DE10033751A1 - Digitale, hochauflösende Kinofilm-Kamera - Google Patents

Abstract

Eine digitale hochauflösende Kinofilm-Kamera besitzt eine Aufnahmeeinrichtung für Wechselobjektive und einen einzigen flächigen Sensor mit Farbmosaik-Filtermaske. Durch die Wechselobjektive kann der Kameramann in der ihm geläufigen Weise die Vorteile verfügbarer Objektive nutzen. Durch nur einen einzigen flächigen Sensor wird mindere Bildqualität vermieden, wie sie bei Verwendung dreier separater Sensoren für unterschiedliche Farbauszüge unvermeidbar wäre. Zur Vermeidung von FarbmoirE erfolgt unter Verzicht auf optische Bauelemente eine optisch wirksame Tiefpaßfilterung durch Bewegungsunschärfe, das heißt Verwischen während der jeweiligen Aufnahmezeit des Sensors (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale, hochauflösende Kinofilm-Kamera.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Kinofilm-Kamera des üblichen Kino-35 mm-Formats zur Aufzeichnung und Speicherung von bewegten Bildern geschaffen werden, wobei auf übliche photochemische Filmmate­ rialien verzichtet wird und stattdessen eine elektronische Sensorik in Verbindung mit digitalen Speichermedien eingesetzt wird.

Für den Konsumerbereich (Heimkino) gibt es bereits seit längerem elek­ tronische Filmkameras (sog. CamCorder), die den 8 mm Film (z. B. Super 8) durch den Einsatz von CCD-Sensoren und Magnetbändern völlig verdrängt haben. Deren Auflösung (480 bzw. 580 Zeilen) reicht jedoch für die Projektion auf einer großen Leinwand nicht aus. Dafür sind mindestens 1920 × 1080 Bildpunkte (wie z. B. beim High Definition Television, HDTV) erforderlich. Digitale Videokameras sind z. B. in den EP-A-0 083 240 und EP-A-0 131 387 beschrieben. Erstrebenswert sind allerdings noch mehr Bildpunkte: ein guter 35 mm-Kinofilm mit 60 Li­ nienpaaren/mm optischer Auflösung erreicht auf seine belichtete Breite von 24 mm ca. 2900 Bildpunkte und auf seine Höhe von 18 mm ca. 2200 Bildpunkte.

Im professionellen Studiobereich gibt es seit einigen Jahren digitale HDTV Kameras mit der erforderlichen Minimalauflösung. Zur Erreichung einer farbmoire-freien Bildabtastung verwenden sie nahezu aus­ schließlich drei CCD-Sensoren in Verbindung mit einem Strahlteilungs­ prisma für die drei Farbauszüge Rot, Grün und Blau. Wegen dieses Prismas können keine Objektive verwendet werden, die für konventio­ nelle 35 mm Kinofilmkameras entworfen und berechnet wurden: aufgrund der erheblichen Dicke des im nicht-parallelen Strahlengangs befindlichen Prismas würden die optischen Eigenschaften dieser Objektive zu stark ungünstig beeinflußt. Daher finden in HDTV-Kameras keine Wechsel­ objekte Anwendung, denn diese müßten für das eingesetzte Prisma be­ rechnet sein. Desweiteren haben diese Kameras keinen optischen Sucher, sondern einen elektronischen Sucher, in Form eines kleinen Monitors (Kathodenstrahlröhre oder Liquid Crystal Display, LCD).

Für einen Kameramann in der Kinofilmproduktion ist eine solche Ar­ beitsweise nicht akzeptabel. Sein Know-How besteht unter anderem in der in Jahrzehnten erlangten Kenntnis der Charakteristika einer großen Zahl verschiedener Filmobjektive. Diese stellen auch einen Großteil der Investitionen eines Leihparks für Kinofilm-Kameras dar. Desweiteren verlangt der Kameramann für ermüdungsfreies Arbeiten nach einem optischen Sucher. Zudem sollte dieser einen größeren Bildausschnitt haben, als der tatsächlich aufgenommene Ausschnitt, damit der Kamera­ mann frühzeitig erkennen kann, welche Teile der Szene bei einem Schwenk ins Bild kämen und er rechtzeitig auf unerwünschte, in den Ausschnitt einzutreten drohende Szenenelemente (Mikrofone, Kompar­ sen, etc.) reagieren kann.

Ein einfacher Ersatz der Filmbühne in einer konventionellen 35 mm Kinofilmkamera durch einen mit drei Sensoren ausgestatteten Prismen­ block ist daher nicht möglich. Der alternative Ansatz, wie bei einer Consumer-Kamera nur einen Sensor (ohne Prisma) zu verwenden, der zur Farbgewinnung mit einer Farbmosaik-Filtermaske ausgestattet ist, scheiterte bislang bereits gedanklich an den damit scheinbar untrennbar verbundenen Auflösungsverlusten und Bildstörungen durch Farbmoire. Dennoch verfolgt die hier vorliegende Erfindung diesen Weg.

Die Ursachen der Probleme, den konventionellen chemischen Farbfilm durch "Elektronik" zu ersetzen, sind folgende:

Ein chemischer Farbfilm besteht aus für unterschiedliche Farben emp­ findlichen Schichten, mit unregelmäßig angeordnetem Silberkorn. Im Gegensatz dazu hat ein CCD- oder CMOS-Bildsensor nur eine einzige "lichtempfindliche Schicht", mit im regelmäßigen Raster angeordneten Sensorelementen. Sollen mit nur einem solchen Sensor verschiedene Farbauszüge gleichzeitig (also nicht im sequentiellen Zeitmultiplex) aufgenommen werden, müssen diese im Ortsmultiplex gewonnen werden, also mit nebeneinanderliegenden Sensorelementen mit unterschiedlichen Farbfiltern. Ein Beispiel für eine solche Farbfilteranordnung ist die sogenannte Bayer-Maske.

Eine solche regelmäßige Farbfilteranordnung ist jedoch äußerst empfind­ lich gegenüber Farbverfälschungen bei der Aufnahme von regelmäßigen Strukturen, die auf dem Sensor als Ortsfrequenz abgebildet werden, die annähernd den Abtast-Ortsfrequenzen entsprechen, die durch die Farb­ mosaikmaske vorgegeben sind: durch die Abtastung werden diese hohen Ortsfrequenzen auf niedrige Ortsfrequenzen nahe Null heruntergemischt, was sich wegen des 180°-Phasenversatzes der Abtastung für die einzel­ nen Farben als Farbstreifen äußert, selbst wenn die Vorlage unbunt war.

Dieses Phänomen ist als sog. Farbmoiré oder Farbalias bekannt und derart störend, daß für eine hochwertige Bildaufnahme die Verwendung nur eines Sensors mit Farbmosaikmaske ausgeschlossen schien.

Bei elektronischen Kameras im Konsumerbereich behilft man sich meist mit einem Diffusor. Dies ist ein in den Strahlengang eingebrachtes opti­ sches Element, das das Bild gezielt verunschärft. Am häufigsten werden doppelbrechende Medien verwendet, die eine Polarisationsrichtung un­ verändert durchlassen, die dazu senkrechte aber um einen gewissen Winkel ablenken (typ. sechs Milliradianten). Um die bei relativ großen Sensorelementabständen erforderliche Verunschärfung zu erreichen, benötigt man einen Diffusor mit mehreren Millimetern Dicke. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der Forderung, daß die Qualität eines Objek­ tivs, das für die Verwendung ohne Diffusor entworfen wurde, nicht wesentlich verschlechtert werden soll. Außerdem funktioniert dieses Verfahren nicht, wenn das in das Objektiv eintretende Licht bereits polarisiert ist.

Eine alternative Maßnahme zur Tiefpaßfilterung mit Diffusor wäre das Defokussieren. Dies ist jedoch aus mehreren naheliegenden Gründen inpraktikabel, insbesondere bei der Aufnahme nicht-ebener Objekte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine digitale, hochauflösende Kinofilm-Kamera anzugeben, die bei der angestrebten hohen Auflösung praktisch frei von Farbmoiré oder Farbalias ist, ohne daß hierzu die durch die Qualität des verwendeten Objektivs der Kamera gewährleistete hohe Bildqualität beeinträchtigt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine digitale, hochauflösende Kinofilm- Kamera, die folgende Merkmale aufweist:
eine Aufnahmeeinrichtung für konventionelle Wechselobjektive;
einen einzigen Flächensensor mit Sensorelementen und mit einer Farb­ mosaik-Filtermaske; und
eine optisch wirksame Tiefpaßfiltereinrichtung unter Verzicht auf op­ tische Bauelemente.

Ein wesentliches Element für eine Kinofilm-Kamera, mithin auch für die hier beanspruchte digitale Kinofilm-Kamera, ist abgesehen von der hohen Bildauflösung der Einsatz der konventionellen Wechselobjektive. Was den oben angesprochenen Nachteil der Verwendung von drei separaten Flächensensoren für die verschiedenen Farbauszüge angeht, so werden diese Nachteile durch die Verwendung eines einzigen Flächensensors vermieden. Die für diesen einzelnen Flächensensor mit Farbmosaikfilter typischen Probleme, das heißt die Entstehung von Farbmoirés oder Far­ balias, werden erfindungsgemäß durch eine optisch wirksame Tiefpaßfil­ tereinrichtung unter Verzicht auf optische Bauelemente erreicht. Erreicht wird die Tiefpaßfilterung durch gezielte Nutzung von Bewegungsun­ schärfe (motion blur). In einer speziellen Ausgestaltung erfolgt die Bil­ dung solcher Bewegungsunschärfe durch zweidimensionales Verschieben des Sensors in der Bildebene während der Belichtungszeit (Apertursyn­ these).

Innerhalb der Bildebene kann der flächige Sensor unterschiedlichen Bewegungspfaden folgen. Abhängig von dem Verlauf dieser Pfade, von den Geschwindigkeiten, mit denen der Sensor bewegt wird, und den Zeiten des Verharrens an verschiedenen Orten im Zuge der Bewegung, entsteht eine nahezu beliebige zweidimensionale, positiv-wertige optische Punktantwort. Die Fourier-Transformierte dieser Punktantwort ist die sogenannte System-Übertragungsfunktion, und deren Betrag wiederum ist die Modulations-Übertragungs-Funktion (modulation transfer function, MTF).

Für eine gegebene Farbmosaikmaske läßt sich ermitteln, welche Orts­ frequenzen im Bild Farbmoiré-Störungen hervorrufen würden. Diese Ortsfrequenzen können nun durch eine geeignet gewählte MTF bzw. Punktantwort gezielt unterdrückt werden.

Dies soll anhand eines einfachen Beispiels mit nur zwei anstelle der an sich notwendigen mindestens drei Farben näher erläutert werden, wozu auf die beiliegende Fig. 2 verwiesen wird. Hier dient eine vereinfachte Anordnung mit einer nur eindimensional (in horizontaler Richtung oder von links nach rechts) variierenden Farbfiltermaske. In Fig. 2 ist ein Sensor 50 mit einer Farbmosaikmaske für die Farben Blau und Gelb dargestellt. Das Farbmosaikmuster enthält Filterelemente 52 für die Farbe Gelb (Y) und Filterelemente 54 für die Farbe Blau (B). Die durch das in Fig. 2 dargestellte Beispiel veranschaulichten Effekte und Wir­ kungen ergeben sich analog bei zweidimensional variierenden Farbfilter­ masken, beispielsweise der sogenannten Bayer-Maske, die in Fig. 3 näher dargestellt ist.

Der Sensor 50 nach Fig. 2 habe einen horizontalen Pixelabstand von s_x. Dementsprechend hat aufgrund der abwechselnd gelben und blauen senkrechten Farbmasken-Streifen eine Farbzelle eine Breite von 2 . s_x mit jeweils zwei benachbarten Sensorelementen.

Mit dem Sensor 50 und der darauf befindlichen Farbmosaikmaske werde nun eine unbunte Vorlage 60 aufgenommen, die im vorliegenden Beispiel durch ein senkrechtes schwarzweißes periodisches Streifenmuster gebil­ det ist. Es sei hier angenommen, die Vorlage 60 werde auf den Sensor 50 mit einer Periodenlänge (2 s_x) abgebildet, die der Breite einer Farb­ zelle entspricht. In diesem Fall kann die unbunte Vorlage mehr oder weniger ausgeprägt farbig detektiert werden. Fallen die schwarzen Be­ reiche der Vorlage zum Beispiel auf die Filterelemente 52 (Gelb), so liefert der Sensor 50 ausschließlich Signale von den Bildelementen 54, die Licht aus den hellen Bereichen der Vorlage 60 empfangen, so daß im Ergebnis der Sensor ein sattes "Blau" detektiert. Bei Versatz der abgebil­ deten Vorlage 60 relativ zu dem Sensor 50 um die halbe Periodenlänge s_x würde der Sensor 50 ausschließlich "Gelb" detektieren. Fällt von jedem weißen Bereich der Vorlage 60 Licht auf ein halbes Filterelement 52 und Licht auf ein halbes Filterelement 54 (Versatz von 1/2 s_x), so detektiert der Sensor 50 "Grau".

Bei dem hier gewählten Beispiel gemäß Fig. 2 hat die Abbildung des Streifenmusters 60 die gleiche Periodenlänge wie die Farbmaske, und demzufolge kann der Sensor 50 prinzipiell nicht unterscheiden, ob es sich bei der Vorlage um eine homogene gelbe oder homogene blaue Fläche, oder aber um ein unbuntes Streifenmuster handelt. Um diese Mehrdeutigkeit zu vermeiden, muß von vornherein verhindert werden, daß der Sensor mit Mustern konfrontiert wird, deren Ortsfrequenz (Kehr­ wert der Periodenlänge) dem Kehrwert der Farbzellenbreite entspricht.

Die MTF muß bei dieser Ortsfrequenz eine große Dämpfung aufweisen, damit die obige Situation vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird eine Dämpfung von Ortsfrequenzen durch eine Bewegung des Sensors während der Belichtungszeit erreicht. Hierdurch kommt es zu einer Bildverwischung. Diese Verwischung kann zum einen durch eine näherungsweise gleichförmige Bewegung erfolgen (ein linien­ haftes Verwischen, ähnlich dem Verwackeln beim Fotografieren), oder durch eine schrittweise Bewegung (Erzeugung von versetzten Doppel- oder Mehrfachbildern, ähnlich einer Doppel- oder Mehrfachbelichtung), oder durch eine Kombination aus beiden Maßnahmen, das heißt Kom­ bination aus näherungsweise gleichförmiger Bewegung und schrittweiser Bewegung.

Das oben erläuterte Prinzip der optisch wirksamen Tiefpaßfiltereinrich­ tung durch Bewegen des Sensors in der Bildebene ist bei zweidimensio­ nal variierenden Farbfiltermasken ähnlich, wie es oben erläutert wurde. Die in Fig. 3 gezeigte Farbfiltermaske besitzt Filterelemente 72 für Grün (G), die 50% der gesamten Farbfiltermaske 70 belegen und sich in horizontaler und vertikaler Richtung mit Filterelementen 74 für Blau (B) und mit Filterelementen 76 für Rot (R) abwechseln. Man kann sich leicht vorstellen, daß eine schachbrettartige Vorlage, die mit der gleichen Periodenlänge auf den Sensor 70 abgebildet wird, welche auch die Zel­ lengröße definiert, je nach Lage der Vorlage sämtliche Filterelemente 74 und 76 abdeckt, so daß der Sensor 70 ausschließlich Signale für Grün (G) liefert. Die oben in Verbindung mit Fig. 2 angestellten Betrachtun­ gen gelten für die in Fig. 3 gezeigte Farbfiltermaske entsprechend zweidimensional, also in allen Richtungen in der Ebene.

Die durch die Sensorbewegung erreichte Bildverwischung wird - wie gesagt - durch annähernd gleichförmige und/oder schrittweise Bewegung des Sensors erreicht. Grundsätzlich sind aber sämtliche Arten von Bewe­ gung zur Erzielung der Tiefpaßfilterwirkung möglich, also auch be­ schleunigte Bewegungen und Bewegungen mit kompliziertem kurvenför­ migem Verlauf.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Strahlen­ gang hinter dem Wechselobjektiv der erfindungsgemäßen Kamera ein optischer Sucher angeordnet ist. Dieser optische Sucher bietet dem ge­ schulten Kameramann die Möglichkeit, die speziellen Charakteristika der für ihn verfügbaren Wechselobjektive auszuprobieren und einzusetzen. Insbesondere wird das optische Sucherbild mit einem halbdurchlässigen Spiegel hinter dem Wechselobjektiv ausgeblendet. Ein Teil der Bildinfor­ mation fällt auf den flächigen Sensor, ein Teil des Bildes fällt auf eine Mattscheibe.

Der halbdurchlässige Spiegel kann in vorteilhafter Weise als Infrarot- Sperrfilter für den Sensor ausgebildet sein. Um Bildstörungen durch Staub zu unterdrücken, kann der halbdurchlässige Spiegel als Drehspie­ gel ausgebildet sein.

Eine besonders günstige Ausführungsform zur Realisierung der optisch wirksamen Tiefpaßfiltereinrichtung besteht erfindungsgemäß darin, wenn diese eine Verschiebeeinrichtung zum zweidimensionalen Verschieben des flächigen Sensors während der Belichtungszeit aufweist, wobei die Verschiebeeinrichtung oder Verschiebemechanik vorzugsweise mittels piezomechanischer Stellglieder ausgebildet ist. Solche piezomechanischen Stellglieder sind aus dem Stand der Technik bekannt (zum Beispiel EP- A-0 124 250).

Mit Hilfe der zweidimensionalen Verschiebung des Sensors während der Belichtungszeit läßt sich eine optische Punktantwort synthetisieren, die - ohne nennenswerten Schärfeverlust - diejenigen Ortsfrequenzen unter­ drückt, welche Farbmoiré-Bildstörungen hervorrufen würden.

Es ist bevorzugt, wenn der flächige Sensor als CMOS-Sensor ausgebildet ist. Als Farbmosaik-Filtermaske wird vorzugsweise die Bayer-Maske verwendet.

In einer speziellen Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß der flä­ chige Sensor neig- oder schwenkbar gelagert ist. Dies ermöglicht Schärfe-Nebeneinstellungen nach Scheimpflug.

Die digitale Kamera gemäß der Erfindung besitzt eine Steuereinrichtung, die nahezu sämtliche elektronischen Bauteile und Bauelemente der Ka­ mera steuert. Insbesondere ist vorgesehen, daß über die Steuereinrich­ tung die Bildwechselfrequenz veränderbar oder einstellbar ist. Hierdurch sind in einfacher Weise Zeitlupen- und Zeitraffereffekte erzielbar.

Vorzugsweise ist die wirksame Belichtungszeit von Null bis zum Kehr­ wert der Bildwechselfrequenz variabel. Durch diese Maßnahme läßt sich Bewegungsunschärfe vermeiden. Höhere Bildwechselfrequenzen werden durch Unterabtastung des flächigen Sensors, bei dem es sich vorzugs­ weise um einen CMOS-Sensor handelt, erreicht. Als zusätzliche oder alternative Maßnahme kann man nur einen verkleinerten Bereich des CMOS-Sensors für den Auslesevorgang vorsehen.

Durch die Unterabtastung des Sensors (es wird zum Beispiel nur jedes dritte Sensorelement ausgelesen, die anschließenden zwei benachbarten Sensorelemente bleiben unberücksichtigt) wird eine geringere Abtast- Ortsfrequenz erreicht; dem muß bei der Bewegungsverwischung Rech­ nung getragen werden. In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der flächige CMOS-Sensor wahlweise von oben nach unten oder von unten nach oben ausgelesen wird. Diese Art des Aus­ lesens des Sensors entspricht einem nach unten bzw. nach oben beweg­ tem Schlitzverschluß konventioneller Kameras. Die hieraus resultierende scheinbare leichte Neigung vertikaler Linien bei einem seitlichen Kame­ raschwenk in oder gegen Bewegungsrichtung kann künstlerisch wirksam eingesetzt werden.

Zur besonderen Berücksichtigung der gewählten Bildwechselfrequenz und Belichtungszeit ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß sich im Sucherstrahlengang ein optisch wirksamer Verschluß (LC-Ver­ schluß, Flüssigkristallverschluß) befindet. Dieser Verschluß wird ent­ sprechend der Bildwechselfrequenz und der Belichtungszeit angesteuert, damit der Kamera den richtigen Bewegungseindruck (Rucken des Bildes) erhält.

Um der hohen Auflösung und den hohen Bildwechselfrequenzen Rech­ nung zu tragen, erfolgt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Abspeicherung der Bilder während der Aufnahme in Halbleiter-Speicher­ elementen. Diese werden nach oder bereits beginnend während der Auf­ nahme durch Übertragung der Bilddaten in Massenspeicher (zum Beispiel Festplatten) freigemacht zur Aufnahme der nächsten Bildsequenz.

Der mögliche optische Sucher bei der erfindungsgemäßen Kinofilm- Kamera ist - wie oben ausgeführt - von besonderem Vorteil. Als zusätz­ liche Einrichtung wird parallel zu dem optischen Sucherbild aus den digitalen Bilddaten ein hochauflösendes Kontrollbild mit hoher Bildwie­ derholrate (z. B. 72 Hz) für einen Computermonitor erzeugt. Das Kon­ trollbild kann einerseits bei der Aufnahme die gleiche Bildwechselfre­ quenz wie der Sensor haben, andererseits kann das Kontrollbild mit einer anderen, festen Bildwechselfrequenz (beispielsweise 24 Hz) wiedergege­ ben werden. Damit wird bei einer Bildwiederholrate des Kontrollbilds von 72 Hz jedes Bild genau dreimal gezeigt. Hierdurch lassen sich Zeit­ lupen- und Zeitraffereffekte sofort sichtbar machen.

Die erfindungsgemäße, digitale und hochauflösende Kinofilm-Bildkamera läßt sich auch zur Aufnahme von Still-Bildern einsetzen. In diesem Fall wird die optisch wirksame Tiefpaßfiltereinrichtung nicht zur Tiefpaßfilte­ rung benutzt, sondern zum sogenannten Mikroscanning. Der Begriff "Mikroscanning" besagt, daß aufeinanderfolgend mehrere leicht gegen­ einander versetzte Bilder eines ruhenden Objekts mit optisch vervielfach­ ter Auflösung aufgenommen werden, bei üblichen CMOS-Sensoren können drei- bis vierfache Aufnahmen in zweidimensionaler Versetzung gewonnen werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer digitalen, hochauflösen­ den Kinofilm-Kamera anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer digitalen, hochauflösenden Kinofilm-Kamera gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 und 3 jeweils eine unterschiedliche Farbmosaik-Filtermaske für einen flächigen Sensor zum Veranschaulichen der Problematik auf­ grund von Farbmoiré,

Fig. 4 bis 6 graphische Darstellungen von Funktionen zum Erläutern des Grundprinzips, auf dem die vorliegende Erfindung beruht.

Fig. 1 zeigt schematisch eine hochauflösende digitale Kinofilm-Kamera 2 mit einem durch ein Rechteck angedeuteten Gehäuse 4, welches eine Aufnahmevorrichtung 7 für eine Wechselobjektiv 6 aufweist. Im Strah­ lengang hinter dem Wechselobjektiv 6 befindet sich in dem Kamerage­ häuse 4 ein halbdurchlässiger, als IR-Sperrfilter fungierender Spiegel 8, der einen Teil des durch das Wechselobjektiv gelangten Lichts auf einen flächigen CMOS-Sensor 10 durchläßt, einen anderen Teil des Lichts über einen LC-Verschluß 24 und eine Sucher-Mattscheibe 26 für die Betrach­ tung durch ein Sucher-Okular 28 sichtbar macht.

Der flächige CMOS-Sensor enthält eine in Fig. 1 nicht dargestellte Farbmosaik-Filtermaske, wie sie in Fig. 3 beispielhaft als sogenannte Bayer-Maske dargestellt ist. Nur angedeutet ist eine Verschiebemechanik 12, mit der der Sensor zweidimensional, das heißt horizontal und vertikal während der Belichtungszeit verschiebbar ist. Die Verschiebemechanik besteht vorzugsweise aus piezomechanischen Elementen, die aus der eingangs genannten Druckschrift bekannt sind.

Das Herzstück der Kamera wird durch eine Steuerelektronik 14 gebildet, die das Auslesen des Sensors 10 ebenso wie die Ansteuerung der Ver­ schiebemechanik 12 in der Weise vornimmt, daß während jeder Belich­ tungszeit eine beispielsweise lineare oder schrittweise Verschiebung des Sensors 10 entlang beispielsweise einer zweidimensionalen Bahnkurve erfolgt.

Die von dem Sensor 10 unter Steuerung durch die Steuerelektronik 14 ausgelesenen Bildsignale werden über eine eine Mehrzahl von Wandlern enthaltende A/D-Wandleranordnung 16 in einen Bildsequenzspeicher 18 eingegeben. Die dort gespeicherten Bildsignale werden über die Steuer­ elektronik und einer Rechnerschnittstelle 20 an einen externen Rechner gegeben, um dort in einen Massenspeicher abgespeichert zu werden.

Der Kameramann kann während der Aufnahme oder vor der Aufnahme über das Sucher-Okular 28 das Bild so betrachten, wie es von dem Sen­ sor 10 aufgenommen wird. Alternativ ist eine Betrachtung über einen externen, hier nicht dargestellten Monitor möglich. Zu diesem Zweck werden die dem Bildsequenz-Speicher 18 über die Steuerelektronik 14 entnommenen Bilddaten in einen Bildwiederholspeicher 22 eingegeben und stehen für die Darstellung auf dem externen Monitor zur Verfügung.

Der Sensor 10 kann mit einer in Fig. 1 nicht näher dargestellten Vor­ richtung geneigt oder geschwenkt werden, um Schärfen-Nebeneinstellun­ gen nach Scheimpflug vorzunehmen. Die dazu erforderlichen Einstell­ mittel sind in Fig. 1 nicht dargestellt, um die Zeichnung nicht zu über­ lasten.

Der LC-Verschluß 24 wird mit der Bildwechselfrequenz und der Belich­ tungszeit angesteuert, mit denen auch der Sensor 2 betrieben wird. Hier­ durch erhält der Kameramann den richtigen Bewegungseindruck.

Die Steuerelektronik 14 kann den Sensor in spezieller Weise auslesen, also von oben nach unten und von unten nach oben, wodurch der Ein­ druck eines Schlitzverschlusses entsteht. Die Steuerelektronik 14 kann zur Erzielung sämtlicher steuerungsmäßigen Besonderheiten program­ miert sein, die in der Beschreibungseinleitung angegeben sind.

Zum Erläutern des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung sei im folgenden auf die Fig. 4 bis 6 Bezug genommen.

Für das Beispiel wollen wir uns auf eine eindimensionale Bewegung beschränken, da sie für eine nur eindimensional variierende Farbmaske ausreicht. Es ist dann auch die Berechnung der Modulations-Übertra­ gungs-Funktion leichter - sie ist nämlich schlicht die eindimensionale Fouriertransformierte der durch die Bewegung synthetisierten Punktant­ wort.

Folgende beiden Fourierkorrespondenzen zwischen Ortsbereich und Ortsfrequenzbereich (space domain and spatial frequency domain) sind von besonderer Praxisrelevanz:

• 1. Punktantwort (point spread function) p_l (l steht für linienhafte Ver­ wischung) im Ortsbereich: eine gerade Linie in x-Richtung der Länge Δx, mit gleichförmiger Helligkeitsbelegung, erzeugt durch eine geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit während der gesamten Belichtungszeit, dargestellt auf der linken Seite in Fig. 4.
  Die dazugehörige MTF_l, also die Fouriertransformierte der Punkt­ antwort P_l ist eine sogenannte Si-Funktion (Sinus x durch x), ge­ nauer:
  MTF_l(u) = sin(π . Δx . u)/(π . Δx . u),
  wobei u die Ortsfrequenz ist, z. B. in Linienpaaren pro mm. Diese Funktion hat ihre erste Nullstelle bei u₀ = 1/Δx, da sin(π) = 0. Bei einer Farbstreifenmaske mit der Farbzellengröße 2 . s_x muß verhin­ dert werden, daß der Sensor mit der Ortsfrequenz u_m = 1/(2 . s_x) beaufschlagt wird. Wählt man also 1/Δx = u₀ = u_m = 1/(2 . s_x) bzw. die Länge des verwischenden Striches Δx = 2 . s_x, so wird, wie gefordert, die störende Ortsfrequenz u_m durch die Nullstelle der MTF_l bei u₀ unterdrückt.
  Da die Farbzellengröße 2 . s_x des Sensors 10 bekannt ist, läßt sich die in der Steuerelektronik 14 gespeicherte Programmierung so einrichten, daß die Verschiebung des Sensors entsprechend der Länge Δx erfolgt. Der Sensor 10 wird in seiner Bewegung derart gesteuert, daß die Länge der Bewegungsbahn in x-Richtung dem Wert Δx entspricht, und zwar innerhalb der effektiven Belichtungs­ zeit.
• 2. Punktantwort p_d im Ortsbereich: Ein Doppelpunkt in x-Richtung mit Abstand Δx, mit zwei gleich hellen Punkten, erzeugt z. B. durch eine ideal schrittförmige Bewegung zwischen zwei Punkten mit Abstand Δx und einer jeweiligen Verweildauer von der Hälfte der gesamten Belichtungszeit, vergleiche Fig. 5.
  Die dazugehörige MTF ist eine Cosinus-Funktion, genauer:
  MTF_d(u) = cos(π . Δx . u).
  Diese Funktion hat ihre erste Nullstelle bei u₀ = 1/(2 . Δx), da cos(π/2) = 0. Die Ortsfrequenz u_m = 1/(2 . s_x) wird demzufolge dann unterdrückt, wenn Δx = s_x gewählt wird. Ein Sensor mit der beispielhaft genannten Farbmosaikmaske müßte also gerade um den Sensorelement-Abstand s_x verschöben werden, um die gewünschte Doppelbelichtung bzw. dazugehörige MTF zu erzielen.
  Interessant sind auch Punktantworten, die sich aus einer Kombina­ tion aus geradlinigen Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit und dem kurzzeitigen Verweilen an mehreren Orten ergeben.
  Zweidimensional variierende MTF'en werden durch zweidimensio­ nale Bewegungsbahnen oder -pfade erzielt (vergleiche Fig. 6). Von besonderer Bedeutung für die Berechnung der MTF(u, v) aus der Impulsantwort p(x, y) ist das sogenannte central-slice-Theorem: Der Schnitt durch die MTF beispielsweise entlang der u-Achse, also die MTF(u, v = 0) ist die Fouriertransformierte der Projektion der Impulsantwort p(x, y) auf die x-Achse, also das Integral ∫p(x, y)dy von y = -∞ bis y = +∞.

Man kann mit der erfindungsgemäßen Kamera auf Einzelbilder mit Blitz­ licht aufnehmen. Dann ist der Bewegungsablauf beim Verschieben des Sensors zeitlich auf die Dauer der Blitzlichtbeleuchtung abgestimmt. Zum Beispiel ist (über die Steuerelektronik 14) dafür gesorgt, daß die Verschiebung des Sensors etwa mit dem Abbrennen des Blitzes beginnt und mit dem Ende der Abbrenndauer (oder kurz davor oder danach) beendet ist.

Claims (22)

1. Digitale, hochauflösende Kinofilm-Kamera, mit folgenden Merkmalen:
eine Aufnahmeeinrichtung (7) für ein konventionelles Wechselobjek­ tiv (6);
ein einziger flächiger Sensor (10) mit regelmäßig angeordneten Sensorelementen und mit Farbmosaik-Filtermaske; und
eine optisch wirksame Tiefpaßfiltereinrichtung (12, 14) unter Ver­ zicht auf optische Bauelemente.

2. Kamera nach Anspruch 1, mit einem optischen Sucher für den Strah­ lengang hinter dem Wechselobjektiv.

3. Kamera nach Anspruch 2, umfassend einen halbdurchlässigen Spiegel (8) zum Ausblenden des optischen Sucherbildes.

4. Kamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der halb­ durchlässige Spiegel (8) gleichzeitig als Infrarot-Sperrfilter für den Sen­ sor (10) ausgebildet ist.

5. Kamera nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbdurchlässige Spiegel (8) rotierend gelagert ist.

6. Kamera nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Sucherstrahlengang ein optisch wirksamer Verschluß (24) an­ geordnet ist, der insbesondere mit der Bildwechselfrequenz und der Belichtungszeit des Sensors (10) angesteuert wird.

7. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfiltereinrichtung eine Verschiebemechanik (12) zum zweidimensionalen Verschieben des Sensors (10) während der Belich­ tungszeit aufweist.

8. Kamera nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ schiebemechanik piezomechanische Stellglieder aufweist.

9. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein CMOS-Sensor ist.

10. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Farbmosaik-Filtermaske eine sogenannte Bayer-Maske ist.

11. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor neig- und schwenkbar gelagert ist.

12. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Steuereinrich­ tung, die mindestens den Betrieb des Sensors (10) steuert.

13. Kamera nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuereinrichtung (14) die Bildwechselfrequenz einstellbar ist.

14. Kamera nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wirk­ same Belichtungszeit von Null bis zum Kehrwert der Bildwechselfre­ quenz veränderlich ist.

15. Kamera nach Anspruch 13, insbesondere in Verbindung mit einem CMOS-Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung höherer Bildwechselfrequenzen

• a) eine Unterabtastung des Sensors erfolgt und/oder
• b) eine Verkleinerung des ausgelesenen Bereichs des Sensors erfolgt.

16. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der Sensor (10) wahlweise von oben nach unten oder von unten nach oben ausgelesen wird.

17. Kamera nach einem der Ansprüche 1 bis 16, daß die während der Aufnahme anfallenden Bilddaten in Halbleiter-Speicherelementen gespei­ chert werden, um nach oder bereits beginnend während der Aufnahme in einen Massenspeicher übertragen zu werden.

18. Kamera nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich zu dem optischen Sucherbild mit Hilfe der von dem Sensor (10) aufgenommenen digitalen Bilddaten ein hochauflösendes Kontrollbild mit hoher Bildwiederholrate (z. B. 32 Hz) für einen Compu­ ter-Monitor erzeugt wird.

19. Kamera nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kon­ trollbild mit der gleichen Bildwechselfrequenz erzeugt wird, mit der der Sensor betrieben wird.

20. Kamera nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wiedergabe des aufgenommenen Bilds eine feste Bildwechselfrequenz verwendet wird, die niedriger ist als die Bildwiederholrate bei der Erzeu­ gung des Kontrollbildes während der Aufnahme.

21. Kamera nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Blitzlichtbeleuchtung für mindestens ein Bild der Be­ wegungsablauf beim Verschieben des Sensors zeitlich abgestimmt ist auf die Abbrenndauer des Blitzes.

22. Verwendung der digitalen, hochauflösenden Kinofilm-Kamera nach Anspruch 1 zur Aufnahme einzelner Still-Bilder, wobei mit dem flächi­ gen Sensor aufeinanderfolgend mehrere, geringfügig gegeneinander versetzte Bilder eines ruhenden Objekts aufgenommen werden.