Autofokus

Für den Autofokus werden die gleichen Hardwarekomponenten eingesetzt wie für die Bildverarbeitung. Beim Verfahren des Sensors entlang der optischen Achse wird nur in einer Position eine scharfe Abbildung erzeugt. Ist der Sensor defokussiert, entstehen unscharfe Bilder. Als Kenngröße für den Schärfezustand eines Bildes kann der Kontrast verwendet werden. Wird der Sensor in Richtung seiner optischen Achse in einem Bereich bewegt, innerhalb dessen die Objektebene liegt, so wird der Kontrastwert sein Maximum erreichen, wenn die Fokusebene mit der Objektebene übereinstimmt. Aus dieser Sensorposition lässt sich die Lage des Punkts auf der Oberfläche bestimmen (Abb. 14a). Auf diesen Punkt kann danach durch Positionieren scharf gestellt werden.

Abb. 14: Autofokus mit beweglicher und fester Optik: a) Bewegung im Fokusbereich Z1 bis Z2; b) Feste Anordnung von drei Sensoren S1, S2 und S3 in verschiedenen Ebenen.

Die Empfindlichkeit des beschriebenen Verfahrens wird primär davon beeinflusst, wie groß der Bereich entlang der optischen Achse ist, der von dem verwendeten Objektiv scheinbar scharf dargestellt wird. Dieser auch als Schärfentiefe bezeichnete Bereich hängt direkt von der Auflösung bzw. der verwendeten numerischen Apertur des Objektivs ab. Je größer die numerische Apertur, desto geringer ist die Schärfentiefe und desto genauer ist die mit dem Autofokus realisierte Messung. Bei üblichen Objektiven erhält man die günstigsten Ergebnisse mit hohen Vergrößerungen.
Der Nachteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass zum Fokussieren ein gewisser Bereich entlang der optischen Achse durchfahren werden muss. Um hohe Genauigkeiten zu erreichen, sind dafür einige Sekunden pro Messpunkt erforderlich. Dieser Zeitbedarf steht im Gegensatz zu den sehr hohen Messgeschwindigkeiten optischer Sensoren. So wertet eine Bildverarbeitung einige Tausend Punkte pro Sekunde aus.
Eine schnellere Abstandsmessung gestattet ein Autofokusverfahren mithilfe von drei an verschiedenen Positionen im Abbildungsstrahlengang fest montierten und zu einer Kamera zusammengefassten Sensorchips (Abb. 14b). Anders als beim oben beschriebenen Autofokusverfahren sind jeweils drei Stützpunkte der Kontrast-Weg-Kennlinie gleichzeitig ermittelbar. Die Errechnung der Kontrastkurve erfolgt auf der Basis der Stützpunkte und ihres bekannten prinzipiellen Verlaufs. Die Messfrequenz dieses Verfahrens ist somit nur durch die Bildwiederholfrequenz der Bildverarbeitungseinheit begrenzt (einige zehn Punkte pro Sekunde).