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Die Erfindung betrifft ein aktives Kamera-Stabilisierungssystem für Bildaufzeichnungen (Video und/oder Fotografie) mit einer aktiven elektromechanischen Ausgleichssteuerung, die mehrere Ausgleichsantriebe zur Lagestabilisierung einer ein Kameragehäuse sowie einen Bildsensor aufweisenden Kamera sowie eine für ein solches Stabilisierungssystem eingerichtete Kamera.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein bevorzugt batterie- bzw. akkubetriebenes Kamera-Stabilisierungssystem, das auf dem Prinzip einer kardanischen Lagerung der Kamera verbunden mit einer aktiven elektromechanischen Steuerung beruht. Es kann sich sowohl um ein 2-Achs bzw. 2D als auch um ein 3-Achs bzw. 3D Stabilisierungssystem handeln.
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Derartige Stabilisierungssysteme sind in jüngerer Zeit im Zusammenhang mit der wachsenden Beliebtheit und Verwendung von fernsteuerbaren Kleinfluggeräten (auch als Flugroboter, Drohnen oder Multikopter bezeichnet) oder in Zusammenhang mit der Möglichkeit, mit Handys bzw. Smartphones Videos aufzuzeichnen, am Markt unter anderem unter der Bezeichnung „Gimbal“ oder „Gimbalsystem“ erschienen. Sie dienen dabei der weitgehenden (im besten Fall vollständigen) Eliminierung von Schwingungen, Stößen, Ruckeln oder zu schnellen Bewegungen insbesondere bei Videoaufzeichnungen, bei denen sich der Träger bzw. das Trägersystem der Kamera bewegt, so dass sich trotz von auf die Kamera von außen einwirkenden dynamischen Beanspruchungen ein ruhiges, ruckelfreies Bild ergibt. Es gibt sowohl handgehaltene Kamera-Stabilisierungssysteme als auch Kamera-Stabilisierungssysteme, die für den Einsatz zum Beispiel an fernsteuerbaren Kleinfluggeräten oder sonstigen Fahrzeugen eingerichtet sind.
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Etwaige durch kleine Stöße, Vibration durch ruckartige Beanspruchung oder durch schnelle Schwingungen oder Bewegungen drohende Lageänderungen der Kamera, die sich nachteilig auf die Aufzeichnungen auswirken und zu einem unruhigen Bild führen könnten, werden über eine Sensorik erfasst. Eine Kontrolleinheit, die in der Lage ist, über Algorithmen gewollte Kameraschwenks von Kamerabewegungen zu unterscheiden, die sich nicht im Bild niederschlagen sollen, wertet die Sensorsignale aus und steuert in Echtzeit extrem schnell reagierende Ausgleichsantriebe, insbesondere elektrische, bürstenlose Digitalmotoren, an, welche die Ausrichtung und Lage der Kamera im Raum stabil halten und ungewollte Bewegungen der Kamera ausgleichen oder bzw. zwar gewollte, aber zu schnell durchgeführte Bewegungen in langsamer gleitende Richtungsänderungen dämpfen.
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Eine 3-Achs Kamera-Stabilisierungseinheit weist drei gesondert ansteuerbare Ausgleichsantriebe für drei Raumachsen auf, die eine rotatorische Ausgleichsbewegung der Kamera um die dem jeweiligen Ausgleichsantrieb jeweils zugeordnete Achse vorzunehmen vermögen, wobei typischerweise ein äußerer Ausgleichsantrieb, ein mittlerer Ausgleichsantrieb und ein innerer Ausgleichsantrieb vorgesehen sind. Der äußere Ausgleichsantrieb bewegt neben der Kamera ebenfalls den mittleren und inneren Ausgleichsantrieb sowie etwaige zwischen den Ausgleichsantrieben oder zwischen der Kamera und dem inneren Ausgleichsantrieb angeordnete Stütz- oder Verbindungsglieder. Der mittlere Ausgleichsantrieb bewegt neben der Kamera ebenfalls den inneren Ausgleichsantrieb sowie etwaige zwischen dem inneren und mittleren Ausgleichsantrieb oder zwischen der Kamera und dem inneren Ausgleichsantrieb angeordnete Stütz- oder Verbindungsglieder. Der innere Ausgleichsantrieb bewegt schließlich nur die Kamera und etwaige zwischen innerem Ausgleichsantrieb und Kamera angeordnete Stütz- oder Verbindungsglieder.
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Um die für die Bildstabilisierung erforderlichen schnellen und präzisen Ausgleichsbewegungen mittels der Ausgleichsantriebe effizient ausführen zu können, wird der auf die jeweilige Raumachse bezogene Systemschwerpunkt (Schwerpunkt der Kamera einschließlich der sich mit der Kamera in Bezug auf die jeweilige Achse mitbewegenden Bauteile des Stabilisierungssystems) in Bezug auf die drei Raumachsen ausgerichtet, wobei der Schwerpunkt in einer Nullstellung, in der die drei Raumachsen weitgehend senkrecht aufeinander stehen, bestmöglich an dem Schnittpunkt der Raumachsen zusammenfallen sollte. So ist gewährleistet, dass die Kraft, die die Motoren für die Ausgleichsbewegung der Kamera aufzuwenden haben, gering gehalten und die Leistungsfähigkeit des Ausgleichssystem bestmöglich ausgenutzt wird, da die Ausgleichsantriebe nur Trägheitsmomenten um die jeweilige Raumachse entgegenwirken müssen.
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Aus diesem Grund sind auf dem Markt erhältliche Ausgleichssysteme oftmals nur für ein bestimmtes Kameramodell geeignet oder es müssen für verschiedene Kameramodelle speziell auf das jeweilige Ausgleichssystem angepasste Adapter oder Ausgleichsgewichte angeboten werden. Insbesondere für Smartphones sind auch universelle Ausgleichssysteme erhältlich, die verschiedene Smartphonemodelle in einem Halter aufzunehmen vermögen. Bei derartigen Ausgleichssystemen ist das eingesetzte Smartphone vor der Benutzung des Systems dann relativ zum Ausgleichssystem präzise auszurichten, um die Nullstellung mit einer ausgewogenen Schwerpunktlage zu gewährleisten.
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Obwohl die am Markt bekannten Ausgleichssystems grundsätzlich zufriedenstellend funktionieren, weisen diese nach wie vor eine Reihe von verbesserungswürdigen Eigenschaften auf. Durch die außerhalb der Kamera liegende Mechanik und die ebenfalls außerhalb der Kamera liegenden Elektromotoren sind die Ausgleichssysteme insbesondere im Vergleich zu den immer kleiner werdenden Kameras wenig kompakt und verhältnismäßig schwer. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass zum Beispiel der äußere Motor selbst dann, wenn die Kamera sich in Nullstellung befindet, nicht nur die Masse der Kamera bewegt sondern auch die Masse der zwischen äußerem Motor und Kamera befindlichen Motoren und Stütz- und Verbindungsglieder. Für ein gutes Steuerungsvermögen ist es daher von Vorteil, die Massenträgheit der bewegten Bauteile in Bezug den jeweiligen Ausgleichsantrieb des Stabilisierungssystems so gering wie möglich zu halten.
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Ferner sind die außenliegende, empfindliche Mechanik und Elektronik wenig gegen äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit oder Stöße geschützt.
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Vor diesem Hintergrund macht es sich die Erfindung zur Aufgabe, die bekannten Ausgleichssysteme hinsichtlich ihrer Kompaktheit und ihrer Massenträgheit weiter zu verbessern, und das System insgesamt unempfindlicher gegen äußere Einflüsse zu machen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben ist vorgesehen, dass ein innerer Ausgleichsantrieb den Bildsensor der Kamera relativ zum Kameragehäuse um eine innere Ausgleichsachse dreht.
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Die innere Raumachse, also die in Bezug auf das Kamera-Stabilisierungssystem dem Bildsensor am nächsten angeordnete Raumachse, ist bevorzugt die Rollachse bzw. Längsachse.
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Die innere Ausgleichsachse fällt somit bevorzugt mit der optischen Achse der Kameraoptik zusammen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der innere Ausgleichsantrieb den Bildsensor einschließlich der Kameraoptik, also insbesondere zusammen mit Objektiv und Linse, relativ zum Kameragehäuse dreht. Weiter kann vorgesehen sein, dass die der innere Ausgleichsantrieb die Platine, auf der unter anderem der Bildsensor befestigt ist, zusammen mit dem Bildsensor relativ zum Kameragehäuse dreht.
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Neben dem inneren Ausgleichsantrieb weist das Kamera-Stabilisierungssystem einen mittleren Ausgleichsantrieb und einen äußeren Ausgleichsantrieb auf. Der mittlere Ausgleichsantrieb ist bevorzugt der Antrieb, der die Kamera zur Lagestabilisierung um die Kippachse bzw. Querachse dreht. Der äußere Ausgleichsantrieb ist bevorzugt der Antrieb, der die Kamera zur Lagestabilisierung um die Gierachse bzw. Hochachse dreht. Die Ausgleichsantriebe werden von Elektromotoren, bevorzugt von bürstenlosen Digitalmotoren, gebildet.
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Der innere Ausgleichsantrieb stützt sich bevorzugt unmittelbar am Kameragehäuse ab. Er kann im Kameragehäuse integriert, außen an diesem befestigt oder integraler Bestandteil des Kameragehäuses sein. Bei Befestigung außen am Kameragehäuse kann der innere Ausgleichsantrieb das Kameragehäuse mit einem Antriebsglied, das mit dem Bildsensor in Wirkverbindung steht, durchdringen.
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Insgesamt ergibt sich hieraus ein gegenüber dem Stand der Technik kompakteres Kamera-Stabilisierungssystem mit einer verringerten Massenträgheit und damit besserer und schnellerer elektromechanischer Steuerbarkeit sowie ein Kamera-Stabilisierungssystem mit weniger außen liegender und damit äußeren Einflüssen ausgesetzten Mechanik.
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Die nachfolgende Beschreibung der Zeichnungen dient der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
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In den Zeichnungen zeigen
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept eines Kamera-Stabilisierungssystems und
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2 ein Kamerastabilisierungssystem mit einem
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1 zeigt ein aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekanntes Prinzip eines Kamera-Stabilisierungssystems 1 mit einer Kamera 2. Ein äußerer Ausgleichsantrieb 3 ist eingerichtet, eine Ausgleichsbewegung der Kamera 2 um die Gier- bzw. Hochachse G durchzuführen. Mit dem äußeren Ausgleichsantrieb 3 ist über Stütz- und Verbindungsglieder 6 ein mittlerer Ausgleichsantrieb 4 verbunden, der eine Ausgleichsbewegung der Kamera 2 um die Roll- bzw. Längsachse R durchzuführen vermag. Über weitere Stütz- und Verbindungsglieder 6 ist ein innerer Ausgleichsantrieb 5 mit dem mittleren Ausgleichsantrieb 4 und damit mittelbar auch mit dem äußeren Ausgleichsantrieb 3 verbunden. Der innere Ausgleichsantrieb, also der der Kamera am nächsten liegende Ausgleichsantrieb, vermag Ausgleichsbewegungen der Kamera um die Kipp- bzw. Querachse K durchzuführen.
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2 zeigt ein im Vergleich zu 1 insgesamt kompakter ausgestaltetes Stabilisierungssystem mit verringerten Massenträgheiten. Der äußere Ausgleichsantrieb 3 bewegt die Kamera wiederum um die Gier- bzw. Hochachse G. Der mittlere Ausgleichsantrieb 4 hingegen bewegt die Kamera 2 um die Kipp- bzw. Querachse K und nicht wie in 1 um die Roll- bzw. Längsachse. Letzteres erledigt der innere Ausgleichsantrieb 5, der sich unmittelbar am Kameragehäuse abstützt und bei Bedarf nicht die Kamera samt Kameragehäuse um die Roll- bzw. Längsachse dreht, sondern lediglich den Bildsensor 7 relativ zum Kameragehäuse, wobei vorgesehen sein kann, dass der innere Ausgleichsantrieb 5 lediglich den Bildsensor und die unmittelbar mit diesem untrennbar verbundenen elektronischen Komponenten oder den Bildsensor zusammen mit einer den Bildsensor tragenden Platine 9 und/oder zusammen mit der Kameraoptik 8, also insbesondere zusammen der Kameralinse und/oder dem gesamten Objektiv dreht. Der innere Ausgleichsantrieb 5 ist rückseitig auf dem Kameragehäuse aufgesetzt und steht mit dem Bildsensor 7 in der erforderlichen Wirkverbindung.
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Wir in 2 erkennbar fällt die Rollachse mit der optischen Achse der Kameraoptik zusammen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kamera-Stabilisierungssystem
- 2
- Kamera
- 3
- äußerer Ausgleichsantrieb
- 4
- mittlerer Ausgleichsantrieb
- 5
- innerer Ausgleichsantrieb
- 6
- Stütz- und Verbindungsglieder
- 7
- Bildsensor
- 8
- Kameraoptik
- 9
- Platine
- G
- Gier- bzw. Hochachse
- K
- Kipp- bzw. Querachse
- R
- Roll- bzw. Längsachse
