Autofocus, deel 1
Scherpstellen en scherptediepte

Vroeger stelden we handmatig scherp en gebruikten daarvoor, in een reflexcamera, een matglas. Tegenwoordig maken we gebruik van autofocus. De camera stelt voor ons scherp. Wat de toegevoegde waarde daarvan is zullen we later bespreken. Nu eerst de zware kost van de techniek. Het autofocussysteem van de meeste camera's werkt volgens één van twee principes. Er zijn ook andere manieren met hun eiegen voor en nadelen maar die sla ik hier over. De systemen die ik hier beschrijf worden door (bijna) alle DSLR fabrikanten gebruikt. De ene werkt op basis van contrast-detectie en de andere op basis van fase-detectie. De meeste moderne DSLR's gebruiken tegenwoordig fase-detectie.

Contrast-detectie: De autofocussensor bestaat uit een rijtje lichtgevoelige cellen. Het systeem zoekt het maximale verschil in lichtopbrengst tussen naburige cellen.

Fase-detectie: De autofocussensor bestaat uit twee rijtjes lichtgevoelige cellen. De ene rij wordt aangelicht via de ene kant van het objectief en de andere via de andere kant. Door de profielen van belichting van het ene rijtje te vergelijken met het andere rijtje kan worden vastgesteld wanneer het objectief in focus is.

Inmiddels zijn we zover dat de beeldsensor als autofocussensor op kan treden. Dat geeft een enorm aantal scherpstelpunten wat ervoor zorgt dat je autofocus nu niet snel meer iets mist. Je kunt je voorstellen dat er wel wat rekenkracht bij komt kijken om al die info om te zetten in iets bruikbaars.

Omdat een rijtje van 10 pixels weinig zegt over een foto met meer dan 10 miljoen pixels worden er meerdere en ook verschillende soorten sensoren in de camera toegepast. Deze worden verspreid over het beeld geplaatst op plekken waar het meest waarschijnlijk is dat zich het onderwerp bevindt. AF-sensors vind je dan ook niet aan de rand van het beeld maar min of meer verspreid over het midden. Dat klinkt wellicht logisch maar het is vooral ook een probleem van ruimte in de camera. Als je de AF-sensoren over het hele beeldveld zou willen plaatsen heb je daar een plek voor nodig die ongeveer even groot is als de beeldsensor. Zoveel ruimte is er niet. Een ander probleem is dat het meten van contrast verondersteld dat er een contrastverschil is. Met 20 rijtjes van 10 pixels is het niet vanzelfsprekend dat je een geschikt contrast vind. Maar zelfs als er wel contrast is wil dat nog niet zeggen dat de sensor deze detecteert. Voor een goed resultaat moet de sensor minimaal een hoek van 45 graden maken met de contrastlijn. Om dat probleem te ondervangen worden steeds vaker kruisvormige sensoren met twee rijtjes haaks op elkaar staande cellen toegepast. De kern van het scherpstellen blijft echter de vraag welk deel van je beeld je scherp wil hebben en welk niet. AF-sensoren kijken geen plaatjes. Zij zien niet wat jij ziet.

Een ander aspect dat niet onbesproken kan blijven is scherptediepte. Voor sommigen is dat iets met een instelwiel op je camera, en als je daar aan draait wordt de scherptediepte groter of kleiner. Met die benadering ga je autofocus niet begrijpen. Het is ook niet zo spertediepte betekent dat er een gebied is waarin alles scherp is en een gebied waarin dat niet het geval is. Er is maar één afstand waarop de foto scherp is. Wat het verschil maakt tussen een grote en een kleine scherptediepte is de afstand waarover de scherpte verloopt van maximaal scherp naar volledig onscherp. Dit wordt veroorzaakt door het objectief. Je heb wellicht wel eens gehoord van een gaatjescamera. Op zijn Engels (wat volgens veel fotografen professioneler overkomt) heet dat een 'pinhole camera'. Een gaatjescamera is een doos waarin zich aan één kant een beeldsensor of lichtgevoelig materiaal bevindt en aan de tegenovergestelde zijde een klein gaatje, in de orde van een millimeter (voor de liefhebber 1,9√λb waarin λ de golflengte (0,450 -0,750 micrometer) en b de beeldafstand). De gaatjescamera kenmerkt zich doordat al het licht door zo'n klein gaatje moet dat elk deel van het beeld maar via één weg wordt belicht op de foto. Let op want als het gaatje te klein is krijg je te maken met afbuiging van het licht en wordt de afbeelding weer onscherp.

Het voordeel is dat het beeld volledige scherptediepte kent (het scherptedieptebereik is nagenoeg oneindig) maar ook dat er zo weinig licht op de gevoelige plaat valt dat de belichtingstijd enorm lang is. Dat is ideaal voor gebouwen maar minder geschikt voor dingen die haast hebben zoals onze hardloper. Een ander kenmerk van een gaatjescamera is dat deze geen lens (nodig) heeft; alles is immers al scherp. Als we een kortere sluitertijd willen gebruiken, en de gevoelige plaat niet gevoeliger gemaakt kan worden, zit er maar één ding op: zorgen dat er meer licht binnen komt. Als we het gat groter maken, gaat echter ook de scherpte verloren.

Dit kunnen we corrigeren door een lens in het gat te plaatsen. Deze bundelt het licht waardoor dit via verschillende wegen van het onderwerp op de juiste plek op de gevoelig plaat terecht komt.

Het probleem van een lens is echter dat er een specifieke voorwerpafstand/beeldafstand-verhouding bij hoort. Daarom gebruiken we doorgaans een objectief. Dit is een stelsel van lenzen dat zodanig is te bewegen dat de voorwerp/beeld-verhouding gewijzigd kan worden. En daar komt het verschijnsel scherptediepte in beeld. Het objectief kan niet beter dan scherp stellen op één afstand. Op alle andere afstanden is hij onscherp. Nu wil het geval dat mensen ook maar tot op een zeker niveau scherp zien. Ons oog neemt kleine details (kleiner dan 0,1mm op een afstand van ongeveer 25 cm) niet waar. Een overgang op die grootte zullen wij dan ook als scherp waarnemen. In werkelijkheid gaat het niet om de afmeting maar om de beeldhoek van 1,5 boogminuut (0,025 graden) wat betekent dat als we meer afstand nemen het detail groter kan zijn (kameel op de horizon) of juist kleiner als we dichterbij komen, zoals inzoomen op een jpg afbeelding. Maar hier moet ik een kanttekening bij de kanttekening maken. Optische processen vergelijken met het menselijk oog is altijd gevaarlijk omdat ons oog geen filmcamera is. Wij evalueren plaatjes voor we ze 'zien'. Dus als wij 'weten' dat er een kameel op de horizon te zien is zien wij de stip vervolgens ook als 'kameel'. Als wij de details van een vlieg onder de microscoop hebben bekeken 'zien' we die ook als we naar een vlieg kijken. Mensen zien vooral scherp door kennis en minder door goede ogen.

Om een idee te krijgen van scherpte kunnen we het beeld doorzetten. Hier zie je wat je ongeveer mag verwachten van de scherpte van het beeld op de oorspronkelijke voorwerpsafstand als we instellen op een kortere afstand. Het hoofd van de wandelaar zou bij deze instelling zo vaag zijn dat je het nauwelijks als hoofd herkent. Je ziet ook dat hoe dichter bij de scherp gestelde voorwerpafstand je komt hoe scherper het beeld zal zijn. Lenzen met een grote lichtgevoeligheid hebben een groter verloop in de onscherpte. De oplossing is het gebruik van een diafragma. De functie van het diafragma is om de optimale situatie van de pinhole te kunnen benaderen. We maken het gat in het objectief kunstmatig kleiner zodat we een andere onscherpte verhouding krijgen. Dat is in de volgende twee plaatjes goed te zien.

Eerst maar de grote lensopening:

En vervolgens een kleine lensopening:

Zoals je ziet is het scherpteverloop bij de kleine lensopening veel kleiner dan bij de grote lensopening. De onscherpte is er nog steeds maar veel minder prominent. Als we weer even teruggaan naar wat mensen scherp zien en ons realiseren dat we naar dit plaatje kijken vanaf een centimeter of 50, dan zouden we elk cirkeltje dat kleiner is dan 0,2 mm als scherp waarnemen. De camera heeft een soortgelijk criterium: als de onscherpte (het oppervlak van het cirkeltje) maar kleiner is dan de grote van de pixels op de beeldsensor is het resultaat hetzelfde. We noemen dat: oplossend vermogen.

We kunnen nu het begrip 'scherptediepte' definiëren. De scherptediepte is de afstand waarbinnen de details nog zo klein weergegeven worden dat wij ze als scherp ervaren. Hoe kleiner de lensopening hoe groter de scherptediepte, en hoe kleiner de brandpuntsafstand hoe groter de relatieve scherptediepte.

En dan hadden we nog Bokeh. Dit is (met nadruk) de onscherpte van die delen van de foto die geen onderwerp weergeven. Voor een 'mooi' bokeh is het van belang dat er zo min mogelijk storende details zichtbaar zijn in het gebied dat tegen de scherpte aanzit. Vervolgens wordt er waarde gehecht aan de vervorming (onscherpte) van de achtergrond. Deze wordt vooral bepaald door de constructie van het objectief en de uitvoering van het diafragma. In de bovenstaande plaatjes heb ik cirkels getekend als weergave van de vlek die je te zien zou krijgen op een foto. De vorm van die vlek is onder andere afhankelijk van de vorm van het gat. Als het gat rond is zal de vlek dat ook zijn. Als het gat vierkant is zal de vlek die vorm overnemen. In een goede bokeh zijn de details die onscherp in de achtergrond ziet niet storend van vorm, wat wil zeggen dat ze geen aandacht voor zich opeisen. Het lijkt dan ook voor de hand liggend om een zo groot mogelijk diafragma te kiezen om een mooi Bokeh te krijgen maar dat is een misvatting. Ten eerste heb je rekening te houden met de scherptediepte die nodig is om het onderwerp scherp af te beelden (bij een portret is dat van het puntje van de neus tot minimaal voorbij de oren) en ten tweede hebben objectieven vaak last van ongewenste vervormingen bij de grote lensopeningen. Bokeh is dus niet het gebruik van minimale scherptediepte maar de toepassing van scherptediepte als bijdrage aan het beeld.