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Die
Erfindung betrifft eine Kamera zur Erzeugung digitaler Bilder.
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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.
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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.
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Mit
der Erfindung wird eine flexible digitale Kamera angestrebt, mit
der die Schärfeebene
gegenüber
der Längsachse
des Objektivs neigbar ist.
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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.
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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.
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In
den folgenden Ansprüchen,
die von Anspruch 1 abhängig
sind, werden weitere vorteilshafte Ausführungsformen der digitalen
Kamera offenbart.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 stellt
eine beispielhafte digitale Kamera mit einem verschwenkten Bildsensor
und einer entsprechend geneigten Schärfeebene dar.
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2A ist
eine Aufsicht auf eine Ausführungsform
eines Bewegungselements.
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2B ist
eine Seitenansicht auf die Ausführungsform
eines Bewegungselements.
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3A ist
eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Bewegungselements.
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3B ist
eine Seitenansicht auf die weitere Ausführungsform eines Bewegungselements.
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4 ist
eine beispielhafte digitale Kamera mit einer Darstellung eines Bildes
mit gekennzeichneten Autofokusbereichen.
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5 ist
eine beispielhafte digitale Kamera mit einer Darstellung eines Kontrollbereichs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Soiegelreflexkameras
verwendet werden.
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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.
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Weiterhin
verfügt
die Kamera 100 über
eine zusätzlichen
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.
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Weiterhin
hat die Kamera 100 einen zusätzliches Steuerungselement 150,
mit dem eine Verschwenkung des Bildsensors von einem Benutzer steuerbar
ist. Mit dem Steuerungslement 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.
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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.
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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.
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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.