Ratgeber

Bildstabilisierung

Bildstabilisatoren sind wirksame Mittel gegen verwackelte Bilder. Nach den ins Objektiv integrierten Lösungen kommen nun immer mehr sensorbasierte Systeme. Dieser Beitrag basiert auf den Patentmeldungen der Firmen.

Aufmacher

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Bei langen Belichtungszeiten hat auch eine ruhige Hand keine Chance  - soll das Motiv unverwackelt in den Kasten, muss ein Stativ her. Es sei denn die Kamera verfügt über einen der modernen Bildstabilisatoren, die gegenüber unstabilisierten Systemen zwei- bis dreimal so lange Belichtungszeiten ermöglichen, ohne dass die Aufnahme verwackelt. Bei den klassischen, ins Objektiv integrierten Systemen, verschieben Stellmotoren eine Linse, damit das Bild auf dem Film oder Bildsensor trotz wackelnder Kamera unbewegt bleibt. Seit einigen Jahren kommen immer mehr Lösungen, die den Sensor selber verschieben. Ende 2003 stellte Minolta den ersten beweglichen Sensor zur Bildstabilisierung vor. Nun gibt es Ähnliches von Ricoh, Pentax und Sony. Im SLR-Bereich hat der bewegliche Sensor einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Objektivlösung, denn der Sensortrick funktioniert mit jedem Objektiv und muss nur einmal bezahlt werden.

Linsenelement

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(a) Durch Wackeln werden unterschiedliche Teile des Bilds (1) und (2) auf den gleichen Punkt abgebildet bzw. der gleiche Teil des Bilds (3) auf unterschiedliche Punkte (nachträglich) eingefügt. (b) Ein bewegliches Linsenelement kann dem entgegenwirken.

Bildstabilisator im ObjektivEine unruhige Hand führt zu vielfältigen Kamerabewegungen, die sich grob in Verschiebungen und Drehbewegungen einteilen lassen. Die heute üblichen Systeme erkennen jedoch nur die Drehbewegungen. Für Verschiebungen wären andere Bewegungssensoren nötig, die derzeit niemand einsetzt. Da die Bildstabilisatoren trotz dieser Beschränkung gute Ergebnisse liefern, scheinen Verschiebungen das kleinere Problem zu sein. Eine Ausnahme sind  Makroaufnahmen, bei denen Verschiebungen eine größere Rolle spielen und die Bildstabilisatoren deswegen nur wenig helfen.

Bei eingeschaltetem Bildstabilisator erfassen Rotationssensoren das Wackeln und messen die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung. Anschließend steuern Motoren die Linse gegen, damit das Bild unbewegt bleibt. Bei kleinen Winkeln ist der Unterschied zwischen Neigung/Drehbewegung und dem Ausgleich durch Verschiebung des Bildes auf dem Sensor der Kamera vernachlässigbar. Das im Objektiv integrierte System ist erprobt und auch bei härterem Einsatz vergleichsweise unempfindlich.

Bewegter SensorNeuere Systeme bewegen nicht die Linse, sondern den Sensor aus der optischen Achse und erreichen so einen ähnlichen Kompensationseffekt. Die Sensorbewegung ist allerdings teilweise aufwendiger zu steuern und bei langen Brennweiten im Moment oft weniger effektiv als im Objektiv integrierte Lösungen: Der mögliche  Stellweg des Bildsensors ist unabhängig von den Brennweiten immer gleich. Bei der beweglichen Linse in einem Zoom trifft dies zwar auch zu, doch führt die Abbildung auf dem Sensor bei der langen Brennweite zu einer größeren effektiven Auslenkung als bei kurzen Brennweiten.

Minolta AntishakeMinolta hat als erste Firma eine sensorbasierte Lösung zur Serienreife entwickelt und nach der Fusion mit Konica in Kameras eingebaut. Beim Antishake-System verschieben piezoelektronische Aktoren die Antishake-Einheit - die den Bildsensor beinhaltet - in der Bildebene und gleichen so Wackler aus (vgl. US Patent Application 20060056829, 20050258822). Die Aktoren wirken dabei nicht direkt auf den Sensor, hierzu sind die Stellwege zu gering, sondern auf ein mechanisches System, das die Sensorplattform verschiebt (s. Kasten). Diese Technik heißt bei Sony ab sofort Super Steady Shot - eine etwas verwirrende Bezeichnung. In der neuen Alpha 100 steht Super Steady Shot für den beweglichen CCD. In den Kompaktkameras bietet Sony ebenfalls Super Steady Shot genannte Bildstabilisatoren an, doch handelt es sich dort um bewegliche Linsen. So ist Sony der einzige Hersteller, der beide Lösungen nutzt - allerdings mit gleichem Namen. 

Aufbau Minolta Antishake

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Der prinzipielle Aufbau von Minoltas Antishake: Bildsensor (20) und Piezoaktoren (3a) zur Korrektur von Drehungen um die Y-Achse der Kamera.

Die Informationen zur Bewegung der Kamera stammen, wie bei stabilisierten Objektiven, aus Bewegungssensoren, die die Rotationen der Kamera messen. Diese werden über einen gewissen Zeitraum betrachtet, um zu einer Abschätzung der Kamerabewegung zu gelangen und dann mit weiteren Informationen, wie der Brennweite des Objektivs verrechnet. So kann die Elektronik feststellen, wie weit die Sensoreinheit nach außen bewegt werden muss, damit das Bild unverwackelt bleibt. Mithilfe von magnetischen Sensoren (Hallsensoren) wird zudem die aktuelle Position der Sensoreinheit ermittelt. Diese Information ist wichtig, um die Kraft zu berechnen, die nötig ist, um die Plattform in die korrekte Position zu bewegen.

Sensor Minolta

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Minolta befestigt das zu bewegenden Teil (4a), also den Sensor, an einem Stab (32). Den Stab bewegt ein mehrlagiges Piezoelement (31), das an einer Seite befestigt ist (33). Bei einer vergleichsweise langsamen Bewegung des Stabs wird nun durch Reibung das Teil 4a verschoben, bis das Piezoelement seine maximale Auslenkung erreicht hat (b). Danach wird es sehr schnell zurückgezogen, um die Reibung zu überwinden, dabei verbleibt 4a nahezu in seiner Position (c) und der Aktor kann es erneut durch langsamere Bewegung weiter verschieben.

Minolta verbaut gestapelte Piezoaktoren, um die nötigen Stellwege mit den kleinen Bewegungsspielräumen von Piezokeramik zu erreichen: Doch auch ein 10 mm langes, aus mehreren Einzelaktoren bestehendes Piezo-Element ermöglicht nur eine Verschiebung um die 1,5 µm. Der maximale Korrekturweg bei einer SLR-Kamera dürfte jedoch bei 0,5 bis 1 mm liegen. Noch größere Verschiebewege bis fast 10 mm, wie man sie manchmal in der Literatur findet, dürften dagegen unrealistisch sein, wie auch die unten stehende Abschätzung zeigt. In jedem Fall machen jedoch auch 0,5 mm eine Verstärkung des Piezoeffekts notwendig. Ein solches Wegvergrößerungssystem besteht meistens aus mechanischen Elementen wie Hebeln oder Stoßstangen, die eine starke Vergrößerung des Stellwegs bewirken. Da Piezoaktoren sehr hohe Kräfte aufbauen können, ist eine mechanische Wegvergrößerung sehr gut umsetzbar. Das Prinzip der Minolta-"Stoßstangen" erläutert die Zeichnung oben.

Ricoh AntishakeIn nur wenigen Kameras, wie der R3 und R4, bringt Ricoh sein System (US 20020163581) zum Einsatz, das ebenfalls auf Piezoaktoren basiert. Wie Minolta verbaut auch Ricoh Piezoaktoren, die aus mehreren gestapelten Schichten bestehen, um bei einer angemessenen Betriebsspannung die nötigen Stellwege zu erreichen. Auch Ricoh muss allerdings die Stellwege mechanisch noch weiter vergrößern. Ricoh verwendet Stapelaktoren, die sich seitlich neben dem Sensor bewegen: An beiden Seiten des Aktors sind elastische Plättchen eingespannt. Wenn sich das Piezoelement zusammenzieht oder ausdehnt, bewegt das Plättchen den Sensor und vergrößert die Bewegung. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise mit wenig Teilen.

Darüberhinaus enthält die Patentanmeldung auch zwei weitere interessante Einsatzgebiete eines beweglichen Sensors: Zum einen erwägt Ricoh bei verschiedenen Sensorpositionen in schneller Folge Fotos zu machen und diese zu einem Bild mit hoher Auflösung zu kombinieren. Zum anderen könnte der Sensor über den "Piezo-Antrieb" während der Belichtung mit einer passenden Frequenz schwingen, um die Wirkung eines Anti-Aliasing-Filters zu erzielen.

Bewegung Kamera

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Wackeln als Drehung um die Kameraachsen: Die nachträglich eingefügten Winkel θ1 und θ2 geben die Veränderung der Lage an.

Pentax Shake ReductionVor kurzem hat auch Pentax ein entsprechendes System mit dem Namen ShakeReduction vorgestellt (US Patent Application 20050168584). Wiederum sitzt der Sensor auf einer beweglichen Plattform, auf der sich diesmal zudem Elektromagneten befinden. Die Plattform ist auf Kugeln gelagert. Allerdings werden die Elektromagneten bei Pentax nicht nur zur Positionsbestimmung, sondern auch zum Bewegen der Plattform benutzt. Auf der Grundplatte, auf der die bewegliche Plattform mit dem CCD lagert, sind dazu Permanentmagneten angebracht. Der Aufbau mit Elektromagneten dürfte schwieriger zu steuern sein als der mit den Piezoaktoren. Allerdings ist die Lösung von Pentax das einfachere System. Sie dürfte weniger fehleranfällig und günstiger in der Produktion sein.Alle vier Varianten funktionieren. Welches System besser arbeitet, lässt sich aber momentan nicht exakt beurteilen. Unser Labor Image Engineering arbeitet zur Zeit an einem Testverfahren, das die Effektivität von Bildstabilisierungssytemen quantitativ bestimmen wird.

Schematische Darstellung

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Durch Veränderungen des elektrischen Felds um die Flüssigkeiten kann die Flüssiglinse asymmetrisch verformt werden und so Wackeln effektiv korrigieren.

Vor- und NachteileEiner der Gründe für die Entwicklung von Systemen, die die Sensoren verschieben, waren wohl die zahlreichen Patente der Konkurrenten für Objektive. Bei digitalen Spiegelreflexkameras bieten die sensorbasierten Lösungen zudem einen entscheidenden Vorteil gegenüber objektivbasierten Lösungen: Die Stabilisierung funktioniert ohne große Mehrkosten für den Kunden mit jedem Objektiv.

Dem stehen aber auch ein paar Nachteile gegenüber: So wird das Sucherbild und der Autofokus nicht stabilisiert. Ein weiteres Problem, über das man bisher wenig weiß, ist die Lebensdauer  solcher Systeme. Bei einer Minolta A1 der Redaktion ist bei durchschnittlicher Benutzung nach ca. 2 Jahren das Antishake ausgefallen. Dies ist natürlich nicht repräsentativ und auch nicht unbedingt besorgniserregend, doch halten stabilisierte Objektiv auch bei harten Profieinsatz länger durch.Da beim Sensor-Antishake eine ganze Plattform mit dem Sensor teils recht weit verschoben werden muss, wirken meist größere Kräfte auf die Mechanik als bei Objektiven, in denen nur eine Linse bewegt wird. Insbesondere bei den großen SLR-Sensoren dürften die Kräfte nochmals um einiges höher sein als bei der A1.

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