Die Welt aus Sicht eines AF Sensors

Es ist nicht einfach an die Daten zu gelangen, die ein AF Sensor aufzeichnet, daher habe ich mir gedacht stiehlst dem AF Modul seinen AF Sensor und baust deinen eigenen Sensor ein, den kannst dann nach Belieben auslesen. Experimentiert wurde mit dem AF Modul einer Canon 7D, wobei die hier gezeigten Prinzipien direkt auf andere Kameras übertragbar sind, lediglich die Anordnung der AF Punkte unterscheidet sich.
Hier wird schematisch gezeigt, wie das AF Modul aufgebaut ist:
http://a.img-dpreview.com/reviews/CanonEOS5DMarkII/Images/features/af03.gif
Kurz vor dem AF Sensor befinden sich die Linsen, die das Bild auf dem Sensor abbilden.



Das Bild hier zeigt die AF Optik einer 5D, ich hatte vergessen ein Bild von der 7D zu machen.
Und so sieht der AF Sensor selbst aus.



Die dunklen Stellen sind die lichtempfindlichen Pixel, der Rest ist die Struktur der Ausleseschaltkreise. Wenn man unter dem Mikroskop etwas näher hin sieht, kann man die rechteckigen Pixel erkennen.



Mit Hilfe der eingeblendeten Skala habe ich die Größe der Pixel auf 14,3 x 125µm bestimmen können und damit sind sie etwa 40mal größer als die Pixel eines durchschnittlichen Bildsensors.

Das ist das Bild wie man es im Sucher der Kamera sieht und das bekommt der AF Sensor zu sehen:



Mein eigener Sensor ist nicht groß genug um die ganze AF Sensoroptik aufnehmen zu können, daher beschränke ich mich auf den spannenderen zentralen Teil. Die vier mittleren im Kreuz angeordneten Bilder entsprechen dem bis Blende 5,6 empfindlichen Sensorbereich, die vier Ecken sind der bis Blende 2,8 aktive Teil. Der eigentliche AF Sensor nimmt aber nicht das komplette hier dargestellte Bild auf, sondern nur die mit rot eingeblendeten Bereiche (man vergleiche mit dem obigen Bild des AF Sensors). Wenn wie in dem Bild alle Einzelbilder deckungsgleich sind und das identische Bild zeigen, ist das Bild im Fokus. Wie es aussieht wenn es nicht im Fokus ist zeigt dieses Bild.



Die Bilder beginnen zu wandern und das umso weiter je größer der Defokus ist. Ich habe hier noch zusätzlich die ursprüngliche Lage eingeblendet (als das Bild im Fokus war), um die Richtung in der das Bild wandert und auch die Strecke einzeichnen zu können. Aus der Richtung vom Pfeil weiß die Kamera in welche Richtung sie das Objektiv fahren muss und die Länge entscheidet über den Fahrweg. Wie man sehen kann bewegt sich das Bild auf den 2,8er Sensoren doppelt so weit wie auf den 5,6er Sensoren und haben daher auch die doppelte Empfindlichkeit für Defokusierung. Man sieht aber auch, dass das Bild auf den Sensor etwas unschärfer geworden ist. Um es noch etwas anschaulicher zu machen habe ich ein kleines Video gemacht. Links ist das Bild das der AF Sensor bekommt und rechts das Bild wie es im Sucher bzw. auf dem Hauptsensor abgebildet wird. Am besten mit rechtem Mausklick auf die Festplatte speichern und dann im Loop abspielen.

http://www.gletscherbruch.de/foto/forum/11/AFsuche.mpg

Nun zu einem weit verbreiteten Irrtum. Wenn der AF im Dunkeln nicht gut trifft kauft man sich eine lichtstärkere Optik, denn dann hat der AF mehr Licht zum scharf stellen, denn schließlich stellt man ja bei Offenblende scharf. Hier nun eine kurze Animation, bei der immer weiter abgeblendet wird. Wenn keine Animation zu sehen ist, das Bild speichern und auf der Platte öffnen, es ist ein animated gif.



Das verwendete Objektiv war ein 35/1,4. Bei den Aufnahmen wurden die Verstärkung und Belichtungszeit vom Sensor natürlich konstant gehalten. Wie leicht zu sehen ist findet zwischen Blende 1,4 und 2,8 keinerlei Veränderung statt. Das Bild ist weder heller, noch schärfer, noch kann der AF genauer messen. Bei Blende 4,0 beginnen die 2,8er Sensorfelder abzudunkeln, bei Blende 5,6 sind nur noch die dafür gedachten Sensorfelder beleuchtet und bei Blende 8 nur noch ein zentraler Bereich. Ein Scharfstellen könnte hier mit dem zentralen AF Sensor noch funktionieren, solange das eigentliche Bildsignal stärker ist, als die bereits einsetzende Vignettierung. Bei Blende 11 ist es dann endgültig vorbei, es gibt keine gleichen Bildinhalte mehr, die miteinander verglichen werden können.

Von Canon gibt es ein paar sehr schöne Zeichnungen, die den Strahlengang der AF Optik zeigen:
http://photography-on-the.net/stuff/submirror.jpg
http://www.imaging-resource.com/PRODS/E1DMK3/zaflens.gif
Sie zeigen zwar den Strahlengang einer 1D, für diese Betrachtung ist der Unterschied aber nicht relevant. Den zweiten Teil habe ich noch einmal nachgestellt.

Jedes der AF Felder sieht durch die an der Linse rot markierte Fläche auf das Zielobjekt. Eines sieht mehr von oben auf das Blatt, eins sehr flach und streifend, eins mehr von links und eins mehr von rechts. Soweit die Theorie und wenn sich das auf dem AF Sensor auch so zeigen würde wäre es schön. Selbstverständlich ist das auch so.

Auf den Bildern sieht man eine für Makro sehr hohe Schärfentiefe. Ich habe dann versucht durch Abblenden die gleiche Schärfentiefe auf dem Bildsensor zu erreichen wie auf dem AF Sensor.

Im Exif steht zwar Blende 14, da es aber ein Makro bei 1:1 ist müssen noch zwei volle Blendenstufen dazu gerechnet werden. Das Lichtbündel das auf dem AF Sensor abgebildet wird ist also so schmal, dass es einer Blende von 29 entspricht. Dass bei dem obigen Video das Bild auf dem AF Sensor noch relativ scharf bleibt, während das rechte Bild vom Hauptsensor nur noch einen verwaschenen Fleck zeigt kommt also nicht von ungefähr. Auch sind die von mir eingezeichneten roten Punkte auf der Frontlinse absichtlich so klein gehalten. Für die AF Messung werden nur sehr kleine Bereiche der Optik benutzt. Durch die kleine effektive Blende ergibt sich aber auch, dass Staub auf der AF Optik sehr scharf auf dem AF Sensor abgebildet wird. Obwohl meine absolut sauber aussieht und noch eigens geputzt wurde, kann man auf den oben gezeigten Bildern einige Flecken erkennen. Ist das Signal das der Staub erzeugt höher als das eigentliche Nutzsignal kann es schnell zu Fehlfunktionen kommen.

Wenn ihr also das nächste Mal mit einer hoch gezüchteten Festbrennweite in schlecht beleuchteten Räumlichkeiten unterwegs seid, denkt daran welche Leistung der AF vollbringen muss, er bekommt nur so viel Licht als ob ihr alle Bilder mit Blende 29 machen wollt. Dass dazu die Verstärkung (ISO des AF Sensors) bis zum Anschlag aufgedreht werden muss und da nicht nur die Pixel auf dem Bildsensor rauschen, kann man sich eine gewisse Schwankungsbreite durchaus erklären.

Sehr interessant!

Das Forum kann sich glücklich schätzen, Leute mit solchem Fachwissen an Bord zu haben. Vielen Dank für die Mühe.


Gruß,
Daniel

Top Top Top!!!

Super vielen Dank! Endlich muss ich mir nicht mehr einen Wolf erklaeren, um verstaendlich zu machen, was der AF sieht und warum eine lichtstarke FB nicht mehr Licht auf den AF-Sensor bringt als ein f/2.8-Zoom...

Juhuu!

Thx Nightshot,

ich denke, jetzt hab sogar ich verstanden, warum ein lichtstärkeres Objektiv nicht automatisch besser fokussiert.
Gehe ich dann richtig in der Folgerung, dass für eine treffsichere Funktion des AF folgende Bedingungen wichtig sind:
1. Objektkontrast (eine weiße Wand ist nicht fokussierbar)
2. Beleuchtungsstärke (nachts ist auch der Sehende blind)
3. Qualität des Objektivs (bei f/5,6) (Wenn das Objektiv nicht scharf zeichnet, hat auch der AF keine Chance)
4. Evtl. wird der AF auch durch Bildverschwenkung/Verwacklung irritiret. Ich kenne die Messfrequenz nicht, aber möglicherweise hat auch verwackeln einen Einfluss auf das Messergebnis des AF.

Hintergrund meiner Frage ist:
Im Studi verwende ich gerne lichtstarke Objektive bei Offenblende. Die hauen aber dann beim Fokussieren gerne mal daneben. Natürlich hab ich die Blitze dann weit runtergeregelt, und entsprechend sind auch die Einstelllichter propotional nicht mehr auf voller Lichtstärke.
Sofern ich Deinen Beitrag richtig vertehe, wäre es im Sinne meines AF, wenn ich nach der Abschätzung der Lichtverteilung die Einselllichter zum Fokussieren wieder auf volle Leistung stelle?

Vielen Dank, nightshot, für den profunden und erhellenden Beitrag.
Hoffe, es hat auch Dir Spaß gemacht.
LG

Hallo Nightshot,

vielen Dank dafür, daß Du diese Erkenntnisse mit uns teilst!

Ich habe zwei Fragen.

1. Verstehe ich es richtig, daß Du einen "generischen" Bildsensor, z.B. aus einer Digital- oder Videokamera, also nicht einen dedizierten AF-Sensor, an die Stelle des AF-Sensors platziert hast?

2. Ist der Schluß zulässig, daß wenn die Pixelreihen des AF-Sensors enger beieinander liegen, der AF bei kleineren Blenden betrieben werden kann, dafür jedoch entweder
(a) ungenauer würde oder
(b) eine höhere Auflösung haben müßte (Auflösungsvermögen des Objektivs zunächst vernachlässigt)?

i.

Zuerst einmal Danke für die tolle Erläuterung. Einzig eine Schlussfolgerung halte ich nicht ganz für zutreffend:

Nightshot schrieb:

Wie leicht zu sehen ist findet zwischen Blende 1,4 und 2,8 keinerlei Veränderung statt. Das Bild ist weder heller, noch schärfer, noch kann der AF genauer messen.

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Die Genauigkeit des Autofokus wird ja nicht nur durch die Helligkeit oder die Schärfe an sich abhängig, sondern aus der Differenz der beiden Strahlengänge. Tut sich hier wirklich nichts zwischen f/1.4 und f/2.8 diesbezüglich wenn das Motiv noch nicht im Fokus ist? Meines Erachtens müsste nämlich im f/1.4-Fall die Phasendifferenz deutlicher erkennbar sein als bei f/2.8 bei gleicher Fokusposition.
Was Dein Ersatzsensor ja nicht so zeigen kann ist der Vergleich zweier Strahlengänge, der Autofokussensor liefert ja nicht nur eine Zeile pro Fokuspunkt sondern derer zwei, die unterschiedliche Strahlengänge erfassen - müsste damit nicht die Phasendifferenz bei f/1.4 grösser ausfallen als bei f/2.8 und damit dann auch die Präzision?

Nightshot schrieb:

Bei Blende 11 ist es dann endgültig vorbei, es gibt keine gleichen Bildinhalte mehr, die miteinander verglichen werden können.

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das musst du näher erleutern,

ich fing mit TC-Stacking 2003 an meiner D30 an, zuerst eine 300/4 dann ein TC2x (rechnerisch Blende 8) und dann noch ein TC1,4, ergibt Blende 11 rechnerisch, angezeigt wurde weiterhin F4 (Soligor mit 8 Kontakte), es gilt ja mit umrechnen nur immer der erste TC wenn Elektronik verbaut ist oder die 3 Umrechenkontakte objektivseitig verbaut sind.

Obwohl sich rechnerisch F11 ergab hat bei Sonne der AF bestens focussiert, an eine alte D30 ! die auch bei 5,6 begrenzen sollte !

Nun gilt entweder, durch TC ergibt sich keine Blendenänderung für deine Aussage, was rechnerisch nicht möglich sein kann F=Brennweite/Eintrittspupille(annähernd Frontdurchmesser) der ist ja bei 300/4 mit 75mm festgelegt, durch TC2+TC1,4 ergibt sich 840mm dann durch 75mm=F11

Also nicht das ich dir widersprechen möchte, dazu hast du zu viel Ahnung, nur könnte jemand deinen Satz absolut als richtig hinstellen, ich seh schon die Überschrift, größere Blende nicht nötig, der AF geht immer

****************** schrieb:

Zuerst einmal Danke für die tolle Erläuterung. Einzig eine Schlussfolgerung halte ich nicht ganz für zutreffend:

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Nightshot hat da schon recht.
Es gibt keinen Unterschied zwischen Blende 1.4 und 2.8, zumindest nicht bei diesem AF Sensor Modul. Es würde einen Unterschied geben, wenn ein AF Sensor Modul verwendet werden würde, welches AF-Sensoren hätte die einen f/1.4 Strahlengang haben.

Nightshot hat den Grund dafür schön auf dem Bild mit dem Objektiv und den roten Kreisen drauf gezeigt. Jeder einzelne Sensor "sieht" eben nur die Strahlen aus der Optik die einem gewissen Bereich in der Eintrittspupille entsprechen (Um es wirklich verwirrend zu machen kann man auch sagen, dass die Eintrittspupillen der einzelnen AF Sensoren, deren Große f/29 entsprechen auf auf der Eintrittspupille der angebrachten Optikzum liegen kommen, deren Größe eben der f/Zahl des Objektivs entsprechen.)
Den einzelnen AF-Sensor stört es dabei wenig wenn die Eintrittspupille größer ist (1.4 vs. 2.8), er "sieht" ja nur seinen kleinen Bereich der Eintrittspupille.

Die Abschattung in der Animation oben kann man sich dann auch sehr einfach erklären, wenn man die Blende der Optik langsam zu macht (und damit eben auch die Eintrittspupille) überdeckt es die kleinen "Sehbereiche" der einzelnen AF Sensoren und zwar umso schneller, je weiter draußen diese auf der Eintrittspupille der Optik sind.

PS:
Die Phasendifferenz kann du von Hand bilden - dafür muss man nur die gegenüberliegenden AF-Sensoren vergleichen. Entfernungsbestimmung ist dann eine einfache Triangulierung über Bildkorrelation.

PPS:
Man könnte sich jetzt natürlich fragen wieso man dann nicht noch f/1.4 Sensoren einbaut.

criz.

@Nightshot,

Applaus, Applaus ....

Bin froh, dass ich hier gelandet bin!

activelle schrieb:

Gehe ich dann richtig in der Folgerung, dass für eine treffsichere Funktion des AF folgende Bedingungen wichtig sind:
1. Objektkontrast (eine weiße Wand ist nicht fokussierbar)
2. Beleuchtungsstärke (nachts ist auch der Sehende blind)
3. Qualität des Objektivs (bei f/5,6) (Wenn das Objektiv nicht scharf zeichnet, hat auch der AF keine Chance)
4. Evtl. wird der AF auch durch Bildverschwenkung/Verwacklung irritiret. Ich kenne die Messfrequenz nicht, aber möglicherweise hat auch verwackeln einen Einfluss auf das Messergebnis des AF.

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GENAU DAS steht in JEDER Bedienungsanleitung JEDER AF-Kamera

PS: Danke Nightshot für die Mühe

Objektträger mit 0,01 "Mikrogitter" (Skala nicht Netz) verwendet oder doch Okular-Skala mit Horizontal-Mikrometer mit Kreuzungslinie ?


abacus

crizmess schrieb:

Nightshot hat da schon recht.
Es gibt keinen Unterschied zwischen Blende 1.4 und 2.8, zumindest nicht bei diesem AF Sensor Modul. Es würde einen Unterschied geben, wenn ein AF Sensor Modul verwendet werden würde, welches AF-Sensoren hätte die einen f/1.4 Strahlengang haben.

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Ich meine jetzt nicht die Phasendifferenz als solche (die Distanz ist ja konkret von den isolierten Strahlengängen abhängig) sondern die Abgrenzung der vermessenen Kontrastkanten, sprich die deutlichere Tiefenstaffelung des Kontrastes...

jar schrieb:

Obwohl sich rechnerisch F11 ergab hat bei Sonne der AF bestens focussiert, an eine alte D30 ! die auch bei 5,6 begrenzen sollte !

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Die Art der Vignettierung auf dem AF Sensor ist abhängig von der verwendeten Brennweite. Der 50% Wert wird stets an einer ähnlichen Stelle erreicht. Eine kurze Brennweite zeigt einen scharfen Rand, eine lange Brennweite einen sehr weichen Rand. Im Anhang zwei Extrembeispiele, mit einem 15mm Fish und 300/4,0 mit 2x Konverter. Beide sind auf Blende 8 eingestellt.
Verwirrend für den AF wird es wenn beim Vergleich der Zeilen einmal die linke und einmal die rechte Seite dunkler ist, dann kann das für das eigentliche Signal gehalten werden und der AF wird nichts finden. Bei dem gezeigten 600mm Bild sinkt schon die Helligkeit in der Mitte ab, die Vignettierung zum Rand ist aber noch recht dezent. Ist jetzt das Objekt in der Mitte gut beleuchtet und bietet starke Kontraste überwiegen die gegenüber der Vignettierung und der AF findet sein Ziel.

Hi!

Besten Dank für die umfangreiche Erklärung.

Das heißt die Hersteller einer Kamera könnten die AF Feld weiter nach außen legen (die User würden weniger Raunzen, von wegen Verschwenken und so), aber da sie dann viel zu früh durch das schließen der Blende abgeschattet werden, legen sie Sie weiter nach innen damit sie z.b. auch noch bei F/5.6 funktionieren?

mfg Andi

activelle schrieb:

Gehe ich dann richtig in der Folgerung, dass für eine treffsichere Funktion des AF folgende Bedingungen wichtig sind:
1. Objektkontrast (eine weiße Wand ist nicht fokussierbar)
2. Beleuchtungsstärke (nachts ist auch der Sehende blind)
3. Qualität des Objektivs (bei f/5,6) (Wenn das Objektiv nicht scharf zeichnet, hat auch der AF keine Chance)
4. Evtl. wird der AF auch durch Bildverschwenkung/Verwacklung irritiret. Ich kenne die Messfrequenz nicht, aber möglicherweise hat auch verwackeln einen Einfluss auf das Messergebnis des AF.

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Für 1 und 2 uneingeschränkt ja.
3) Die optische Qualität von der Optik ist nicht so entscheidend. Du musst bedenken, dass du ja nur einen kleinen Teil der Optik (f29) auf dem AF Sensor abbildest und so stark abgeblendet sollte bei jedem aktuellen Objektiv die Beugung größer als der optische Restfehler sein.
4) Der AF soll laut Spezifikation zwischen EV -1 und 18 arbeiten können. EV 18 ist etwa 500000mal so viel Licht wie EV-1 und damit ein gigantischer Dynamikumfang. Da die Optik für den AF fest auf Blende 29 steht kann dieser Dynamikumfang nur mit Veränderung der Verstärkung und Belichtungszeit erfolgen. Bei strahlendem Sonnenschein werden die Pixel vom AF sicher mit 1/1000 oder kürzer belichtet, da kannst sicher nicht verwackeln. Bei Dunkelheit willst aber sicher noch, dass der AF mindestens mit 5Hz ein Steuersignal von sich gibt, die Belichtungszeit wäre da im Bereich von 1/8s und das kannst durchaus verwackeln.

Sofern ich Deinen Beitrag richtig vertehe, wäre es im Sinne meines AF, wenn ich nach der Abschätzung der Lichtverteilung die Einselllichter zum Fokussieren wieder auf volle Leistung stelle?

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Der AF wird es dir sicherlich danken.

infinity-909 schrieb:

Verstehe ich es richtig, daß Du einen "generischen" Bildsensor, z.B. aus einer Digital- oder Videokamera, also nicht einen dedizierten AF-Sensor, an die Stelle des AF-Sensors platziert hast?

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Richtig, ich habe eine kleine Platinenkamera mit 1/2,5" 5MPix Bildsensor und USB Anschluss eingebaut. Die Kamera kann zwar nur SW, spielt aber keine Rolle, da der AF Sensor auch nur SW sehen kann.

Ist der Schluß zulässig, daß wenn die Pixelreihen des AF-Sensors enger beieinander liegen, der AF bei kleineren Blenden betrieben werden kann, dafür jedoch entweder
(a) ungenauer würde oder
(b) eine höhere Auflösung haben müßte (Auflösungsvermögen des Objektivs zunächst vernachlässigt)?

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Auch richtig. Du müsstest kleinere Pixel auf dem AF Sensor verwenden um wieder die ursprüngliche Auflösung vom AF zu erreichen. Damit würdest aber Lichtempfindlichkeit einbüßen und zudem bist dann schon langsam von der Beugung begrenzt.

Das ist ja sensationell - nicht die Erkenntnisse (die gab es schon vorher), sondern die Aufbereitung. Großes Lob und große Anerkennung an Nightshot. Vor allem die GIF-Animation ist sensationell.

Hut Ab vor dieser Arbeit!

Eine Frage, macht es denn für die Hersteller keinen Sinn, auch eine 1.4 oder 2.0 AF-Sensor zu bauen?

Im Zuge einer Kamera, die nativ ISO 51200 fahren kann, wäre dass doch noch ein Itüpfelchen für jeden AL-Fotografen.