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dkamera.de Grundlagenwissen: Autofokustechnologien

Die unterschiedlichen Autofokustechnologien sowie Vor- und Nachteile im Vergleich

Die automatische Fokussierung gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten. Der Autofokus ist dabei eines der wesentlichen Komfortmerkmale einer Kamera. Natürlich lässt sich auch manuell treffsicher scharfstellen, dies ist allerdings in der Regel deutlich mühsamer und so gut wie immer langsamer. Das manuelle Scharfstellen kommt für einige Situationen daher kaum infrage. In diesem Grundlagenwissen-Artikel wollen wir uns mit den beiden aktuell fast ausschließlich verwendeten Autofokustechnologien befassen. Diese arbeiten beide passiv, es werden also keine Hilfsmittel wie Laser oder Infrarotstrahlen verwendet.

Die Phasendetektion – bekannt und geschätzt:
Die Phasendetektion kommt bei Spiegelreflexkameras bereits seit Generationen zum Einsatz und wurde schon zu Zeiten der analogen Fotografie eingeführt. Hier erfolgt die Scharfstellung über ein Fokusmodul, das sich in der Regel im Boden der Kamera befindet. Dieses wird durch einen AF-Hilfsspiegel, der sich am Hauptspiegel einer Spiegelreflexkamera befindet, mit Licht versorgt. Dies allerdings nur, wenn der Spiegel heruntergeklappt ist.

Das Autofokusmodul einer Spiegelreflexkamera, hier einer Canon EOS-1DX:

Das auf den AF-Messsensor fallende Licht wird von Mikrolinsen in zwei Bilder unterteilt. Wenn sich diese beiden Bilder genau überlagern, wird das Motiv scharf aufgenommen. Ist dies nicht der Fall, weiß die Kamera durch den Unterschied der „Phasen“, in welche Richtung und zu welchem Punkt das AF-System fahren muss. Dies ermöglicht ein besonders schnelles Scharfstellen.

Wie wichtig die Phasendetektion auch heute noch ist, lässt sich am besten am Beispiel der SLT-Modelle von Sony erkennen. Diese Kameras sind mit einem halbdurchlässigen Spiegel ausgestattet. Dieser ermöglicht einerseits das Abgreifen des Liveviewbildes zu jeder Zeit vom Sensor (wie bei spiegellosen Systemkameras), durch den halbdurchlässigen Spiegel wird allerdings ein Teil des Lichtes (rund ein Drittel) für den Phasendetektionssensor abgegriffen. Der Spiegel ist bei den SLT-Kameras also einzig zum Zweck der Versorgung des AF-Sensors mit Licht entwickelt worden. Der Vorteil der SLT Technik ist die kontinuierliche Versorgung des AF-Sensors mit Licht, daher kann der Autofokus hier auch im Liveview-Betrieb und Videomodus genutzt werden. Dies ist bei Spiegelreflexkameras nicht möglich (Ausnahme: Phasendetektion über den Bildsensor). Um eine kontinuierlich schnelle sowie präzise Fokussierung auch bei Spiegelreflexkameras zu ermöglichen, setzen die Hersteller auf den sogenannten Prädiktions-AF. Während der Spiegel nach oben geklappt ist, der AF-Sensor also nicht mit Licht versorgt werden kann, stellt die Kamera weiterhin scharf. Dies ist möglich, da die Kamera anhand der ihr vorliegenden Informationen die Bewegungen des Motivs voraussagt.

Der Fokusmesssensor einer Canon EOS-1DX:

Von Kreuz- und Liniensensoren:
Bei Kameras mit Phasendetektionsmessung findet sich in der Regel eine Angabe, wie viele Messfelder eine Kamera besitzt und von welchem Typ diese sind. Hier wird von den sogenannten Kreuz- und Liniensensoren gesprochen. Bei einem Liniensensor handelt es sich um die einfachste Art eines Messsensors. Ein Liniensensor ist vertikal oder horizontal ausgeführt und kann nur gegenteilige Kontraste/Konturen scharfstellen. Mit einem vertikalen Liniensensor lassen sich also nur horizontale Kontraste und mit einem horizontalen Liniensensor nur vertikale Kontraste scharfstellen. Da man sich ein Motiv in der Regel nicht aussuchen kann, ist die Gefahr einer falschen oder gar keiner Fokussierung bei Liniensensoren besonders groß. Um dieses Problem zu umgehen, setzen die meisten höherklassigen Spiegelreflexkameras auf Kreuzsensoren. Ein Kreuzsensor kann sowohl horizontale als auch vertikale Kontraste scharfstellen, dieser arbeitet daher in der Regel deutlich besser. Abmildern lässt sich dieses Problem bei Liniensensoren durch eine größere Anzahl auf kleiner Fläche.

Duale Kreuz- oder Doppelkreuzsensoren arbeiten noch präziser als Kreuzsensoren, sie benötigen dafür jedoch meistens lichtstärkere Objektive. Duale Kreuz- oder Doppelkreuzsensoren finden sich oftmals nur bei (Semi-)Profimodellen und auch nur in der Bildmitte.

Die Anordnung der Fokussensoren bei einer Canon EOS 7D Mark II:

Auf dem oben gezeigten Schaubild lässt sich einer der Nachteile der Phasendetektion gut erkennen: Nur ein Teil des Bildes wird mit Messfeldern abgedeckt. Inwieweit dieser Nachteil auffällt, hängt letztendlich natürlich von der Zahl der Messfelder und auch von den Fotografiegewohnheiten ab. Da sich das Motiv meistens in der Bildmitte befindet, wo sich auch die AF-Messfelder konzentrieren, ist dieser Nachteil meistens nicht allzu groß. Vorhanden ist er aber schon. So müssen nicht wenige Spiegelreflexfotografen des Öfteren erst fokussieren und dann die Kamera verschwenken, um ein Bild aufnehmen zu können. Dies kann – muss allerdings nicht – zu einem falsch fokussierten Motiv führen.

Nur bei höherklassigen Spiegelreflexmodellen lässt sich eine AF-Korrektur durchführen:

Ein weiterer Nachteil ist die Trennung von AF- und Bildsensor. Da beide einzeln arbeiten, müssen sie optimal aufeinander abgestimmt sein. Ist dies nicht der Fall, meint die Kamera das korrekt fokussiert wurde, obwohl dies nicht der Fall ist. So kann der Fokuspunkt hinter oder vor dem Objektiv liegen, auf das eigentlich scharfgestellt wurde. Diese Fehler sind als Front- oder Backfokus bekannt. Wurden diese festgestellt, lässt sich bei höherklassigen Kameramodellen eine AF-Mikrokorrektur durchführen. Diese ist für jedes Objektiv möglich und wird in der Kamera abgespeichert. Während eine AF-Mikrokorrektur bei Festbrennweiten in der Regel zu guten Ergebnissen führt, ist sie bei Zoomobjektiven weniger sinnvoll. Hier lassen sich meistens nur die Weitwinkel- sowie die Telestellung korrigieren, was für die Brennweiten dazwischen keine Lösung darstellt. Als Alternative bleibt hier nur das Einsenden des Objektivs an dessen Hersteller, um diesen Fehler auszugleichen. Innerhalb der Garantiezeit ist dies immerhin meistens kostenlos möglich. Wer eine Kamera ohne AF-Mikrokorrektur sein Eigen nennt, muss sie zusammen mit dem Objektiv in jedem Fall einschicken.

Phasendetektion über den Bildsensor:
Da die Phasendetektion per AF-Sensor zuerst nur bei Spiegelreflexkameras und nur bei heruntergeklapptem Spiegel möglich war, haben verschiedene Hersteller nach einer anderen Umsetzung der Phasendetektion gesucht. Da hier die Kontrastmessung um die Vorteile der Phasendetektion ergänzt werden soll, finden sich sowohl bei Spiegelreflex- als auch bei spiegellosen Modellen verschiedene Lösungen.

Bei der Sony Alpha 7R II liegen Phasen-AF-Pixel auf etwa der Hälfte der Sensorfläche:

Bei den sogenannten Hybrid-AF-Lösungen, die unter anderem von FujiFilms X-T1 (Testbericht) , Canons EOS 700D (Testbericht) oder der Sony Alpha 7R II (Testbericht) verwendet werden, werden einzelne Pixel auf dem Sensor zur Phasendetektion eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel nur um einige "wenige" Pixel, weshalb die ursprüngliche Auflösung des Sensors erhalten bleibt. Während die Phasendetektion zur Bestimmung der ungefähren Position/Entfernung des Motivs verwendet wird, wird nach dieser ersten Phasenvergleichs-Messung in der Regel die Kontrastmessung aktiviert. Diese übernimmt letztendlich die genaue Fokussierung des Motivs. Dadurch lässt sich im Vergleich zur reinen Kontrastmessung Zeit einsparen.

Die Pixel der Kameras mit Dual-Pixel-CMOS-AF sind in zwei Photodioden unterteilt:

Für Bilder werden die Photodioden eines Pixels zusammengeschaltet:

Ein Spezialfall ist der Dual-Pixel-CMOS-AF von Canon, der bei der Canon EOS 70D (Testbericht) und Canon EOS 7D Mark II (Testbericht) zum Einsatz kommt. Hier besteht jeder Pixel aus zwei Photodioden, die wie bei einem Phasenvergleichs-Sensor das ankommende Signal auswerten. Nach dem Scharfstellen werden beide Photodioden dann zusammengeschaltet und wie ein Pixel zur Fotoaufnahme ausgelesen.

Die Kontrastmessung – relativ neu, aber mit stetigen Verbesserungen:
Die Kontrastmessung ist vor allem seit dem Aufkommen der spiegellosen Systemkameras in aller Munde, aber auch Kompaktkameras arbeiten damit. Diesen fehlt der für den Phasenvergleich wichtige AF-Hilfsspiegel, der den Messsensor mit Licht versorgt. Daher erfolgt die Kontrastmessung nicht mit einem eigenen AF-Sensor, sondern direkt über den Bildwandler. Die Kamera misst hierbei den Kontrast des ankommenden Signals und verändert daraufhin die Fokussierung des Objektivs.

Nach der zweiten Messung lässt sich dann erkennen, ob das Motiv unschärfer oder schärfer dargestellt wird. Dies ist möglich, da ein kontrastreicheres Bild auch schärfer ist. Fällt das Motiv schärfer aus, hat die Kamera bei der Fokussierung die richtige Richtung (also Richtung Naheinstellgrenze oder Richtung Unendlichkeitsstellung) gewählt. Ist dies nicht der Fall, wird in die entgegengesetzte Richtung fokussiert. Daraufhin fokussiert die Kamera immer weiter in die gewählte Richtung, bis der Kontrast wieder abnimmt. Ist dies der Fall, wird wieder in die entgegengesetzte Richtung scharfgestellt, woraufhin der Punkt mit dem maximalen Kontrast erreicht wird.

Bei diesem Verfahren wird deutlich, dass die Bestimmung des richtigen Fokuspunktes, also des Punktes mit dem höchsten Kontrast, deutlich aufwendiger und tendenziell auch langsamer ist. Im Gegensatz zur Phasendetektionsmethode muss sich die Kamera erst an den Punkt mit dem höchsten Kontrast „herantasten“. Durch das „Überfahren“ des schärfsten Punktes geht zudem noch etwas mehr Zeit verloren. Während die Kontrastmessung zu Beginn daher viel langsamer als die Phasendetektion arbeitete, hat sich dies durch verschiedene Verbesserungen in den letzten Jahren deutlich geändert. So wurden nicht nur die Objektive mit immer besser angepassten und somit schnelleren AF-Motoren ausgestattet, sondern auch die Auslesegeschwindigkeit des Bildsensors sowie die Datenübertragung zwischen Kamera und Objektiv wurden deutlich verbessert. Während die ersten spiegellosen Systemkameras von Panasonic den Bildsensor beispielsweise 60 Mal pro Sekunde ausgelesen haben, wurde diese Frequenz von über 120 Mal pro Sekunde auf mittlerweile 240 Mal pro Sekunde erhöht (= 240Hz). Dadurch lässt sich auch mit der eigentlich langsameren Kontrastmessung extrem schnell scharfstellen.

Diese Fortschritte zeigen sich auch bei unserem Geschwindigkeitstest . Hier liegen die Panasonic-Modelle mit aktuellen Objektiven regelmäßig ganz vorne und übertreffen sogar Spiegelreflexmodelle deutlich. Während die meisten Spiegelreflexmodelle zum Scharfstellen etwa 0,2 bis 0,3 Sekunden benötigen, erreichen die schnellsten spiegellosen Systemkameras Fokussierungszeiten von 0,1 Sekunden.

Vorteile der Kontrastmessung:
Im Vergleich zur Phasenvergleichsmessung besitzt die Kontrastmessung einige Vorteile. Ein größerer Vorteil ist, dass die Kontrastmessung quasi in jedem Teil des Bildes erfolgen kann. Egal, wo sich das Motiv im Bildfeld also befindet, kann es mit der Kontrastmessung scharfgestellt werden. Dies ist bei der klassischen Phasendetektion mit der Messung per AF-Sensor nicht möglich. Hier schafft allerdings Canons Dual-Pixel-CMOS-AF Abhilfe. (siehe Abschnitt Phasendetektions-AF)

Ebenfalls ein Vorteil der Kontrastmessung ist die Tatsache, dass der Bildsensor zu jeder Zeit mit Licht „versorgt“ wird. Die Fokussierung kann daher kontinuierlich erfolgen. Bei der Phasendetektion gilt dies genau genommen nur für die SLT-Modelle von Sony.

Ein weiter Vorteil der Kontrastmessung ist, dass diese – sofern das Objektiv und die Kamera keinen technischen Fehler aufweisen – theoretisch immer richtig fokussiert. Wie im Punkt Phasendetektion zu lesen, ist dies bei selbiger nicht immer der Fall.

Die Lumix DMC-GH4 war die erste Kamera mit DFD-Unterstützung von Panasonic:

Weiterentwicklung Depth-from-Defocus-Technologie:
Um die Fokussierung bei der Kontrastmessung auch ohne Phasendetektion noch weiter beschleunigen zu können, wurde von Panasonic die Depth-from-Defocus-Technologie, kurz DFD, entwickelt. Anhand der aus zwei Bildern gewonnenen Unschärfeinformationen eines Motivs errechnet die Kamera den Abstand zum Motiv. Dies soll besonders bei bewegten Objekten ein schnelleres und präziseres Scharfstellen ermöglichen.

Fazit: Welches AF-System die besten Ergebnisse liefert, lässt sich anhand der technischen Daten nicht sagen. So können reine Kontrastmesssysteme durchaus so schnell wie Phasendetektions- oder Hybrid-AF-Systeme arbeiten. Dies ist auch eine Frage der eingesetzten Technik „im Hintergrund“ sowie der verwendeten Objektive.

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