Porträt eine große Blende und bei Bewegung eine kurze Zeit.

Mit berücksichtigt wird auch der Abbildungsmaßstab des Motivs (ergibt sich aus Aufnahmeentfernung und Brennweite), etwa für Porträt- oder Nahaufnahmeprogramme. Hatten AF-Module vor ein paar Jahren noch zehn oder vielleicht 40 Messpunkte, so gehen sie jetzt in die Hunderte oder gar Tausende.

Da liegt es nahe, die Daten des Belichtungssensors – der u.a. Farbinformationen misst – auch für die Bewegung zu nutzen.

AF-Messung direkt auf dem Sensor

Neuester Trend ist die AF-Messung direkt auf dem Sensor. Für die Kontrastmessung steht der gesamte Sensor zur Verfügung, und man schaut, wo der Kontrast am höchsten ist. Aber so einfach findet die Kontrastmessung praktisch nicht mehr statt.

Darüber, welche Informationen wie in die Fokusberechnung einfließen, schweigen sich die Firmen (deren Entwicklungsabteilung meistens nicht in Deutschland beheimatet ist) gerne aus.

Trotzdem ein paar Beispiele:

Bei den Dual-Pixel-Sensoren in Canon-Kameras besteht jedes Pixel aus zwei Subpixeln. Dadurch lassen sich an beliebigen Stellen Phasen-Lösungen erzeugen.

Olympus und Fujifilm nutzen definierte Bereiche auf dem Sensor, um Phaseneffekte zu messen.

Im Fall von Olympus und Canon sind die Kameras dadurch in der Lage, auch älteren – auf Phasenkontrast optimierten – Objektiven ein Signal zu bieten, mit dem sie zügig arbeiten können. Besitzer größerer Objektivsammlungen wissen das zu schätzen. Zudem kann ein geschickt eingesetzter Phasen-AF die AF-Messung auch dann beschleunigen, wenn die Objektive – wie bei Fujifilm – bereits alle für die Kontrastmessung ausgelegt sind.

Sony baut aus dem gleichen Grund zwei verschiedene Arten von Objektivadaptern, um „SLR-Objektive“ an spiegellosen Kameras einsatzfähig zu machen. Bei der einfachen Version schraubt man den Adapter als „Bajonettverlängerung“ mit Datenübertragung zwischen Kamera und das für Kameras mit Spiegel gerechnete Objektiv. Anschließend übernimmt der Kontrast-AF der Kamera den Fokusprozess, muss aber ein für Phasen-AF konstruiertes Objektiv steuern. Bei der Edelversion steckt deswegen ein zusätzliches Phasen-Autofokus-Modul im Adapter. Dieses übernimmt dann die AF-Steuerung, was dem Tempo zugute kommt. Müßig zu erwähnen, dass so viel Komfort seinen Preis hat, aber auch hier gilt: Wer über eine stattliche Objektsammlung verfügt, wird das trotzdem sehr begrüßen.

Grundsätzlich sitzt bei spiegellosen Kameras das Bajonett näher am Sensor als bei SLR-Modellen mit Spiegelkasten. Objektive für spiegellose Kameras passen deswegen nicht an SLRs – man müsste das Objektiv ins Bajonett näher an den Sensor drücken.

Umgekehrt lassen sich aber SLR-Objektive gut an spiegellose Kameras adaptieren, da das Objektiv für ein tieferes Gehäuse ausgelegt ist und so Platz für einen Adapter zwischen Kamera- und Objektivbajonett bleibt.

Der Panasonic-Autofokus schließlich arbeitet ähnlich wie ein Phasenkontrast- AF mit zwei Bildern und einer „Prognose“. Aus den verschiedenen Laufzeiten von zwei unscharfen Bildern – eins weit vorn und eins weit hinten – wird die ungefähre Entfernung ermittelt. Dort fährt der Fokus hin, dann wird weiter gemessen. Die Tatsache, dass man nicht nur in vielen kleinen Stufen arbeitet, sondern auch mal einen großen Satz macht, verhilft den Panasonics im COLORFOTO-AF-Test regelmäßig zu Top-Ergebnissen.

Fazit und Ausblick

Du hast erfahren welche verschiedenen Autofokussysteme es gibt und wie diese arbeiten. Zusätzlich haben wir einen Blick auf die aktuellen Systeme geworfen und erklärt, welche aktuellen Entwicklungen es gibt. Im nächsten Teil geht es dann um Objektive: Welche Motoren arbeiten in den verschiedenen Zooms und Festbrennweiten? Was sind die Vor- und Nachteile der sehr unterschiedlichen Lösungen?

Weitere Tipps für die Fotopraxis, Tests der aktuellen Kameramodelle und alle Neuheiten und Trends in der Fotobranche erhältst Du im monatlichen ColorFoto-Magazin.

Autor: Reinhard Merz

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