Hoe scherpstellen werkt

Camera’s beschikken over een autofocus mogelijkheid om mee scherp te stellen. Hoe werkt dat eigenlijk en waarom werkt dat niet altijd?

Brandpuntsafstand en brandpunt

Om te begrijpen hoe scherpstellen werkt, moet je iets over de achtergronden weten van wat een scherp beeld precies oplevert. Daar spelen de brandpuntsafstand en het brandpunt een belangrijke rol in.

De brandpuntsafstand van het objectief ligt vast, tenzij het een zoomobjectief betreft. Een objectief bevat echter meerdere lenzen. Iedere lens heeft een eigen brandpuntsafstand. De brandpuntsafstand van een lens is de afstand tussen de lens en het punt waar de lichtstralen, die evenwijdig aan de optische as van die lens invallen, na de lens samenkomen omdat zij in de lens van richting zijn veranderd. Het punt waar die lichtstralen samenkomen wordt het brandpunt of de focus genoemd.

Wie als kind met een vergrootglas wel eens zonlicht heeft gebruikt om een stukje papier of een veter aan te steken, kent het brandpunt maar al te goed. Door het vergrootglas op de juiste (brandpunts-)afstand te houden, ontstaat er letterlijk een brandpunt: het punt waar alle evenwijdige zonnestralen, en daarmee hun energie, samen komen.

Objectieven bevatten meestal meerdere lenzen. Lichtstralen die een objectief passeren, gaan bij dergelijke objectieven ook door meerdere lenzen. Het is de combinatie van de werking van deze lenzen die de brandpuntafstand en de focus van het objectief bepalen. Voor het gemak benaderen we in dit artikel een objectief met meerdere lenzen alsof het een enkele lens zou zijn.

(On)scherp beeld

Wat maakt een beeld dat door een objectief heen komt nu eigenlijk scherp? Kijk hiervoor even naar de banner boven dit artikel. Je ziet in deze afbeelding dat drie lichtstralen van het topje van een boom een lens in vallen. De bovenste lichtstraal loopt evenwijdig aan de optische as van de lens en buigt in de lens af naar het brandpunt (F) achter de lens. Overigens is de afstand tussen F en het midden van de lens de brandpuntsafstand. De middelste lichtstraal gaat direct door het midden van de lens en wordt daardoor niet afgebogen. De onderste lichtstraal loopt door het brandpunt voor de lens en zal daardoor evenwijdig aan de optische as de lens verlaten.

Daar waar de drie lichtstralen elkaar kruisen wordt een scherp beeld van de boom weergegeven. Dit zou dus ook de plek moeten zijn waar de sensor zich bevindt, willen we de boom scherp vast kunnen leggen met de camera.

Als de sensor zich voor of na het punt bevindt waar de lichtstralen achter de lens samenkomen, dan zal het beeld onscherp worden. Hoe verder er van af, hoe waziger het beeld.

The hole picture

Het puntje van de boom is echter maar een klein deel van de gehele foto. Misschien gaat het in een bepaalde foto niet om het puntje van de boom, maar om de stam lager op de boom of de persoon die er voor staat. De sensor zou zich dan daar moeten bevinden waar de lichtstralen afkomstig van dit specifieke onderwerp elkaar kruisen en dat zal niet altijd dezelfde afstand zijn als die afkomstig van het topje van de boom. Op een foto gemaakt met een objectief zijn daarom altijd delen op een foto scherp en andere delen onscherp. Onze hersenen vinden dat prima, want ons oog werkt immers ook zo. Daarin bevindt zich ook een lens en we zijn dit daarom zo gewend.

Op dat wat scherp moet zijn, moet scherp worden gesteld. Dit wordt, eenvoudig gezegd, gedaan door de afstand tussen de sensor en het objectief te veranderen zodat deze gelijk wordt aan het afstand van de juiste kruisende lichtstralen. Dat dit niet plaatsvindt door echt de afstand te wijzigen maar er een soort scherpstellens voor te gebruiken is techniek, maar het principe komt op hetzelfde neer. 

Autofocus

In veel objectieven, zoals die van Nikon, bevinden zich kleine elektromotoren die servomotoren worden genoemd. Met behulp van een servomotor kun je mechanische zaken, zoals het afstellen apparatuur, elektronisch regelen.

Maar hoe kan de camera opdracht geven aan de servomotor in het objectief om de juiste afstand in te stellen? Soms wordt dit gedaan doordat een klein deel van het licht dat binnenkomt, wordt doorgegeven aan een speciale sensor die de autofocus regelt. Op die sensor bevinden zich meerdere sensoren voorzien van kleine lensjes. De beelden die deze sensoren opvangen worden met elkaar vergeleken en zouden hetzelfde moeten zijn. Is dat niet zo, dan krijgt de servomotor de opdracht om het objectief anders in te stellen. Dit wordt wel fasedetectie genoemd.

Er bestaat ook een methode om de autofocus te kunnen realiseren die contrastdetectie wordt genoemd. Fasedetectie hoort bij spiegelreflexcamera’s (de zogenaamde SLR-camera’s) en kan behoorlijk complex zijn. Contrastdetectie vind je bij spiegelloze camera’s, zoals point-and-shoot-camera's. Hierbij wordt geen gebruik gemaakt van licht dat via de spiegel wordt weerkaatst naar een speciale autofocus sensor, maar van het licht dat op de normale beeldsensor valt.

Bij contrastdetectie zoekt de camera naar een positie van het objectief waardoor de maximale intensiteit van het licht wordt bereikt. Hoe scherper het beeld, hoe intenser het licht is. Het objectief wordt daarom net zo lang door de servomotor bewogen totdat de hoogste intensiteit van de pixels bereikt is. Dit wordt wel het jagen van het objectief genoemd. Het objectief jaagt naar de maximale intensiteit.

Bij contrastdetectie weet de camera niet of het objectief goed staat ingesteld wanneer het de eerste beeldinformatie binnen krijgt. Hij zal daarom het objectief altijd laten jagen, zelfs als hij al scherp staat afgesteld. Bleek achteraf dat hij scherp afgesteld stond, dan zal hij, na verloop van tijd, dus weer in de uitgangspositie teruggekeerd zijn.

Wanneer werkt het niet?

Nu je weet hoe de autofocus functie van een camera werkt, zul je ook begrijpen onder welke omstandigheden hij niet goed werkt. Bij de fasedetectie kun je problemen verwachten wanneer de beelden van de kleine autofocus sensoren niet goed te vergelijken zijn. Om beelden te kunnen vergelijken moeten zij niet egaal zijn. Vandaar dat deze autofocus methode alleen kan scherpstellen op zaken met enige verschillen. Daarnaast moeten deze verschillen door de mini sensoren te herkennen zijn. Daar heb je een bepaalde hoeveelheid licht voor nodig. Bij contrastdetectie kun je net zo goed problemen verwachten bij opnames van scenes waarin weinig lichtintensiteit gemeten kan worden.

Op camera’s voorzien van deze autofocus methoden zie je vaak dat een zogenaamd AF Light is ingebouwd. Meestal is dat een rood lichtje dat wordt geactiveerd wanneer de camera gemeten heeft dat de lichtintensiteit te laag zou kunnen zijn om de autofocus functie goed te kunnen gebruiken. Met behulp van het AF Light licht hij de zaak dus een beetje bij.