Posted by on Donnerstag, 4. Juli 2013 in Blog, Fotografie | Keine Kommentare

Anfang der Woche hat Canon die Mittelklasse DSLR EOS 70D vorgestellt. Neu bei dieser Kamera ist unter anderem ein Phasenvergleichs-Autofokus direkt auf dem Bildsensor. Auf den ersten Blick klingt das wenig spektakulär, schließlich hat Fujifilm eine ähnliche Technik bereits seit 2010 im Programm. Doch wenn man einmal genauer hinsieht, betritt Canon mit dem „Dual Pixel CMOS AF“ getauften System durchaus technologisches Neuland.

Wie kann eine Kamera überhaupt feststellen, ob der Fokus richtig eingestellt ist und die Aufnahme scharf wird? Dazu haben sich zwei Verfahren durchgesetzt: Kompaktkameras ermitteln die korrekte Fokusdistanz per Kontrastmessung auf dem Bildsensor, DSLRs (und auch die SLTs von Sony) bringen ein eigenes Autofokusmodul mit, das die korrekte Entfernungseinstellung per Phasenvergleichsmessung ermittelt.

Mit der EOS 70D führt Canon eine neue Autofokus-Technologie ein.

Mit der EOS 70D führt Canon eine neue Autofokus-Technologie ein.

Die Kontrastmessung funktioniert recht simpel: Ein Bild ist dann scharf, wenn es lokal (an einem oder mehreren Messpunkten) den größten Kontrast aufweist. Also fährt der Autofokus die Entfernungseinstellung so lange hin und her, bis er den größtmöglichen Kontrast ermittelt hat. Das Verfahren ist sehr genau, aber auch (sehr) langsam. Größtes Manko der Kontrastmessung: Es lässt sich nicht feststellen, ob die Entfernungseinstellung verkürzt oder verlängert werden muss; der AF muss die korrekte Einstellung zunächst mehrfach (in immer kleiner werdenden Schritten) überfahren. Dennoch hat sich die Kontrastmessung bei Kompaktkameras durchgesetzt, eben weil dazu einfach das Signal verwendet werden kann, das der Bildsensor sowieso schon liefert.

Die AF-Geshwindigkeit der Canon EOS 100D i Vergleich zwischen klassischem Phasen-AF (links) und Live-View-AF (rechts).  Mit freundlicher Genehmigung von digitalkamera.de.

Die AF-Geshwindigkeit der Canon EOS 100D i Vergleich zwischen klassischem Phasen-AF (links) und Live-View-AF (rechts).
Mit freundlicher Genehmigung von digitalkamera.de.

Der neu entwickelte Bildsensor der Canon EOS 70D vereint Bilderfassung und Phasenautofokus in der selben Sensorzelle.

Der neu entwickelte Bildsensor der Canon EOS 70D vereint Bilderfassung und Phasenautofokus in der selben Sensorzelle.

DSLRs stellen dagegen nach dem Phasenvergleichsverfahren scharf. Dazu wird durch einen kleinen Umlenkspiegel etwas Licht auf dem Weg zum Sucher abgezweigt und zu einem eigenständigen Autofokus-Modul geleitet. Hier erfassen mindestens zwei leicht versetzt angeordnete Sensoren einen kleinen Ausschnitt aus dem Bild. Liefern beide Sensoren ein deckungsgleiches Bild, ist die Entfernung korrekt eingestellt. Stimmt der Fokus nicht, kann aus dem Vergleich der beiden Bilder abgeleitet werden, ob die Entfernungseinstellung verkürzt oder verlängert werden muss. Und mehr noch: Die Phasenvergleichsmessung ermittelt sogar, um welchen Betrag die Fokuseinstellung geändert werden muss. Der Phasen-AF ist daher (zumindest theoretisch) ungleich schneller als der AF per Kontrastmessung, er kann den korrekten Fokuspunkt quasi in einem Zug ansteuern.

Dumm nur, dass der Phasen-AF bei einer DSLR nicht mehr funktioniert, wenn diese in den Live-View-Betrieb umgeschaltet wird. Dann sind nämlich alle Spiegel weggeklappt, das Licht fällt direkt auf den Bildsensor, das separate AF-Modul bleibt außen vor. Im Live-View-Betrieb einer klassischen DSLR bleibt nichts anderes übrig, als die korrekte Fokusentfernung per Kontrastmessung zu ermitteln. Und das dauert! So braucht die Canon EOS 100D (die ich erst kürzlich getestet habe) im Live-View länger als eine Sekunde, um scharf zu stellen. Ihr Phasen-AF ist ungleich schneller und erledigt denselben Job in nur 0,2 Sekunden. Bei Videoaufnahmen nervt die Kontrastmessung zudem mit „Fokus-Pumpen“, die Schärfe irrt hin und her, bis sie endlich sitzt.

SLT-A77V

Bei der SLT-Technologie von Sony lenkt ein feststehender, teiltransparenter Spiegel im Strahlengang stets einen kleinen Teil des einfallenden Lichts zum AF-Modul.

Kein Wunder also, dass die Hersteller schon seit Längerem nach einem Weg forschen, wie sich der schnelle Phasen-AF mit Live-View vereinen lässt. Sony hat dazu die SLT-Technologie ersonnen, bei der ein teiltransparenter Spiegel im Strahlengang immer etwas Licht zum AF-Modul umleitet. Fujifilm hat sich eine andere Lösung ausgedacht und den Phasen-AF direkt auf dem Bildwandler untergebracht. Dabei dienen ein paar Sensorzellen nicht zur Bildaufnahme, sondern liefern das Signal zum scharf stellen. Spezielle Mikrolinsen vor diesen AF-Zellen sorgen dafür, dass jede von ihnen das Bild aus einem etwas anderen Blickwinkel sieht. Dass dabei ein paar Sensorzellen nicht zur Bildaufnahme dienen, fällt nicht weiter ins Gewicht – die fehlenden Bildpunkte werden einfach interpoliert.

Phasenvergleichs-AF auf dem Bildwandler bei Fujifilm.

Phasenvergleichs-AF auf dem Bildwandler bei Fujifilm.

Es liegt auf der Hand, dass sich auf diese Weise nur eine begrenzte Anzahl an speziellen AF-Sensoren auf dem Bildwandler unterbringen lässt. Zahlen dazu liegen mir von Fujifilm vor: Auf dem Sensor der X100S sind 142.000 Zellen für den Autofokus zuständig. Der Sensor weist eine effektive Auflösung von 16,3 Millionen Pixel auf, wovon aber nur ein zentraler Ausschnitt von 40 Prozent, das sind rund 6,5 Megapixel, mit AF-Zellen versehen ist. Knapp zwei Prozent der Zellen in dieser 6,5-Megapixel-Zone nehmen also keine Bildinformationen auf, sondern füttern den Phasen-AF mit Informationen. Würde man den Anteil der AF-Zellen auf dem Sensor erhöhen, ginge dies zu Lasten der Bildqualität – die AF-Zellen zeichnen ja keinerlei Bildinformationen auf.

So funktioniert der neue „Dual Pixel CMOS AF“ von Canon: Jedes Sensorlement besteht aus zwei Photodioden. Beim Fokussieren wird jeweils nur eine Hälfte eines Duos ausgelesen. Zur Bildaufnahme werden beide Photodioden zusammen geschaltet.

So funktioniert der neue „Dual Pixel CMOS AF“ von Canon: Jedes Sensorlement besteht aus zwei Photodioden. Beim Fokussieren wird jeweils nur eine Hälfte eines Duos ausgelesen. Zur Bildaufnahme werden beide Photodioden zusammen geschaltet.

Hier kommt nun das neue Verfahren von Canon ins Spiel, das auf den epischen Namen „Dual Pixel CMOS AF“ hört. Canon macht Schluss mit der Trennung zwischen Zellen für den Phasen-AF auf der einen Seite und herkömmlichen Pixeln auf der anderen Seite. Fast jedes Sensorelement kann gleichermaßen als AF-Sensor wie auch als Bildsensor dienen. Dazu mussten die Ingenieure von Canon allerdings tief in die Trickkiste greifen: Das Phasenvergleichsverfahren funktioniert ja nur, wenn es quasi eine linke und eine rechte Hälfte des Bildes gibt. Nur wenn diese Hälften exakt aneinander passen, ist das Motiv scharf gestellt. Der Trick von Canon besteht nun darin, dass jedes der 20,15 Millionen Pixel auf dem Sensor von zwei Photodioden gebildet wird. Zum Scharfstellen wird vereinfacht gesprochen bei der einen Sensorzelle nur die linke Photodiode ausgelesen, beim Nachbarn dagegen die rechte. Für die eigentliche Bildaufnahme werden dann die Photodioden-Paare  zusammengeschaltet. Genau genommen löst der Sensor der EOS 70D also 40,3 Megapixel auf.

Soweit also die Theorie des „Canon Dual Pixel CMOS AF“, die ich bis hierhin recht spannend finde. Wie sehr die neue Technik den Live-View-AF im EOS-System beschleunigt, wird sich noch zeigen – Canon meint, der Dual Pixel CMOS AF sei bis zu vier Mal schneller als der bisherige Kontrast-AF, wobei sich im besten Fall eine Fokussierzeit von rund 0,3 Sekunden ergäbe – ein durchaus respektabler Wert. Zudem soll die AF-Technik die Schärfe auf den Punkt genau nachführen, das lästige Fokuspumpen bei Videoaufnahmen ist damit passé. Bleibt noch die Frage, ob der „Dual Pixel CMOS AF“ mit  allen Objektiven funktioniert. Nicht ganz, aber immerhin 103 der aktuellen EF- und EF-S-Objektive sollen laut Canon mit der neuen AF-Technik funktionieren. Und natürlich: Wirkt sich die neuen Sensor-Technologie auf das Bildergebnis aus? oder ist es egal, dass bei der Canon EOS 70D salopp gesprochen ein 40-Megapixel-Sensor ein 20-Megapixel-Bild aufnimmt?