Autofokus

mini|Durch die Platzierung des Autofokus-Auswahlrahmens wird sichergestellt, dass der Vogel scharf abgebildet wird.

mini|hochkant|Umschalter zwischen manuellem und Autofokus an einem Objektiv Als Autofokus (AF) wird die Technik einer Kamera oder auch anderer optischer Geräte bezeichnet, die durch die gezielte Verschiebung von Linsen das Bild automatisch auf das Motiv scharfzustellen.

Für die zur Anpassung der Bildweite auf die aktuelle Gegenstandsweite notwendige Verschiebung der Objektiv-Linsen gibt es hochpräzise Antriebe, z. B. Ultraschallmotoren. mini | rechts | Ultraschallmotor eines Autofokus-Objektivs

mini|Aufbau eines Autofokus bei einem Smartphone. An der Linse sind Dauermagnete befestigt (zweites Objekt von links). Durch die Spule an der Halterung wird durch einen Stromfluss eine Kraft hervorgerufen, die die Linse verschiebt (drittes Objekt von links).

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen aktivem Autofokus, der auch bei völliger Dunkelheit funktioniert, und passivem Autofokus, bei dem nur das vom Motiv abgestrahlte oder reflektierte Licht verwendet wird.

Geschwindigkeit und Genauigkeit des Autofokus liegen heute meist über dem, was manuell erreichbar ist. Moderne Kameras messen dabei mehrere Bildbereiche, um schließlich selbst zu entscheiden, wo das Objekt ist.

Geschichte Die Entwicklung von Autofokussystemen begann in den 1960er Jahren. Im Jahr 1960 meldete Leitz ein Autofokus-Verfahren Patent an. Canon stellte 1963 einen Mockup vor, der aber nie gebaut wurde. 1971 war es Nikon, die das erste funktionierende Autofokussystem entwickelten, vollständig ins Objektiv integriert. Das nur als Prototyp gebaute 80-mm-Objektiv wog 2,7 kg.

Die erste Kamera, die mit einem eingebauten Autofokus verkauft wurde, war im November 1977 die Kompaktkamera Konica C35 AF, die mit dem von Honeywell 1975 vorgestellten Visitronic-System ausgestattet wurde.

Ab 1981 boten auch Hersteller von Wechselobjektivkameras Autofokussysteme an, meist jedoch mit nur in vereinzelten Objektiven verbauten Lösungen, die autark von der Kamera funktionierten und ausgesprochen unhandlich waren, so 1981 Canon, 1981/1982 Chinon, 1983 Olympus und 1984 Tokina.

Nur zwei Firmen boten Kleinbild-Spiegelreflexkameras mit automatischer Scharfstellung des Objektivs durch das Kameragehäuse: 1981 die Pentax ME F und 1983 die nach einem ähnlichen Prinzip funktionierende Nikon F3AF. Beide funktionierten nur mit speziellen Objektiven, von denen es für die Pentax nur eins und für die Nikon nur zwei gab.

Mit der Einführung der Minolta 7000 AF erschien 1985 die erste Kamera, die den Autofokus inklusive Antrieb vollständig ins Gehäuse integrierte und zugleich ein umfangreiches Programm an Objektiven lieferte. Minolta stellte zeitgleich zwölf Autofokusobjektive vor und das Objektivprogramm wurde danach kontinuierlich ausgebaut. Minoltas gefeierte Lösung schockierte die Konkurrenten.

1986 folgten dann Nikon und Olympus mit entsprechenden AF-Systemen, 1987 Canon, Pentax und Yashica, damit waren Autofokussysteme Standard geworden. Mittlerweile sind Autofokus-Systeme selbst bei Mobiltelefonen Standard und haben auch dort die ehemals eingesetzten Fixfokuslinsen weitgehend abgelöst.

2024 stellte DJI erstmals ein Lidar-gestütztes System vor, welches das Nachrüsten eines Autofokus bei historischen Objektiven und solchen mit manuellem Fokus ermöglicht. Daneben kann manuelles Schärfeziehen erfolgen, ohne die Automatik dauerhaft zu unterbrechen. Vorausgegangen war ein entsprechender DJI-Umrüstsatz von PDMovie.

Allgemeines

Einfache AF-Systeme verfügen nur über einen einzigen Fokussensor, höher entwickelte dagegen inzwischen über ein ganzes Gitter von Sensoren. So besitzen im semi-professionellen Bereich angesiedelte Kameras oft mehr als 50 Sensoren, die im Regelfall für die Erfassung des zu fokussierenden Objekts einzeln auswählbar sind, wobei die Verfügbarkeit der einzelnen Sensoren vom verwendeten Objektiv abhängen kann.

Autofokus-Modi

In der Fotopraxis werden heute neben der traditionellen manuellen Fokussierung (MF) verschiedene Autofokus-Modi unterschieden:, abgerufen am 21. Juni 2012.

AF.S (engl. single autofocus): Die Kamera stellt den Fokus auf das anvisierte Objekt ein und behält diese Einstellung anschließend bei, auch dann, wenn sich das Objekt bis zur Aufnahme an einen näheren oder weiter entfernten Ort bewegt. AF.C (engl. continuous autofocus): Die Kamera stellt den Fokus auf das anvisierte Objekt ein und regelt diese Einstellung anschließend je nachdem, ob sich das Objekt bis zur Aufnahme an einen näheren oder weiter entfernten Ort bewegt, kontinuierlich nach. AF.A (engl. automatic autofocus): Die Kamera entscheidet von Fall zu Fall selber, ob es sich bei dem Objekt um ein unbewegtes handelt, das sie am besten per AF.S fokussiert, oder um ein bewegtes, das sie per AF.C fokussiert. Einige Canon-Kameras benutzen Eye-Tracking, um so über die Blickrichtung des Fotografen das momentan relevante Fokusfeld zu bestimmen.Michael J. Hußmann: 20 Jahre EOS – Canons SLR-System. In: Foto Magazin. 1. Mai 2007, abgerufen am 21. Juni 2012.

Fokussierungsfehler

Wird die Schärfe nicht in der tatsächlichen Bildebene (bei analogen Kameras der des fotografischen Films, bei Digitalkameras der des Bildsensors) ermittelt, sondern zum Beispiel mit einer Mattscheibe oder einem Autofokus-Sensor in einer separaten Hilfsebene, kann es zu Fokussierungsfehlern bei der Entfernungseinstellung kommen, was sich dann in leicht unscharfen Abbildungen beziehungsweise Aufnahmen widerspiegelt. Moderne Digitalkameras bieten deshalb mittlerweile auch die Möglichkeit, die Lage ihrer Autofokus-Sensoren in der Kamera noch einmal nachzujustieren.

Passiver Autofokus

Am weitesten verbreitet sind heute passive Autofokussysteme, die beiden grundsätzlichen Techniken dabei sind Phasenvergleich und Kontrastmessung. Passive Autofokussierung ist stets auf genügende Beleuchtung und ausreichenden Objektkontrast angewiesen. Wird das Motiv mit einem Hilfslicht zusätzlich beleuchtet, kann die rein passive Autofokussierung damit zu einem quasi aktiven Verfahren erweitert werden.

Kantenkontrastmessung Die Fokussierung mittels Kontrastmessung an Konturkanten läuft prinzipiell so ab, wie auch das Auge, also der Fotograf, ohne weitere Hilfsmittel fokussiert: Die Bildweite des Objektivs wird solange variiert, bis der Helligkeitsverlauf an Hell/Dunkel-Konturkanten eine maximale Steilheit hat. Der Prozessor der Kamera errechnet dazu mittels Fast Fourier Transformation (FFT) die Ortsfrequenzverteilung im Bild, und je größer der Anteil der hohen Frequenzen (also abrupten Hell-Dunkel-Wechsel), desto schärfer das Bild.

Die Kamera muss allerdings verschiedene Fokusse ausprobieren, um die Verstellrichtung zu bestimmen. Erst wenn mindestens zwei Messungen vorliegen, ist nicht nur die Richtung bekannt, sondern es kann ggf. auch die nächste Fokusposition extrapoliert werden.

Die Methode der Kantenkontrastmessung kommt, weil sie billig zu realisieren ist, häufig in Video- und kompakten Digitalkameras zum Einsatz.

Aufgrund des rechnerischen Aufwandes und nötigen Vorwissens der absoluten Verfahren (depth from defocus) kommen in der Praxis der Autofokussierung bei den meisten Herstellern nur relative Verfahren (depth from focus) zum Einsatz, wobei relative Verfahren in diesem Zusammenhang bedeutet, dass, um eine Verbesserung oder Verschlechterung der Bildschärfe und die Richtung der nötigen Fokussierung zu bestimmen, stets mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Fokussierung notwendig sind (sozusagen eine „Versuchsreihe“ zur Bildschärfenoptimierung). Die Nachteile dieser Methode sind Rechen- und Motoraufwand, was sich negativ auf die Batterieladung und die benötigte Zeit auswirkt. Auch ist für jede neue Fokusmessung (auch ohne Veränderung des Bildausschnittes) zunächst einmal wieder eine Fokusveränderung, also Defokussierung, notwendig; daher wird erneut Zeit benötigt, auch wenn keine Verbesserung erreichbar ist.

Dadurch, dass die Messung mit dem Bildsensor geschieht, ist prinzipbedingt keine Dejustierung möglich, es sollte immer die optimale Fokuseinstellung erreicht werden.

Phasenvergleich mini|Prinzip einer Spiegelreflexkamera mit Autofokusmessung. Ein Objekt in der Gegenstandsebene G wird über die Hauptebene H und ein Spiegelsystem S auf eine Einstellscheibe E und einen Autofokussensor AF abgebildet. Zur Bildaufnahme in der Bildebene B wird der Spiegel S entfernt. Die drei Maße x dürfen sich nicht unterscheiden. mini|Elektronische Schärfemessung bei der optischen Abbildung eines Gegenstands in der Gegenstandsebene G über eine Hauptebene H in die Bildebene B. Zur ortsaufgelösten Messung der beiden oberhalb und unterhalb der optischen Achse über die Hilfshauptebene M abgebildeten Lichtintensitäten in der Sensorebene S kann ein Zeilensensor verwendet werden. Aus den Abständen (im Beispiel a, b und c) kann die Kameraelektronik feststellen, welcher Unterschied zwischen der gemessenen und der eingestellten Objektweite besteht. Im Beispiel entspricht der Abstand b der Objektiweite zwischen H und G.

Die ältere passive Methode ist der Phasenvergleich, der komplexer ist und zusätzliche Sensoren erfordert. In modernen Digitalkameras liegen diese direkt über der Sensorebene, alternativ kann bei Spiegelreflexkameras ein separater Sensorchip genutzt werden. Beim Phasenvergleich-Autofokus wird prinzipiell weniger Rechenleistung benötigt, da die Fokussierrichtung schon mit der ersten Messung bestimmt werden kann.

Die Methode leitet sich vom rein optischen Schnittbildindikator ab, einem Hilfsmittel, das in Spiegelreflex-Kameras der 60er bis 80er Jahre mit mechanischer Fokussierung zum Einsatz kam. Im Zentrum der durch den Sucher betrachteten Einstellscheibe waren dabei zwei gegeneinander geneigte unmattierte Kreishälften angebracht, so dass sich beim manuellen Fokussieren zwei Halbbilder aufeinander zuschoben, bis sie schließlich bei Scharfstellung exakt zusammenpassten. Diese Technik ist auch die Grundlage des Phasenerkennungsautofokus. Er besteht aus zwei Sensorzeilen, die die Lage der beiden Halbbilder zueinander an senkrechten Kanten beurteilen können.

Die Methode wurde erstmals 1976 durch Honeywells Visitronic-Chip realisiert. 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 wird dieses Verfahren wegen der höheren Kosten und technischen Komplexität überwiegend in den teureren Spiegelreflexkameras und Systemkameras verwendet, jedoch sind inzwischen auch viele Kompaktkameras mit dieser Technik ausgestattet.

Liniensensoren und Kreuzsensoren Autofokussensoren, die mit dem Phasenvergleich arbeiten, suchen an zwei voneinander entfernten Punkten vergleichbare Lichtintensitätsmuster. Eine erfolgreiche Fokusbestimmung kann also nur erfolgen, wenn auf der Bildausbreitungsrichtung zwischen beiden Punkten (längs oder quer) variierende Lichtintensitäten vorkommen; flächige oder parallel linierte Bildmotive ermöglichen bei diesen Liniensensoren keine Fokusbestimmung. Aus diesem Grunde sind meist mehrere AF-Sensoren in einer Kamera so untergebracht, dass deren Linienempfindlichkeiten quer zueinander orientiert sind.