Objektivautofokussierung

Als Autofokus (AF) wird die Technik einer Kamera oder allgemein eines jeden optischen Apparates bezeichnet, automatisch auf das Motiv scharfzustellen. Grundsätzlich wird zwischen passivem Autofokus, also solchem, der nur das vom Motiv abgestrahlte oder reflektierte Licht verwendet, und aktivem Autofokus unterschieden, der auch bei völliger Dunkelheit funktioniert.

Passiver Autofokus

Am weitesten verbreitet sind heute passive Autofokussysteme. Die beiden grundsätzlichen Techniken sind der Phasenvergleich und die Kontrastmessung. Der passive Autofokus ist auf genügende Beleuchtung und ausreichenden Objektkontrast angewiesen, um zu funktionieren. Durch Beleuchtung des Motivs mit einem Hilfslicht kann er jedoch zu einem aktiven Verfahren erweitert werden.

Kontrastmessung

Eine Fokussierung mittels Kontrastmessung läuft prinzipiell so ab, wie auch das Auge beziehungsweise ein Fotograf ohne weitere Hilfsmittel fokussieren: Die Bildweite des Objektivs wird solange variiert, bis der Kontrast maximal ist. Da die Kamera im Gegensatz zu einem Lebewesen keine Vorstellung davon hat, wie weit das Motiv ungefähr entfernt ist, reicht eine einzige Kontrastmessung nicht aus, um die Fokussierrichtung festzulegen. Erst wenn mindestens zwei Messungen vorliegen, ist nicht nur die Richtung bekannt, sondern es kann die Fokusposition evtl. auch extrapoliert werden.

Die Methode der Kontrastmessung kommt häufig in Video- und kompakten Digitalkameras zum Einsatz. Hier ist ohnehin ein das gesamte Format ausfüllender Bildsensor vorhanden, und die Integration des Phasenkontrastverfahrens in diesen Chip wäre sehr aufwendig bis unmöglich. Aufgrund des rechnerischen Aufwandes und nötigen Vorwissens der absoluten Verfahren („Depth from Defocus“) kommen in der Praxis meist nur relative Verfahren („Depth from Focus“) zum Einsatz.

Der Prozessor der Kamera errechnet dabei die Frequenzverteilung im Bild. Je größer der Anteil der hohen Frequenzen, desto schärfer das Bild. Relatives Verfahren bedeutet, dass mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokussierung notwendig sind, um eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe und die Richtung der nötigen Fokussierung zu ermitteln. Die Nachteile dieser Methode sind also großer Rechen- und Motoraufwand, was sich negativ auf die Batteriekapazität und Geschwindigkeit niederschlägt. Des Weiteren ist für eine erneute Fokusmessung ohne Veränderung des Bildausschnittes wiederum eine Fokusveränderung (=zunächst eine Defokussierung) notwendig, sodass diese neue Messung üblicherweise merkbar Zeit benötigt.

Phasenvergleich

Die ältere und bessere passive Methode ist der Phasenvergleich. Dieses Verfahren ist zwar komplexer und erfordert einen speziellen Sensor, es erfordert jedoch prinzipiell keine große Rechenleistung, und die Fokussierrichtung kann mit der ersten Messung bestimmt werden.

Die Methode wurde erstmals 1976 durch Honeywells Visitronic-Chip realisiert. Die erste damit ausgerüstete Serienkamera war die Konica C35-AF. Das Funktionsprinzip beruht auf Triangulation der Objektentfernung durch (mindestens) zwei durch dieselbe Linse schauende Autofokussensoren (Stereobild). Das Ergebnis ist eine schnelle und genaue Fokussierung, die ohne erneute mechanische Fokussierung und damit ohne Zeitverlust beliebig oft wiederholt werden kann. Bei Digitalkameras findet dieses Verfahren aufgrund der höheren Kosten und technischen Komplexität überwiegend in den teureren Spiegelreflexkameras Verwendung, jedoch sind beispielsweise viele Kompaktkameras der Firma Ricoh ebenfalls mit dieser Technik ausgestattet, hier „Hybrid-AF“ genannt.

Aktiver Autofokus

Der aktive Autofokus funktioniert auch in absoluter Dunkelheit. Man unterscheidet zwischen direkter Entfernungsmessung mittels Ultraschallwellen und der Erweiterung von passiven Methoden mittels Objektbeleuchtung.

Ultraschall-Laufzeitverfahren

Ein aktives Ultraschallverfahren (Sonar) kommt beispielsweise seit 1982 bei diversen Polaroid-Kameras zum Einsatz. Dabei wird die Zeit, die der Schall von der Kamera zum Objekt und zurück benötigt, gemessen und je nach berechneter Entfernung fokussiert. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es extrem schnell funktioniert, da keine Probefokussierung wie bei der Kontrastmessung notwendig ist. Nachteilig ist, dass keine präzise Auswahl des Fokus auf dem Motiv möglich ist, und dass es durch Glasscheiben gar nicht und mit Spiegeln nur bedingt funktioniert, da es kein optisches Verfahren ist.

Licht-Laufzeitverfahren

Objektbeleuchtung

AF-Hilfslicht am Blitzgerät in Betrieb

AF-Hilfslicht (im Dunkeln auf weiße Wand projiziert)

Eine Phasenkontrast- oder Kontrastmessung kann trotz zu geringer Leuchtleistung des Motivs durchgeführt werden, wenn dieses aktiv beleuchtet wird. Dabei kommt entweder ein Hilfslicht, das dem einer Taschenlampe ähnelt, oder Messblitze zur Verwendung.

Das AF-Hilfslicht ist meist rot (sichtbar) oder infrarot (unsichtbar, aber durch Längs-CA des Objektivs ungenauer). Wie im Bildbeispiel zu sehen ist, kommt dabei idealerweise kein gleichmäßiger Lichtfleck zum Einsatz, sondern es wird ein Muster auf das Motiv projiziert. Wenn der Phasenkontrast in der Horizontalen gemessen wird, eignet sich ein vertikales Linienmuster besonders gut. Der große Vorteil ist, dass mit solcher Beleuchtung sogar auf Flächen ohne jeden Kontrast fokussiert werden kann. Dieses Verfahren kommt deshalb auch dann zum Einsatz, wenn das Objekt eigentlich genügend Licht für die Messeinrichtung liefert, jedoch zu geringen Kontrast aufweist. Wenn die Kamera über kein eigenes Blitzlicht verfügt, ist das AF-Hilfslicht meist im Blitzgerät eingebaut.

Neben der (zeitlich) kontinuierlichen Ausleuchtung mit einem AF-Hilfslicht werden auch Messblitze verwendet. Diese Methode ist wohl kostengünstiger zu realisieren, hat aber neben der „Auffälligkeit“ den Nachteil, dass wegen der gleichmäßigen Ausleuchtung wie bei passiven Verfahren nur auf Objekte mit ausreichendem Kontrast scharfgestellt werden kann. Vorteilhaft ist, dass auch stark bewegte Objekte wegen fehlender Bewegungsunschärfe scharfgestellt werden können.

Allgemeine Eigenschaften

Die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Autofokus kann sehr gut sein. Normalerweise liegen sie über dem, was manuell erreicht werden kann. Moderne Kameras messen verschiedene Bereiche des Bildes und entscheiden, wo das Objekt ist. Einige Kameras sind auch fähig, zu entscheiden, ob sich das Objekt auf die Kamera zu oder von ihr weg bewegt, sowie welche Geschwindigkeit es hat, und verfolgen es.

Einfache AF-Systeme besitzen einen Fokussensor. Höher entwickelte verfügen jedoch über ein ganzes Gitter von Sensoren. Die Nikon D3 und andere (semi-)professionell angesiedelte Nikon-Modelle haben sogar 51 Sensoren, die einzeln auswählbar sind, um das zu fokussierende Objekt zu erfassen.

Autofokus in Kameramobiltelefonen

Mittlerweile werden Autofokus-Systeme auch in einigen Mobiltelefonen mit eingebauter Digitalkamera eingesetzt. Diese sollen die bis jetzt weit verbreiteten Fixfokuslinsen ablösen und für eine höhere Bildschärfe sorgen.

Siehe auch

• Autofokusbrille
• Fixfokus

Weblinks

• Autofokus in Kefk Network Fotografie