Fotografie: geschiedenis van de autofocus systemen

Systemen voor scherpstelling in de loop der jaren

Autofocus

Fotografie » TechTalk » Historisch overzicht » Autofocus

In de loop der jaren zijn er talrijke autofocus systemen in gebruik genomen. Vroeger werd er hoofdzakelijk met een aktief systeem gewerkt (toestel zendt stralen uit), nu zijn alle systemen passief (analyseren het beeld).

Aktieve systemen

De aktieve systemen sturen een signaal uit en gebruiken de weerkaatsing om de afstand tot het onderwerp te bepalen.

Ultrasone transducer met zender en ontvanger.

Ultrasone afstandsmeting

Het systeem werkt met geluidsgolven die door het onderwerp weergekaatst worden. Geluid beweegt zich voort aan een snelheid van ongeveer 340 m/s. Korte geluidspulsen (bips) worden uitgestuurd. De afstand tot het onderwerp wordt bepaald door de tijd tussen het zenden van de puls en het ontvangen van het gereflekteerd geluid. Het is een radar, maar dan met geluidsgolven in plaats van radiogolven (sonar).

Voordelen

Dit systeem is eenvoudig toe te passen. Een schatting van de afstand is gemakkelijk te maken want de reflektie-tijd ligt in de orde van de milliseconden. De parkeer-radars zijn trouwens meestal gebaseerd op een ultrasoon systeem. De ultrasone afstandsmeting werd gebruikt op de eerste videocamera's (met aparte recorder) en op de Polaroid-instantfototoestellen. In die tijd was de transducer (zender-ontvanger) redelijk groot en zag er uit als een soort "oor" boven het toestel.

Nadelen

Het systeem is weinig nauwkeurig. De uitgestraalde geluidsgolf is breedhoekig. Er ontstaan talrijke secondaire reflekties die de meting in de war kunnen sturen. In omgevingen met veel lawaai werkt het systeem niet. Afstandsmeting door een venster is niet mogelijk.

Afstandsmeting door goniometrie

Infra-rode afstandsmeting

Bij dit systeem gebruikt men niet de tijd van de weerkaatsing, maar de hoek waaronder de gereflekteerde straal ontvangen wordt. De tijd is namelijk veel te kort en kan met eenvoudige middelen niet gemeten worden. Door goniometrie (driehoeksmeting) wordt de afstand geschat.

Bij één methode wordt de weergekaatste straal ontvangen door een lineaire array (een sensor met een rij pixels) om zo de afstand te schatten.
Bij een tweede methode bestaat de sensor slechts uit twee pixels, maar de sensor is gekoppeld aan de focus-lens en beweegt mee met de scherpstelring. Als beide sensoren evenveel licht ontvangen, dan is de instelling juist.

Het ultrasoon systeem werd gebruikt in de eerste videocamera's in de jaren 80. Nadien werd er overgestapt op de infra-rode afstandsmeting die nauwkeuriger was. Sony en JVC gebruikten dit systeem, dit was in de jaren '90. Hoeveel GR-65 en GR-S77 videocamera's heb ik niet hersteld en afgeregeld! Ook de Sony CCD-V8 gebruikte een dergelijk systeem. Panasonic heeft nooit dit systeem gebruikt en heeft enkel gewerkt met het contrast-detectiesysteem.

Dit systeem werkt beter dan de voorgaande maar is complexer (een complexiteit dat niet haalbaar was in de jaren '80). Autofocus is niet mogelijk als er op een donkere oppervlakte scherpgesteld wordt (onvoldoende reflekties). Dit systeem is heel goed bruikbaar bij het filmen van mensen (de huid is sterk reflekterend in het infra-rood gebied), maar kan in de war gestuurd worden als het onderwerp gebogen is of onvoldoende evenwijdig met het fototoestel (de stralen worden in de verkeerde richting weerkaatst en komen niet meer op de sensor terecht).

Passieve systemen

Fix focus en manuele instelring

Bij goedkope fototoestellen is het beeld nooit echt scherp (wegwerptoestellen of pocket instamatic-gevallen uit de jaren '80, gsm's en webcams). Daardoor is een exacte scherpstelling niet nodig als de lens breedhoekig is. Het fototoestel wordt vast ingesteld op de hyperfocale afstand, waardoor je "scherpe" beelden kan bekomen vanaf 1 meter tot oneindig.

Duurdere fototoestellen die uitgerust zijn met een diafragma-regeling hebben een focus-instelling nodig; deze hoeft niet echt nauwkeurig te zijn omdat de scherptediepte redelijk groot is bij breedhoeklenzen. Daarom wordt er ook met icoontjes gewerkt in plaats van afstanden: 1 - 1.5 - 3 meter en oneindig.

Principe van de parallax afstandsmeting

Meetzoekercamera (rangefinder)

De parallax afstandsmeting afstandsmeting is geen autofocus, het is een hulp bij manuele focus. Het systeem wordt toegepast in compact fototoestellen (filmtoestellen). Dit toestel gebruikt de hoofdlens en een tweede lens (de zoeker of rangefinder). De zoeker wordt gebruikt voor het bepalen van de compositie en is in het midden uitgerust met een kleine half-doorlatende spiegel (M1). Een deel van het licht van de hoofdlens wordt op de zoeker geprojecteerd door middel van de spiegel M2. Het beeld wordt lateraal verschoven naargelang de focus-positie, de spiegel M2 is kantelbaar en mechanisch gekoppeld aan de focus instelling. Als het geprojecteerd beeld samenvalt met het beeld in de zoeker, dan is de parallax-fout volledig gecompenseerd. Het fototoestel is zo afgeregeld dat de focus juist staat als er geen parallax fout is.

Het tweede versie van het systeem gebruikt een aparte lens voor de driehoeksmeting (dit toestel heeft dus drie lenzen).

A Half-doorlatende spiegel, laat het licht door van de zoeker en van de parallax lens
B Lens van de zoeker
C Normale hoofdlens (om de film te belichten)
E kantelbaar prisma
F Oculair
G Beeld in het oculair (het beeld komt door de zoeker B)
H en I projectie van de parallax-lens naargelang de focus-positie.

Voordelen

Toen het systeem op de markt kwam bestonden er geen alternatieven

Nadelen

Het is geen automatisch systeem. Het werkt enkel met toestellen met vaste lenzen (het tweede systeem kon in theorie werken met verwisselbare lenzen). Toen het geïntroduceerd werd bestonden er nog geen sensoren om het beeld te analyseren en de focus automatisch bij te stellen. Het werkt niet met telelenzen (die een beperkte scherptediepte hebben en dus een nauwkeurige scherpstelling nodig hebben).

Het effekt is zichtbaar op de foto rechts, met parallax fout (en dus verkeerde focus-instelling). Door aan de focus-ring te draaien kon men het dubbelbeeld laten samenvallen met het hoofdbeeld. Als er geen parallax fout meer was, dan stond de focus-instelling optimaal.

Je kan de parallax-focushulp niet vergelijken met de manuele split prisma stigmometer. De afstand tot het onderwerp wordt niet berekend door driehoeksmeting en een tweede lens is dus niet nodig. Hoewel beide systemen een beeldverschuiving veroorzaken, is bij het eerste systeem een dubbelbeeld aanwezig, terwijl bij het tweede systeem het enig beeld gesplitst en lateraal verschoven wordt (het beeld wordt gebroken als de focus verkeerd staat).

Prisma afstandsmeting (split prisma stigmometer)

Dit systeem gebruikt twee kleine prisma's om een beeldverschuiving te bekomen, afhankelijk van de focus fout. Als de focus juist staat, dan is er geen beeldverschuiving. Dit systeem was vroeger manueel uitgevoerd als split prisma in de zoeker (stigmometer), maar bestaat nu in electronische uitvoering, waarbij een special sensor de beeldverschuiving berekent en de focus bijstelt. Het is een eenvoudig en ongelofelijk vernuftig systeem. Het wordt verder in detail besproken op deze pagina's.

Voordelen

Dit systeem is het meest performant. In tegenstelling met het parallax systeem is er geen tweede optiek nodig. Het werkt zowel met compact-toestellen (vaste lenzen) als met reflextoestellen, maar wordt in de praktijk enkel toegepast bij reflextoestellen.

Nadelen

In vergelijking met de contrastdetectie methode dat een zuiver electronisch systeem is, is de split prisma afstandsmeting een mechanisch systeem dat enkel toegepast wordt in duurdere fototoestellen.

Contrast detectie (geen echte afstandsmeting)

Dit systeem is het enige dat geen afstandsmeting uitvoert, maar het beeld zelf analyseert.

Voordelen

Eenvoudig systeem dat tevens het meest nauwkeurige is (is gebaseerd op het effektief opgenomen beeld). Extra functionaliteiten kunnen eenvoudigweg ingebouwd worden (face recognition of gezichtsherkenning) als de sensor en processor snel genoeg zijn.

Nadelen

Bij onscherpte weet het systeem niet of het onderwerp dichter of verder staat.
Het systeem is minder performant bij weinig licht (wegens ruis in het opgenomen beeld).
Het systeem is afhankelijk van de snelheid van de sensor.

Dit systeem werd voor het eerst toegepast bij videocamera's van Panasonic (jaren '80: NV-M5, NV-M7, NV-MC20 en dergelijke). Bij videocamera's is de sensorsnelheid altijd voldoende aangezien er 25 beelden per seconde worden geleverd. Om de focuseersnelheid nog te verhogen wordt de sensor op een piezo-element gemonteerd dat met een frekwentie van ongeveer 10Hz trilt. Daardoor kan de electronica bepalen of het onderwerp dichter of verder geplaatst is. Het piezo-element fungeert als een soort focuszoeker. Van zodra het beeld scherp is wordt de trilling uitgeschakeld. Dit systeem waarbij de sensor op een piezo-element gemonteerd staat mag je niet vergelijken met een ultrasone scherpstelmotor (USM en anderen): het zijn twee verschillende dingen!