Wie funktioniert der Autofokus von digitalen SLR Kameras? Ein Thema das den einen oder anderen sicherlich brennend interessiert insbesondere, weil es damit auch schon einmal Probleme gibt.

Im Gegensatz zur Fokussierung bei Consumerkameras können die Spiegelreflexkameras die präzise Fokussierung nicht über die Analyse eines Bildes vom eingebauten Sensor vornehmen, weil bei der Fokussierung der Verschluss der Kamera geschlossen ist und der Spiegel sich im Strahlengang befindet. Deshalb besitzen SLR (single lens reflection) Kameras extra Autofokussensoren. Diese Sensoren befinden sich hinter dem Spiegel im Boden der Kameras. Damit der Autofokus arbeiten kann, während der Benutzer durch den Sucher schaut, ist der Spiegel im Zentrum teildurchlässig und ein kleiner Spiegel dahinter lenkt das Licht auf die Autofokussensoren.

Prinzip der digitalen SLR Kamera mit Autofokussensor

Explosionszeichnung Nikon SLR
Vielen Dank an Nikon für die Erlaubnis zur Verwendung der Zeichnung!!!

Die meisten SLR Kameras verfügen über einen sogenannten Phasen-Kontrast-Autofokussystem. Bei diesem Sensor wird die Schärfeebene über zwei Linsensysteme auf zwei Sensoren abgebildet. Liegt der Fokus in der Schärfeebene, so liegen die Bilder auf den beiden Sensoren an der gleichen Position. Liegt der Fokus dvor oder dahinter, so sind die beiden Bilder zueinander verschoben und weisen einen geringeren Kontrast auf. Die Richtung der Verschiebung gibt dabei an, in welche Richtung fokussiert werden muss.

Der Fokus liegt zu weit hinten

Der Fokus liegt zu weit vorne

Der Fokus liegt richtig
Vielen Dank an Olympus für die Erlaubnis zur Verwendung der Grafiken!!!

Da sowohl die Lage der Bilder, als auch der Kontrast für die Bewertung der Schärfe herangezogen werden, arbeitet das System, verglichen mit dem passiven Autofokussystem in einer Consumerkamera, deutlich präziser und auch schneller, als die Fokussierung über den Bildaufnahmesensor.

Probleme für den Autofokus
In Spiegelreflexkameras gibt es aber auch eine Reihe von Problemen, die mit dem Autofokus verknüpft sind:

1. Die Justage der Autofokussensoren zur Bildebene muss korrekt sein.
Dieses Problem ist bei einzelnen Chargen von digitalen SLR Kameras zu finden. Es tritt in der Regel bei neuen Kameras auf, wenn in der Fertigung nicht präzise genug gearbeitet wird und lässt sich durch eine Justage in der Servicewerkstatt des Herstellers beheben. Die Justage von Autofokussensoren in digitalen Spiegelreflexkameras muss auf die spezielle Kamera mit dem jeweiligen Sensor abgestimmt werden. So hat z.B. die Dicke des Deckglases vor dem Sensor in der Kamera einen Einfluss auf die Lage des Fokuspunktes und führt (wie die Grafik Auswirkungen des Deckglases.eps zeigt) zu erheblichen Unschärfen, wenn sie bei der Justage nicht berücksichtigt wird.

2. Qualitätsbeeinträchtigungen durch Sensorgeometrie
Was die Grafik zum Deckglas aufgrund des verwendeten Maßstabes nicht zeigt ist, dass bei der Verwendung eines solchen Sensorschutzes, der auch als Infrarotsperr- oder Antialiasingfilter ausgelegt sein kann, auch die Abbildungsqualität leidet, weil sich die - je nach Einfallswinkel - unterschiedlich langen optischen Wege durch das Deckglas auf die Qualität des Fokuspunktes auswirken. Die Folge sind nicht unbedingt sichtbar schlechtere Bilder. Aber um eine gute Qualität zu erzielen, muss der optimale Fokuspunkt genauer getroffen werden. Wird die Sensorgeometrie bei der Rechnung der Objektive berücksichtigt, so kann das Problem ausgeglichen werden.

3. Toleranzen werden kleiner
Die Pixel einer Digitalkamera sind in der Regel deutlich kleiner, als das Filmkorn eines herkömmlichen Films. Dafür beschränkt sich der genutzte Bildkreis in der Kamera bei den meisten digitalen SLR Kameras auf eine Diagonale von maximal etwa APS Größe (die Kameras mit Kleinbild-großem Sensor einmal außen vor gelassen). Das Schrumpfen der Pixel bedeutet aber, dass die zulässigen Toleranzen beim Fokussieren sinken, was insbesondere aufgrund der abgenutzten Mechanik und der Ansteuerung älterer Objektive Probleme mit der Konstanz der Fokussierung hervorruft. Das bedeutet, dass nicht alle Aufnahmen gleich scharf sind, weil die Lage der Schärfeebene zwischen den Aufnahmen variiert. Neuere Objektive tragen dieser Tatsache durch eine verbesserte Mechanik Rechnung.

Wo liegen weitere Stolpersteine für die Toleranzen? Ein Stolperstein ist die unter 1. genannte Justage der Sensoren. Aber auch die Fertigungstoleranzen der Objektive sind zu berücksichtigen, wobei sich bestimmte Linsengruppen eines Objektives ebenfalls in der Werkstatt justieren lassen. Das Auflagemaß vom Objektivanschlag zum Sensor weist eine Toleranz im Bereich von 10 m auf und auch die Sensoren selber sind nicht wirklich eben, weil sie in der Fertigung auf das Gehäuse geklebt und dabei an den Ecken verbogen werden.

Das Problem der geringen Toleranzen führt übrigens auch dazu, dass es keine Spiegelreflexkameras mit den kleinen Sensoren aus Consumerkameras und Wechselobjektiven gibt. Die Ungenauigkeiten, die in der Fertigung der Objektive und durch ein Bajonett unvermeidbar sind, machen nach heutigen Maßstäben ein solches System unmöglich.

4. Abhängigkeit von der Blende
Wir konnten feststellen, dass der optimale Fokuspunkt auch von der gewählten Blende abhängig ist. Das heißt, dass je nach Objektiv und der gewählten Blende eine Korrektur des Fokuspunktes erforderlich ist, was vom Autofokussensor nicht erfasst werden kann, weil dieser bei offener Blende vor der Belichtung die Fokuslage bestimmt. Eine solche Korrektur des Fokuspunktes kann im Objektiv hinterlegt sein und bei der Kommunikation zwischen Kamera und Objektiv abgefragt werden. Das setzt natürlich voraus, dass die Kamera und das Objektiv „die gleiche Sprache sprechen“.

5. Bildfeldwölbung
Die klassische Optik kennt das Phänomen der Bildfeldwölbung. Diese entsteht, wenn eine Linse mit sphärischer (kugelförmiger) Oberfläche für die Abbildung verwendet wird. Die Bildfeldwölbung besagt, dass in einem solchen Fall das Bildfeld mit der optimalen Schärfe nicht eben ist wie der Sensor oder der Film, sondern eine Wölbung aufweist. Zur Korrektur dieses Fehlers werden asphärische Linsen im Objektiv verwendet. Er lässt sich aber insbesondere bei Weitwinkelobjektiven nicht immer vollständig korrigieren. Der Restfehler kann im Bereich von mehreren 10 m liegen und hat damit deutliche Auswirkungen auf die Schärfe im Bild abseits des Bildzentrums. Man kann die Auswirkungen der Bildfeldwölbung etwas minimieren, wenn die Schärfe nicht genau auf das Bildzentrum sondern auf einen Bereich mit mittlerer Bildfeldwölbung gelegt wird. Das muss der aber Kamera ebenfalls über die Kommunikation mit dem Objektiv vermittelt werden.

6. Ansteuerung der Motoren
Der Autofokus soll möglichst schnell sein. Deshalb werden bestimmte Motortypen verwendet, die den Teil des Objektives, über den fokussiert wird über einen großen Teil des Verstellweges sehr schnell bewegen und möglichst punktgenau abstoppen. Dieses punktgenaue Abstoppen kann über die Ansteuerung der Motoren beeinflusst und auch justiert werden. Stoppen die Motoren zu langsam oder zu schnell, dann liegt der Fokuspunkt vor oder hinter dem anvisierten Objekt.

Wie wir sehen gibt es eine Menge von Einflussfaktoren, die Auswirkungen auf die Präzision des Autofokus haben und damit die Schärfe jedes einzelnen Bildes berühren. Bei unserem Objektivtest haben wir mit all diesen Einflüssen zu kämpfen. Da sie teils Systembedingt sind, teils aber auch durch Produktionsschwankungen entstehen, müssten wir eine Vielzahl von Objektiven gleichen Typs testen, um den Lesern eine gesicherte Auskunft über das Autofokus-Verhalten eines Objektivtyps an einer Kamera geben zu können. Ein Aufwand, der leider den Rahmen einer fotografischen Fachzeitschrift sprengt. Wir können deshalb nur empfehlen, dass Sie bei Autofokusproblemen herausfinden sollten, um welches Problem es sich genau handelt, bevor sie sich mit dem Hersteller austauschen. Wie man das macht zeigt unser Kasten. Bitte senden Sie Ihre Kamera und Ihr Objektiv nicht einfach an den Hersteller ohne den Test gemacht zu haben. Ist das Problem eingekreist, dann kann der Hersteller anhand der gemachten Beispielbilder gezielt helfen und eventuelle Justagen vornehmen.

Autofokustest

Um den Autofokus Ihrer Kamera zu testen sollten Sie zunächst folgende Einstellungen an Ihrer Kamera beachten:

1. Verwenden Sie die höchste Bildauflösung und Raw, Tiff oder JPEG in der höchsten Qualität als Dateiformat.
2. Stellen Sie die niedrigste Empfindlichkeit ein, damit das Rauschen die Beurteilung der Schärfe nicht beeinträchtigt.
3. Verwenden Sie immer die gleiche Einstellung für die Schärfe. Empfohlen wird hier die Standardeinstellung der Kamera, weil ein leichtes
Scharfzeichnen die Scharfen Bereiche besser von den unscharfen trennt.
4. Verwenden Sie den AV Modus und wählen Sie möglichst immer die offene Blende für die Standardtests.
5. Stellen Sie den Autofokus der Kamera auf Einzelfeldmessung und platzieren sie die Gegenstände, auf die Sie fokussieren immer in der
Bildmitte. Verwenden Sie ausschließlich das Mittlere Feld für die Autofokustests, um Einflüsse durch Bildfehler zu minimieren.
6. Verwenden Sie die Autofokus Einstellung mit Schärfepriorität (Single Autofokus)

Aufbau des Tests:
Drucken Sie sich die pdf Datei 10 x auf A3 oder 14 mal auf A4 aus und legen Sie sie der Länge nach auf den Boden. Platzieren Sie am Ende des ersten Drittels einen kontrastreichen Gegenstand, auf den die Kamera gut fokussieren kann. (Beispielbild)

Setzen Sie die Kamera auf ein stabiles Stativ! Und stellen Sie die Höhe und Neigung so ein, dass die Ausdrucke möglichst das gesamte Bildfeld einnehmen und der Gegenstand im Fokusfenster der Bildmitte liegt.

Nehmen Sie die Szene 10x auf, wobei Sie nach jeder Aufnahme einmal die Hand ins Bild strecken und darauf fokussieren, damit beim nächsten Bild die Kamera den Fokus neu finden muss. Schauen Sie sich anschließend die Bilder an.

Auswertung:
a. Liegt der Fokuspunkt immer im Bereich des Gegenstandes (was die Regel ist), ist alles in Ordnung.
b. Liegt der Fokuspunkt mal deutlich (> 40 cm Meter) vor und mal deutlich hinter dem Gegenstand, dann ist die Präzision der Fokussierung nicht ganz ausreichend. Bei älteren Objektiven sollte hier evtl. mechanische Teile ersetzt werden, was aber häufig nicht preiswert ist.
c. Liegt der Fokuspunkt immer deutlich vor oder hinter dem Gegenstand, so wiederholen Sie den Versuch mit einem oder besser mehreren anderen Objektiven. Ist es bei allen Objektiven der Fall, liegt vermutlich ein Justageproblem des Autofokussensors zum Bildsensor vor.
d. Liegt der Fokuspunkt nur bei einem der Objektive immer deutlich vor oder hinter dem Gegenstand, so ist das Problem objektivbedingt und Sie sollten sich mit dem Hersteller in Verbindung setzen, was zu tun ist.