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Wissen Wie funktionieren moderne AF-Antriebe in Objektiven?

Scharf soll ein Objektiv abbilden und schnell fokussieren. Neue Antriebstechniken versprechen immer höhere AF-Geschwindigkeiten bei weniger Lärm. Unser Wissensbeitrag erläutert den Weg vom Gleichstrom- über den Ultraschallantrieb zu neuen Linearmotoren.
Wie funktionieren moderne AF-Antriebe in Objektiven? © Canon

Neue Antriebe für Autofokusobjektive versprechen, präziser, schneller und leiser als bisher verwendete Verfahren zu sein. Die Vor- und Nachteile der von den verschiedenen Herstellern verwendeten Verfahren sowie ihre Gemeinsamkeiten bleiben dabei jedoch oft unklar.

In diesem Artikel erläutern wir die aktuell gängigen Antriebskonzepte sowie deren Vor- und Nachteile. In der zweiten Hälfte geht es um Linear- und Schrittmotoren, die aktuell bei spiegellosen System­kameras eingeführt werden.

Fokussiereinheit aus einem Makroobjektiv mit Autofokus © Dominic Groß
Fokussiereinheit aus einem Makroobjektiv mit Autofokus

Von der Dreh- zur Linearbewegung

Mit Ausnahme von Linearmotoren besteht das Prinzip zur Fokussierung eines Objektivs darin, dass die Drehbewegung des Fokusrings oder Motors durch eine Fokussiereinheit in eine lineare Bewegung der zu verschiebenden Linsenelemente umgesetzt wird.

Meist wird hierfür ein Tubus mit Steuerkurven verwendet, der die Linsenelemente bei Drehung des Tubus vor- und zurückbewegt. Mittlerweile eher selten ist ein Tubus, dessen Oberfläche mit einem Gewinde versehen ist.

Canon-Ring-USM Stator und Rotor © Canon
Canon-Ring-USM Stator und Rotor

Bei einem Autofokusobjektiv muss ein Motor die Drehbewegung erzeugen, hierfür werden üblicherweise Gleichstrommotoren oder Ultraschallmotoren verwendet.

Einige Hersteller haben lange Zeit die Autofokusmotoren direkt in die Kamera eingebaut. Der Nachteil dabei ist, dass der Motor nicht an die spezifischen Anforderungen des Objektivs angepasst werden kann. Zudem ist die Kupplung zwischen Objektiv und Motor eine Quelle für deutlich hörbare Geräusche.

Ratgeber: So funktionieren moderne Objektive

Aufgrund dieser Nachteile integrieren inzwischen alle Hersteller von digitalen Spiegelreflexkameras den Autofokusmotor in das Objektiv, allerdings haben Pentax und Sony nach wie vor viele Objektive ohne Motor im Programm.

Gleichstrommotor

Eine nach wie vor weit verbreitete Lösung ist die Integration eines Gleichstrommotors in das Objektiv. Hierbei werden meist Gleichstrommotoren mit eisenlosem Kern verwendet, die einen hohen Wirkungsgrad haben und schnell beschleunigen können.

Der größte Nachteil von Gleichstrommotoren ist, dass nur bei hohen Drehzahlen eine ausreichende Leistung zur Verfügung steht, um die Linsenelemente zu bewegen. Es muss also ein Getriebe zur Reduktion der Drehzahl und zur Erhöhung des Drehmoments eingesetzt werden.

Gleichstrommotoren haben einige Nachteile:

  • Die hohe Motordrehzahl in Kombination mit einem Getriebe führt zu einer deutlichen Geräuschentwicklung.
  • Insbesondere bei Objektiven mit schweren Linsenelementen und großen Stellwegen ist die Fokussierung eher langsam.
  • Der Autofokus muss erst abgeschaltet werden, bevor man manuell fokussieren kann.

Canon-Ultraschall-Mikromotoren © Canon
Canon-Ultraschall-Mikromotoren

Ultraschallmotor

Ein alternatives Antriebskonzept sind Ultraschallmotoren, die bei niedrigen Drehzahlen ein vergleichsweise hohes Drehmoment liefern können. Ultraschallmotoren verwenden Piezoelemente, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen. Durch diese Verformung und Reibung wird eine Bewegung erzeugt. Neben Ring- kommen auch Mikromotoren mit Ultraschalltechnik zum Einsatz.

Funktionsprinzip des Ringmotors: Piezoelemente erzeugen Im Stator eine Wanderwelle , die den Stator verformt. Seine Spitzen(P) beschreiben eine Ellipse und treiben durch Reibung den Rotor in die entgegengesetzte Richtung der Wellenausbreitung an.
Funktionsprinzip des Ringmotors: Piezoelemente erzeugen Im Stator eine Wanderwelle , die den Stator verformt. Seine Spitzen(P) beschreiben eine Ellipse und treiben durch Reibung den Rotor in die entgegengesetzte Richtung der Wellenausbreitung an.

Der Ringmotor besteht aus zwei Ringen, einem nicht bewegten Stator und einem Rotor, die einen ähnlichen Durchmesser wie das Objektiv haben. Der Stator wird durch Piezoelemente in Schwingung versetzt, hierdurch beschreiben die Spitzen des Stators eine elliptische Bewegung, die sich durch Reibung auf den Rotor überträgt. Die Frequenz, mit der der Stator schwingt, liegt dabei im Ultraschallbereich und ist somit nicht hörbar.

Der Ringmotor hat viele Vorteile gegenüber Gleichstrommotoren. Schon bei kleinen Drehzahlen (5 U/min) kann ein ausreichendes Drehmoment erzeugt werden, somit ist kein Getriebe nötig. Darüber hinaus ist der Motor präzise steuerbar, und die Bewegung der Linsenelemente kann schnell gestartet und gestoppt werden. Insgesamt ist damit sowohl eine hohe Autofokusgeschwindigkeit als auch eine gute Feineinstellung bei sehr geringer Geräuschentwicklung möglich.

Darüber hinaus ermöglicht beim Ringmotor ein einfacher Mechanismus, dass jederzeit manuell fokussiert werden kann. Die Steuerung eines Ringmotors ist jedoch relativ komplex und unter anderem stark tempe­raturabhängig. Nachteile des ringförmigen Ultraschallmotors sind die vergleichsweise hohen Kosten, zudem müsste für jeden Objektivdurchmesser ein neuer Motor konstruiert werden. Aus diesen Gründen werden meist nur hochwertige Objektive mit Ringmotoren ausgestattet.

Funktionsprinzip Canon-Mikro-USM: Ein mehrschichtiges Piezoelement erzeugt im Stator eine Schwingung. Seine Spitze wird so in kreisförmige Bewegung versetzt, die sich durch Reibung auf den Rotor überträgt. © Dominic Groß
Funktionsprinzip Canon-Mikro-USM: Ein mehrschichtiges Piezoelement erzeugt im Stator eine Schwingung. Seine Spitze wird so in kreisförmige Bewegung versetzt, die sich durch Reibung auf den Rotor überträgt.

Eine Abwandlung dieses Prinzips sind Ultraschall-Mikromotoren, die in preiswerteren Objektiven Verwendung finden. Sie sind häufig kleiner als vergleichbare Gleichstrommotoren und werden in den hinteren Teil des Objektivs integriert.

Während sich die Ringmotoren der Hersteller sehr ähnlich sind, unterscheiden sich die Mikromotoren zum Teil erheblich. Der Mikro-USM von Canon basiert, wie der Ringmotor, auf einer Wanderwelle. Tamrons PZD-Technik wird dagegen mittels einer stehenden Welle angetrieben.

Gut ausgelegte Ultraschall-Mikromotoren sind leiser als Gleichstrommotoren und bieten eine vergleichbare oder bessere Performance. Im Einzelfall muss dies nicht zutreffen, zum Beispiel wenn ein unterdimensionierter Ultraschall-Mikromotor verwendet wird, weil er kleiner als ein Gleichstrom­motor ist oder sich besser vermarkten lässt.

Im Vergleich zu Ringmotoren bieten Mikromotoren eine schlechterer Performance, zudem ist es meist nicht möglich, jederzeit manuell zu fokussieren. Ausnahmen sind Pentax-SDM-Objektive und das Canon 1,4/50 mm, bei dem diese Funktionalität über ein komplexes Differentialgetriebe realisiert ist.

Wer macht was?

Betrachtet man, welche Motoren die einzelnen Hersteller verwenden, ergibt sich ein uneinheitliches Bild. Bei einigen Herstellern sind Gleichstrommotoren ein Auslaufmodell, so hat Nikon keine Objektive mit Gleichstrommotor (AF-I) mehr im Program. Bei Canon und Sigma überwiegen Ultraschallmotoren deutlich, Gleichstrommotoren findet man hier vorrangig in älteren Objektiven.

Kaufberatung Nikon-System: Die Vollformatkameras D700,D800/E, D3x und D4

Pentax dagegen hat Ende 2010 das bisher einzige Objektiv mit integriertem Gleichstrommotor (DC) vorgestellt, daneben werden bei Olympus-Four-Thirds-Objektiven und in einigen Sony-Objektiven (SAM) Gleichstrommotoren verwendet. Zudem ha­ben Sony und Pentax weiterhin viele Objektive im Programm, die einen Gleichstrommotor innerhalb der Kamera verwenden.

Tamrons PZD (Piezodrive) verwendet eine Piezokeramik, die mit einer Metallspitze mit einem Rotor verbunden ist. Wenn die Piezokeramik in eine S-förmige Schwingung versetzt wird, beschreibt die Spitze eine elliptische Bewegung und treibt den Rotor an. Um die Drehrichtung umzukehren, wird die Schwingung gespiegelt © Dominic Groß
Tamrons PZD (Piezodrive) verwendet eine Piezokeramik, die mit einer Metallspitze mit einem Rotor verbunden ist. Wenn die Piezokeramik in eine S-förmige Schwingung versetzt wird, beschreibt die Spitze eine elliptische Bewegung und treibt den Rotor an. Um die Drehrichtung umzukehren, wird die Schwingung gespiegelt

Bei Ultraschallmotoren lassen die Herstellerangaben oft keine Unterscheidung zwischen Ring- und Mikromotor zu. Nikon (AF-S), Canon (USM) und Sigma (HSM) verkaufen unter der gleichen Bezeichnung sowohl Ring- als auch Mikromotoren. Pentax verwendet bei Objektiven mit der Bezeichnung SDM einen Ultraschall-Mikromotor, hier ist aber jederzeit eine manuelle Fokussierung möglich.

Tamron unterscheidet zwischen Ring- (USD) und Mikromotoren (PZD). Olympus (SWD) und Sony (SSM) scheinen diese Bezeichnung ausschließlich für Ringmotoren zu verwenden. Bei Panasonic lautet das Kürzel für Ultraschallmotoren auf den 4/3-Objektiven XSM, zum Beispiel beim Leica 14–150.

Zwischenfazit

Ringmotoren sind von den hier vorgestellten Ansätzen die beste Lösung, dies gilt besonders für große Teleobjektive, bei denen vergleichsweise schwere Linsengruppen bewegt werden müssen. Bei kleineren Objek­tiven können Mikromotorlösungen durchaus eine gute Performance erreichen. Gleichstrommotoren scheinen dagegen aufgrund ihrer prinzipbedingten Nachteile eher ein Auslaufmodell zu sein, da der Trend immer stärker zu einem möglichst leisen Autofokus geht.

Autofokusmotoren an spiegellosen Kamerasystemen

Die bisher behandelten Gleichstrom- und Ultraschallmotoren kommen vorrangig beim Autofokus von Spiegelreflex­systemen zum Einsatz. Bei spiegellosen Kamerasystemen setzen die Her­steller dagegen hauptsächlich Linearantriebe ein, die entweder mittels Schrittmotoren oder Linearmotoren realisiert werden – das klingt zunächst eigenartig, hängt aber mit dem völlig anders aufgebauten Autofokus von spiegellosen Kameras zusammen.

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Der Autofokus in Spiegelreflex­kameras beruht auf dem Prinzip der Phasenerkennung und erfasst mit der ersten Messung bereits den Grad der Defokussierung. Er gibt deswegen an den AF-Motor ein eindeutiges Signal, das im besten Fall direkt zur richtigen Fokussierung führt.

Spiegellose Systemkameras nutzen dagegen den Kontrastautofokus, der sich Schritt für Schritt an die optimale Einstellung herantastet: Dabei verändert das System die Fokussierung des Objektivs bis der gemessene Kontrast maximal ist. Dies bedingt, dass die Fokussierung in kleinen präzisen Schritten blitzschnell verstellt werden muss.

Ein weiterer Aspekt ist die zunehmende Bedeutung von Videofunktionen. Während das Objektiv für Fotos möglichst schnell fokussieren muss, ist es für Videos wichtig, dass der Autofokus möglichst leise arbeitet und die Fokussierung weich verstellt. Bei kompakten Objektiven für spiegellose Systeme ist drittens zudem der Platz für den Autofokusmotor oft begrenzt.

Die oben vorgestellten Gleichstrommotoren sind für alle drei Bedin­gun­­gen kaum geeignet. Ringförmige Ultraschall­motoren sollten prinzipiell alle An­forde­rungen erfüllen, werden aber mit Ausnahme von Samsung in deren SSA-(Super Sonic Actuator)-Objektiven nicht verwendet.

Der Hauptgrund dafür dürften wohl die vergleichsweise hohen Kosten sein. Die Mehrheit der Hersteller setzt auf Linearantriebe und verfolgt dabei zwei Ansätze: Schrittmotoren, die mittels eines Gewindetriebs eine lineare Bewegung erzeugen, und elektromagnetische Linearmotoren, die direkt eine lineare Bewegung erzeugen.

Schrittmotoren mit Gewindetrieb

Schrittmotoren können schon bei kleinen Drehzahlen ein hohes Drehmoment liefern und lösen damit eins der Hauptprobleme von Gleichstrommotoren. Nach wie vor wird aber eine Drehbewegung erzeugt, die in eine lineare Bewegung umgesetzt werden muss.

Dazu wird ein Gewindetrieb verwendet. Das Prinzip: Der Motor treibt eine Gewindestange an, auf der dadurch eine Mutter bewegt wird. Schrittmotoren erlauben es so, mit einer geringen Drehzahl und folglich leise zu arbeiten. Zudem benötigen Schrittmotoren für Positionieraufgaben bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Lasten keinen Positionssensor. Der Motor reagiert auf einen Eingangsimpuls mit einem definierten Schritt; so können einfach die Schritte des Motors gezählt werden.

Allerdings besteht die Möglichkeit, dass bei höheren Geschwindigkeiten und starken Beschleunigungen Schritte verloren gehen. Das ist bei Objektiven mit großen Stellwegen (z.B. Panasonic 4,0–5,6/45–200 mm OIS) relevant, da hier die Linsenelemente mit einer höhe­ren Geschwindigkeit verschoben werden müssen, um einen schnelle Fokussierung zu ermöglichen. Um Fehler zu verhindern, wird dann ein Winkelsensor am Motor eingesetzt.

Linearmotor als Direktantrieb

Der aktuellste Trend bei Autofokusmotoren sind sogenannte Voice-Coil-Motoren. Diese Linearmotoren erzeugen direkt eine lineare Bewegung und lassen sich gut in ein Objektiv integrieren. Dazu wird eine Spule an der zu bewegenden Linsengruppe befestigt und durch ein Magnetfeld geführt; erzeugt wird das Magnetfeld von einem Permanentmagneten. Fließt nun durch die Spule Strom, wird die Spule bzw. das Linsenelement durch die Lorentzkraft durch das Magnetfeld bewegt.

Bei diesem Motortyp ist also weder ein Gewindetrieb noch ein Getriebe nötig, wodurch nahezu alle Geräuschquellen eliminiert sind. Darüber hinaus zeichnen sich Voice-Coil-Motoren durch ein sehr gutes Ansprechverhalten und gute Regelbarkeit bezüglich Kraft und Position aus. Andererseits ist der Stellweg durch die Länge des Magneten begrenzt. Außerdem muss die Positionsregelung immer aktiv sein und die Linsengruppe in der gewünschten Position halten, während zum Beispiel ein Ultraschallmotor im ausgeschalteten Zustand seine Position hält.

Vor- und Nachteile

Schrittmotoren stellen im Vergleich zu klassischen Gleichstrommotoren einen deutlichen Fortschritt dar. Sie sind erheblich leiser und besser für neue Anwendungsgebiete geeignet. Linearmotoren sind, zusammen mit Ultraschall-Ringmotoren, die leiseste und schnellste der vorgestellten Lösungen.

Die Einsatzgebiete unterscheiden sich, zumindest momentan, aber sehr stark. Ultraschall-Ringmotoren spielen insbesondere bei großen, schweren Teleobjektiven ihre Vorteile aus, was immer noch eine Domäne von SLR-Kameras ist.

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Dagegen sind Linearmotoren eher für kleine Stellwege und Massen ausgelegt – das passt wiederum zu vielen Objektiven von System­kameras. Die manuelle Fokussierung wird sowohl beim Schrittmotor als auch beim Linearmotor elektronisch realisiert. Hierfür ist der Fokusring mit einem Sensor versehen, der Drehungen des Fokusrings erfasst und an die Regelung des Motors weitergibt.

Prinzipbedingt scheinen Linearmotoren im Vergleich zu Schrittmotoren der elegantere und bessere Ansatz zu sein. Ob sich die Vorteile in der Praxis bewähren, lässt sich aber erst abschließend beurteilen, wenn mehr Objektive mit Li­near­motoren verfügbar sind. Insbesondere stellt sich die Frage, wie gut Linearmotoren für Objektive mit größeren Stellwegen geeignet sind.

Momentan sind Schrittmotoren weiter verbreitet als Linearmotoren, die in Zukunft aber sicher häufiger verwendet werden. Fast alle Hersteller haben zumindest ein Objektiv mit Linearmotor im Angebot. Olympus und Panasonic verwenden bei Micro-Four-Thirds-Objektiven sowohl Schritt- als auch Linearmotoren.

Welcher Motor genau verwendet wird, lässt sich aus den Datenblättern entnehmen. Im Nikon-1-System werden Schrittmotoren mit dem Kürzel STM (Silent Stepping Motor) und Linearmotoren mit VCM (Voice Coil Motor) bezeichnet. Sigma verwendet bei seinen DN-Objektiven Linearmotoren. Samsung setzt sowohl Linear­motoren (VCM) als auch Ultraschallmotoren (SSA) ein. Sony- und Tamron-Objektive für die NEX-Reihe verwenden teilweise Schrittmotoren. Im Sony SEL 1,8/50 mm übernimmt jedoch ein Linear­ motor die Scharfstellung und ein Schritt­motor die Blendensteuerung.    

Abkürzungsverzeichnis

S=Schrittmotor; L=Linearmotor; U=Ultraschallmotor; D=Gleichstrommotor

Canon USM: Ultrasonic Motor (U)
Nikon SWM: Silent-Wave-Motor (U)
Nikon STM: Silent Stepping Motor (S)
Nikon VCM: Voice Coil Motor (L)
Olympus SWD: Supersonic Wave Drive (U)
Olympus MSC: Movie & Still compatible (S,L)
Panasonic XSM: Extra Silent Motor (U)
Pentax SDM: Supersonic Direct-drive Motor (U)
Pentax DC: Direct Current Motor (D)
Samsung SSA: Super Sonic Actuator (U)
Sigma HSM: Hypersonic Motor (U)
Sony SSM: Super Sonic Motor (U)
Sony SAM: Smooth Autofocus Motor (D)
Tamron USD: Ultrasonic Silent Drive (U)
Tamron PZD: Piezo Drive (U)

 
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