Wie funktioniert der Phasendetektions-Autofokus?

Bei der Diskussion um DSLR- Kameratechnik herrscht oft Verwirrung darüber, wie der Phasendetektions-Autofokus (PDAF) funktioniert. Dieses Thema mag für viele nicht von Interesse sein, aber falls Sie sich fragen, warum und wie Autofokusprobleme bei Ihrer Kamera auftreten, erklärt Ihnen dieser Artikel, was beim Fotografieren in der Kamera passiert. Es gibt unzählige negative Rezensionen über Autofokusprobleme bei High-End-Geräten wie der Canon 5D Mark III, der Nikon D800, der Pentax K-5 und anderen digitalen Spiegelreflexkameras. Vielen Fotografen scheint nicht bewusst zu sein, dass das Kernproblem nicht unbedingt am spezifischen Kameramodell oder -typ liegt, sondern vielmehr an der Art und Weise, wie diese Kameras fokussieren. Eine kurze Internetsuche liefert Tausende von Berichten über Autofokusprobleme bei allen Arten von DSLR-Kameras, die mehr als zehn Jahre zurückreichen. Daher sind die Front- und Backfokusprobleme, die wir bei modernen Kameras beobachten, nichts Neues; sie existieren seit der ersten DSLR mit Phasendetektionssensor.

Wie funktionieren DSLR-Kameras?

Um dieses Problem besser zu verstehen, ist es wichtig, zunächst die Funktionsweise einer DSLR-Kamera zu kennen . Typische Abbildungen von DSLRs zeigen meist nur einen einzelnen Reflektor im 45-Grad-Winkel. Was diese Abbildungen jedoch nicht zeigen, ist ein Sekundärspiegel hinter dem Reflektor, der einen Teil des Lichts auf den Phasendetektionssensor lenkt. Betrachten Sie die vereinfachte Abbildung unten, die ich anhand eines typischen Bildes einer Nikon D800 erstellt habe:

Nachfolgend eine Beschreibung der einzelnen Zahlen in der obigen Abbildung:

1. Lichtstrahl
2. Haupt-/Reflexionsspiegel
3. Der Sekundärspiegel, auch bekannt als „Hilfsspiegel“
4. Kameraverschluss und Bildsensor
5. Exzenterstift (1.5-mm-Sechskant) zur Justierung des Hauptspiegels
6. Exzenterstift (1.5-mm-Sechskant) zur Justierung des Sekundärspiegels
7. Phasendetektionssensor (AF-Sensor)
8. Pentaprisma
9. Sucher

Schauen wir uns an, was im Inneren einer Kamera passiert, wenn Sie ein Foto aufnehmen. Lichtstrahlen treten durch das Objektiv (1) ein und gelangen ins Kamerainnere. Ein halbdurchlässiger Hauptspiegel (2) ist in einem Winkel von 45 Grad angeordnet und reflektiert den größten Teil des Lichts senkrecht zum fünfeckigen Prisma (8). Das fünfeckige Prisma wandelt das senkrechte Licht in ein waagerechtes um und reflektiert es, sodass Sie genau das sehen, was Sie durch den Sucher (9) sehen. Ein kleiner Teil des Lichts durchdringt den Hauptspiegel und wird vom Sekundärspiegel (3) reflektiert, der ebenfalls geneigt ist (bei vielen modernen Nikon-Kameras 54 Grad, wie oben abgebildet). Das Licht erreicht dann den Phasendetektions-/Autofokussensor (7), der es auf eine Sensoranordnung weiterleitet (zwei Sensoren pro Autofokuspunkt). Die Kamera analysiert und vergleicht anschließend die Bilder dieser Sensoren (ähnlich der Fokussierung bei Entfernungsmessern). Sind die Bilder nicht identisch, weist sie das Objektiv an, die entsprechenden Korrekturen vorzunehmen (siehe unten für weitere Details).

Obwohl der oben beschriebene Prozess recht einfach erscheint, birgt er ein großes Problem. Der Phasendetektionssensor gibt dem Objektiv die notwendigen Korrekturen vor, während das Bild von einem völlig anderen Gerät – dem Sensor auf der Kamerarückseite – aufgenommen wird. Warum ist das problematisch? Beim Fotografieren heben sich sowohl der Haupt- als auch der Fangspiegel, der Verschluss öffnet sich und das Licht vom Objektiv fällt direkt auf den Kamerasensor (4). Damit der Phasendetektions-Autofokus korrekt funktioniert, müssen sowohl der Abstand zwischen Objektivanschluss und Kamerasensor als auch der Abstand zwischen Objektivanschluss und Phasendetektionssensor exakt gleich sein . Schon die geringste Abweichung führt zu einem fehlerhaften Autofokus. Auch ein ungenauer Winkel des Fangspiegels verursacht Autofokusprobleme.

Wie funktioniert ein Phasendetektionssensor?

Die Funktionsweise eines Phasendetektionssensors beruht auf dem Prinzip des optischen Phasenvergleichs und ähnelt der einer Messsucherkamera. Licht, das von einem Sekundärspiegel reflektiert wird, trifft auf eine Anordnung winziger Bildsensoren (zwei oder mehr, abhängig von der Anzahl der Fokuspunkte im Autofokussystem), die auf Mikrolinsen montiert sind. Für jeden im Sucher sichtbaren Fokuspunkt gibt es zwei winzige Sensoren zur Erfassung von Phasenunterschieden – je einen auf jeder Seite der Linse, wie in der Abbildung oben auf Seite (7) dargestellt (die Abbildung verdeutlicht dieses Verhalten durch die Darstellung zweier getrennter Lichtstrahlen, die auf zwei separate Sensoren treffen).

Moderne Phasendetektionsgeräte enthalten tatsächlich weit mehr als zwei Sensoren, die zudem sehr nah beieinander liegen. Trifft Licht auf diese beiden Sensoren und ist das Objekt scharfgestellt, konvergieren die Lichtstrahlen von den äußeren Rändern der Linse direkt in der Mitte jedes Sensors (genau wie bei einem Bildsensor). In diesem Fall liefern beide Sensoren identische Bilder, was bedeutet, dass das Objekt perfekt scharfgestellt ist. Ist das Objekt unscharf, konvergieren die Lichtstrahlen nicht und treffen auf unterschiedliche Seiten des Sensors, wie unten dargestellt (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia):

Die Abbildungen 1 bis 4 zeigen Fälle, in denen der Fokus (1) zu nah, (2) korrekt, (3) zu weit entfernt und (4) zu weit entfernt ist. Die Diagramme verdeutlichen, dass sich anhand der Phasendifferenz zwischen den beiden Profilen nicht nur die Richtung der Fokusänderung, sondern auch deren Ausmaß für eine optimale Fokussierung bestimmen lässt. Wichtig ist, dass sich in Wirklichkeit die Linse und nicht der Sensor bewegt.

Da das Phasendetektionssystem erkennt, ob sich ein Motiv im Vordergrund oder Hintergrund befindet, kann es dem Kameraobjektiv präzise Anweisungen zur Richtung und zum Ausmaß der Fokussierung senden. Folgendes geschieht, wenn die Kamera auf ein Motiv fokussiert (geschlossener Autofokus):

1. Das Licht, das die äußersten Ränder der Linse durchdringt, wird von zwei Bildsensoren ausgewertet.
2. Anhand der Art und Weise, wie das Licht auf die Bildsensoren trifft, kann das Autofokussystem bestimmen, ob das Objekt im Vordergrund oder im Hintergrund fokussiert ist und wie groß diese Abweichung ist.
3. Das Autofokussystem weist das Objektiv dann an, den Fokus anzupassen.
4. Die oben genannten Schritte werden so oft wiederholt, bis die perfekte Schärfe erreicht ist. Falls keine Schärfe erzielt werden kann, justiert sich das Objektiv neu und sucht erneut nach dem Fokus – das Phänomen der „Fokussuche“.
5. Sobald die perfekte Fokussierung erreicht ist, sendet das Autofokussystem eine Bestätigung, dass das Objekt scharfgestellt ist (z. B. durch einen grünen Punkt im Sucher, einen Signalton usw.).

Alle diese Vorgänge finden in einem Bruchteil einer Sekunde statt, weshalb das Phasendetektionssystem wesentlich schneller ist als das Kontrastdetektionssystem (das auf dem Hin- und Herwechseln des Fokus beruht, bis der Fokus erreicht ist, wobei eine umfangreiche Bilddatenanalyse auf Ebene des Bildsensors durchgeführt wird).

Der Phasendetektions-Autofokus (AF) ist ein hochkomplexes System, das mit jeder Aktualisierung professioneller High-End-Kameras kontinuierlich verbessert wird. Im Laufe der Jahre hat sich die Anzahl der Autofokuspunkte deutlich erhöht, ebenso wie die Anzahl der zuverlässigeren Kreuzsensoren. Beispielsweise verfügen die Kameras Canon 1D X und Canon 5D Mark III über beeindruckende 61 Autofokuspunkte, von denen 41 Kreuzsensoren sind. Werfen Sie einen Blick auf diese ausgeklügelte Anordnung von Autofokussensoren in der Kamera:

Nicht nur die Anzahl der Autofokuspunkte (AF) hat sich erhöht, sondern auch deren Zuverlässigkeit wurde deutlich verbessert. Die meisten modernen Profikameras sind heute mit ultraschnellen, hochentwickelten Autofokussystemen ausgestattet, die Motive kontinuierlich verfolgen und präzise fokussieren können.

Autofokusprobleme bei DSLR-Kameras

Autofokusprobleme bei DSLR-Kameras stellen viele Fotografen vor eine Herausforderung, da das Phasendetektions-Autofokussystem höchste Präzision erfordert, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Entscheidend ist, dass das Phasendetektions-/Autofokussystem während des Herstellungsprozesses korrekt installiert und ausgerichtet wird. Selbst geringste Abweichungen, die in der Fertigung häufig vorkommen, führen zu ungenauem Autofokus. Dies ist der Hauptgrund, warum das Phasendetektionssystem seit dem Erscheinen der ersten DSLR-Kamera mit Phasendetektionssensor immer wieder Probleme bereitet. Um diese potenziellen Abweichungen zu berücksichtigen, haben alle DSLR-Kamerahersteller ein hochpräzises Kalibrierungssystem entwickelt, das eine individuelle Kamerakalibrierung im Rahmen der Qualitätskontrolle ermöglicht.

Wird ein Ausrichtungsproblem des Phasendetektionssensors erkannt, führt das System einen automatisierten Computertest durch, der jeden Fokuspunkt durchläuft und ihn manuell in der Kamera anpasst. Ungenaue Punkte werden neu kalibriert und nachjustiert, und die Kompensationswerte werden anschließend in die Kamera-Firmware geschrieben. Dieser Vorgang ähnelt der AF-Feinabstimmung/AF-Mikroanpassung auf Phasendetektionsebene, wird jedoch für jeden Autofokuspunkt einzeln durchgeführt.