DE19637629A1 - Elektronische Kamera zur Realisierung der Abbildungseigenschaften einer Studio-Balgenkamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Kamera mit einem Objektiv zum Abbilden eines Gegenstandes auf eine Bildebene, Mittel zur Auswahl mindestens eines Gegenstandsbereichs, und Rechnermittel zum Ermitteln der Verstellparameter zur scharfen Abbildung des ausgewählten Gegenstandesbereichs.

Die Patentschrift DE-C-34 33 412 offenbart eine Einrichtung zum Ermitteln opti­ maler Einstellungen der verstellbaren Objektiv- und Bildträger einer fotografi­ schen Kamera. Die Kamera ist so gestaltet, daß drei Punkte eines Gegenstandes auf dem fotografischen Bild scharf abgebildet werden. Gemäß der Scheimpflug- Bedingung wird eine scharfe Abbildung der Gegenstandspunkte angestrebt. Dazu wird nacheinander auf die drei verschiedenen Gegenstandspunkte scharf gestellt und die entsprechenden Werte werden über eine Tastatur in einen Rechner ein­ gegeben, der die korrekte Einstellung der Kamera nach der Scheimpflug-Bedin­ gung ermittelt und anzeigt. In weiteren Ausführungsformen der Kamera sind Sen­ sorelemente vorgesehen, die die Schärfe des ausgewählten Bildpunktes ermit­ teln. Ferner sind Motoren vorgesehen, die eine automatische Einstellung des Objektiv- und Bildträgers auf eine entsprechende Sollposition ermöglichen.

Die internationale Patentanmeldung WO 91/10157 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fokussieren einer fotografischen Kamera. Die Objektiv- und die Bildebene sind zueinander verschwenkbar angeordnet, um somit Einstel­ lungen vorzunehmen, die die Scheimpflug-Bedingung erfüllen. Der Benutzer wählt hierzu zwei Punkte des Objekts aus, die scharf abgebildet werden sollen. Der Ab­ stand dieser Punkte zur horizontalen Symmetrieachse der Bildebene werden in einen Computer eingegeben, der die Einstelldaten für die Objektiv- und die Bild­ ebene berechnet.

Um bei einer Kleinbildkamera die Abbildungseigenschaften einer Studiokamera zu erreichen, sind eine Reihe von Objektiven verfügbar, bei denen sich das Lin­ sensystem parallel zur Bildebene verschieben läßt (Artikel: "Tilt und shift"; FOTO Magazin; 2/96; Seiten 44 bis 49). Die Objektive sind sehr teuer und ein automati­ siertes Einstellen der optimalen Schärfe eines Gegenstandsbereichs ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Kamera zu schaf­ fen, die einer Studio-Balgenkamera vergleichbare Einstellmöglichkeiten aufweist, die darüber hinaus automatisiert erfolgen sollen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der Bildebene der Kamera ein Bildsensor vorgesehen ist, der nach fünf Freiheitsgraden bewegbar ist, und daß Stellmittel zur Bewegung des Bildsensors vorgesehen sind, die aufgrund der vom Rechnermittel ermittelten Verstellparameter automatisch betätigbar sind, derart daß eine scharfe Abbildung des gewählten Gegenstandsbereichs erzielbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen elektronischen Kamera ist es, daß der Benut­ zer einen bestimmten Gegenstandsbereich auswählen kann, der in der Bildebene scharf abgebildet werden soll. Dazu wird eine elektronische Kamera verwendet, die in ihrer Bildebene einen Bildsensor aufweist, der in der Größe dem herkömm­ lichen Kleinbildformat entspricht. Mit einem Objektiv wird ein Gegenstand auf die Bildebene abgebildet. Ferner sind Mittel zur Auswahl mindestens eines Gegen­ standsbereichs und Rechnermittel zum Ermitteln der Verstellparameter vorgese­ hen. Somit wird der ausgewählte Gegenstandsbereich scharf abgebildet. Der in der Bildebene der Kamera vorgesehene Bildsensor ist nach fünf Freiheitsgraden bewegbar. Die Stellmittel bewegen automatisch den Bildsensor entsprechend den vom Rechnermittel ermittelten Verstellparametern, wodurch der Gegenstandsbe­ reich scharf in der Bildebene abgebildet wird. Die fünf Freiheitsgrade des Bild­ sensors sind eine axiale Verschiebung ds auf der optischen Achse des Objektivs, eine horizontale Verschiebung s1 parallel zur x-Richtung, eine vertikale Verschie­ bung s_y parallel zur y-Richtung, eine horizontale Neigung α_y bezüglich der x-y- Ebene und eine vertikale Neigung α_y bezüglich der x-y-Ebene.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Ge­ genstand der Erfindung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bildsensors, der nach fünf Frei­ heitsgraden bewegbar ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Erzielung der axialen Verschiebung und der horizontalen und vertikalen Neigung und

Fig. 3 eine Ausführungsform zur Erzielung der horizontalen und vertikalen Ver­ schiebung.

Als 5D-Kamera sei eine Kamera bezeichnet, bei der sich der Filmhalter nach fünf Freiheitsgraden bewegen läßt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer 5D-Kamera, bei der ein anstatt des Films vorgesehener Bildsensor 2 derart be­ weglich angebracht ist, daß die Abbildungsbedingungen einer Studio-Balgenka­ mera erzielbar sind. Der Bildsensor 2 ist in einer entsprechenden Halterung 6 be­ festigt.

Die Kamera besitzt eine ortsfeste optische Linse 4 oder ein ortsfestes optisches Linsensystem. Das Zentrum der Linse legt den Ursprung für ein kartesisches Ko­ ordinatensystem (X, Y, Z) fest, das zur Beschreibung der Freiheitsgrade des Bild­ sensors verwendbar ist. Die Z-Achse des Koordinatensystems ist parallel zur Objektivachse. Die X-Achse und die Y-Achse legen eine Objektebene fest, zu der der Bildsensor 2 beweglich angeordnet ist. Der Bildsensor 2 ist aus n-Elementen in X-Richtung und aus in-Elementen in Y-Richtung aufgebaut. Die Größe des Bildsensors entspricht z. B. dem herkömmlichen Kleinbildformat. Ebenso ist es denkbar, daß die Größe des Bildsensors dem Format des neuen Advanced Photo System entspricht.

Der Bildsensor 2 selbst ist um fünf Freiheitsgrade ds, s_x, s_y, α_x und α_y beweglich. Der Parameter ds bestimmt die axiale Bewegung des Bildsensors 2. Die Parame­ ter s_x und s_y legen die horizontale bzw. die vertikale Verschiebung des Bildsen­ sors 2 fest. Die Parameter α_x und α_y sind die Freiheitsgrade für die horizontale Neigung bzw. die vertikale Neigung des Bildsensors 2. Es ist selbstverständlich, daß die Zahl der Freiheitsgrade nicht weiter reduziert werden kann, ohne dabei Einschränkungen in der Funktionalität der Kamera in Kauf zu nehmen.

Eine elektronische Kamera mit einem derart beweglichen Bildsensor ist so ausge­ staltet, daß alle beweglichen Elemente (Stellmittel, Betätigungsmittel) innerhalb des Kameragehäuses (nicht dargestellt) angeordnet sind. Elektro-mechanische Betätigungsmittel (nicht dargestellt) erzeugen die Bewegungen des Bildsensors 2, und die Bewegungen werden durch einen in der Kamera vorgesehenen Micro­ computer (nicht dargestellt) geregelt.

Die elektromechanischen Betätigungsmittel müssen nur geringe Bewegungen ausführen, um die Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen. Eine Abänderung der Scheimpflug-Bedingung für eine spezielle Situation macht diese leichter ver­ ständlich. Angenommen die geneigte Objektebene wird durch die optische Achse an einem Punkt P geschnitten und die Kamera wird auf diesen Punkt P (in den meisten Fällen liegt dieser Punkt im Zentrum des Objekts, dieser Punkt kann aber auch irgendwo liegen, von wo aus er nicht scharf gestellt werden kann) scharf gestellt. Die Abbildung eines Objekts in der Entfernung des Punktes P bestimmt eine Vergrößerung m (m ist Normalfall kleiner als Eins, m = f/x; mit f = der Brenn­ weite und x = dem axialen Abstand vom Objekt zum Brennpunkt F₁). Diese Ver­ größerung m bestimmt direkt die Neigung der Bildebene.

tan(α′) = m tan(α)

mit α = der Neigungswinkel der Objektebene, und
α′ = der Neigungswinkel der zugehörigen Bildebene.

Je kleiner das Bildformat einer Kamera ist, desto kleiner kann m sein, um eine bestimmte Szene auf dem Bildformat abzubilden. Folglich wird ebenso der Nei­ gungswinkel α′ bei einer festen Neigung der Objektebene kleiner. Wird der Bild­ sensor in diese Ebene geneigt so erhält man ein über die gesamte Fläche schar­ fes Bild. Bei Bildsensoren im Kleinbildformat erzielt man für die meisten Abbil­ dungsbedingungen mit Neigungswinkeln von ca. 1° eine gute Abbildung, die erst bei ca. einem Neigungswinkel von 20° bei einer Studiokamera erreicht sind.

Die axiale Verschiebung ds, die horizontale Neigung α_x und α_y werden durch eine Montage der Halterung 6 für den Bildsensor 2 erzielt. In der Halterung 6 sind drei Bohrungen 8a, 8b und 8c vorgesehen, die zur Aufnahme von Verstellschrauben 10a, 10b und 10c ausgebildet sind. Die drei Bohrungen 8a, 8b und 8c sind derart auf der Montageplatte verteilt, daß sie ein gleichschenkliges oder ein gleichseiti­ ges Dreieck bilden. Dabei liegt die Bohrung 8b auf der vertikalen Symmetrieachse VS der Halterung 6.

Die Verstellschrauben 10a, 10b und 10c (in der Darstellung in Fig. 2 sind nur die Verstellschrauben 10a und 10c zu sehen) sind im Kameragehäuse 12 drehbar gelagert und derart im Kameragehäuse geführt, daß ein Betätigungselement 14 jeder Verstellschraube 10a, 10b oder 10c auf der der Halterung 6 abgewandten Seite des Kameragehäuses hervorsteht. Das der Halterung 6 zugewandte Ende des Betätigungselements 14 ist in einen flexiblen Hohlkörper 16 eingeführt. Das andere Ende des Hohlkörpers 16 trägt einen Gewindeabschnitt 18 der Verstell­ schraube 10a, 10b oder 10c. Dieser Gewindeabschnitt ist in die mit einem Ge­ winde versehenen Bohrungen 8a, 8b oder 8c der Halterung 6 einführbar und eine Drehung der Verstellschrauben 10a, 10b und 10c bewirkt dann die vorstehend erwähnte Verstellung der Halterung 6 bzw. des Bildsensors 2.

Eine Montierung 20 für die horizontale und die vertikale Verschiebung s_x und s_y ist in Fig. 3 offenbart. Eine feste Plattform 22 ist an der Halterung 6 befestigt womit die Verschiebung ds und die Neigung α_x und/oder α_y auf die Plattform 22 über­ tragbar sind. Die Plattform 22 besitzt eine Nut 22a, die in y-Richtung verläuft. In der Nut 22a ist ein erster Schlitten 24 geführt, der in y-Richtung eine Erhebung 24b aufweist, die in die Nut 22a paßt. Durch das Zusammenwirken der Nut 22a und der Erhebung 24b ergibt sich die vertikale Verschiebung s_y. Auf der der Er­ hebung 24b gegenüberliegenden Seite des ersten Schlittens 24 ist eine Nut 24a in x-Richtung ausgeformt, in der eine Erhebung 26b geführt ist. Die Erhebung 26b ist an einem zweiten Schlitten 26 ausgeformt. Die der Erhebung 26b abgewandte Seite des zweiten Schlittens 26 umfaßt eine rechteckige Vertiefung 26a, die zur Aufnahme und Befestigung des Bildsensors 2 dient. Durch das Zusammenwirken der Nut 24a des ersten Schlittens 24 und der Erhebung 26b des zweiten Schlitten 26 erhält man die horizontale Verschiebung s_x.

Die Handhabung einer 5D-Kamera kann auf verschiedene Arten erfolgen, die im folgenden erwähnt werden.

a) Automatischer Neigungsmodus

Die drei Freiheitsgrade der axialen Verschiebung ds, der horizontalen Neigung α_x und der vertikalen Neigung α_y werden nach dem Prinzip "Versuch und Irrtum" an­ geregt, um die Schärfe des gesamten Bildes auf dem Bildsensor 2 zu erhöhen. Die Schärfeindikatoren werden an Hand der Bilddaten berechnet, um somit den notwendigen Regelkreis zu steuern. Jeder der vorstehend erwähnten Freiheits­ grade kann durch den Benutzer festgehalten werden, wodurch der Optimierungs­ prozeß der Schärfe schneller erfolgen kann.

b) Relevanter Bereich Modus

Im Sucher (optisch oder Display) der elektronischen Kamera sind drei kleine Be­ reiche (Punkte) markiert. Die vorstehend erwähnten Freiheitsgrade werden be­ nutzt, um die Schärfe innerhalb dieser Bereiche zu optimieren.

Die Anpassung des relevanten Bereichs kann z. B. durch einen kleinen Trackball erfolgen, der mit der Fingerspitze des Benutzers betätigbar ist. Ein unmittelbar daneben vorgesehener Set-Knopf fixiert somit eine Markierung und auf die näch­ ste Markierung kann mit dem Trackball verstellt werden. Durch die Betätigung des Auslösers wird das Verfahren zur Schärfeermittlung gestartet. Für jede der akti­ ven Markierungen sucht das Verfahren die axiale Verschiebung ds, für die die Schärfe optimal eingestellt ist. Der Microcomputer der 5D-Kamera berechnet den kürzesten Weg für die elektro-mechanischen Betätigungsmitteln, damit die obige Bedingung erfüllbar ist.

c) Gravitationsmodus

Hier sei angenommen, daß das Objekt innerhalb einer vertikalen Ebene (Architektur, Felsklettern) liegt. Der relevante Bereich wird automatisch so be­ stimmt, daß man eine gute Schärfe über die gesamte Ebene erhält. Die drei den relevanten Bereich bestimmenden Punkte liegen in einer vertikalen Ebene.

Ebenso kann die Gravitationsrichtung dazu benutzt werden, um die vertikale und/oder horizontale Verschiebung s_x und s_y zu regeln. Der Bildsensor 2 wird au­ tomatisch nach unten bewegt, wenn die Achse der Kamera nach oben geneigt wird.

d) Fokusserienmodus

Für stationäre oder sich nur geringfügig verändernde Szenen kann man die axiale Verschiebung ds verwenden, um eine Reihe von verschiedenen Schärfebildern herzustellen, die dann zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes verwendet werden.

Zur Ermittlung der Schärfeindikatoren der einzelnen Pixel des Bildsensors 2 wer­ den herkömmliche mathematische Verfahren verwendet. An Hand der Schärfein­ dikatoren werden die Verstellparameter ermittelt, um den Bildsensor in die für die Abbildung gewünschte Position zu bringen.

Die vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, aber selbstverständlich können im Rahmen des handwerklichen Könnens eines Fachmanns Abwandlungen vorgenommen werden, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Elektronische Kamera mit einem Objektiv (4) zum Abbilden eines Gegenstan­ des auf eine Bildebene, Mittel zur Auswahl mindestens eines Gegenstandsbe­ reichs, und einem Microcomputer zum Ermitteln der Verstellparameter, zur scharfen Abbildung des ausgewählten Gegenstandesbereichs, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Bildebene der Kamera ein Bildsensor (2) vorgese­ hen ist, der nach fünf Freiheitsgraden (ds, α_x, α_y, s_x, s_y) bewegbar ist, und daß Stellmittel zur Bewegung des Bildsensors vorgesehen sind, die aufgrund der vom Microcomputer ermittelten Verstellparameter automatisch betätigbar sind, derart daß eine scharfe Abbildung des gewählten Gegenstandsbereichs er­ zielbar ist.

2. Elektronische Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünf Freiheitsgrade eine axiale Verschiebung (ds) auf der optischen Achse des Objektivs (4), eine horizontale Verschiebung s_x parallel zur x-Richtung, eine vertikale Verschiebung s_y parallel zur y-Richtung, eine horizontale Nei­ gung α_x bezüglich der x-y-Ebene und eine vertikale Neigung α_y bezüglich der x-y-Ebene umfassen.

3. Elektronische Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Gegenstandsbereich den gesamten auf den Bildsensor (2) ab­ gebildeten Gegenstand umfaßt.

4. Elektronische Kamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Gegenstandsbereich mindestens drei Gegenstandsbereiche um­ faßt, die größer sind als ein Pixel des verwendeten Bildsensors (2).

5. Elektronische Kamera nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einstellung des Bildsensors (2) in der axialen Verschiebung (ds), der horizontalen Neigung (α_x) und der vertikalen Neigung (α_y) mit mindestens drei Verstellschrauben (10a, 10b, 10c) einstellbar ist.

6. Elektronische Kamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Bildsensors (2) in der horizontalen Verschiebung s_x mittels eines ersten Schlittens (24) und die Einstellung des Bildsensors in den verti­ kalen Verschiebung s_y mittels eines zweiten Schlittens (26) erzielbar ist, und daß der zweite Schlitten (26) eine rechteckige Vertiefung (26a) aufweist, in der der Bildsensor (2) befestigt ist.

7. Elektronische Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellmittel für den Bildsensor (2) elektro-mechanische Betä­ tigungsmittel sind.

8. Elektronische Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestimmung der Gegenstandsbereiche ein Trackball und unmittelbar daneben ein Setkopf vorgesehen sind, wodurch der ausgewählte Gegenstandsbereich bestimmbar und an den Microcomputer übersendbar ist.