Autofocus, deel 2
Diafragmagetal en scherpstellen

Een diafragma is al een wonderlijk ding, maar het begrip diafragmawaarde gaat veel mensen echt boven de pet, en terecht; waarom kan het diafragma niet gewoon een getal van 1 tot 10, of 20 voor mijn part, zijn? Daar zijn twee redenen voor. De eerste is dat er een samenspel is tussen diafragma en sluitertijd, en dat samenspel is simpel. Samen vormen zij de belichting van de foto. Om nu een goede sluitertijd te kunnen kiezen is het makkelijk als de diafragmawaarden aan de sluitertijden zijn gekoppeld. Als we de sluitertijd twee keer zo groot maken, maar de belichting gelijk willen houden moet er een een lensopening zijn die twee keer zo klein is. Maar een lens is rond en dus is het niet simpel een kwestie van het halveren van de diameter. Het oppervlak van de lensopening is 1/4 πd2. Wat daarin vooral een rol speelt is dat kwadraat. We nemen een objectief met een brandpuntsafstand van 50mm en een lensopening 50mm. Dan is de diafragmawaarde gedefinieerd als 1 of, zoals we dat schrijven, f/1. Het oppervlak van de lensopening is derhalve 1963,5mm2. Als we dat door 2 delen om op een lensoppervlak te komen wat half zo groot is , oftewel 981,75 mm2, dan blijkt de diameter van dat lensoppervlak 35,35mm te zijn. De diafragmawaarde die daar bij hoort is 50/35,35 = 1,4 (om heel eerlijk te zijn zonder afrondingen: √2). Dus als we de sluitertijd willen verdubbelen moeten we het diafragma verkleinen naar de waarde 1,4. Tot zover redelijk eenvoudig. Lastiger wordt het als we de diafragmawaarde willen halveren van f/1,4 naar f/2,8. Voor het voorbeeld nemen we een sluitertijd van 1 milliseconden (een duizendste seconde: 1/1000 sec.)wat bij f/1 een goede belichting zou hebben gegeven. Bij f/1,4 konden we de tijd verdubbelen dus 2 milliseconden (een vijfhonderste seconde: 1/500 sec.) maar als we de diafragmawaarde verdubbelen naar f/2,8 wordt de sluitertijd 4x zo lang ofwel 8 milliseconden (een achtste seconde: 1/125 sec). In een tabelletje ziet het er zo uit.

1/1000	1/500	1/250	1/125	1/60	1/30	1/15	1/8	1/4	1/2	1
f/1	f/1,4	f/2	f/2,8	f/4	f/5,6	f/8	f/11	f/16	f/22	f/32

In dit lijstje is ieder keer een hele stap of 'stop' genomen die we kennen van mechanische camera's en objectieven. Met elektronische besturing van sluitertijd en diafragma kun je ook halve of eenderde stops probleemloos instellen. Om er wat mee te spelen heb ik een oude meetmethode uit de kast gehaald. Stel dat je het diafragmagetal (de grootste opening) van je objectief niet weet, zou je die dan kunnen bepalen? Een objectief bestaat uit een aantal lenzen in verschillende groepen en vaak hebben die lenzen dan ook nog verschillende diameters. Er is een methode waarmee de lichtsterkte van het objectief bij benadering kan worden vastgesteld. Daar heb je wel een analoge camera voor nodig. Als een objectief in focus is en de voorwerpsafstand is oneindig raken evenwijdige lijnen elkaar in één punt op het beeldvlak. Omgekeerd zal een enkel lichtpunt op het beeldvlak dus voor een evenwijdig uittredende lichtbundel uit het objectief moeten zorgen. Dat kunnen we realiseren door een kaartje met een klein gaatje op het filmvlak te plaatsen. De plek van het gaatje is niet heel belangrijk. Ergens in het midden is goed genoeg.

Als we nu met een lampje door dat gaatje schijnen krijgen we een projectie op een daarvoor geschikt oppervlak. Daarvoor stellen we het diafragma in op de maximale waarde (f/1,4 in dit geval) en de langste sluitertijd die we beschikbaar hebben (30 seconden) wat overigens geen ander doel heeft dan te zorgen dat de sluiter lang genoeg open blijft staan voor ons experiment.

De afstand van de camera tot het projectievlak is niet relevant aangezien we een evenwijdig uittredende bundel hebben. Uiteraard worden met het vergroten van de afstand ook de onnauwkeurigheden groter dus niet teveel is wel handig. Ik heb voor het gemak een afdruk van een meetlatje om op te projecteren en vervolgens is het een kwestie van lichtbundel en meetlatje samenbrengen.

Het is wel handig om er (met een andere camera) een foto van te maken aangezien dat makkelijker meet. De led van het lampje wordt netjes afgebeeld. Wellicht was de speldeprik iets te groot uitgevallen. Hoe dan ook; de vlek is 40mm in diameter en dus is het gemeten diafragmagetal 50mm/40mm = 1,25. Niet slecht voor een beetje knutselen.

Voor verificatie moeten we ook maar even een ander objectief proberen en daarvoor ga ik voor een standaardzoom op 105mm en het diafragma f/4,5. Ik heb meteen ook een nieuw kaartje gemaakt met een nauwkeuriger gaatje.

De uitkomst is 105 / 24 = f/4,4. Niet slecht.
We hebben al vastgesteld dat het autofocussysteem contrastovergangen zoekt als grond voor scherpte. In een wazig plaatje bevinden zich geen scherpe contrastovergangen. De camera zet de scherpstelmotor in gang en zodra een AF-sensor een scherpe overgang signaleert komt de motor tot stilstand. Aan de hand van een aantal foto's bekijken we hoe dat werkt, en vooral hoe dat dus niet werkt.

We hebben een aardig stilleven, fles op tafel, wijnglas een stukje achter de fles, mooie diepe achtergrond met (iets teveel) detail en de luxe van een vlieg op de kurk van de fles. Alle ingrediënten om de camera te laten doen waar hij kennelijk goed in is. De camera koos zelf de autofocuspunten voor deze opname. Gelukkig hebben we EXIF-informatie dus kunnen we laten zien welke AF-punten door de camera werden gekozen.

En ja, zoals verwacht zat er geen enkel autofocuspunt op de juiste plek voor het gewenste resultaat, met uitzondering van de onderste die met de C van 'Alsace' toch een resultaat boekte, maar vreemd genoeg had de sensor ernaast ook een 'lock' en daar lijkt heel weinig te zien dat op contrast duidt. Helaas was het gebruikte diafragma ook niet voldoende om ook de vlieg scherp te krijgen. Je zou kunnen zeggen dat het mijn fout was maar je weet hoe dat gaat (of niet en dan kom je er vanzelf wel een keer achter) Als je eerst je camera netjes instelt en je mikt daarna pas is de vlieg gevlogen. Dus je schiet eerst het plaatje en als de vlieg blijft zitten kun je aan een betere poging beginnen. Gelukkig was de vlieg erg begaan met de kurk en dus had ik de mogelijkheid voor nog wat meer foto's.

Krijg nou wat! Alle contrastovergangen precies gemist, evenals het onderwerp. Maar vreemd genoeg levert het een scherpe vlieg en een nette scherptediepte over de kurk op. (Een beetje teveel vignettering naar de hoeken maar daar is wel wat aan te doen) Wat je van autofocus verwacht is echter niet gelukt. Het laat vooral zien dat het nog niet eenvoudig is om autofocus te laten werken.
Om te doorgronden wat er gebeurd is het belangrijk om eerst te begrijpen dat de focusvelden die je in de zoeker ziet niet de focus velden zijn die de camera gebruikt.

De vlakjes die je in de zoeker ziet zijn verwerkt in het matglas (blauw) terwijl de AF-sensoren zelf in de bodem van de camera zitten (groen). Zij hebben ook niet precies dezelfde afmeting, noch kun je er van op aan dat ze precies midden in dat veld zitten.

Op de foto zie je de 5 sensorvlakjes van een Canon EOS 5. De scherpstelvlakjes worden tegenwoordig ook wel geprojecteerd.
Om te begrijpen waarom de camera scherp stelt terwijl de focuspunten geen contrast en /of onderwerp raken moeten we weer even terug naar de verschillende meetmethoden. De eerste was contrast-detectie. Hierbij wordt er door een rijtje sensoren over een gedefinieerd gebied het contrast gemeten. Door de afstandsinstelling van het objectief te veranderen wordt ook het verschil in helderheid van de cellen van de focussensor anders. Bij het grootste verschil is het plaatje op zijn scherpst.

In de strookjes onder de foto zie je wat één enkele sensor waarneemt (strookje van 2x22 pixels uit de foto). In het rechterstrookje zie je duidelijk balken in donkergrijs. Merk op dat de sensor niet kleurgevoelig is en dus niet merkt dat dit een overgang is tussen het blauw van de jas en het groen van het riet. De strepen zijn vooral contrastverschillen in het blauw van de jas. Het grote nadeel van contrastdetectie is dat het systeem niet weet hoe de scherpte verloopt. In feite moet de autofocus het hele scherpstelgebied af om te kijken waar zich het hoogste contrast bevindt. Je kunt je voorstellen dat dat niet erg efficiënt is.
Met fase-detectie wordt gebruik gemaakt van een verschijnsel dat we hebben gezien bij het scherpstellen. Een punt op het voorwerp wordt door de lens verstrooid tot een vlek omdat er in feite heel veel varianten van het beeld over elkaar gelegd worden maar net niet netjes op elkaar. Bij fase-detectie bestaat een AF-sensor uit twee rijtjes sensoren waarbij het ene rijtje het beeld bekijkt via de linkerkant van het objectief en de andere via de rechterkant. Beide rijtjes zien dus een scherp beeld maar bij onscherpte niet precies hetzelfde. Als beide rijtjes wel hetzelfde beeld zien is wordt het ook scherp weergegeven op de beeldsensor.

Dat ziet er ongeveer uit zoals hierboven. We nemen weer hetzelfde stukje beeld waar we in de contrast-detectie ook van uit zijn gegaan maar dan twee keer zo lang. Ik heb het contrast voor het gemak deze keer wat opgeschroefd. Denk even terug aan de gaatjescamera. Omdat we met individuele cellen te maken hebben 'zien' zij altijd een scherp beeld. Bij fase-detectie bestaat de AF-sensor (het rode kader) uit twee rijtjes sensoren die naar hetzelfde beeld kijken maar via een andere weg. Het ene rijtje 'kijkt' via de linkerkant van de lens en de andere via de rechter. Naarmate het beeld meer in focus komt wordt komt het beeld op beide sensoren meer overeen. Een groot voordeel is dat door te vergelijken de camera een voorspelling kan doen over hoe scherp het beeld is en in welke richting het bijgesteld moet worden. Dit wordt namelijk bepaald door de afstand tussen de blauwe pijltjes die dezelfde plek van het beeld markeren. Om scherp te stellen hoeft de autofocus alleen deze afstand maar tot nul te verkleinen. Je kunt je voorstellen dat, als de mate van onscherpte en de richting waarin scherp gesteld moet worden bekend is, het systeem veel sneller kan focussen. Bij deze methode komt wel veel meer rekenwerk kijken. Een ander nadeel is dat er voor een goede meting een voldoende groot diafragmagetal nodig is omdat de sensors anders tegen de binnenkant van het objectief kijken. De camera meet altijd bij maximaal diafragma dus het ingestelde diafragma doet er niet toe maar de lichtsterkte van het objectief wel. De fabrikanten hebben dit probleem erkend en rusten hun camera’s uit met sensoren die met verschillende hoeken werken zodat er altijd AF-sensoren zijn die scherp kunnen stellen. Maar sensoren met een kleinere hoek “zien” minder nauwkeurig dan sensoren met een grote hoek.