Autofokus-Modi

In der Fotopraxis werden heute neben der traditionellen manuellen Fokussierung (MF) verschiedene Autofokus-Modi unterschieden:

• 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.

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.

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 die Frequenzverteilung 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

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.

Hybrid-Autofokus

Die Kombination von oben beschriebener Kantenkontrastmessung mit Phasenvergleichsmessung wird als Hybrid-Autofokus bezeichnet. Hierbei kombiniert die Kamera den Vorteil des schnelleren Phasenvergleichs im ersten Schritt mit der genaueren Kontrastkantenmessung im zweiten Schritt. Hierdurch wird erreicht, dass die Fokussierung an jedem beliebigen Bildpunkt stattfinden kann, obwohl der Phasenautofokus aufgrund der Sensoranzahl auf bestimmte Punkte im Bild beschränkt ist.

Ultraschall-Laufzeitverfahren

Ein aktives Ultraschallverfahren (Sonar) wird beispielsweise seit 1982 bei verschiedenen Polaroid-Kameras eingesetzt. 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, da es kein optisches Verfahren ist, durch Glasscheiben gar nicht und bei Spiegeln auch nur bedingt funktioniert. Außerdem funktioniert das Verfahren nur bis zu einer gewissen Entfernung, die in manchen Fällen weit unter der hyperfokalen Entfernung liegt.

Objektbeleuchtung

Eine Phasenvergleich- oder Kontrastmessung kann trotz zu geringer Leuchtleistung des Motivs durchgeführt werden, wenn dieses aktiv beleuchtet wird. Dabei werden entweder Hilfslichter, die dem einer Taschenlampe ähneln, oder Messblitze angewendet.

AF-Hilfslicht

Das AF-Hilfslicht ist meist rot oder – z. B. bei der Pentax K-5 – grün (sichtbar), alternativ infrarot (unsichtbar), in letzterem Fall dann allerdings durch Längs-CA des Objektivs auch etwas ungenauer. Wie im Bildbeispiel zu sehen, kommt dabei idealerweise kein gleichmäßiger Lichtfleck zum Einsatz, sondern ein auf das Motiv projiziertes Muster. Wenn der Phasenvergleich in der Horizontalen gemessen wird, eignet sich ein vertikales Linienmuster besonders gut. Größter Vorteil allerdings ist, dass mit solch einem Beleuchtungsmuster sogar auf Flächen ohne jeden Kontrast fokussiert werden kann, weshalb man dieses Verfahren auch dann verwendet, wenn das Objekt eigentlich genügend Licht für die Messung liefert, jedoch zu geringen Kontrast aufweist. Verfügt die Kamera über kein eigenes Blitzlicht, ist das AF-Hilfslicht meist im zugehörigen Blitzgerät eingebaut.

Neben der (zeitlich) kontinuierlichen Ausleuchtung mit einem AF-Hilfslicht werden auch Messblitze verwendet. Deren Vorteil ist außer ihren geringen Kosten (es wird keine weitere Lichtquelle benötigt) die Tatsache, dass damit auch schnell bewegte Objekte aufgrund ihrer unterdrückten Bewegungsunschärfe scharfgestellt werden können, Nachteil dagegen (neben ihrer „Auffälligkeit“), dass durch die gleichmäßige Ausleuchtung, wie bei rein passiven Verfahren, wieder nur Objekte mit ausreichendem Kontrast fokussierbar sind.

Fokus-Falle

Bei der Fokus-Falle (engl. focal trap, trap focus, catch-in focus) überlässt die Kamera die Einstellung der Schärfeebene dem Fotografen und prüft selbst lediglich periodisch, ob sich ein Objekt in der gewählten Schärfeebene befindet: Ist das der Fall, löst sie aus. Ein Anwendungsbeispiel dieser Technik wäre etwa die Beobachtung einer Futterstelle auf einer Lichtung: Sobald ein Tier an der scharfgestellten Position auftaucht, wird es von der Kamera automatisch fotografiert.

Prädiktiver Autofokus

Beim prädiktiven Autofokus (engl. predictive autofocus, vielfach auch fälschlich als „prädikativer Autofokus“ bezeichnet) kann die Kamera bei Serienaufnahmen erkennen, ob und wie schnell sich das Objekt bewegt, und daraus die voraussichtlich nächste Position des Objekts abschätzen. Dazu wird zwischen den einzelnen Bildern der Serienaufnahme der Fokus erneut gemessen, für die nächste Aufnahme extrapoliert und passend eingestellt. Dadurch ist es möglich, zum Beispiel herankommende Fahrzeuge auch bei Serienaufnahmen durchgängig scharf abzubilden.

Kameras mit prädiktivem Autofokus werden von zahlreichen Herstellern angeboten, so u. a. von Canon (seit 1989), Nikon, Sony, Pentax, Olympus und Panasonic.