Wat is fasedetectie AF?

Het principe van de scherpstelling…

Wanneer een lens correct is scherpgesteld, komt het licht dat van 1 punt van het onderwerp afkomstig is ook weer op 1 punt samen op de sensor. We noemen dat ‘scherp’. De afstand van de lens tot het onderwerp en van de lens tot de sensor kun je berekenen met de formule:

1/(afstand lens – sensor) + 1/(afstand lens – onderwerp) = 1/(brandpuntsafstand van het objectief)

Wanneer je de helft van het objectief zou afdekken, zodat alleen het licht van een helft van de lens op de sensor valt, wordt een correct scherpgesteld onderwerp ook gewoon scherp afgebeeld. Je zou, behalve aan het lichtverlies, niet eens merken dat je maar de helft van de lens gebruikt had. Of je nu met de linkerhelft van de lens fotografeert of met de rechterhelft, de bovenhelft of de onderhelft: het beeld is hetzelfde.

… en van de onscherpte

Wanneer het onderwerp niet correct is scherpgesteld, en de afstand lens tot sensor dus niet voldoet aan de formule hierboven, wordt een punt niet als een punt afgebeeld, maar als een vlekje. Het opmerkelijke is dat wanneer je nu de beelden van de linkerhelft en de rechterhelft van de lens met elkaar vergelijkt, ze niet meer identiek zijn. Ze zijn niet alleen onscherp, maar ook ten opzichte van elkaar verschoven.

Stel je voor dat je een foto maakt van een wit vlak met een zwarte verticale streep er op (zie de illustratie hieronder). Dan wordt bij een correct ingestelde lens die streep ook scherp afgebeeld, ongeacht welk deel van de lens je afdekt. Is je afstand incorrect ingesteld, dan wordt de streep natuurlijk onscherp. Maar bovendien (derde en vierde plaatje) geven de linker- en de rechterhelft van de lens onscherpe strepen voor op een verschillende plaats op de sensor.

Het mooie aan fasedetectie AF is dat de je op die manier niet alleen kunt vaststellen dat de afstandsinstelling niet correct is, maar dat je uit de verschuiving (onderste plaatje, tussen de rode pijltjes), ook kunt berekenen hoever de lens naar voren of naar achteren verplaatst moet worden om het beeld alsnog scherp te krijgen. Daarvan maakt een camera met fase-detectie AF handig gebruik!

In de praktijk

Het voorbeeld hierboven is natuurlijk geïdealiseerd. Je fotografeert zelden zwarte strepen op witte achtergronden. Om de verschuiving van twee onscherpe beelden te meten, is zoiets als patroonherkenning nodig. Om te beginnen gebruikt de camera voor de afstandsmeting niet de normale sensor, maar een aparte, kleinere AF-sensor met veel minder pixels. Die zijn in een lange rij gerangschikt, zoals hierboven geschetst is. De zoekerspiegel wordt gedeeltelijk halfdoorlatend gemaakt, en met een secundaire spiegel wordt het beeld omgeleid naar deze meetsensor (zie het plaatje hiernaast). Daar wordt het met wat optiek gesplist in een linker- en een rechterdeel. De twee beelden worden vergeleken en de mate van verplaatsing wordt gemeten. Uit de verplaatsing berekent de cameraprocessor hoever en in welke richting de lens zich moet verplaatsen.

Hij geeft als het ware een commando aan de scherpstelmotor: verdraai de lens x graden, met de klok mee, of juist tegen de klok in. Als alles goed is afgesteld, hoeft daarna ook geen scherptemeting meer plaats te vinden. Nu je dit leest, is het ook eenvoudig om te begrijpen waarom een AF de meeste moeite heeft met het scherpstellen van opnames met weinig contrast. De mate van verplaatsing is dan lastiger te meten.

Het grootste voordeel van de fasedetectie scherpstelmethode: het is razendsnel. De metingen en de berekeningen door de processor gebeuren in milliseconden; daarna is alleen de snelheid van de scherpstelmotor de bepalende factor. Daarom maken steeds meer objectieven gebruik van interne scherpstelling (IF), waarbij een zo klein mogelijk lenselement wordt verplaatst, zodat de AF motor snel klaar is. Oudere bodies van Nikon en Minolta hadden de motor in het camerahuis; Canon (EOS) pionierde met de USM, een ringvormige motor in de lens zelf. Dit systeem werkt sneller omdat er geen bewegingen overgebracht hoeven te worden op de lens. Een USM of HSM motor wordt nu door iedereen gebruikt.

Multiveld-AF

Fotografeer je bijvoorbeeld een hekwerk met tralies, dan kun je je voorstellen dat de cameraprocessor in de war raakt bij het vergelijken en berekenen van de posities. Je kunt daar zelf wat aan doen door de camera tijdens het scherpstellen iets scheef te houden. Moderne camera’s hebben bovendien kruissensoren, die niet alleen een horizontale strook meetpixels hebben, maar ook een strook verticale. Bij de herkenning van de patronen (die je immers nodig hebt om de verschuiving te meten) wordt ook van kleurherkenning gebruik gemaakt.

Een beetje spiegelreflex heeft niet één, maar meerdere scherpstelvelden, soms wel meer dan vijftig. De afbeelding hiernaast toont de 51 meetvelden van de Nikon D3X. Er is een gemeenschappelijke meetsensor waarvan, afhankelijk van het gekozen AF-veld, door middel van software steeds een rijtje pixels voor de AF-meting worden geselecteerd. Sommige van de meetvelden zijn kruissensoren, de andere alleen horizontale.

Front Focus en Back Focus

Het moge duidelijk zijn dat de goede werking van de fasedetectie autofocus berust op de nauwkeurigheid van de meting, de communicatie tussen processor en lens, en de nauwkeurigheid waarmee de lens het opgedragen commando uitvoert. Aan de mechanische uitvoering worden de hoogste eisen gesteld. Bij afwijkingen treedt het probleem front focus/back focus op. De camera denkt dat hij correct heeft scherpgesteld, maar het scherpstelpunt ligt steeds net voor of net achter het punt dat je bedoeld hebt. Er zijn allerlei handige hulpmiddeltjes om dat vast te stellen. Is er een afwijking, dan kan dat zowel aan de body als aan de optiek liggen. Een tikje op de lens, een bajonet die net even een fractie van een millimeter uit het lood staat kan al onnauwkeurigheden opleveren. Hoe kleiner de scherptedipete, des te eerder front focus of back focus zichtbaar worden. Front focus en back focus zie je eerder bij lichtsterke objectieven en telelenzen.

Sommige camera bodies hebben de mogelijkheid om per lens, softwarematig, een front focus of backfocus correctie aan te brengen. Het probleem van fasedetectie AF is dat niet, aan de hand van het actuele sensorbeeld, kan worden gecontroleerd of de scherpte juist is. Compacte systeemcamera’s met contrast AF detectie op het sensorsignaal hebben geen last van front- of backfocus.

Op professionele lenzen is soms een feed back control loop ingebouwd. Zo’n lens heeft een telwerkje dat de omwentelingen van de scherpstelmotor registreert en controleert of dit wel overeenkomt met wat de cameraprocessor heeft opgegeven. Klopt het niet, dan volgt een aanpassing.

Diafragma, snelheid en nauwkeurigheid

Kijk nog eens naar de plaatjes over het principe van de scherpstelling hierboven. Naarmate de lichtsterkte van de lens kleiner is (hoger diafragmagetal = lagere lichtsterkte), wordt de hoek van de luchtbundel steeds smaller. Met een smallere hoek wordt ook het verschil tussen ‘links’ en ‘rechts’ steeds kleiner. Ergo: de nauwkeurigheid neemt af, en op een gegeven moment is fasedetectie AF niet meer goed mogelijk. Let wel: het gaat niet om het diafragma dat je kiest voor de eigenlijke opname, maar om de ‘volle opening’ van de lens. Bij het scherpstellen staat het diafragma immers altijd open; het gaat pas dicht vlak voor de sluiter open gaat. De grens van wat nog mogelijk is voor fasedetectie ligt tegenwoordig ongeveer bij f/5,6. Lange telelenzen, zeker wanneer ze ook nog voorzien zijn van een teleconverter, zijn dus niet altijd geschikt voor fase detectie AF. Deze foto werd gemaakt met een Nikon 200 mm f/2,0.

Fasedetectie AF, we schreven het al, blinkt vooral uit door snelheid. Een sport- of reportagefotograaf zou niet zonder kunnen. Maar op het vlak van nauwkeurigheid wint contrastdetectie het van fasedetectie. Er gaat niets boven het meten/controleren van de scherpte op het actuele sensorbeeld. What You See Is What You get. Live view dus, en als het enigszins mogelijk is met inzoomen op het zoekerbeeld of, nog beter, met ‘tethered shooting’ waarbij de camera gekoppeld is aan een PC zodat je het beeld in grootformaat te zien krijgt.