Hoe werkt AF?

1/(afstand onderwerp tot lens) + 1/(afstand lens tot sensor) = 1/brandpuntsafstand

Als de afstand tot het onderwerp groter wordt, moet de afstand lens tot sensor kleiner worden, en omgekeerd. Bij elke afstand tot het onderwerp hoort een afstand tussen lens en sensor. Kloppen de afstanden niet, dan wordt een lichtpunt niet als een punt op de sensor geprojecteerd, maar als een schijf (zie het plaatje hiernaast). We noemen dat onscherp. Aangenomen dat de lens op zich wel in staat is om een scherp beeld te produceren (dat is overigens lang niet onder alle omstandigheden het geval!), dan is een onjuiste afstandsinstelling de meest voorkomende oorzaak voor onscherpte.

Wat is scherp –  de Verstrooiïngscirkel

Over de definitie van ‘scherp’ zijn hele boeken en internetfora volgeschreven. De meest simpele methode is het fotograferen van een lichtpunt, gevolgd door het meten van de diameter van het schijfje op de film of sensor. Is die cirkel kleiner dan een vooraf afgesproken getal, de verstrooiingscirkel, dan noemen we dat scherp. De verstrooiingscirkel wordt afgeleid van de korrel van filmmateriaal of de pixelgrootte van een digitale sensor. Voor kleinbeeldformaat (volformaat of “Full Frame”) wordt vaak gewerkt met een cirkel van 0,03 mm.

Praktischer is het om niet naar de scherpte van 1 punt te kijken maar naar de resolutie van lijnparen (een paar is een witte lijn en een zwarte lijn). Stel je een testbeeld voor van zwart-witte lijnen die steeds dichter naar elkaar toe lopen.

Bij welke lijnafstand kun je ze nog als afzonderlijke lijnen waarnemen? Kijk naar het testbeeld hiernaast, dit is een zg. Siemensster. Aan de buitenkant zie je duidelijk aparte zwarte en witte lijnen, maar in het centrum versmelten die tot een grijze massa. Helaas is de meting van de ‘nog zichtbare’ lijnparen subjectief; de een ziet nog lijnen waar de ander dat niet ziet. Bovendien is het een tijdrovend proces dat zich niet leent voor automatisering.

Vroeger werd de resolutie uitgedrukt in lijnparen per mm. Dat was in de tijd dat er eigenlijk maar één negatiefformaat bestond. Tegenwoordig hebben we sensoren in alle soorten en maten. Omdat het uiteindelijk gaat om de scherpte van het beeld (waarbij het er niet toe doet of dat nu met een compactcamera met 6 mm sensor of een middenformaatcamera (45 mm) geproduceerd is) drukken we de resolutie tegenwoordig uit in lijnparen per beeldhoogte. Door met beeldhoogte te werken en niet met beeldlengte elimineer je de verwarring die kan onstaan omdat niet elke sensor dezelfde lengte/breedteverhouding heeft. Bij Full Frame is die 3:2, bij compactjes 4:3, en bij de APS-C sensor ergens daar tussen in.

De MTF-methode

Autofocus

Juist omdat een onjuist ingestelde afstand een van de belangrijkste redenen is voor onscherpte foto’s (de andere is bewegingsonscherpte) heeft men lang gezocht naar methoden om de afstand automatisch in te stellen. Hiervoor waren drie technische zaken vereist:

1. een automatische afstandsmeting
2. enige vorm van dataverwerking, om de gegevens van de scherptemeting te kunnen omzetten in een signaal naar de scherpstelmotor
3. een motor om de lenselementen te verplaatsen. Stroomvoorziening was absoluut noodzakelijk. Het knoopcelletje dat gebruikt werd voor de lichtmeting van de toen nog analoge camera’s was niet voldoende, er moest een flinke accu aan te pas komen.

De integratie van stroomvoorziening, afstandsmeting en aandrijfmotor was uiteraard het makkelijkst te verwezenlijken bij een camera met een vaste lens. Vermoedelijk de eerste AF-camera was Konica C35AF uit 1977 met een fasedetectie-afstandsmeting (zie ons artikel over fasedetectie AF). Bij de Polaroid SX70 AF instant camera (1978) vond de afstandsmeting vond plaats met een ‘Echo Sonar’ systeem, waarbij de afstand berekend werd op basis van de echotijd van een uitgezonden geluidspuls. De Contax T2 en T3 gebruikten een afstandsmeting gebaseerd op Infrarood driehoeksmeting. Bij  echo- en de infraroodmethodes werd de gemeten afstand (niet al te nauwkeurig) bepaald tot het voorste object in het centrum van het beeld.

AF-systemen waren complex en kostbaar, en daarom eerder geschikt voor spiegelreflexen dan voor consumentencamera’s met vaste lens. Ricoh kwam daarom met de AF Rikenon 50 f/2 verwisselbare lens (1980) waarbij de lens, de afstandsmeting, de scherpstelmotor en de batterij in één nogal volumineuze unit waren verenigd. Het voordeel was dat de lens paste op elke standaard body met de Pentax K-vatting (foto rechts). Een succes werd deze lens niet, hoewel de optische kwaliteiten hoog stonden aangeschreven.

Geïntegreerde systemen

De doorbraak bij de Autofocus kwam met de komst van de Minolta 7000AF. Bij deze spiegelreflex waren de systemen volledig geïntegreerd: afstandsmeting gebaseerd op enkelpunt fasedetectie, een scherpstelmotor in de body die via een speciaal daarvoor ontwikkelde nieuwe lensvatting de lenselementen kon bewegen, en een motordrive voor het filmtransport. Over de werking van  fasedetectie verwijzen we naar ons artikel “hoe werkt fasedetectie AF”. De 7000AF bezorgde Minolta enige tijd de nummer 1 positie bij de spiegelreflexen. Andere merken konden  niet uitblijven en kwamen ook met Autofocus modellen. Nikon handhaafde de F-vatting, maar voegde er wel een mechanische koppeling tussen lens en body aan toe. De eerste AF-body van Nikon in Europa was de F-501. De scherpstelmotor zat in de body en dreef de lens aan via een schroefkopje in de vatting.

Canon  lanceerde in 1987 de EOS-bajonet. Bij de EOS-lenzen zit de scherpstelmotor in de lens. Daarvoor werd een geheel nieuw type motor ontwikkeld (USM genaamd) die gebruikt maakt van Piezo-electrische elementen. Die kunnen uitzetten en inkrimpen. In de USM-motor genereren ze een golvende beweging in de stator die de rotor vooruitduwt. De motor is opgebouwd uit een paar dunne ringen die prachtig om de lens heen kunnen worden geconstrueerd. Bovendien werkt hij geruisloos en zeer snel. Pas met de AF-S serie (1992) ging ook Nikon over op dit type motor. Het mooie bij Nikon is dat de AF en de AF-S lenzen gewoon bruikbaar zijn op de oudere niet-AF bodies en andersom.

Autofocus-compactcamera’s werkten tot zeer recent allemaal met contrastdetectie-AF (zie ons artikel “Wat is contrastdetectie AF). Deze camera’s hebben veel kleinere en lichtere lenzen. Het fraaie van contrastdetectie is dat er wordt scherpgesteld op basis van het actuele sensorbeeld. Er zijn geen ‘frontfocus-backfocus’ problemen. “What you see is what you get”.

AF-pixels

Een nieuwe ontwikkeling is om voor de scherpstelling gebruik te maken van fasedetectie-pixels. Sommigen spreken over Autofocus Diodes. Dit zijn pixels waarop alleen licht valt afkomstig van de linker- dan wel de rechterhelft van de lens. Dat wordt bereikt met een klein lensje voor de pixel. De autofocus werkt verder precies zoals bij spiegelreflexen (zie ons artikel ‘Wat is fasedetectie AF). De ‘linkskijkende’ pixels zien het onderwerp net even iets anders dan de ‘rechtskijkende’, en op basis daarvan wordt de afstand berekend. De eerste camera’s (voorzover ons bekend) die van dit principe gebruik maakten was de Fujifilm F300EXR (afbeelding rechts), met een sensor waar de AF-pixels tussen de normale pixels in waren geplaatst.

Bij de nieuwste generatie camera’s (zoals bij de Canon 70D en de Nikon 1) zijn alle pixels links- of rechtskijkend. Er kan dus op elke willekeurige plaats van de sensor worden scherpgesteld. Het voordeel boven contrastdetectie AF is niet alleen de hogere scherpstelsnelheid, maar vooral dat de scherpstelling continu werkt en niet ‘pendelt’. Het systeem is daarom ook bruikbaar bij het filmen. Je kunt tijdens de opname scherpstellen, wat bij de eerste generatie filmende fotocamera’s niet mogelijk was. Voor de verwerking van sensorpixels tot beeldpixels maakt het niet uit of de pixels ‘links’ of ‘rechts’ zijn, ze kunnen gewoon gecombineerd worden. Bij een onderwerp ‘in focus’ is er immers geen verschil tussen wat de linker- en de rechterpixels zien.

En dan zijn er tegenwoordig ook camera’s met een hybride scherpstelling: soms contrastdetectie, soms fasedetectie. Waarom en wanneer er van het ene systeem op het andere wordt overgeschakeld is op dit moment nog een goed bewaard geheim. Maar dat is het mooie van fotografie: de techniek staat nooit stil, net op het moment dat je denkt dat ‘alles al is uitgevonden’ komen de productontwikkelaars weer met nieuwe ideeën. Gelukkig maar!