Wie funktioniert der Autofokus?
Wie funktioniert der Autofokus? Es ist immer wieder erstaunlich, wie schnell und sicher moderne Kameras scharf stellen, und das mittlerweile selbst in Szenen, die nur mit Kerzenlicht erhellt werden. Aus ursprünglich einem einzigen zentralen AF Feld sind heute mitunter hunderte dieser AF Felder, im optimalsten Fall über das gesamte Bildfeld verteilt, entstanden. Auch ist es heutzutage egal, ob man eine DSLR, also digitale Spiegelreflex Kamera benutzt oder eine DSLM digitale spiegellose Kamera.
Die besten AF Systeme fanden sich in der Vergangenheit in der Regel in den DSLRs. Auch das hat sich gewandelt. Die spiegellosen Kameras haben in den letzten Jahren auch in diesem Bereich massiv aufgeholt und in einigen Fällen sogar die DSLRs überholt. Bei der perfekten automatischen Fokussierung im Videobereich führt schon länger kein Weg mehr an ihnen vorbei.
Wie funktioniert der Autofokus?
Allgemein
Die automatische Fokussiertechnik moderner Kameras ist schnell, zuverlässig und manuell nur in Ausnahmefällen an Präzision und Geschwindigkeit zu übertreffen. Da die Schärfe aber nicht nur ein Qualitätskriterium, sondern auch ein Gestaltungsmittel ist, stellt sich die Frage, woher der Autofokus weiß, worauf der Fotograf scharfstellen will. Fotografien geben den dreidimensionalen Raum als zweidimensionales Bild wieder.
Am schärfsten werden jene Objekte im Bild wiedergegeben, die sich in der Fokusebene, also in der Entfernung befinden, auf die scharfgestellt wurde. Aber auch etwa ein Drittel des Raumes davor, sowie rund zwei Drittel dahinter werden vom Betrachter ebenso als scharf empfunden. Dieser Raum wird auch als Schärfentiefe bezeichnet. Sie schrumpft mit einem größeren Abbildungsmaßstab und einer zunehmenden Blendenöffnung.
Nikon D850 AF Modul
Die Autofokussteuerung sollte also möglichst schnell und präzise auf das Hauptobjekt eines Motivs scharfstellen. Für die meisten Kameras ist dies vor dem Hintergrund moderner Messtechnik unter normalen Umständen auch längst kein Problem mehr. Aber es setzt voraus, dass die Kamera feststellen kann, wo sich das Hauptobjekt, auf dem die optimale Schärfe liegen soll, befindet. Einfache, frühe AF-Systeme gingen dabei von der Mitte aus. Sie stellten die Entfernung einfach auf das in der Bildmitte befindliche Objekt ein.
Der Fotograf speicherte diese Entfernungseinstellung und wählte dann einen Bildausschnitt, in dem er das Objekt im Sucher dort platzierte, wo es seinem Gestaltungswillen entsprach. Soweit so gut. Doch leider ist die abzubildende Wirklichkeit komplexer. Leistungsstarke AF-Systeme verwenden daher eine Vielzahl an Messpunkten, die möglichst weit über das gesamte Bildfeld verteilt liegen.
Diese kann der Fotograf sogar individuell wählen. Doch auch damit weiß die Kamera noch nicht, auf welches Bilddetail sie scharf stellen soll. Für normale Schnappschüsse verwendet die AF-Steuerung daher komplexe Algorithmen, die ein mit einer großen Anzahl an Messpunkten erfasstes Motiv analysieren und blitzschnell mit ähnlichen Mustern vergleichen. Das Ergebnis: Fotos mit größtmöglicher Schärfentiefe und der optimalen Schärfe auf dem von der Kamera als Hauptobjekt erkannten Bildinhalt.
AF Bedieneinheit an meinem Nikon AF-S Nikkor 300mm f/4E PF ED VR.
Messverfahren
Zwei grundsätzlich unterschiedliche Autofokusverfahren kommen in aktuellen Kameras zum Einsatz: Spiegelreflexkameras nutzen im Sucherbetrieb einen speziellen Autofokussensor mit Phasen-Detektion; Kompaktkameras, spiegellose Systemkameras und Spiegelreflexkameras im Live-View messen dagegen den Kontrast auf dem Bildsensor. Jüngste Messverfahren haben die Sensoren für die Entfernungsmessung direkt auf dem Kamerasensor platziert und verwenden längst nicht mehr nur einige wenige, sondern gleich mehrere hundert Sensoren.
Mithilfe von Kontrasterkennung oder eines Phasenvergleichs kann die Entfernung haargenau zu jedem Detail im Bild gemessen werden. Neuerdings setzen immer mehr Hersteller auf eine Kombination von Kontrast-AF und Phasen-Detektion auf dem Bildsensor. Immer mehr Kameras verfügen bereits über diese dualen Messsysteme, die sich sowohl auf den Phasenvergleich als auch auf die Kontrastmessung stützen.
Diese auch als Hybrid-Autofokussteuerungen bezeichneten Verfahren nutzen den schnelleren, aber situationsabhängigeren Phasenvergleich zur Annäherung an die Entfernung und schalten dann zum “Fine-Tuning“ auf die ‚langsamere‘ Kontrasterkennung um. Durch diese Kombination lassen sich die AF-Geschwindigkeit ebenso wie die Zuverlässigkeit in unterschiedlichen Situationen steigern.
Phasen-Detektion
Lange Zeit galt, dass Spiegelreflexkameras gegenüber Kompaktkameras den deutlich besseren Autofokus haben. Der Fokussiervorgang war viel schneller und vor allem bei der Schärfenachführung eines bewegten Motives im Serienbildmodus war die SLR mit Phasen-Detektion weit überlegen. Der Grund: Die Phasen-Detektion ermittelt mit einer einzigen Messung, in welche Richtung der Fokussiermotor im Objektiv laufen muss, während die Kontrastmessung mehrere Anläufe benötigt, also die Fokuselemente im Objektiv so lange hin- und herbewegt, bis der Kontrast und damit die Schärfe maximal sind.
Der Phasen-AF in SLRs ermöglicht außerdem eine bessere Prädiktion, also eine Vorhersage, in welche Richtung sich das Motiv bewegt. Vor allem in der Sportfotografie spielt dieses System seine Vorteile aus, wobei die Leistung bei verschiedenen SLRs sehr unterschiedlich ist. Dies ist beispielsweise abhängig von der Anzahl der Messfelder, speziell der besonders empfindlichen Kreuzsensoren, und der Leistung des Bildprozessors, der die Informationen des Autofokus-Moduls auswertet.
Das klassische SLR-Autofokussystem hat zwei Nachteile. Zum einen muss das Autofokusmodul perfekt auf das verwendete Objektiv kalibriert sein, sonst kann es zu Front- oder Backfokus-Problemen kommen, sprich: die Schärfe liegt vor oder hinter dem Motiv. Bei Systemen mit geringer Schärfentiefe, also lichtstarken Objektiven und Vollformat-Kameras, macht sich dies besonders bemerkbar. Zum anderen wird das Autofokusmodul beim Aufnahmevorgang blind, da beim Auslösen der Spiegel, der den AF-Sensor mit Licht versorgt, hochgeklappt werden muss. Dieses Problem hat Sony in seinen SLT-Modellen gelöst.
Nikon D5500 39 Af Felder
Sie arbeiten zwar wie eine klassische SLR mit einem separaten Phasen-AF-Modul und nutzen auch einen Spiegel. Allerdings ist dieser nicht für das Sucherbild zuständig, welches elektronisch erzeugt wird. Stattdessen lässt der teildurchlässige Spiegel permanent den größten Teil des Lichtes direkt auf den Bildsensor durch und lenkt einen kleinen Teil auf das Autofokusmodul um. Auf diese Weise muss der Spiegel zur Aufnahme nicht hochgeklappt werden, und sowohl der AF-Sensor als auch der Bildsensor werden immer mit Licht versorgt. Der Nachteil hierbei ist der Lichtverlust bei der Aufnahme, der sich theoretisch in einer etwas schlechteren Bildqualität äußern sollte.
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.
Kontrast- & Hybrid-Autofokus
Kontrast-Autofokus-Systeme erlauben viel simplere Kamerakonstruktionen. Es wird kein Spiegel und kein separater AF-Sensor benötigt. Da der Kontrast direkt auf dem Sensor gemessen wird, der auch für die Bildaufnahme zuständig ist. Somit kann es auch zu keinen Front- oder Backfokus-Problemen kommen. In den letzten Jahren haben die Hersteller die Geschwindigkeit der Kontrast-AF-Systeme enorm gesteigert.
Verantwortlich dafür sind drei Faktoren: Zum einen lassen sich moderne CMOS-Sensoren deutlich schneller auslesen als frühere CCD-Bildwandler. In Kombination mit leistungsfähigen Bildprozessoren und entsprechenden Algorithmen kann der Bildkontrast extrem schnell ausgewertet werden. Damit die Informationen auch zügig umgesetzt werden, haben die Hersteller die Objektive optimiert. So sind die Verstellwege im Objektiv möglichst kurz, und die Motoren wurden für den Kontrast-Autofokus optimiert.
Nikon D4 Af Modul mit 51 Feldern & verschiedenen Modi.
Kameras mit Hybrid-AF wechseln automatisch, abhängig von der Aufnahmesituation und dem Kameramodus, zwischen Phasen-Detektion und Kontrast-AF. Die Sony Alpha 6000 erreicht auf diese Weise eine kontinuierliche Autofokusleistung, die sich selbst mit Profi-SLRs messen kann (11 Bilder/s mit AF-Nachführung). Olympus nutzt den Hybrid-AF in seinem Flaggschiff OM-D E-M1, um auch mit den Four-Thirds-Spiegelreflexobjektiven, die nicht für den Kontrast-Autofokus ausgelegt sind, schnell scharf zustellen.
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.
Zusatzfunktionen
Fokustracking Funktionen (Prädiktiver AF)
Für Motive, bei denen der Fotograf gezielt sein Hauptaugenmerk auf ein bestimmtes Detail legen möchte, das sich obendrein noch bewegt, ist das nicht genug. Den Ausweg bieten Systeme mit Fokustracking Funktionen. Diese erkennen nicht nur die Entfernung eines Objektes, sondern auch, ob und mit welcher Geschwindigkeit es sich bewegt und folgen ihm mit der Entfernungseinstellung. Fortschrittliche Kameras berechnen dabei sogar den Weg, den das erfasste Objekt in der Zeit zwischen dem Druck auf den Auslöser und der tatsächlichen Belichtung zurücklegt, so dass es mit optimaler Schärfe abgebildet werden kann. Diese als Fokustracking ( prädiktiver AF ) bekannte Funktion erweist sich für Sport-, Action- und Tierfotografen als unverzichtbar.
Gesichtserkennung
Die Fähigkeit von Kameras, Motive zu analysieren, wird als Gesichtserkennung auch für die AF-Steuerung bei Porträt- oder Modeaufnahmen genutzt. In dieser Funktion kann der Fotograf dem System sagen, ob er die Schärfe auf das rechte oder linke, auf das nähere oder entferntere Auge bei einer Porträtaufnahme legen möchte. Gerade in Situationen, wo er unwichtige Hintergrunddetails durch die Wahl einer großen Blende als Bokeh in der Unschärfe verschwinden lassen möchte, wirkt sich diese Funktion als hilfreich aus. Vor allem, da sonst die Schärfe ja auch auf der Nase oder den Ohren liegen könnte und ihre Ausdehnung nicht ausreicht, um bei offener Blende und großem Abbildungsmaßstab beides ausreichend scharf abzubilden.
Fazit / Empfehlung
Die Autofokussteuerungen moderner Kameras haben einen Standard erreicht, den Menschen manuell nur noch in Ausnahmesituationen übertreffen können. Zudem bieten sie viele spezielle Funktionen für außergewöhnliche Situationen und individuelle Gestaltungsvorhaben. Ob Fokus-Tracking, Gesichtserkennung, Postfocus oder Focus Bracketing, für praktisch jede Aufgabe gibt es eine optimale AF-Funktion, und selbst diese können Besitzer der neuesten Kamerasysteme in der Schnappschusseinstellung automatisch von der Kamera wählen lassen.
Die AF-Steuerung lässt sich daher heute zu weit mehr als nur zur Aufnahme scharfer Bilder nutzen. Sie ist längst auch zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Bildgestaltung geworden. Allerdings bleibt ein Problem: Der Autofokus ist immer noch nicht in der Lage, selbständig das Hauptmotiv im Bild zu erkennen. Diese Entscheidung muss nach wie vor der Fotograf treffen und dem AF System z.B. mit der Wahl des AF Feldes mitteilen.
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