Autofokus: Die verschiedenen Motortypen im Überblick

Autofokussysteme im Überblick – Teaser

Der dritte Teil unseres AF-Spezials dreht sich um Objektive: Welche Motoren arbeiten in den verschiedenen Zooms und Festbrennweiten. Was sind die Vor- und Nachteile der sehr unterschiedlichen Lösungen? Wohin geht die weitere Reise?

Du hast die ersten beiden Teile unseres AF-Spezials noch nicht gelesen? Dann wirst Du hier fündig:

Dieser Artikel stammt aus dem ColorFoto-Magazin 07/08-2017.

Antriebssysteme

Die Antriebssysteme brauchen je nach AF-Typ unterschiedliche Talente:

  • Beim Phasen-AF läuft die Information auf, der Kontrast ist bei 4,5 m optimal. Das erfordert einen Motor, der möglichst schnell auf 4,5 m scharfstellt.
  • Beim Kontrast-AF fährt man blitzschnell in die eine oder andere Richtung und schaut, wo der Kontrast am höchsten ist.

Man muss also keinen großen Schritt machen, sondern nähert sich dem Ideal schrittweise. Man braucht weniger Drehmoment, aber mehr Tempo. Das Fokussieren selbst erfolgt durch Verschiebung einzelner Linsen oder Linsengruppen. Bei der Außenfokussierung fährt die Frontlinse dazu aus dem Objektivgehäuse heraus, bei älteren Optiken können sich Einstellring und Frontlinse mitdrehen.

Das ist gerade beim Einsatz von Pol- und Verlauffiltern nachteilig, weil die gewählte Filterposition durch das Fokussieren wieder verstellt wird. Auch die Veränderung der Objektivlänge kann stören, gerade bei Nahaufnahmen. Bei der Innenfokussierung dagegen ändern sich Form und Baulänge des Objektivs nicht.

Die Frontlinse ist immer in der gleichen Position, und die Mechanik ist komplett im Objektivgehäuse untergebracht – gut geschützt vor Verschmutzung und Beschädigung. Um Linsen oder Linsengruppen im Strahlengang zu verschieben, wird beim manuellen Fokussieren die Drehbewegung des Einstellrings in eine Längsbewegung der Linsen umgewandelt.

GM Zoom
Mehr ist schneller Manche Hersteller wie Sony (das Bild zeigt das 70-200er GM Zoom) oder Fujifilm kombinieren mehrere AF-Motoren, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.
Foto: Sony

Mehrgängige Gewinde mit großer Steigung oder Steuerkurven ermöglichen punktgenaue Einstellung. Beim AF ist ein Elektromotor für diese Umsetzung zuständig, gekoppelt mit Gewindespindeln, Zahnstangen, Zahnrädern oder einem Tubus mit Steuerkurven, der die Linsenelemente bei Drehung bewegt. Relativ neu sind Motoren, bzw. Bewegungseinheiten, die direkt Längsbewegungen erzeugen. Damit lassen sich AF-Antriebe kleiner, schneller, leiser und kostengünstiger bauen.

Ein AF-Motor im Objektiv hat den großen Vorteil, dass jedes Objektiv den passenden Motor haben kann. Lange Brennweiten mit großen Verstellwegen und höherem Linsengewicht erfordern andere Motoreigenschaften als kurze Brennweiten mit wenig zu bewegendem Gewicht und kurzen Einstellwegen. Und die mechanische Verbindung von Kamera zu Objektiv entfällt, die Kommunikation erfolgt nur noch auf elektronischem Weg. Der AF-Vorgang ist dadurch leise bis lautlos.

Motortypen

Die Wahl des idealen Motors für ein AF-System ist nicht trivial. Er muss aus dem Stand eine hohe Drehzahl und das erforderliche Drehmoment wuppen. Und zwar flüsterleise, mit geringem Stromverbrauch und auf minimalem Raum. Einfache Elektromotoren schaffen das nicht, dafür braucht es Spezialisten.

Gleichstrommotor

Es gibt sie noch: Objektive mit Gleichstrommotoren und hohen Drehzahlen für ein kräftiges Drehmoment. Um Drehzahl und Drehmoment zu regeln, werden Getriebe zwischengeschaltet. Sie verursachen aber Betriebsgeräusche, die für Videoaufnahmen inakzeptabel sind. Auch ein manueller Eingriff in die AF-Funktion ist nicht möglich. Insgesamt ist der Gleichstrommotor ein Auslaufmodell, das aktuell nur noch in den günstigeren Objektiven zu finden ist.

Ultraschallmotoren (USM)

Der wohl häufigste AF-Motortyp ist aktuell der Ultraschallmotor, der bei niedrigen Drehzahlen ein vergleichsweise hohes Drehmoment liefert. In diesen Motoren arbeiten piezoelektrische Komponenten. Sie erzeugen durch Anlegen einer Spannung Ultraschallschwingungen, die je nach Bedarf in Dreh- oder Linearbewegungen umgewandelt werden. Diese Bewegungen steuern den AF-Vorgang. Soweit das Prinzip. Doch die vielen verfügbaren Objektive sind in ihren Eigenschaften so unterschiedlich, dass ein einziger Typ Ultraschallmotor nicht alle Erfordernisse erfüllen kann.

Piezo-PZD-Tamron:

Nano-USM Canon:

USM-Ringmotor

Für längere Brennweiten mit schweren Linsengruppen, hoher Lichtstärke und langen Stellwegen wird ein USM-Motor verwendet, der das Objektiv ringförmig umschließt. Vorteile: hohes Drehmoment und sehr leises Fokussieren.

Der Ringmotor besteht aus zwei Ringen, einem nicht bewegten Stator und einem Rotor, die einen ähnlichen Durchmesser wie das Objektiv haben. Der Stator wird durch Piezoelemente in Schwingung versetzt, dadurch beschreiben seine Spitzen eine elliptische Bewegung, die sich durch Reibung auf den Rotor überträgt. Die Frequenz liegt im Ultraschallbereich und ist somit nicht hörbar. Bei großen Linsendurchmessern sind auch große und robust gestaltete Bauteile erforderlich, das macht die USM-Ring-Ausführung aufwendig und teuer. Verwendung findet diese Antriebsbauart daher vorwiegend in teureren Objektiven.

USM-Mikromotor

Der kleinere Bruder des Ringmotors ist der Mikromotor. Hier sind die einzelnen Komponenten des AF-Antriebs in einer Baugruppe zusammengefasst, was eine sehr vielseitige Verwendung in unterschiedlichsten Objektivtypen ermöglicht. Dieser AF-Antrieb ist zudem sehr schnell, verursacht allerdings leichte Betriebsgeräusche durch das Getriebe. Während Ringmotoren verschiedener Hersteller einander sehr ähnlich sind, unterscheiden sich die Mikromotoren zum Teil erheblich. Der Mikro-USM von Canon basiert wie der Ringmotor auf einer Wanderwelle, Tamrons PZD-Technik wird da dagegen durch eine stehende Welle angetrieben. Im Vergleich zu Ringmotoren ist es in der Regel nicht möglich, jederzeit manuell zu fokussieren. Ausnahmen bestätigen die Regel durch ein aufwendiges Differenzialgetriebe. Herstellerangaben lassen oft keine Unterscheidung zwischen Ring- und Mikromotor zu.

Steppermotor (STM)

Auch Stepper- oder Schrittmotoren sind weit verbreitet. Der Motor treibt eine Gewindestange an und verschiebt die AF-Linse. Die Vorteile sind hohe Drehmomente schon bei niedrigen Drehzahlen. Letztere haben auch eine geringere Laufgeräuschentwicklung zur Folge. Wegen der hohen Laufruhe werden Objektive dieses Typs besonders für Videoaufnahmen empfohlen. Bei Objektiven mit weiten Verstellwegen (zum Beispiel Universalzooms mit 4-fachem oder größerem Brennweitenbereich) stößt die Technologie an ihre Grenzen.

panasonicschrittmotoren
Schrittmotorbasierter Linearantrieb:
Der Schrittmotor (1) verschiebt mittels eines Gewindetriebs (2) das Linsenelement entlang der Führungsschienen (3). Bei Objektiven mit großen Stellwegen (rechts) ist zudem ein Positionssensor (4) nötig.
Schrittmotoren arbeiten leise, tendenziell aber langsamer als USM-Antriebe. Sie sind eher für leichtere Konstruktionen geeignet.
Grafik: Panasonic

Linearmotor (Voice-Coil-Motor)

Der jüngste Trend bei Autofokusmotoren sind die Voice-Coil- Motoren, die keine rotierende, sondern eine lineare Bewegung erzeugen. Daher auch die Bezeichnung Linearmotor. Dabei wird eine Spule an der zu bewegenden Linsengruppe befestigt und durch ein Magnetfeld geführt. Fließt Strom durch die Spule, wird das Linsenelement durch die Lorentzkraft entsprechend im Magnetfeld bewegt.

Durch das Fehlen von Gewinde und Getriebe sind praktisch alle Geräuschquellen eliminiert. Darüber hinaus zeichnen sich Voice-Coil-Motoren durch ein sehr gutes Ansprechverhalten und gute Regelbarkeit von Kraft und Position aus. Es gibt aber auch Nachteile: Der Verstellweg ist durch die Länge des Magneten begrenzt, und die Positionsregelung muss permanent aktiv sein, um die Linsengruppe in der gewünschten Position zu halten. Panasonic setzte als erster Hersteller auf diese Technik, die inzwischen auch in manchen Objektiven von Canon, Fujifilm, Sigma oder Sony zu finden ist.

linearmotor-im-sigma
Linearmotor im Sigma 30 mm EX DN:
Ein Magnet (gelb) mit Bügel (grau) erzeugt ein Magnetfeld, in dem sich die Spule (braun) und die daran befestigte Linsengruppe bewegen.
Grafik: Sigma
aufbau-linearmotor
Aufbau vom Linearmotor
mit Spule (1), Magnet (2), Führungsschienen (3) und Positionssensor (4)

Besser, schneller, schöner …

Spieglein, Spieglein an der Wand, wer ist die Schönste im ganzen Land? Schwer zu sagen.

Sicher ist auf jeden Fall:

  • Schrittmotoren sind ein deutlicher Fortschritt gegenüber klassischen Gleichstrommotoren.
  • Besser, schneller, leiser … Linearmotoren sind, zusammen mit Ultraschall-Ringmotoren, die leiseste und schnellste Lösung. Die Einsatzgebiete unterscheiden sich aber deutlich.
  • Ultraschall-Ringmotoren spielen insbesondere bei großen, schweren Teleobjektiven ihre Vorteile aus.
  • Dagegen sind Linearmotoren eher für kleine Stellwege und Massen ausgelegt – das passt wiederum zu vielen Objektiven von spiegellosen Systemkameras.

Die manuelle Fokussierung wird sowohl beim Schrittmotor als auch beim Linearmotor häufig elektronisch realisiert. Hierfür ist der Fokusring mit einem Sensor versehen, der Drehungen des Fokusrings erfasst und an die Regelung des Motors weitergibt. Prinzipbedingt scheinen Linearmotoren die Nase vorn zu haben, ob sich die Vorteile allerdings in der Praxis bewähren, wird man erst in Jahren wissen. Insbesondere stellt sich die Frage, wie gut sie für Objektive mit größeren Stellwegen geeignet sind.

Die Diskussion über die Qualität von AF-Systemen wird auch im fünften Jahrzehnt weitergehen. Die ColorFoto-Tests zeigen immer wieder, dass es noch viel Luft nach oben gibt. Wurden SLRs bislang systembedingt immer als die grundsätzlich Schnelleren zur Fokussierung angesehen, dreht sich durch neue Technologien das Bild. Zum einen wird die Geschwindigkeit des AF-Vorgangs durch eine enorm schnelle Auslesegeschwindigkeit der Sensorinformationen gesteigert, zum anderen optimieren hybride AF-Systeme die Fokussiergenauigkeit.

Manche spiegellosen Systemkameras mit Kontrastmessung oder Hybrid-AF können mittlerweile schon schneller scharfstellen als ihre dicken Geschwister, die SLRs. Man darf davon ausgehen, dass die AF-Module nach und nach verschwinden und der Sensor zukünftig generell diese Funktion übernimmt.

Babylon war erst der Anfang

Last not least kommen wir zu den Namen der AF-Objektive. Heute finden sich die unterschiedlichsten Technologien in den Objektiven, und jede hat ihre Vor- und Nachteile. Wer aber glaubt, ein Ultraschall-Ringmotor heißt immer Ultraschall- Ringmotor, denkt viel zu konstruktiv: Denn jeder Hersteller nutzt für die Technologie einen anderen (besser klingenden) Namen. Man sollte sich von der Vielfalt nicht verwirren lassen, denn am Ende stehen wenige vergleichbare Technologien dahinter (siehe Tabelle unten).

Umgekehrt verbergen sich selbst hinter den gleichen Namen eines Herstellers oft völlig unterschiedliche Konstruktionen. So verkaufen Nikon (AF-S), Canon (USM) und Sigma (HSM) unter der gleichen Bezeichnung sowohl Ring- als auch Mikromotoren. Olympus und Panasonic verwenden in MFT-Objektiven sowohl Schritt- als auch Linearmotoren. Welcher Motor genau verwendet wird, lässt sich in der Regel erst den Datenblättern entnehmen.

Die wichtigsten Abkürzungen

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Fazit

In diesem Teil haben wir Dir die verschiedenen Motortypen vorgestellt. Du kannst diese nun voneinander unterscheiden und kennst die jeweiligen Vor- und Nachteile.

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

Autoren: Reinhard Merz / Erich Baier

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4 Kommentare

  1. Marc
      März 21, 2019 at 9:51 AM
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    Ein wichtiger Aspekt ist die Objektivkonstruktion. Und zwar genauer die Art der Scharfstellung. Bei manchen Objektiven wird wie früher der ganze Linsenblock bewegt – was bei längeren Brennweiten und/oder großen Blendenöffnungen den AF-Motor vor schwierigen Aufgaben stellt. Immer mehr setzt sich aber die so genannte Innenfokussierung durch (“IF”), leicht daran zu erkennen, dass beim Fokussieren das Objektiv bzw. seine Maße sich nicht ändern, z.B. beim Panasonic 2,8/35-100mm. Das erleichtert, besonters bei größeren, vor allem längeren Objektiven, die Arbeit des AF-Motors beträchtlich und damit eine sehr kurze AF-Zeit ermöglicht.

  2. Kai
      August 12, 2017 at 6:20 AM
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    Sehr lehrreich, danke. Ich hatte bis dato keine Idee wie es gemacht wird. Mich würden gelegentlich aber auch einmal andere Kamerahersteller als die großen zwei Canon und Nikon interessieren. Z.B. Phase One, Hasselblad oder Leica. Es muss ja einen Grund geben warum diese Kameras als etwas besonderes (oder anderes) gelten.

  3.   August 9, 2017 at 1:21 PM
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    Es war interessant, die verschiedenen Antriebstechniken für den AF kennen zu lernen. Tatsächlich kann ich dieses Wissen, wie vieles andere, weder in der täglichen Arbeit noch beim Objektivkauf einsetzen – aber es gehört doch irgendwie dazu.
    Dieser Artikel ist einer der Besten aus der Fotoschule, die ich fast alle gelesen habe. Die Grafiken illustrieren den Text sehr gut. Und ich habe verstanden, wie die einzelnen Motorarten funktionieren.
    Danke dafür.

  4. Norbert Schmitz
      August 9, 2017 at 10:30 AM
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    Ich fotografiere schon ziemlich lange (über 50 Jahre). Vor knapp 40 Jahren habe ich mich bei dem Kauf meiner ersten Spiegelreflexkamera für ein Modell der Fa. Nikon entschieden und bin dabei geblieben. Über die Technologien der Fokussierung habe ich mir noch nie Gedanken gemacht. Angeregt durch diesen Artikel habe ich mir auf der Homepage der obigen Firma die Beschreibungen der Objektive angesehen und um einen Vergleich zu haben, habe ich das auch bei Canon gemacht. Beide Firmen haben zwar eine Rubrik über AF-Technologien, aber bei den Objektiven sucht man vergeblich nach Hinweisen was da verbaut wurde (auf den Datenblättern der Objektive findet man auch nichts). Mein Fazit: ich werde auch weiterhin Objektive kaufen ohne zu wissen wie diese angetrieben werden und vertraue darauf, dass die Hersteller das Bestmögliche anbieten. Auch wenn ich keinen Nutzen aus dem Artikel ziehen kann hat er mir gefallen weil ich mal einen Überblick aus den verschiedenen Techniken gewinnen konnte!

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