Die Erfindung betrifft eine Kamera zur Erzeugung digitaler Bilder.
In den letzten Jahren hat die Verbreitung von digitalen Kameras zugenommen.
Eine digitale Kamera hat einen Bildsensor, der in der Lage ist, Lichtstrahlen aufzunehmen
und in elektrische Signale umzuwandeln. Beispiele für einen Bildsensor sind
„charged coupled device” (CCD) Halbleiterdetektoren oder „complementary
metal oxide semiconductor” (CMOS) Bausteine. Eine Verarbeitung der elektrischen
Signale erlaubt eine Darstellung der aufgenommenen Lichtstrahlen in Form von elektronischen
Daten. Falls ein Bild auf eine lichtempfindliche Schicht des Bildsensors abgebildet
wird, läßt sich das Bild zum Beispiel in einer elektronischen Datei speichern.
Die elektronische Datei kann ein Standardformat haben, so dass sich die elektronische
Datei zum Beispiel auf einen Computer übertragen läßt und und mit
einem geeigneten Programm auf einem Monitor anzeigen läßt.
Die digitale Kamera umfasst ein Objektiv, das ein Bild erzeugt. Ein
Bildbereich ist scharf fokussiert auf den Bildsensor, wenn der Bildbereich nach
der Verarbeitung in einer Darstellung scharf erkennbar ist. Eine scharfe Erkennbarkeit
hängt von den Anforderungen an die Darstellung ab und wird beeinflusst von
weiteren Eigenschaften des gesamten optischen Systems wie zum Beispiel der Auflösung
des Bildsensors. Entsprechend der Anforderungen ergibt sich ein Schärfekörper,
der eine Schärfeebene beinhaltet. Gegenstände, die sich innerhalb des
Schärfekörpers befinden, lassen sich von dem Objektiv scharf auf den Bildsensor
abbilden, das heisst, dass das Bild der Gegenstände scharf auf den Bildsensor
fokussiert ist. Ist die Längsachse des Objektivs rechtwinklig, das heisst orthogonal,
zum Bildsensor, dann ist die Schärfeebene auch rechtwinklig zur Langsachse
und damit parallel zum Bildsensor. Dies ist der Fall bei der Mehrzahl der digitalen
Kameras. In bestimmten Situationen ist eine Schärfeebene, die nicht rechtwinklig
zur Längsachse des Objektivs ist, wünschenswert. Bei Kameras mit einem
Tilt-Objektiv ist das Objektiv verschwenkbar und eine gegenüber der Längsachse
geneigte Schärfeebene wird erreicht. Derartige Tilt-Objektive sind mechanisch
anspruchsvoll und aufwändig in der Herstellung. Es sind Spezialobjektive, die
nur in wenigen Festbrennweiten angeboten werden. Darüberhinaus ist eine scharfe
Fokussierung eines grossen Bildbereichs aufgrund fehlender Kontrollmöglichkeiten
der Schärfe und automatischer Einstellbarkeit schwierig. Weiterhin gibt es
Grossformat-Kameras, die einen beweglichen Mittelteil besitzen. Der bewegliche Mittelteil
erlaubt auch eine Verschwenkung von Standardobjektiven. Derartige Grossformat-Kameras
sind mechanisch ebenfalls sehr anspruchsvoll, aufwändig in der Herstellung
und kompliziert in der Handhabung. Eine scharfe Fokussierung ist möglich, aber
sehr aufwändig. Die Patentschrift mit Nummer DE
698 20 871 T2 offenbart eine digitale Kamera mit einem verschwenkbaren
Sensor, der automatisch entsprechend einer geneigten Objektebene ausgerichtet wird.
Die Offenlegungsschrift mit Nummer DE 101
32 624 A1 offenbart eine Kamera mit einem Mehrpunkt-Autofokussystem, das
für mehrere Erfassungszonen einen Defokusbetrag berechnen kann. Wenn ein Defokusbetrag
für eine gewählte Erfassungszone nicht gültig ist, kann eine weitere
Erfassungszone ermittelt werden, für die ein gültiger Defokusbetrag ermittelbar
ist. Die Offenlegungsschrift mit Nummer DE
196 37 629 A1 offenbart eine Kamera mit einem Bildsensor, der verschwenkbar
ist und in drei Dimensionen verschiebbar ist. Verschiedene Gegenstandspunkte können
manuell scharf gestellt werden und entsprechende Werte können über eine
Tastatur in einen Rechner eingegeben werden zur Ermittlung von Einstellungsparametern.
Mit der Erfindung wird eine flexible digitale Kamera angestrebt, mit
der die Schärfeebene gegenüber der Längsachse des Objektivs neigbar
ist.
Entsprechend der Anforderung wird in Anspruch 1 eine digitale Kamera
offenbart. Die offenbarte digitale Kamera hat einen gegenüber der Längsachse
des Obkjektivs verschwenkbaren Bildsensor. Eine Verschwenkung des Bildsensors führt
zu einer angestrebten Neigung der Schärfeebene gegenüber der Längsachse
des Objektivs. Die offenbarte Kamera ist flexibel, da sie mit Standarobjektiven
verwendet werden kann und einfach in der Handhabung ist. Weiterhin ist die offenbarte
digitale Kamera robust, weil interne Komponenten verschwenkbar sind. Die offenbarte
digitale Kamera lässt sich herstellen, ohne dass die Ausmaße oder das
Gewicht stark zunehmen gegenüber einer konventionellen digitalen Kamera ohne
die offenbarten erfinderischen Merkmale.
Weiterhin ist die offenbarte digitale Kamera ist kostengünstig
herzustellen. Ausstattungsmerkmale, die bei einer konventionellen digitalen Kamera
handelsüblich sind, lassen sich auch auf die offenbarte digitale Kamera übertragen.
In den folgenden Ansprüchen, die von Anspruch 1 abhängig
sind, werden weitere vorteilshafte Ausführungsformen der digitalen Kamera offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine beispielhafte digitale
Kamera mit einem verschwenkten Bildsensor und einer entsprechend geneigten Schärfeebene
dar.
2A ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform
eines Bewegungselements.
2B ist eine Seitenansicht
auf die Ausführungsform eines Bewegungselements.
3A ist eine Aufsicht auf eine weitere
Ausführungsform eines Bewegungselements.
3B ist eine Seitenansicht auf die weitere
Ausführungsform eines Bewegungselements.
4 ist eine beispielhafte digitale Kamera
mit einer Darstellung eins Bildes mit gekennzeichneten Autofokusbereichen.
5 ist eine beispielhafte digitale Kamera
mit einer Darstellung eines Kontrollbereichs.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine beispielhafte digitale
Kamera 100 mit einem verschwenkten Bildsensor 120 und einer entsprechend
geneigten Schärfeebene 206 dar. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht.
Die digitale Kamera 100 ist geeignet zur Erzeugung von digitalen Bildern
mit dem Bildsensor 120, der dazu geeignet ist, ein Bild, das von einem
Objektiv 110 erzeugt wird, in elektrische Signale umzuwandeln. Der Bildsensor
ist auf einem Bewegungselement mit einem steuerbaren Antrieb angebracht, wobei das
Bewegungselement den Bildsensor verschwenkbar macht, so dass ein Winkel zwischen
einer Achse 112 des Objektivs und einer Ebene 122 des Bildsensors
veränderbar ist. Das Bewegungselement umfasst den steuerbaren Antrieb und ist
steuerbar über den Antrieb.
Eine Steuerung des Bewegungselements über den Antrieb kann zum
Beispiel über elektrische Signale an den Antrieb oder das Bewegungselement
erfolgen. Das Bewegungselement kann zum Beispiel die elektrischen Signale umsetzen,
so dass sie zu der Steuerung des Antriebes geeignet sind. Die elektrischen Signale
können über den steuerbaren Antrieb eine mechanischen Bewegung des Bewegungselements
bewirken, die zu einer entsprechenden erwünschten Verschwenkung des Bildsensor
führen. Die Achse 112 des Objektivs ist die Längsachse des Objektivs.
Die geneigte Schärfeebene 206 und die Ebene 122 des Bildsensor
treffen sich in einer Linie, die in 1 als ein Punkt
dargestellt ist. In der Linie trifft sich nach dem Scheimpflugprinzip auch eine
Objektivebene, die rechtwinklig zur Achse 112 des Objektivs ist. Die Linie
wird auch als Scheimpfluglinie bezeichnet. Bei einem unverschwenkten Bildsensor,
das heisst, einem Bildsensor der rechtwinklig zur Achse 112 des Objektivs
ist, ist die Schärfeebene 206 parallel zur Ebene 122 des
Bildsensors und man kann sagen, dass die Scheimpfluglinie unendlich weit entfernt
liegt. Ein Öffnungswinkel des Objektivs wird durch eine obere Öffnungslinie
114 und eine untere Öffnungslinie 116 dargestellt. Das Objektiv
erzeugt ein Bild von Gegenständen innerhalb des Öffnungswinkels. Demensprechend
erzeugt das Objektiv ein Bild von einem nahen Gegenstand 202 und einem
weit entfernten Gegenstand 204. Der nahe Gegenstand 202 ist zum
Beispiel ein Ball in 2 Meter Entfernung und der entfernte Gegenstand 204
ist zum Beispiel eine Bergkette in 5000 Meter Entfernung. Die Schärfeebene
schneidet den nahen Gegenstand 202 und den entfernten Gegenstand
204. Bei einer entsprechenden Öffnung der Blende ergibt sich ein Schärfekörper,
in dem der nahe Gegenstand und der entfernte Gegenstand liegt. Bei der entsprechenden
Öffnung der Blende lassen sich also der nahe und der entfernte Gegenstand scharf
fokussieren. Mit einem unverschwenkten Bildsensor läßt sich eine derartige
Fokussierung nicht erreichen und der nahe Gegenstand und der entfernte Gegenstand
lassen sich nur mit einer verminderten Bildqualität durch starkes Abblenden
abbilden. Für das genannte Beispiel der 5000 Meter entfernten Bergkette und
dem 2 Meter entfernten Ball kann mit der Linsengleichung, auch Formel für dünne
Linsen genannt, eine ungefähre Verschwenkung für einen Bildsensor berechnet
werden. Die Linsengleichung lautet: die Summe von Kehrwert vom Objektabstand zur
Linse und von Kehrwert vom Bildabstand zur Linse ist gleich dem Kehrwert der Brennweite
der Linse. Bei zum Beispiel einer Brennweite des Objektivs von 20 Millimetern und
einem Abstand zwischen dem Bild des nahen Gegenstandes und des entfernten Gegenstandes
von 10 Millimetern auf dem Bildsensor ergibt sich eine Verschwenkung von ungefähr
1.1 Grad gegenüber einem rechtwinkligen Bildsensor. Die digitale Kamera
100 kann zum Beispiel eine digitale Spiegelreflexkamera, eine digitale
Sucherkamera, eine Digitalkamera ohne optischen Sucher, oder eine Kamera mit einem
digitalen Rückteil sein. Das Objektiv kann zum Beispiel ein Objektiv mit Festbrennweite
oder ein Zoomobjektiv sein. Das Objektiv kann auch ein Makroobjektiv sein und bei
einer Makroaufnahme kann ein Entfernungsunterschied zwischen einem nahen und einem
entfernten Gegenstand wenige Zentimeter betragen.
2A ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform
eines Bewegungselements. Der Antrieb des Bewegungselementes besteht aus Einheiten
132, 134, 136. Der Bildsensor 120 ist auf eine
Plattform aufgebracht und die Einheiten verbinden die Plattform mit einer Rückwand
102 einer digitalen Kamera. Die Plattform ist ein Teil des Bewegungselementes.
Die Einheiten 132, 134, 136 können flexibel an der
Plattform angebracht sein, so dass die Winkel zwischen den Einheiten und er Plattform
veränderlich ist. Die Einheiten können auch flexibel an der Rückwand
angebracht sein. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine größere
oder kleinere Zahl von Einheiten vorkommen. Weiterhin gibt es eine Ausführungsformen,
die eine Verschwenkung des Bildsensors nur in eine Richtung ermöglichen. Derartige
Ausführungsformen lassen sich auch mit einer Einheit und zum
•Beispiel mit einem Gelenk erreichen.
2B ist eine Seitenansicht auf die Ausführungsform
des Bewegungselements. Die Seitenansicht ist derartig, dass die Einheiten
132, 134, 136 sichtbar sind. Die Einheiten können
einzeln ihre Länge in der angegebenen Richtung verändern. Damit lässt
sich eine Verschwenkung des Bildsensors 120 in jede Richtung erzielen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Einheit mit einer veränderlichen
Länge auszuführen. Zum Beispiel kann ein Piezoelement durch Anlegen einer
Spannung zu einer Änderung der Länge gebracht werden. In einem weiteren
Beispiel kann eine Einheit einen kleinen Elektromotor umfassen, der eine Gewindespindel
dreht, so dass sich ein Abstand zwischen einem Ende der Gewindespindel und einer
Fassung der Gewindespindel verändert und zu einer Änderung der Länge
der Einheit führt. Elektrische Leitungen zur Steuerung der Einheiten sind in
den Zeichnungen (2A und 2B)
nicht aufgeführt.
3A ist eine Aufsicht auf eine weitere
Ausführungsform eines Bewegungselements. In der weiteren Ausführungsform
ist ein Befestigungselement 142 an einem Träger für den Bildsensor
120 befestigt. Hinter dem Bildsensor ist vor die Rückwand
102 der digitalen Kamera.
3B ist eine Seitenansicht auf die weitere
Ausführungsform eines Bewegungselements. Das Befestigungselement
142 wird in einem Befestigungshaus 146 durch eine Halterung
148 beweglich gehalten, so dass die Längsachse des Befestigungselements
142 verschwenkbar ist. Eine Verschwenkung in vertikale Richtung wird durch
eine Einheit 144, die ein Teil des steuerbaren Antriebes ist, mit veränderlicher
Länge in der angezeigten vertikalen Richtung gesteuert. Eine Verschwenkung
in horizontale Richtung läßt durch eine weitere, nicht abgebildete Einheit
mit veränderlicher Länge steuern. Die weitere Einheit kann zum Beispiel
gegenüber der Einheit 144 um 90 Grad um die Längsachse des Befestigungselements
142 gedreht sein. Für die Einheit 144 mit veränderlicher
Länge sind Ausführungsformen möglich, die auch in einer der vorhergehenden
Zeichnungen (2B) dargestellt und beschrieben wurden.
Das Bewegungselement umfasst das Befestigungselement 142, das Befestigungshaus
146, die Halterung 148 und die Einheit 144.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen steuerbaren Antrieb,
mit der eine mechanischen Bewegung des Bewegungselement steuerbar ist, ist ein Ultraschallmotor.
Ultraschallmotoren sind dem Fachmann aus der Objektivautofokussierung bekannt. Weiterhin
sind auch Bewegungselemente möglich, die über einen rein mechanischen
Antrieb gesteuert werden. Der rein mechanische Antrieb kann zum Beispiel eine Drehung
eines Steuerungsrades durch den Benutzer umsetzen in eine mechanische Bewegung des
Bewegungselementes. Da eine genaue Justierbarkeit des Bewegungselementes wünschenswert
ist, muss der Antrieb eine sehr feine Einstellbarkeit durch entsprechende mechanische
Komponenten erlauben.
4 ist eine beispielhafte digitale Kamera
100 mit einer Darstellung 160 eines Bildes mit gekennzeichneten
Autofokusbereichen 162 und 164. Bei der beispielhaften Kamera
100 handelt es sich um eine digitale Spiegelreflexkamera mit einem zusätzlichen
Autofokuselement, das dazu geeignet ist, aus einer Entfernungsermittlung eines Bereiches
eine Entfernungseinstellung des Objektivs und eine Verschwenkung des Bildsensors
zu ermitteln, so dass der Bereich scharf auf den Bildsensor fokussierbar ist. Der
Bereich kann aus einem oder mehreren Teilbereichen bestehen, die jeweils getrennt
oder zusammenhängend sein können. Der Bereich kann zum Beispiel aus 45
Autofokuspunkten bestehen, die in 45 verschiedenen Teilbereichen die Entfernung
erfassen. Die Autofokuspunkte können gleichmäßig gemäß
eines Gitters über den Gesamtbereich, der vom Objektiv auf den Bildsensor abgebildet
wird, verteilt sein. In einem weiteren Beispiel kann die Verteilung der Autofokuspunkte
abweichen von einer Gitterstruktur. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen
des Autofokuselement bekannt. So gibt es aktive Autofokuselemente, die zum Beispiel
die Reflexion eines Infrarotlichtes messen und passive Autofokuselemente. Die passiven
Autofokuselemente können die Entfernung zum Beispiel über einen Kontrastvergleich
ermitteln. Der Kontrastvergleich kann zum Beispiel bei digitalen Sucherkameras verwendet
werden. Die passiven Autofokuselemente können die Entfernung auch zum Beispiel
über einen Phasenvergleich ermitteln. Der Phasenvergleich kann zum Beispiel
bei digitalen Spiegelreflexkameras verwendet werden. Die Kamera 100 hat
einen Sucher 155, in der der fokussierbare Bereich in einer Darstellung
160 des Bildes für einen Benutzer der Kamera visuell gekennzeichnet
ist. In dem Beispiel gibt es 2 visuell gekennzeichnete fokussierbare Bereiche
162 und 164. Der Bereich 162 umfasst einen Teil des nahen
Gegenstandes 202 und der Bereich 164 umfasst einen Teil des entfernten
Gegenstandes 204. Beide Bereiche 162 und 164 sind entsprechend
der Fokussierung oder Entfernungseinstellung des Objektivs, der eingestellten oder
vorhergesehenen Blende des Objektivs, der Verschwenkung der Kamera und der vom Autofokuselement
gemessenen Entfernungen scharf auf den Bildsensor fokussierbar. Das heisst, die
beiden Bereiche 162 und 164 werden bei einer Öffnung des
Verschlusses oder einer Auslösung der Kamera entsprechend der Einstellung scharf
auf die lichtempfindliche Schicht des Bildsensors abgebildet. In weiteren Kamera
mit mehreren Autofokuspunkten werden unter gegebenen Umständen eine größere
Zahl von scharf abbildbaren Bereichen gekennzeichnet. Weiterhin verfügt die
Kamera 100 über eine zusätzliche Eingabemöglichkeit von
einem Zielbereich, wobei das Autofokuselement durch eine Entfernungsermittlung des
Zielbereiches, eine entsprechende Fokussierungseinstellung des Objektivs und eine
entsprechende Verschwenkung des Bildsensors anstrebt, den Zielbereich scharf auf
den Bildsensor zu fokussieren. In einer weiteren Ausführungsform kann das Autofokuselement
auch die Blendeneinstellung derartig ermitteln, dass der Zielbereich scharf auf
den Bildsensor fokussiert wird. Durch die Blendeneinstellung wird die Dicke des
Schärfekörpers bestimmt, das heisst, welche Gegenstände, die nicht
in der Schärfeebene liegen, noch scharf fokussiert werden. Weiterhin hat die
Kamera 100 einen zusätzliches Steuerungselement 150, mit
dem eine Verschwenkung des Bildsensors von einem Benutzer steuerbar ist. Mit dem
Steuerungselement kann der Benutzer manuell die Verschwenkung bestimmen. Der Benutzer
kann dazu einen Knopf oder Stick nach oben, unten, links oder rechts ausrichten
und eine Ausrichtung wird dann auf eine entsprechende Verschwenkung des Bildsensors
übertragen. So kann zum Beispiel eine Ausrichtung des Knopfes nach oben zu
einer Verschwenkung führen, bei der die Oberkante des Bildsensors nach vorne
geschwenkt wird. Eine Ausrichtung des Knopfes nach links kann zum Beispiel zu einer
Verschwenkung führen, bei der die linke Kante des Bildsensors nach vorne geschwenkt
wird. Die Auswirkung einer Verschwenkung auf die scharf abgebildeten Bereich kann
der Benutzer dann der Darstellung 160 zum Beispiel anhand der gekennzeichneten,
scharf fokussierbaren Bereiche entnehmen. Mit dem Steuerungselement 150
können zum Beispiel auch ein oder mehrere Zielbereiche bestimmt werden, indem
jeweils ein Zielbereich sich mit dem Knopf in der Darstellung bewegen läßt.
Die Kamera 100 ist eine digitale Spiegelreflexkamera, die die Darstellung
160 über den Sucher 155 ermöglicht. Bei einer digitalen
Kamera anderer Bauart, zum Beispiel bei einer digitalen Sucherkamera oder eine digitalen
Kompaktkamera, kann die Darstellung 160 zum Beispiel auch über einen
liquid crystal display (LCD) Monitor erfolgen. Der LCD-Monitor kann einen Teil der
Informationen der Darstellung 160 über den Bildsensor erhalten.
5 ist eine beispielhafte digitale Kamera
100 mit einer Darstellung eines Kontrollbereichs 172. Der Kontrollbereich
172 der Kamera 100 ermöglicht eine visuelle Kontrolle der
Fokussierung durch den Benutzer. Der Kontrollbereich wird in der Zeichnung über
eine LCD-Monitor 170 der Kamera dargestellt. In einer weiteren Ausführungsform
der digitalen Kamera kann sich der Kontrollbereich auch über einen Sucher zum
Beispiel als gespaltener Kreis oder Split-Screen darstellen lassen. Bei einer digitalen
Spiegelreflexkamera kann der LCD-Monitor 170 die Darstellung
172 nach einer Belichtung des Bildsensors ermöglichen. Der Benutzer
kann zum Beispiel eine Probeaufnahme machen, einen oder mehrere Kontrollbereiche
anzeigen lassen, um die Schärfe für die Kontrollbereiche zu überprüfen
und nach einer Änderung der Verschwenkung eine weitere Aufnahme machen. Die
Darstellung 172 zeigt den nahen Gegenstand 202 (siehe
1), der ein Ball ist, in einer Vergrößerung,
so dass eine scharfe Fokussierung erkennbar ist. Mit dem Steuerungselement
150 kann der Benutzer zum Beispiel den Kontrollbereich verschieben oder
zu einem weiteren, vordefinierten Kontrollbereich springen, um die scharfe Fokussierung
für den weiteren Kontrollbereich zu überprüfen. Die digitale Kamera
100 erlaubt bezüglich der Verschwenkung des Bildsensors eine manuelle
Bedienung, in der die Verschwenkung über das Steuerungselement steuerbar ist.
Weiterhin erlaubt die digitale Kamera eine automatische Verschwenkung, die dadurch
ermittelt wird, dass möglichst viele oder große Bereiche scharf fokussierbar
sind. Die automatische Verschwenkung kann von der Kamera gesteuert werden, so dass
der Benutzer zum Beispiel keinen Einfluss auf die Einstellung nimmt oder die Verschwenkung
nicht wahrnimmt. Der Benutzer kann aber den erweiterten Schärfebereich bei
entsprechender Bildgestaltung in einer Darstellung des Bildes deutlich wahrnehmen.