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Technisches
Gebiet
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Allgemein
gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung Digitalkameras und
genauer eine Digitalkamera mit einem Kameragehäuse mit einer optischen Eingabe,
wie eine Linse oder ein Objektiv, eine Bilderfassungseinheit und
eine Steuerung. Die Erfindung betrifft auch eine Bildveränderungseinrichtung,
welche die Kamera mit einer Schwenk- und/oder Kippfunktion genauso wie einer
Funktion zum Verändern
der Systemvergrößerung in
festen Schritten ausbildet.
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Stand der
Technik
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Kamerasysteme
mit einer weiten Sichtfeldfähigkeit
existieren seit einigen Jahren. Diese Systeme basieren normalerweise
auf einem mehr oder weniger komplexen optischen System umfassend
Linsen und/oder Spiegel. In US-Patent Nr. 5,907,433 von Voigt et.
al., ist eine Vielzahl an optischen Gruppen drehbar an einer drehbaren
Anordnung montiert, um es einer der Gruppen zu ermöglichen,
in den optischen Weg eingefügt
zu werden. Durch Verwendung von unterschiedlichen Sätzen an
optischen Elementen kann ein Mehrfach-/Multi-Sichtfeld erhalten
werden. Ein Verfahren um eine Schwenk- und/oder Kippfunktion zu
erhalten, ist in US-Patent Nr. 5,717,512 an Chmielewsky, Jr. et.
al. beschrieben. Diese Erfindung verwendet zwei Weitsichtfeldkameras,
um die Koordinaten eines Objekts zu bestimmen und stellt anhand
dieser Informationen einen drehbaren, planen Schwenk-/Kippspiegel
ein, um Licht, das von dem Objekt zu einem schmalen Sichtfeld der
Kamera reflektiert wird, zu lenken. Ein anderer Ansatz, ein Weitwinkelbild
zu erhalten, ist in US-Patent Nr. 5,790,182 an St. Hilaire beschrieben,
in dem fixierte, konzentrische, kugelförmige Spiegel verwendet werden,
um Licht von einem Objekt auf ein CCD-Feld (Charge Coupled Device – Array)
zu lenken. Durch diese Anordnung ist das System geeignet, ein Bild,
dass ein 360°-Sichtfeld
einspannt, zu erfassen. Es ist keine Einrichtung zum Variieren des
Sichtfelds der Einrichtung dargestellt.
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EP-A-0
452 188 beschreibt eine Bilderfassungseinrichtung, die eine Beobachtung
in Abschnitten und in einem Rundblick bereitstellt. Die Einrichtung
umfasst zwei Spiegel. Einer der Spiegel ist ein Erkundungsspiegel
und ist ausgebildet, um eine winklige Untersuchung einer Szene durch
Drehung um eine erste Achse durchzuführen. Der andere Spiegel ist
ein Abtastspiegel und ist ausgebildet, das einfallende Licht auf
einen Bilderfassungssensor durch Rotation um eine zweite Achse,
die parallel zu der ersten Achse ausgebildet ist, abzutasten.
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DE-U-9106075
beschreibt eine motorisierte Rückspiegelanordnung
für ein
Motorfahrzeug. Der Rückspiegel
umfasst einen flachen Spiegel und einen konvexen Spiegel, die benachbart
zueinander angeordnet sind. Die Spiegelanordnung ist drehbar ausgebildet,
um das Sichtfeld zu verändern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Digitalkamera mit
einem variablen Sichtfeld kombiniert mit einer Kipp- und/oder Schwenkfunktion
bereitzustellen, die geeignet ist, ein größeres visuelles Volumen als
eine herkömmliche
Schwenk- und/oder Kippkamera abzudecken. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Bildsteuerungs- und Vergrößerungs-/Verkleinerungseinrichtung
(im Folgenden bezeichnet als "Bildveränderungseinrichtung") zu schaffen, um
extern an der Digitalkamera montiert zu werden, um einen effizienten
Weg zum Ändern
des Sichtfelds genauso wie zum Verändern der Blickrichtung bereitzustellen.
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Um
die vorstehenden Aufgaben und andere Aufgaben und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung auszuführen, ist die Digitalkamera
mit einer extern montierten Bildsteuerungs- und Vergrößerungs-/Verkleinerungseinrichtung
ausgebildet, umfassend einen drehbaren Spiegel, der zumindest eine
Seite mit einer gekrümmten
Oberfläche
aufweist. Der kippbare Spiegel wird um einen kleinen, vordefinierten
Winkel in Bezug auf die optische Eingabe der Kamera rotiert, um
die Blickrichtung zu verändern,
und um einen großen
vordefinierten Winkel, um das Sichtfeld zu ändern oder einen Filter in
den optischen Weg einzufügen.
Durch Verwendung eines Spiegels mit einer gekrümmten Oberfläche können für ein gegebenes
Sichtfeld die absolute Größe und das
Gewicht des Spiegels verringert werden, wodurch es möglich wird,
die Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels zu erhöhen und somit die Gesamtgeschwindigkeit,
in der die Blickrichtung von einer ersten in eine zweite Position
verändert
werden kann, zu erhöhen.
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Die
Digitalkamera umfasst auch eine Steuereinheit und eine extern montierte
Antriebseinrichtung zum Drehen des kippbaren Spiegels gemäß einem
Steuersignal, das in der Steuereinheit erzeugt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter beschrieben, wobei
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm des Gesamtaufbaus einer Digitalkamera
und einer Bildveränderungseinrichtung
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist,
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2 eine
erste Seitenansicht der Bildveränderungseinrichtung
und der Kamera, an welche diese montiert ist, darstellt,
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3 eine
zweite Seitenansicht der Bildveränderungseinrichtung
und der Kamera, die in 2 gezeigt sind, ist,
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4 eine
Draufsicht auf die Bildveränderungseinrichtung,
die in 2 und 3 gezeigt ist, darstellt,
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5 eine
vereinfachte schematische Zeichnung der Hauptfunktionsteile des
bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist, bei denen der kippbare Spiegel positioniert ist, um ein Weitsichtfeld
zu erhalten,
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6 eine
vereinfachte schematische Zeichnung der Hauptfunktionsteile des
bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist, bei dem der Spiegel positioniert ist, um ein schmaleres Sichtfeld
zu erhalten, und
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7 eine
vereinfachte schematische Zeichnung der Hauptfunktionsteile eines
ersten alternativen Ausführungsbeispiels
ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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In
Bezug zuerst auf 1 ist dort eine Digitalkamera 300 in
einer modularen Basisform dargestellt. Die Digitalkamera 300 ist
ausgebildet, um ein digitales Bild oder mehrere digitale Bilder
eines auswählbaren Objekts 100 zu
erzeugen, welches jedes physikalische Objekt sein kann, das in einem
Volumen, welches optisch durch die Digitalkamera 300 abgedeckt
ist, vorhanden ist. Eine erfindungsgemäße Bildveränderungseinrichtung 200 ist
extern an der Digitalkamera 300 vor einer optischen Eingabe 400 der
Digitalkamera montiert. Die optische Eingabe 400 ist eine
allgemein bekannte Linse oder ein allgemein bekanntes Objektiv.
Der Zweck der Bildveränderungseinrichtung 200 ist,
die Digitalkamera 300 mit einem variablen Sichtfeld in
Kombination mit Schwenk- und/oder Kippfunktionen auszustatten. Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Bildveränderungseinrichtung 200 wird
genauer in Bezug auf 2 bis 7 beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst die Digitalkamera 300 weiter
eine Bilderfassungseinheit 500, welche mit entsprechenden
Mitteln zum Erzeugen eines digitalen Bildes, welches das Objekt 100 wiedergibt,
ausgestattet. Bevorzugt umfasst die Bilderfassungseinheit 500 ein
CCD-Element (Charge Coupled Device-Ladungskoppelelement), wobei
angenommen wird, dass deren interner Aufbau dem Fachmann bekannt
ist. Die Digitalkamera 300 weist auch eine Steuerung 600 zum
Steuern der Bilderfassungseinheit 500 genauso wie der externen
Bildveränderungseinrichtung 200 auf.
Die Steuerung 600 ist zusammenwirkend nicht nur mit der
Einrichtung 200 und der Einheit 500 gekoppelt,
sondern auch mit einem digitalen Speicher 700 zum Speichern von
Bildern, die durch die Bilderfassungseinheit 500 erfasst
wurden. Darüber
hinaus kann die Digitalkamera 300 eine Bildumformeinheit 800 umfassen,
deren Zweck es ist, das digitale Bild zu drehen, um Bildrotationseffekte
zu kompensieren, die durch die Bildveränderungseinrichtung 200 verursacht
wurden, wenn das Sichtfeld geschwenkt oder gekippt wurde. Die Bildumformeinheit 800 spricht
auf einen Rotationswinkel der Bildveränderungseinrichtung 200 in
Bezug auf das Objektiv 400 an, und verwendet diesen Drehwinkel,
wenn das digitale Bild umgewandelt wird, um den aktuellen Schwenk-
und/oder Kippwinkel zu kompensieren. Eine solche Bildumformung durchzuführen, d.
h. ein digitales Bild in eine oder mehr als eine Richtung zu drehen,
wird als in dem Können
eines Fachmanns auf dem Gebiet der Digitalkameras liegend angenommen.
Deshalb wird der interne Aufbau der Bildumformeinheit 800 nicht
hierin beschrieben.
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Der
Speicher 700 kann durch jeden kommerziell erhältlichen
Speicher wie einen SRAM-Speicherumgesetzt
werden.
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Wie
in 1 dargestellt, kann die Digitalkamera 300 mit
einem Netzwerk 900, wie einem Ethernet oder Tokenringnetzwerk,
verbunden werden, welches wiederum Teil des Internets sein kann.
In einer solchen Anwendung ist die Steuerung 600 der Digitalkamera 300 mit
entsprechender Software ausgebildet, um es zu ermöglichen,
dass die Digitalkamera 300 als eine Webkamera, die über das
Netzwerk 900 verfügbar
ist, d. h. als ein Webserver, der digitale Bilder erzeugt, fungiert.
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Der
Schwenk- und/oder Kippwinkel der Digitalkamera 300 oder
genauer der Winkel oder die Winkel, durch welche(n) die Bildveränderungseinrichtung
das Sichtfeld der Kamera 300 in Bezug auf eine zentrale Achse
des Objektivs 400 verändert,
kann durch einen Benutzer der Kamera durch Zugriff auf die Steuerung 600 über das
Netzwerk 900 eingestellt und verändert werden. Alternativ kann
der Schwenk- und/oder Kippwinkel oder können die Schwenk- und/oder
Kippwinkel von einem Computer, der direkt mit der Digitalkamera 300 verbunden
ist, gesteuert werden.
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In
Bezug nun auf 5 und 6 sind dort
zwei vereinfachte schematische Zeichnungen der allgemeinen Spiegelanordnung
und des Mechanismus zum Verändern
des Bildes gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Bilderzeugungsvorrichtung
umfasst ein Kameragehäuse 6 und
eine optische Eingabe 5, wie eine allgemein bekannte Linse
oder ein Objektiv, zum Erzeugen eines digitalen Bildes, welches
ein Objekt, das in dem visuellen Volumen, welches die Bilderzeugungsvorrichtung
umgibt, lokalisiert ist, wiedergibt. Die Spiegelanordnung der Bildveränderungseinrichtung
ist an einer Basisplatte 8 angeordnet, die extern an der
Kamera montiert ist.
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Die
Bildveränderungseinrichtung
der Erfindung umfasst einen drehbar montierten kippbaren Spiegel 1 und
eine Antriebseinrichtung 7 zum Rotieren des kippbaren Spiegels 1 gemäß einem
Steuersignal. Die Antriebseinrichtung 7 empfängt in ihrer
einfachsten Form ein Steuersignal und als Antwort auf dieses dreht
diese entweder den kippbaren Spiegel 1 um, um das Sichtfeld
zu verändern,
oder dreht den kippbaren Spiegel 1, um eine Schwenk- und/oder
Kippfunktion zu erhalten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der kippbare Spiegel 1 eine erste plane Oberfläche 2 und
eine zweite gekrümmte
Oberfläche 3 auf.
Durch In-Position-Bringen des kippbaren Spiegels 1 in die
Position, die in 5 gezeigt ist, wird die erste
plane Oberfläche 2 in
den optischen Weg 31 der Bilderzeugungsvorrichtung eingefügt, wodurch
die Bilderzeugungsvorrichtung mit einem ersten schmalen Sichtfeld
ausgebildet wird. Dies passiert aufgrund des Reflektionsgesetzt,
deren Terme und Theorie dem Fachmann bekannt sind und gründlich in
der Literatur beschrieben sind, zum Beispiel in Kapitel 3.4 und
3.7 von „Introduction
to Optics", von
Frank L. Pedrotti, S.J. und Leno S. Predotti, Prentice Hall, Upper Saddle
River, New Jersey 07458, ISBN 0-13-501545-6. Das Reflektionsgesetz
sagt aus, dass der reflektierte Strahl in der Ebene des Einfalls
verbleibt, und gleiche Winkel zu der Normalen an dem Reflektionspunkt
erzeugt, in unserem Fall an der Spiegeloberfläche 2. Bei einem planen
Spiegel verändert
das Auswählen
eines anderen Reflektionspunktes nicht die Normale, d. h. ein Bild,
das durch Reflektion an einer planen Oberfläche erzeugt wird, weist eine
gleichförmige
Vergrößerung auf.
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Ein
fixierter Spiegel 4, der direkt vor dem Objektiv 5 montiert
ist, dreht den optischen Weg 31 der Bilderzeugungsvorrichtung 6,
und macht es dadurch möglich,
optisch ein Volumen in der Richtung der optischen Mittelachse des
Objektivs 5 abzudecken. Bei Fehlen des fixierten Spiegels 4 müsste der
drehbar montierte kippbare Spiegel 1 in einer Position
direkt vor dem Objektiv 5 angeordnet werden, um in dem
optischen Weg der Bilderzeugungsvorrichtung angeordnet zu sein.
Der kippbare Spiegel 1 würde dann einen Strahl, der
von einem Objekt ausgeht, das in der Richtung der optischen Mittelachse
des Objektivs 5 angeordnet ist, blockieren.
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6 zeigt
wieder das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
diesmal mit dem umgekippten kippbaren Spiegel 1, um ein
weiteres Sichtfeld zu erhalten. Bezugnehmend auf die vorstehenden
Diskussionen sagt das Reflektionsgesetzt aus, dass aufgrund der
konvexen Krümmung
der Spiegeloberfläche 3,
die Lichtstrahlen, die von einem Objekt in den optischen Weg der
Bilderzeugungsvorrichtung ausgehen, wenn diese an einer konvexen Oberfläche reflektiert
werden, diese in einer solchen Weise divergieren, dass die Vergrößerung des
Systems weniger als Eins beträgt.
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7 zeigt
eine vereinfachte schematische Zeichnung eines ersten alternativen
Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der
drehbar montierte kippbare Spiegel 10 zusätzlich zu
der ersten ebenen Oberfläche 11 und
der zweiten gekrümmten
Oberfläche 12 eine
dritte Oberfläche 13 mit
einer optischen Eigenschaft, die von der der ersten planen Oberfläche 11 und/oder
der zweiten gekrümmten
Oberfläche 12 verschieden
ist. Eine denkbare Funktion dieser dritten Oberfläche könnte sein,
bestimmte Spektralanteile des reflektierten Lichts zu verringern,
zum Beispiel, um als Lichtausgleichsfilter in einer Innenumgebung
oder zum Abschwächen
von Farben außerhalb
des gelben Spektralbandes (etwa 570 nm) zu fungieren, um eine Kontrastverbesserung
zu erhalten. Eine andere denkbare Funktion dieser dritten Oberfläche könnte sein,
die Menge an Licht, die von einem hellen Objekt, welches in einer
hoch illuminierten Umgebung lokalisiert ist, reflektiert wird, zu
verringern, ohne es zu verformen, d. h., die dritte Oberfläche 13 handelt als
Graufilter und schwächt
gleichmäßig die
Spektralanteile des reflektierten Lichts ab. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel
sind der fixierte Spiegel 14, das Objektiv 15,
das Kameragehäuse 16,
die Antriebseinrichtung 17 und die Basisplatte 18 ausgebildet,
um gemäß den korrespondierenden
Komponenten in 5 und 6 zu fungieren.
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Die
Bildveränderungseinrichtung
200 wird
nun detaillierter in Bezug auf die
2 bis
4 beschrieben.
Die folgenden Elemente sind in den Zeichnungen dargestellt:
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Die
Bildveränderungseinrichtung 200 weist
ein Spiegelsystem auf, umfassend einen ersten fixierten Spiegel 4 und
einen zweiten kippbaren Spiegel 1. Wie zuvor in Bezug auf 5 und 6 ausgeführt, weist der
kippbare Spiegel 1 eine erste plane Oberfläche 2 und
eine zweite gekrümmte
Oberfläche 3 auf.
Der fixierte Spiegel 4 ist direkt vor dem Objektiv 5 in
einem Winkel von 37° relativ
zu der optischen Mittelachse der Kamera 300 montiert. Der
fixierte Spiegel 4 ist an einem Spiegelrad 27 montiert,
welches um das Objektiv drehbar ist und somit ein Sichtfeld mit
einem Rotationswinkel zwischen 0° und
360° bereitstellt.
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In
dem Zentrum des Sichtfelds ist der kippbare Spiegel 1 montiert,
so dass dessen Rotationsachse senkrecht zu der optischen Mittelachse
der Kamera angeordnet ist. Der kippbare Spiegel 1 wird
von dem Spiegelrad 27 getragen, wodurch bewirkt wird, dass
sich der kippbare Spiegel 1 zusammen mit dem fixierten
Spiegel 4 um das Objektiv 5 dreht. Dank der geometrischen
Anordnung der Spiegel 4 und 1 in Bezug auf das
Objektiv 5 ist es möglich,
ein großes
Volumen in einer kurzen Zeit zu überwachen.
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Der
kippbare Spiegel 1 ist in dem Spiegelrad 27 zwischen
zwei fixierenden Teilen 28 gelagert. Gegenüber dem
Spiegelrad 27 ist ein leicht kleineres Führungsrad 26 konzentrisch
montiert. Eine Kippwelle 30 ist exzentrisch an dem Spiegelrad
montiert, um so zu bewirken, dass sich der kippbare Spiegel 1 bewegt.
Das Führungsrad 26 überträgt deren
Bewegung an die Kippwelle 30 und von der Kippwelle 30 über ein
Kegelrad 29 an den Spiegel. Die Anordnung ähnelt einem
Planetenradgetriebe, bei dem das Führungsrad 26 ein Sonnenantriebsrad
repräsentiert
und die Kippwelle ein Planetenantriebsrad repräsentiert. Das Spiegelrad 27 wirkt als
Halter des Planetenantriebsrades.
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Wenn
sich das Spiegelrad 27 nicht bewegt, wenn das Führungsrad 26 gedreht
wird, wird sich die Kippwelle 30 um ihre eigene Achse drehen,
wobei der kippbare Spiegel 1 um dessen Drehachse gedreht
wird. Somit wird der kippbare Spiegel 1 in Bezug auf das
Spiegelrad 27 gedreht und die Mittelachse des Sichtfeldes wird
winklig versetzt in Bezug auf das optische Zentrum der Kamera. Wenn
das Spiegelrad 27 und das Führungsrad 26 sich
mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, tritt keine Relativbewegung
in der Kippwelle 30 auf und folglich erfolgt keine Rotation
des Spiegels 1 um dessen Drehachse. Jedoch dreht sich das Spiegelrad 27 als
Ganzes mit dem fixierten Spiegel 4 und dem kippbaren Spiegel 1 mit
einem konstanten Winkel zu der optischen Mittelachse der Kamera.
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Mit
anderen Worten kann durch gleichzeitiges Rotieren des Spiegelrads 27 und
des Führungsrads 26 das
Sichtfeld um 360° für jeden
gegebenen Kippwinkel gedreht werden. Dann verändert sich, wenn die Räder relativ
zueinander gedreht werden, der Winkel des kippbaren Spiegels 1 und
das Sichtfeld kann wieder um 360° mit
einem neuen Neigungswinkel gedreht werden. Auf diese Weise kann
ein sehr großes
Volumen um die Kamera abgedeckt werden und für jede gegebene Stelle innerhalb
dieses großen
Volumens können
Bilder erhalten werden. Darüber
hinaus wird, durch Rotieren des Füh rungsrads 26 um einen
bestimmten Wert in Bezug auf das Spiegelrad 27, der kippbare
Spiegel 1 um 180° umgedreht,
wodurch von einem schmalen Sichtfeld auf ein weites Sichtfeld oder
umgekehrt geschaltet wird, wie beschrieben in Bezug auf 5 und 6.
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Das
Spiegelrad 27 und das Führungsrad 26 werden
durch entsprechende Motoren 9 angetrieben. Riemenräder 22, 23,
Zeitsteuerungsriemen 24, 25 und Zeitsteuerungsriemenspanner 20, 21 sind,
wie in 2 bis 4 dargestellt, ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Bildveränderungseinrichtung
weist zumindest die folgenden Vorteile auf:
Geringes Trägheitsmoment
zum Rotieren der Teile,
hohe Schwenk/Kippeinstellungsgeschwindigkeit,
kurze
Zeit zwischen Winkeleinstellungen,
hohe Einstellgenauigkeit,
kompaktes
Design,
wenige strukturelle Komponenten,
geringe Herstellungskosten,
flexibles
Design,
einfache Schwenk/Kippsteuerung,
mehrere Sichtfelder,
Filter
und oder andere Bildveränderungsmöglichkeiten.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Bezug auf ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Jedoch sind andere Ausführungsbeispiele als das hier
beschriebene innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung, wie definiert
durch die beigefügten
unabhängigen
Patentansprüche,
möglich.