DE102017011352A1

DE102017011352A1 - Kameramodul für digitalaufnahmen

Info

Publication number: DE102017011352A1
Application number: DE102017011352.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: DE102017011352B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kameramodul (1) mit einer auf einen Mittelpunkt (M) bezogenen optischen Achse (O) als eine in sich starre Einheit, bestehend aus einer Linse (10) mit einer objektseitigen Außenfläche (100), einer bildseitigen Innenfläche (101) mit einem Scheitelpunkt (G) und einem polygonal oder rund ausgebildeten Rand (102), aus einer Vielzahl parallel zu der optischen Achse (O) ausgerichteter Mikrokanäle (11) sowie aus einem mit einer Vielzahl von Photozellen (121) bestückten Sensor (12). Das Kameramodul (1) zeichnet statische oder bewegte Bilder in Schwarzweiß oder Farbe auf und ist als ein einzelnes Kameramodul (1) oder als ein aus einer Mehrzahl von Kameramodulen (1) aufgebautes, flächenförmiges oder räumliches Array mit einem Gerät verbunden. Die Linse (10) ist dazu ausgebildet, ein von dem objekt- oder bildseitig auf den Mittelpunkt (M) des Kameramoduls (1) zentriertes Strahlenbündel (Sm) in ein zu der optischen Achse (O) paralleles Strahlenbündel (Sp) zu kollimieren. Objektseitig bilden die Stirnseiten der Mikrokanäle (11) ein Rayon mit einer Vielzahl von Einfallfeldern, die der Verteilung und Separierung des parallelen Strahlenbündels (Sp) dienen, wobei die longitudinale Ausdehnung der Mikrokanäle (11) als Filterblende wirkt und Streulicht absorbiert, sodass die Photozellen (121) des Sensors (12) bevorzugt ausschließlich durch Licht aus dem zentrierten Strahlenbündel (Sm) belichtet werden und zwischen einem auf einen abzubildenden Objektpunkt bezogenen Strahlenkegel und einer bestimmten Photozelle (121) des Sensors (12) eine eineindeutige Zuordnung hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kameramodul, das als einzelnes Modul oder als ein aus einer Mehrzahl von Kameramodulen aufgebautes, flächenförmiges oder räumliches Array mit einem Gerät verbunden ist. Ein Kameramodul ist als optisches System dazu ausgebildet, aus dem Licht, das von einem Objektpunkt in einem auf den Mittelpunkt des Kameramoduls gerichteten Strahlenkegel ausgeht, einen Bildpunkt zu erzeugen und dabei aus einer Vielzahl von Objektpunkten und Bildpunkten statische oder bewegte Bilder aufzuzeichnen. In einem flächenförmigen Array aus mehreren Kameramodulen, die in einer Reihe oder in einem Raster angeordnet sind, können die einzelnen Kameramodule jeweils für die Aufzeichnung einer bestimmten Lichtfarbe oder für die Erfassung eines unterschiedlichen diagonalen Bildwinkels spezifiziert werden. Ein räumliches Array betrifft den Zusammenschluss einer Mehrzahl von Kameramodulen zu einer Sphäre oder zu einem regelmäßigen Polyeder und erlaubt eine omnidirektionale Bilderfassung, während die Teilkörper einer Sphäre oder eines Polyeders als Schichtkörper eine 360°-Panoramaaufnahme und als Segmentkörper eine Weitwinkelaufnahme ermöglichen. Im Rahmen der Erfindung wird die Verbindung eines Kameramoduls mit unterschiedlichen Geräten, wie ein Smartphone, eine Brille, eine Taschenkamera, ein Endoskop und ein Auto näher erläutert.
Stand der Technik
Die Urform einer Kamera ist eine Lochkamera, die aus einer dunklen Kammer mit einer bildseitigen, lochförmigen Öffnung und einem rückseitigen bildgebenden Schirm, der mit einem Abstand zu der lochförmigen Öffnung angeordnet ist, besteht. Strahlen, die in einem spitzen Lichtkegel von einem abzubildenden Objektpunkt ausgehen, überkreuzen sich in der lochförmigen Öffnung und projizieren einen Bildpunkt auf den Schirm. Durch Einfügen einer Sammellinse in das Loch kann ein helleres und schärferes Bild mit einer kleineren Kamera hergestellt werden. Dieser prinzipielle Aufbau einer Kamera gilt auch für die meisten heute gebräuchlichen Kameras, deren aus mehreren Linsen aufgebautes Objektiv eine Bildebene hat, auf die eine auf dem Kopf stehende Abbildung projiziert wird. Nachteile dieses Aufbaus bestehen in der Notwendigkeit, die Blendenöffnung und die Belichtungszeit zu steuern und das Linsensystem auf unterschiedliche Entfernungen einzustellen, sodass die dafür erforderliche Zeitspanne eine Bildaufnahme in Echtzeit ausschließt. In diesem Sinne kann auch das menschliche Auge als Kamera bezeichnet werden, bei dem eine durch Ziliarmuskeln an unterschiedliche Bildweiten akkomodierbare Kristalllinse die Bildstrahlen auf die lichtempfindliche Netzhaut des Augapfels projiziert. Die Sehorgane der Insekten verfügen über eine unendliche Tiefenschärfe und können in Echtzeit kleinste Bewegungen über einen weiten Halbraum registrieren. Das sog. Facettenauge der Insekten besteht aus einer Vielzahl von Ommatidien, die als Einzelaugen jeweils unabhängig voneinander Bildinformationen aufnehmen, die dann zu einem gesamten Rasterbild zusammengefügt werden. Ein Libellenauge z.B. ist aus bis zu 30.000 derartiger Einzelaugen aufgebaut. Aktuelle Forschungsprojekte an unterschiedlichen Universitäten widmen sich einer von dem Facettenauge inspirierten Bilderfassung, bei der eine Vielzahl einzelner Linsen über einen Lichtleiter direkt mit den Photozellen eines Sensors verbunden sind. Mikro- und Nanotechnologien ermöglichen heute die Herstellung geometrischer Strukturen im Nano- und Mikromaßstab. Aufbauende Verfahren, wie z.B. Laserdruckverfahren mit Polymeren, die durch hochfrequente Laserpulse während des Druckvorgangs ausgehärtet werden, ermöglichen die Herstellung optischer Strukturen aus transparenten und aus opaken Polymeren. Abtragende Verfahren, wie z.B. Laserpulse, sind geeignet z.B. aus einer Kohlenstoffschicht sog. Nanotubes herauszubrennen. Alternative Verfahren betreffen die sog. Gasphasenabscheidung, bei der auf einer Oberfläche 3D-Strukturen aus Kohlenstoff oder anderen Materialien aufgebaut werden können. Diese Technologien arbeiten im Bereich der Größe einer Lichtwelle und ermöglichen dadurch die Miniaturisierung optischer Systeme in einem Maßstab weit jenseits der natürlichen Vorbilder. Kugelkameras, bei denen eine Mehrzahl von Kameraobjektiven konzentrisch um eine Mitte angeordnet ist, sind bekannt. Der Strahlengang der einzelnen Objektive geht hier von sich überkreuzenden Strahlen aus, die in einer Abbildungsebene fokussiert werden, um eine Abbildung zu erzeugen.
Aus der US 3,971,065 geht der im Jahr 1976 von Bryce E. Bayer erfundene sog. Bayerfilter hervor, der die Sensoroberfläche in regelmäßige Felder unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit aufteilt, wobei 50% der Felder für Grün und jeweils 25% für Rot und Blau vorgesehen sind, um mit den Photozellen des Sensors Farbaufnahmen zu ermöglichen.
Aus der DE 101 49 747 C2 geht ein Kameramodul für ein Mobilfunkgerät hervor, das aus zwei zu einer Lochblende spiegelbildlich angeordneten Konvex-Konkav-Linsen besteht.
Aus der EP 2 120 451 B1 geht ein Herstellungsverfahren für ein Kameramodul hervor, bei dem zwischen einer Sammellinse und einem Sensor ein Filterelement vorgesehen ist, das insbesondere als Infrarotfilter dazu ausgebildet ist, einfallendes Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge zu unterbrechen.
Aus der DE 43 11 982 A1 geht eine optoelektronische Kamera mit einer in der Bildebene angeordneten Lochmaske hervor. Die Abmessungen der regelmäßigen Lochstruktur bestimmen die Auflösung des Bildaufnehmers. Zwischen der Lochmaske und dem Bildaufnehmer ist ein Bildverstärker angeordnet, der eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei jedem Loch der Lochmaske mehrere benachbarte Mikrokanäle der Mikrokanalplatte zugeordnet sind, sodass ein Loch der Lochmaske mit einem zugeordneten lichtempfindlichen Bereich des Bildaufnehmers verbunden wird. Die Mikrokanalplatte wirkt als Lichtverstärker.
Aus der EP 1 779 166 B1 geht ein flächenförmiges Array aus einer Vielzahl von Kameramodulen, die im Wafermaßstab hergestellt werden, hervor. Ein Kameramodul besteht bildseitig aus mindestens zwei Linsen, zwischen denen eine nicht transparente Polymerplatte mit kegelförmigen Ausnehmungen die Systemapertur definiert und die aufgrund ihrer Dicke gleichzeitig als Feldblende wirkt. In 5 ist der Strahlengang durch ein System mit drei Linsen für unterschiedliche Bildwinkel dargestellt, wobei das Kameraobjektiv parallel einfallende Strahlen in der Bildebene fokussiert.
Aus der EP 3 190 566 A1 geht ein räumliches Array aus sechs Kameramodulen hervor, die in einem Würfel integriert sind und eine omnidirektionale Bildaufnahme ermöglichen. Jedes der sechs Objektive weist mindestens eine Sammellinse und einen Sensor auf.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes und in seinem Aufbau gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfachtes Kameramodul zur Erfassung statischer und bewegter Bilder in Schwarzweiß oder in Farbe anzugeben das mit unterschiedlichen Geräten verbunden werden kann. Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung, eine von dem Facettenauge der Insekten inspirierte digitale Abbildungstechnik zu finden, die es ermöglicht, mit einem in sich starren Kameramodul Bilder zu erfassen und Bewegungen zu detektieren. Dabei ist ein einzelnes Kameramodul der modulare Baustein für eine optische Systemarchitektur, bei der eine Mehrzahl von Kameramodulen untereinander entweder zu einem flächenförmigen oder zu einem räumlichen Array kombinierbar sind. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein in einem Euklidischen Raum wahrnehmbarer Objektpunkt auf den Mittelpunkt eines Kameramoduls bezogen werden kann und dabei entweder bildseitig oder objektseitig angeordnet ist. Ausgehend von einem auf diesen Mittelpunkt zentrierten Strahlenbündel ist die Linse dazu ausgebildet, das zentrierte Strahlenbündel in ein parallel zu der optischen Achse des Kameramoduls ausgerichtetes Strahlenbündel zu kollimieren. Die Stirnseite der im Strahlengang sich anschließenden Mikrokanäle bildet ein Rayon mit einer Vielzahl von Einfallfeldern und erfüllt die Aufgabe der Verteilung und Separierung des kollimierten Strahlenbündels, während mit der longitudinalen Ausdehnung der Mikrokanäle die Aufgabe einer Filterblende erfüllt wird, indem unerwünschtes Streulicht absorbiert wird, sodass die Mikrokanäle ausschließlich für das kollimierte Licht durchlässig sind und eine eineindeutige Relation zwischen einem abzubildenden Objektpunkt und einer Photozelle des Sensors herstellbar ist.
Diese Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen erfüllt. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Im Einzelnen löst die Erfindung die folgenden Aufgaben:

- Fotografieren mit einem in sich starren Kameramodul
- Reduktion der Bauhöhe eines Kameramoduls
- Herstellung einheitlicher Größenverhältnisse zwischen der Zerstreuungslinse, der Filterblende und dem Sensor
- Fotografieren mit einer nahezu unendlichen Tiefenschärfe
- Aufnahme makroskopischer Bilder mit einer Sammellinse
- Tele- und Weitwinkelaufnahmen mit einer Zerstreuungslinse
- Angabe einer eineindeutigen optischen Verbindung zwischen einer Menge von Objektpunkten und einer Photozelle
- Angabe einer Streulicht absorbierenden Filterblende
- Angabe einer digitalen Abbildungstechnik mit sich überschneidenden Objekt- und Bildpunkten für die Erfassung von Bewegungen in Echtzeit
- Angabe einer Mikrowabenstruktur und einer Mikrolochplatte mit unterschiedlich großen Mikrokanälen
- Bereitstellung einer gleichmäßigen Lichtstärke an den einzelnen Photozellen des Sensors
- Konzentration der auf ein Einfallfeld des Rayons entfallenden parallelen Strahlen auf eine Photozelle mittels einer Mikrosammellinse
- Angabe eines telezentrischen Strahlengangs mit variabler Bildebene
- Angabe einer rechnergestützten Korrektur des Projektionseffekts der Zerstreuungslinse
- Farbaufnahmen mit achromatischen oder apochromatischen Linsen
- Angabe eines wirtschaftlichen Herstellungsverfahrens für die einzelnen Komponenten eines Kameramoduls
- Angabe eines flächenförmigen Arrays aus einer Vielzahl von Kameramodulen, die jeweils für einen bestimmten Wellenlängenbereich ausgelegt sind.
- Angabe eines flächenförmigen Arrays aus einer Vielzahl von Kameramodulen, die jeweils einen unterschiedlichen Bildwinkel haben
- Angabe eines räumlichen Arrays aus einer Mehrzahl von Kameramodulen für eine omnidirektionale Bilderfassung
- Angabe eines omnidirektionalen Bewegungsdetektors mit z.B. nur 180 Mikrokanälen mit Mikrosammellinsen pro Kameramodul
- Angabe eines Bayerfilters für Farbaufnahmen

Funktion und Aufbau der Linsen
Im Rahmen der Erfindung wird zwischen einer objektseitig angeordneten Zerstreuungslinse und einer objektseitig angeordneten Sammellinse unterschieden. Befindet sich der Mittelpunkt eines Kameramoduls auf der Bildseite, wird das zentrierte Strahlenbündel mittels einer Zerstreuungslinse kollimiert, die einen Bildwinkel von 5 Grad bis zu 72 Grad erfasst. Mit einem räumlichen Array aus einer Mehrzahl von Kameramodulen, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, ist deshalb eine allseitige Bilderfassung der Umgebung möglich. Befindet sich der Mittelpunkt des Kameramoduls auf der Objektseite, ist eine Sammellinse erforderlich, um das auf den Mittelpunkt zentrierte Strahlenbündel zu kollimieren. Der Öffnungswinkel des zentrierten Strahlenbündels reicht im Falle plankonvexer Linsen von 5-30 Grad und im Falle bikonvexer Linsen von 5-50 Grad. Bei einem einzelnen Kameramodul befindet sich das aufzunehmende Objekt innerhalb des durch den Öffnungswinkel der Sammellinse begrenzten Sektors. Bei einem räumlichen Array befindet sich das aufzunehmende Objekt im Mittelpunkt des Arrays, sodass eine allseitige Makroaufnahme des Objekts ermöglicht wird. Die Linsen werden entweder als monolithische Linsen aus einem polymeren Werkstoff oder aus einem Verbund von Kron- und Flintglas als achromatische bzw. apochromatische Linsen hergestellt. Die chromatische Aberration eines aus unterschiedlichen Lichtfarben zusammengesetzten Lichtstrahls des zentrierten Strahlenbündels wird innerhalb der Linse korrigiert, sodass auch der an der Innenfläche der Zerstreuungslinse austretende Lichtstrahl des parallelen Strahlenbündels sowie der an der Außenfläche der Linse eintretende Lichtstrahl des zentrierten Strahlenbündels aus unterschiedlichen Lichtfarben zusammengesetzt ist. Der mehrschichtige Aufbau einer Linse gilt im Rahmen der Erfindung sowohl für eine Zerstreuungslinse, die entweder konvex-konkav, plankonkav oder bikonkav ausgebildet ist, als auch für eine Sammellinse, die entweder plankonvex oder bikonvex ausgebildet ist. Als Leichtbauelement, z.B. für die Verbindung eines Kameramoduls mit einem beweglichen Roboterarm, kann eine Linse auch als Fresnellinse ausgebildet werden. Farbaufnahmen werden durch einen den Photozellen des Sensors vorgeschalteten Bayerfilter ermöglicht, alternativ kann ein flächenförmiges Array aus einer Vielzahl von Kunststofflinsen vorgesehen werden, die jeweils nur eine Lichtfarbe abbilden, wobei eine Farbaufnahme durch Zusammenschaltung der einzelnen Module eines flächenförmigen Arrays hergestellt wird. Der polymere Kunststoff besteht bevorzugt aus Polymethylmethacrylat oder z.B. aus Polycarbonat oder Polystyrol oder einem Polymer auf Polycycloolefin-Basis, wobei eine Kunststofflinse dielektrisch und/oder durch Antireflexionsstrukturen beidseitig entspiegelt ist und bildseitig eine kratzfeste Beschichtung aufweist. Die Ränder der einzelnen runden oder polygonalen Linsen eines flächenförmigen Arrays sind geschwärzt, um den Eintritt von Streulicht zu vermeiden. Im Falle einer konvex-konkaven Linse mit einer sphärischen Außenfläche und im Falle einer plankonkaven Linse mit einer konkaven Außenfläche wird das auf den Mittelpunkt zentrierte Strahlenbündel jeweils nur einmal gebrochen, wobei der Brennpunkt der Außenfläche und der Mittelpunkt des Kameramoduls in einem Punkt zusammenfallen. Die sphärische Oberfläche einer konvex-konkaven Linse des Kameramoduls ermöglicht die Ausbildung eines räumlichen Arrays als Sphäre, die z.B. von fünf Kameramodulen gebildet wird, wobei die sechste Modulfläche für die Durchführung eines Leitungskanals vorgesehen ist. Eine Mehrzahl von Kameramodulen mit plankonkaven Zerstreuungslinsen können untereinander in einem räumlichen Array zu einem regelmäßigen Polyeder verbunden werden. Je nachdem, ob die ebene Fläche der plankonkaven Linse objektseitig oder bildseitig angeordnet ist, sind die geraden Kanten auf der Innen- oder der Außenseite des Polyeders ausgebildet. Im Falle von bikonkaven Zerstreuungslinsen hat der Polyeder konkave Außen- und Innenflächen. Der Umkreis eines Polyeders aus Glas und der Durchmesser einer Sphäre aus Glas liegen zwischen 10 mm und 60 mm, können z.B. aber auch bis zu 300 mm betragen. Die unterschiedlichen Ausbildungen der Zerstreuungslinsen unterscheiden sich jeweils im Strahlengang und in ihrem jeweiligen diagonalen Bildwinkel. Zur Herstellung eines räumlichen Arrays werden die Zerstreuungslinsen an ihren polygonalen Rändern untereinander verbunden. Bei der Verwendung von Kunststoff kann ein Schichtkörper oder ein Segmentkörper der Sphäre oder des Polyeders in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Die Mikrokanäle und der Sensor
Die Mikrokanäle sind parallel zu der optischen Achse des Kameramoduls ausgerichtet und werden entweder von einer Mikrowabenstruktur oder von einer Mikrolochplatte gebildet, deren Höhe einem Vielfachen des Durchmessers eines Mikrokanals entspricht. Die Mikrokanäle wirken als selektiver Filter, indem sie bevorzugt nur für parallele Lichtstrahlen durchlässig sind und unerwünschtes Streulicht absorbieren. Ein einzelner Mikrokanal folgt dem Funktionsprinzip einer Lochkamera und arbeitet optimal, wenn die Beugungsunschärfe etwa gleich groß ist wie die geometrische Unschärfe. Bei einem angenommenen Pixelabstand von 30 µm beträgt die Bildweite z.B. 1000 µm, während der Lochdurchmesser mit 30 µm dem Pixelabstand entspricht. Demnach hat der Mikrokanal eine Länge von 1000 µm und einen Durchmesser von 30 µm, der bei einer Winkelauflösung von 1,7 Grad mit dem Pixelabstand übereinstimmt.
Die Länge und der Durchmesser eines Mikrokanals bestimmen die Beugungsunschärfe und damit auch den Bildwinkel eines von einem Objektpunkt ausgehenden Strahlenkegels. Beträgt die Länge eines Mikrokanals etwa dem 10-fachen seines Durchmessers, ist sichergestellt, dass ausschließlich der auf den Mittelpunkt des Kameramoduls gerichtete Strahlenkegel von der Photozelle des Sensors abgebildet wird. Kürzere Mikrokanäle erhöhen die Lichtstärke in den Einfallfeldern eines Rayons, wobei sich die von einem Objektpunkt ausgehenden Strahlenkegel und die am Sensor aufgezeichneten Bildpunkte jeweils gegenseitig überschneiden. Für die Erfassung schneller Bewegungen in Echtzeit ist diese digitale Abbildungstechnik von Vorteil, da es hier nicht auf eine detailgetreue Wiedergabe der Umgebung ankommt. Ein Bewegungsdetektor hat deshalb z.B. einen Sensor mit nur 180 Photozellen, während längere Belichtungszeiten und eine Vielzahl von Photozellen scharfe Bildaufnahmen ermöglichen. Die Stirnseiten der Mikrokanäle bilden ein aus einer Vielzahl von Einfallfeldern aufgebautes Rayon zur Verteilung und Trennung der auf die einzelnen Mikrokanäle entfallenden unterschiedlichen Teilmengen des parallelen Strahlenbündels, das durch die Zerstreuungslinse einem Projektionseffekt unterworfen ist. Eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke in den einzelnen Einfallfeldern des Rayons wird durch einen unterschiedlichen Durchmesser der Mikrokanäle erreicht. In den Randbereichen des Rayons ist die Lichtstärke größer als in der Mitte. Wird das Rayon von einer Wabenstruktur mit unterschiedlich großen Einfallfeldern gebildet, sind die Mikrokanäle im Bereich des Scheitelpunkts der Zerstreuungslinse am Größten und nehmen in Höhe und Querschnitt zu den Rändern hin kontinuierlich ab, sodass an den Photozellen des Sensors eine einheitliche Lichtstärke herstellbar ist. Um Beugungseffekten an den in die Mikrokanäle eingeleiteten Lichtstrahlen vorzubeugen, haben die Mikrokanäle einen Durchmesser von 30-1000 µm, sodass jeweils für eine Teilmenge des parallelen Strahlenbündels eine eineindeutige Relation zwischen einer einzelnen Photozelle des Sensors und einem Objektpunkt gegeben ist. Für Farbaufnahmen ist den Photozellen des Sensors ein Bayerfilter vorgeschaltet, wobei ein Einfallsfeld z.B. sechs, neun oder zwölf Zellen des Bayerfilters umfasst. Eine Ausführungsvariante sieht vor, den Sensor durch ein Bandraster in eine Vielzahl einzelner Sensorinseln zu unterteilen, die z.B. jeweils eine Photozelle und vier zugeordnete Farbfilterzellen umfassen. Um unerwünschte Reflektionen innerhalb der Mikrokanäle zu vermeiden, wechselt die Wanddicke der Mikrokanäle quer zu ihrer Längsausdehnung regelmäßig, sodass schräg einfallende Lichtstrahlen von der Mikrowabenstruktur vollständig absorbiert werden. Für die Herstellung der Mikrokanäle kommen unterschiedliche Verfahren in Frage. Eine Mikrowabenstruktur kann z.B. in einem 3D-Laserdruckverfahren aus einem opaken Polymer hergestellt werden, wobei ein Femtosecond-Laser genutzt wird, um das Polymer während des Druckvorgangs schichtweise zu härten. Dabei wird die Mikrowabenstruktur in dem 3D-Laserdruckverfahren innerhalb des Bandrasters unmittelbar auf die Platine des Sensors gedruckt, wobei die Wanddicke der Mikrokanäle von Schicht zu Schicht wechselt. Sogenannte Colossal Carbon Tubes haben einen Durchmesser von 40-100 µm und bilden als parallel zueinander angeordnete Mikrokanäle mit einer Länge von z.B. 500 µm ein Rayon mit einheitlich großen Einfallfeldern. Auch aus Papier mit einem Flächengewicht von weniger als 25-30 g/m² kann eine Mikrowabenstruktur hergestellt werden. Alternativ kann ein abtragendes Verfahren zur Herstellung einer Mikrolochplatte aus einem opaken Material, das aus einem polymeren Kunststoff oder aus Kohlenstoff besteht, genutzt werden. Mikrokanäle mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern können dabei in einem Ätzverfahren in eine Platine eingebracht werden, während Mikrokanäle mit einem Durchmesser von 10-200 µm durch Laserbeschuss in eine opake Schicht eingebracht werden oder in einem Elektronenstrahl-Lithografie-Verfahren hergestellt werden. Herstellungsbedingt sind die einzelnen Mikrokanäle dabei zylindrisch oder konisch ausgebildet und in einem regelmäßigen Raster oder in einem Fibonacci-Muster angeordnet, sodass der freie Querschnitt der Kanäle zwischen 50% und 80% der Oberfläche einer Mikrolochplatte einnimmt. Die Bauhöhe einer Mikrolochplatte beträgt z.B. 100-2000 µm.
Funktion und Wirkung der Mikrosammellinsen
Eine höhere Lichtstärke an der Oberfläche des Sensors wird dadurch erreicht, dass an dem bildseitigen Ende eines Mikrokanals eine Mikrosammellinse vorgesehen ist, deren Brennpunkt auf einer Photozelle des Sensors liegt. Innerhalb eines Rayons entspricht die Anzahl und die Form der Mikrosammellinsen der Anzahl und dem Profil der Mikrokanäle, das kreisrund, quadratisch oder sechseckig oder kreisringsegmentförmig ausgebildet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die einzelnen Einfallsfelder eines Rayons unterschiedlich groß ausgebildet, sodass die auf die Mikrosammellinsen gerichteten Teilstrahlbündel des kollimiert einfallenden Lichts jeweils eine gleiche Lichtstärke haben. Eine Linsenmatrix weist deshalb unterschiedlich große Mikrosammellinsen auf, wobei in Bildmitte größere Linsen vorgesehen sind, als an den Bildrändern und die Brennpunkte der Sammellinsen jeweils eine Photozelle mit einem vorgelagerten Bayerfilter belichten. Die unterschiedlich großen Einfallfelder eines Rayons sind mit abnehmender Größe von innen nach außen in konzentrischen Ringen angeordnet. Die Mikrosammellinsen sind als bikonkave oder als plankonkave Linsen ausgebildet und bilden zweckmäßigerweise eine zusammenhängende Linsenmatrix, die z.B. in einem 3D-Druckverfahren oder in einem Spritzgussverfahren aus einem Polymer hergestellt wird. Die Verbindung mit den Mikrokanälen erfolgt durch eine Verklebung mit der ebenen, dem Sensor zugewandten Stirnseite einer Wabenstruktur oder einer Mikrolochplatte. Alternativ werden die Mikrolinsen und die Mikrowabenstruktur am Stück in einem 3D-Druckverfahren hergestellt.
Bildverarbeitung
Die objektseitige Linse verursacht auf der ebenen Oberfläche des Sensors einen Projektionseffekt, der eine Verzerrung der Abbildung insbesondere an den Bildrändern bewirkt, die rechnerisch korrigiert wird. Dabei ist ein Rechner für unterschiedliche Abbildungsfunktionen programmiert, sodass eine Abbildung winkeltreu, flächentreu, äquidistant, orthografisch oder gnomonisch aufbereitet werden kann. Eine Rechenfunktion besteht darin, den durch die Mikrokanäle maskierten Teil der Abbildung zu löschen. Je größer der diagonale Bildwinkel eines Kameraobjektivs ist, umso mehr tritt dieser Verzerrungseffekt auf. Deshalb ist im Falle eines räumlichen Arrays der Verzerrungseffekt von der Anzahl der Polygone abhängig und reduziert sich mit der ansteigenden Anzahl der Polygone eines regelmäßigen Polyeders im Falle eines platonischen Körpers vom Tetraeder mit 4 Flächen bis zum Ikosaeder mit 20 Flächen und im Falle eines archimedischen Körpers vom Tetraederstumpf mit 8 Flächen bis zum abgeschrägten Dodekaeder mit 92 Flächen. Der maximal mögliche diagonale Bildwinkel einer Polygonfläche liegt bei ca. 72 Grad, sodass eine lückenlose Erfassung aller Objektpunkte erst ab einem Polyeder mit mindestens 12 Flächen ermöglicht wird. Eine Sphäre oder ein Polyeder können durch einen Raum bewegt werden, wobei die Übertragung der aufgezeichneten Bildinformationen auf einen externen Rechner durch einen Sender im Inneren des Polyeders oder der Sphäre erfolgt. Bei einer innerhalb eines Bezugssystems ortsfest installierten, omnidirektional arbeitenden Kamera kann aber auch ein Kabelkanal für die Übertragung der Bildinformationen genutzt werden.
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
Es zeigen:

1 ein Kameramodul mit einer polygonalen, plankonkaven Zerstreuungslinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
2 ein Kameramodul mit einer polygonalen, bikonkaven Zerstreuungslinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
3 ein Kameramodul mit einer polygonalen, konvex-konkaven Zerstreuungslinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
4 ein Kameramodul mit einer runden, konvex-konkaven Zerstreuungslinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
5 ein Kameramodul mit einer runden, plankonkaven Zerstreuungslinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
6 ein Kameramodul mit einer kreisrunden, plankonvexen Sammellinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
7 ein Kameramodul mit einer polygonalen, bikonvexen Sammellinse in einem Querschnitt und in der Aufsicht
8 ein Kameramodul mit einer achromatischen Zerstreuungslinse, das dem in 1 gezeigten Beispiel entspricht, im Querschnitt
9 den Strahlengang am Ausschnitt einer konvex-konkaven Linse mit Mikrokanälen und Mikrosammellinse in einem Detailschnitt
10 eine Mikrowabenstruktur mit quadratischen Mikrokanälen und den Sensor eines Kameramoduls in einer isometrischen Ausschnittsdarstellung
11 eine Mikrolochplatte mit kreisrunden Mikrokanälen und eine Linsenmatrix sowie den Sensor eines Kameramoduls in einer isometrischen Ausschnittsdarstellung
12 eine Mikrowabenstruktur mit quadratischen Mikrokanälen und einer Linsenmatrix sowie den Sensor eines Kameramoduls in einer isometrischen Ausschnittsdarstellung
13 eine Mikrowabenstruktur mit sechseckigen Mikrokanälen und einer Linsenmatrix sowie den Sensor eines Kameramoduls in einer isometrischen Ausschnittsdarstellung
14 ein flächenförmiges Array aus drei in einer Reihe angeordneten Kameramodulen in einem Querschnitt und in der Aufsicht
15 ein räumliches Array als Sphäre aus fünf Kameramodulen in einer perspektivischen Explosionsdarstellung
16 das Kameramodul nach 15 in einem schematischen Querschnitt
17 ein räumliches Array als Würfel in einem schematischen Querschnitt
18 eine 360°-Rundsichtkamera aus 11 Kameramodulen, die untereinander zu einem Dodekaeder verbunden sind und ein räumliches Array bilden, in einer perspektivischen Explosionsdarstellung
19 ein räumliches Array aus 17 Kameramodulen, die untereinander zu einem Rhombenkuboktaeder verbunden sind, in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung
20 eine Rundsichtkamera als Schichtkörper des Rhombenkuboktaeders nach 19 in der perspektivischen Explosionsdarstellung
21 die Rundsichtkamera nach 20 in einem Vertikalschnitt
22 die Rundsichtkamera nach 19-21 in einem Horizontalschnitt
23 einen Segmentkörper des Rhombenkuboktaeders nach 19 aus drei Kameramodulen im Horizontalschnitt
24 ein Smartphone mit einem Kameramodul, das dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, in der isometrischen Darstellung
25 ein Endoskop mit einem Kameramodul, das dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht, in der isometrischen Darstellung
26 die Integration von Kameramodulen in ein Fahrzeug in der perspektivischen Übersicht
27 die Integration eines Kameramoduls in eine Brille in der perspektivischen Übersicht
28 eine Taschenkamera mit Sprungdeckel in der vorder- und rückseitigen perspektivischen Darstellung

1 zeigt den geometrischen Aufbau und den Strahlengang an einem Kameramodul 1, dessen Linse 10 eine plankonkave Linse 103 mit einer ebenen Außenfläche 100, einer konkaven Innenfläche 101 und einem polygonalen Rand 102 aufweist, die wie in 8 näher erläutert, als Achromat ausgebildet ist. Zwischen der Linse 10 und dem Sensor 12 ist eine Vielzahl von Mikrokanälen 11 als Filterblende angeordnet, die an ihrem bildseitigen Ende, wie in den 9-11 gezeigt mit einer Linsenmatrix 111 verbunden sind. Die plankonkave Linse 103 transformiert ein ausgewähltes, auf den bildseitig angeordneten Mittelpunkt M zentriertes Strahlenbündel Sm durch eine erste Brechung an der Außenfläche 100 in ein konvergentes Strahlenbündel Sk mit einem Schnittpunkt S und durch eine zweite Brechung an der Innenfläche 101 in ein auf die Mikrokanäle 11 gerichtetes, paralleles Strahlenbündel Sp. Sowohl der Scheitelpunkt G der Innenfläche 101 als auch der Mittelpunkt M des zentrierten Strahlenbündels Sm und der Schnittpunkt S des konvergenten Strahlenbündels Sk liegen auf der optischen Achse O des Kameramoduls 1, wobei der Schnittpunkt S durch einen Radius r1 und der Scheitelpunkt G durch einen Radius r2 um den Mittelpunkt M definiert sind, während die Eckpunkte der polygonalen Linse auf einem Radius r3 um den Mittelpunkt M liegen. Der Bildwinkel α beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 37 Grad.
2 zeigt den geometrischen Aufbau und den Strahlengang an einem Kameramodul 1, dessen Linse 10 vorzugsweise als Achromat ausgebildet ist und von einer bikonkaven Linse 104 mit einer konkaven Außenfläche 100 und einer konkaven Innenfläche 101 gebildet wird. Der Rand 102 der bikonkaven Linse 104 weist eine geschwungene Polygonform auf, sodass 12 Kameramodule 1, wie in 16 gezeigt, zu einem räumlichen Array 13 in Form eines Dodekaeders verbunden werden können. Zwischen der bikonkaven Linse 104 und dem Sensor 12 ist eine Vielzahl von Mikrokanälen 11 angeordnet, die ein Rayon mit einer Vielzahl von Einfallfeldern bilden, in denen jeweils ein Teilbündel des parallelen Strahlenbündels Sp zu einer Linsenmatrix 111 aus einer Vielzahl von Mikrosammellinsen 110 geleitet wird. Wie in 8 gezeigt, fokussiert jeweils eine Mikrosammellinse 110 der Linsenmatrix 111 einen Anteil des parallelen Strahlenbündels Sp auf den Sensor 12. Die bikonkave Linse 104 transformiert ein ausgewähltes, auf den bildseitig angeordneten Mittelpunkt M zentriertes Strahlenbündel Sm durch eine erste Brechung an der Außenfläche 100 in ein konvergentes Strahlenbündel Sk mit dem Schnittpunkt S und kollimiert in einer zweiten Brechung an der Innenfläche 101 das Strahlenbündel Sk in ein auf die Mikrokanäle 11 gerichtetes, paralleles Strahlenbündel Sp. Sowohl der Scheitelpunkt G der Innenfläche 101 als auch der Mittelpunkt M und der Schnittpunkt S liegen auf der optischen Achse O des Kameramoduls 1, wobei der Schnittpunkt S durch einen Radius r1 und der Scheitelpunkt G durch einen Radius r2 um den Mittelpunkt M definiert sind, während die Eckpunkte der polygonalen Linse auf einem Radius r3 um den Mittelpunkt M liegen. Gegenüber dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ermöglicht die bikonkave Linse 104 einen erweiterten Bildwinkel α von 54 Grad.
3 zeigt den geometrischen Aufbau und den Strahlengang an einem Kameramodul 1, dessen Linse 10 von einer achromatischen konvex-konkaven Linse 105 mit einer konvexen Außenfläche 100 und einer konkaven Innenfläche 101 gebildet wird. Der Rand 102 der konvex-konkaven Linse 105 weist eine geschwungene Polygonform auf, sodass jeweils 6 Kameramodule, wie in 13 und 14 gezeigt, zu einem räumlichen Array 13 in Form einer hohlen Sphäre 132 verbunden werden können. Zwischen der konvex-konkaven Linse 105 und dem Sensor 12 ist ein aus einer Vielzahl von Mikrokanälen 11 gebildetes Rayon angeordnet. Das auf den bildseitigen Mittelpunkt M zentrierte Strahlenbündel Sm durchquert die sphärisch ausgebildete Außenfläche 100 der konvex-konkaven Linse 105 richtungsstabil, sodass das zentrierte Strahlenbündel Sm durch einmalige Brechung an der konkaven Innenfläche 101 der Zerstreuungslinse 10 in ein auf die einzelnen Einfallfelder des Rayons verteiltes, paralleles Strahlenbündel Sp kollimiert wird. Der Radius r2 um den Mittelpunkt M definiert den Abstand des Scheitelpunkts G der Innenfläche 101, während der Radius r3 die sphärische Außenfläche 100 des Kameramoduls 1 definiert. Die Aufsicht zeigt die gleich groß ausgebildeten Einfallfelder des Rayons, die von den bildseitigen Stirnseiten der Mikrokanäle 11 gebildet werden. An der bildseitigen Stirnseite der Mikrokanäle 11 ist, wie in 8 gezeigt, eine Linsenmatrix 111 vorgesehen, die von einer der Vielzahl der Mikrokanäle 11 entsprechenden Anzahl von Mikrosammellinsen 110 gebildet wird. Die konvex-konkave Linse 105 ermöglicht einen diagonalen Bildwinkel α von 72 Grad.
4 zeigt ein Kameramodul 1, bei dem die Linse 10 wie in 3 eine konvex-konkave Linse 105 aufweist. Im Unterschied zu 4 sind die Mikrokanäle 11 hier nicht als planparallele Platte ausgebildet, sondern nehmen zum Scheitelpunkt G auf der bildseitigen Innenfläche 101 in ihrer Länge kontinuierlich zu, um der in der Aufsicht schematisch dargestellten unterschiedlichen Querschnittsfläche zu entsprechen. Das auf den Mittelpunkt M zentrierte Strahlenbündel Sm durchquert die objektseitige Außenfläche 100 der konvex-konkaven Linse 105 richtungsstabil und wird an der Innenfläche 101 zu einem parallelen Strahlenbündel Sp kollimiert, das auf die in der Aufsicht dargestellten Einfallfelder der Mikrokanäle 11 verteilt wird. Am bildseitigen Ende der Mikrokanäle 11 ist, wie in 9 dargestellt, eine Linsenmatrix 111 vorgesehen, die die parallelen Strahlenbündel Sp jedes Mikrokanals 11 mittels einer Mikrosammellinse 110 auf eine Photozelle 121 des Sensors 12 fokussiert. Der Rand 102 der konvex-konkaven Linse 105 ist rund ausgebildet, sodass das Kameramodul 1 mit einem Bildwinkel α gleich 72 Grad z.B. in das in 25 gezeigte Endoskop eingesetzt werden kann.
5 zeigt ein Kameramodul 1 bestehend aus einer Zerstreuungslinse in Form einer plankonkaven Linse 103, einer Vielzahl von Mikrokanälen 11, die, wie in der Aufsicht gezeigt, ein Rayon mit einer Vielzahl unterschiedlich großer Einfallfelder bilden. Die plankonkave Linse 103 hat eine konkav gekrümmte Außenfläche 100, sodass das auf den bildseitig angeordneten Mittelpunkt M zentrierte Strahlenbündel Sm durch einmalige Brechung zu einem parallelen Strahlenbündel Sp kollimiert wird. Die objektseitige Stirnfläche der Mikrokanälen 11 bildet ein Rayon mit unterschiedlich großen kreisringsegmentförmigen Einfallfeldern. An dem bildseitigen Ende der Mikrokanäle 11 ist eine Linsenmatrix 111 mit einer Vielzahl jeweils unterschiedlich groß ausgebildeter Mikrosammellinsen 110 vorgesehen, die das parallele Strahlenbündel Sp jeweils auf eine Photozelle 121 des Sensors 12 fokussieren. Die plankonkave Linse 103 hat einen runden Rand 102 und einen Scheitelpunkt G am Schnittpunkt der optischen Achse O mit der Innenfläche 101, der durch einen Kreis mit Radius r2 um den Mittelpunkt M definiert ist. Der Bildwinkel α beträgt bei diesem Beispiel 35 Grad.
6 zeigt ein Kameramodul 1, bei dem die Linse 10 von einer plankonvexen Sammellinse 106 gebildet wird. Der Mittelpunkt M des Kameramoduls 1 ist hier objektseitig angeordnet, wobei das abzubildende Objekt im Mittelpunkt M selbst oder innerhalb des von dem Öffnungswinkel δ begrenzten Sektors liegt, der bei dem gezeigten Beispiel 29 Grad beträgt. Das Kameramodul 1 selbst ist größer als der Abbildungsgegenstand, der von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Das auf den Mittelpunkt M zentrierte Strahlenbündel Sm wird an der objektseitigen Außenfläche 100 der plankonvexen Linse 106 gebrochen und als divergentes Strahlenbündel Sd an der bildseitigen Innenfläche 101 zu einem parallelen Strahlenbündel Sp kollimiert. Die Aufsicht zeigt eine Vielzahl von Mikrokanälen 11 mit gleichgroß ausgebildeten Einfallfeldern für das parallele Strahlenbündel Sp. An dem bildseitigen Ende der Mikrokanälen 11 ist eine Linsenmatrix 111 vorgesehen, die, wie in 8 gezeigt, das parallele Strahlenbündel Sp auf die Photozellen 121 des Sensors 12 fokussiert.
7 zeigt ein Kameramodul 1 mit einem objektseitig angeordneten Mittelpunkt M, das im Falle der dargestellten bikonvexen Linse 107 einen Öffnungswinkel δ von 50 Grad aufweist. Durch Rotation einer Mehrzahl von Kameramodulen 1 um den Mittelpunkt M wird ein regelmäßiger Polyeder gebildet, der als räumliches Array eine allseitige Aufnahme eines sich im Mittelpunkt M angeordneten Objekts ermöglicht. Das von dem Objekt ausgehende Strahlenbündel Sm wird an der objektseitigen Außenfläche 100 der bikonvexen Linse 107 gebrochen und in ein divergentes Strahlenbündel Sd, das an der bildseitigen Innenfläche 101 zum zweiten Mal gebrochen und zu einem parallelen Strahlenbündel Sp kollimiert wird. Um die Photozellen 121 des Sensors 12 mit einer ausreichenden Lichtstärke zu belichten, ist an dem bildseitigen Ende der Mikrokanäle 11 eine Linsenmatrix 111 vorgesehen, die die an der bildseitigen Innenfläche 101 der Linse 10 kollimierten Lichtstrahlen des parallelen Strahlenbündels Sp, wie in 8 gezeigt, auf die Oberfläche des Sensors 12 fokussiert. Zudem wird das Objekt von einer nicht näher dargestellten externen Lichtquelle beleuchtet. Das Kameramodul 1 ist für Makroaufnahmen mit einer hohen Auflösung ausgelegt und kann durch Rotation um den Mittelpunkt M zu einem räumlichen Array erweitert werden, das eine allseitige Bilderfassung des Objekts ermöglicht.
8 zeigt den Querschnitt durch ein Kameramodul 1, das dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht. Die als Achromat ausgebildete Zerstreuungslinse 10 korrigiert die chromatische Aberration. Beim Eintritt in die Außenfläche 100 der plankonkaven Linse 103 werden die Strahlen des auf den Mittelpunkt M zentrierten Strahlenbündels Sm gebrochen, wobei blaues, grünes und rotes Licht jeweils einen unterschiedlichen Weg durch das objektseitig angeordnete Flintglas und das bildseitige Kronglas der achromatischen Zerstreuungslinse 10 nimmt. Von oben nach unten betrachtet, entspricht die dargestellte Brechung des oberen Lichtstrahls blauem Licht, während der mittlere Lichtstrahl grünes Licht und der der optischen Achse zugewandte Lichtstrahl rotes Licht repräsentiert. Während die Spreizung zwischen Blau und Rot am Übergang von Flint- zu Kronglas am größten ist, vereinigen sich die Farben beim Austritt aus der Zerstreuungslinse 10 wieder, sodass der an der Innenfläche 101 der plankonkaven Linse 103 austretende Strahl des parallelen Strahlenbündels Sp wieder alle Lichtfarben vereinigt. Die Mikrokanäle 11 bilden an ihrem objektseitigen Ende ein Rayon mit einer Vielzahl von Einfallfeldern für das parallele Strahlenbündel Sp und fokussieren den jeweils auf einen Mikrokanal 11 entfallenden Anteil des parallelen Strahlenbündels Sp mittels einer Linsenmatrix 111 auf die Oberfläche des Sensors 12. Die Linsenmatrix 111 besteht aus einer Vielzahl gleichgroß ausgebildeter Mikrosammellinsen 110 mit einer Vielzahl von Brennpunkten F auf der Oberfläche des Sensors 12. Wie in 10-13 dargestellt, ermöglicht der dem Sensor 12 vorgeschaltete Bayerfilter 120 Farbaufnahmen durch die Photozellen 121.
9 zeigt den Ausschnitt eines Kameramoduls 1, das im Wesentlichen dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Detailschnitt durch die konvex-konkave Linse 105 und durch die Mikrowabenstruktur 113 mit einer Vielzahl von Mikrokanälen 11, die jeweils einen unterschiedlichen Durchmesser und eine unterschiedliche Höhe h aufweisen, zeigt an dem bildseitigen Ende der Mikrokanäle 11 eine Linsenmatrix 111, die aus einer Vielzahl jeweils unterschiedlich ausgebildeter Mikrosammellinsen 110 aufgebaut ist. Die Brennpunkte F der Mikrosammellinsen 110 liegen auf der Oberfläche des Sensors 12. Jedem Brennpunkt F ist eine Photozelle 121 mit vorgeschaltetem Bayerfilter 120 zugeordnet. Die konvex-konkave Linse 105 hat einen Bildwinkel α von 72 Grad. Mit der dargestellten Mikrowabenstruktur 113 ist es möglich, jede einzelne Photozelle 121 des Sensors 12 mit gleicher Lichtstärke zu belichten.
10 zeigt den Ausschnitt einer von einer Vielzahl von Mikrokanälen 11 gebildeten Filterblende und eines Sensors 12 als Explosionsisometrie. Die Mikrowabenstruktur 113 wird von einer Vielzahl quadratischer Mikrokanäle 11 gebildet, die unmittelbar auf der Oberfläche des Sensors 12 angeordnet sind, wobei jeweils vier Zellen eines Bayerfilters 120 einem Mikrokanal 11 zugeordnet sind. Die Höhe h der Mikrowabenstruktur 113 entspricht hier mindestens dem 10-fachen des Durchmessers eines Mikrokanals 11. Die in den 12 und 13 dargestellten Mikrowabenstrukturen 113 können z.B. in einem 3D-Laserdruckverfahren hergestellt werden, bei dem ein sog. Femtosecond-Laser für die Aushärtung eines gedruckten, opaken Polymers genutzt wird.
11 zeigt den Ausschnitt einer Mikrolochplatte 112 mit einer Vielzahl kreisrunder Mikrokanäle 11. Während das objektseitige Ende der Mikrolochplatte 112 ein Rayon aus gleichgroßen Einfallfeldern zur gleichmäßigen Verteilung des parallelen Strahlenbündels Sp bildet, wird das bildseitige Ende der Mikrolochplatte 112 mit einer Linsenmatrix 111 aus einer Vielzahl von Mikrosammellinsen 110 verbunden, die jeweils den auf einen Mikrokanal 11 entfallenden Anteil des parallelen Strahlenbündels Sp auf eine Sensorinsel 122 des Sensors 12 fokussieren. Ein Bandraster 123 teilt den Sensor 12 in eine Vielzahl einzelner Sensorinseln 122, die jeweils mit mindestens einer Photozelle 121 mit vorgelagertem Bayerfilter 120 gebildet werden.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mikrowabenstruktur 113 und der Sensor 12 eine strukturelle Einheit bilden. Ein Bandraster 123 unterteilt den Sensor 12 in eine Vielzahl von Sensorinseln 122, die jeweils durch das Bandraster 123 voneinander getrennt sind, wobei die Wanddicke der Mikrowabenstruktur 113 regelmäßig wechselt um Reflektionen an den Wänden der Mikrowabenstruktur 113 zu vermeiden. Eine Sensorinsel 122 repräsentiert jeweils ein Pixelfeld einer Abbildung und umfasst bei dem gezeigten Beispiel 6x6 Photozellen 121 mit einem vorgeschalteten Bayerfilter 120. An dem bildseitigen Endabschnitt der Mikrokanäle 11 ist eine Linsenmatrix 111 aus einer Vielzahl von quadratischen Mikrosammellinsen 110 vorgesehen die das parallele Strahlenbündel Sp auf die einzelnen Sensorinseln 122 fokussiert. Die Seitenlänge der quadratischen Mikrokanäle 11 beträgt hier z.B. 60 µm.
13 zeigt den Ausschnitt einer Mikrowabenstruktur 113 aus einer Vielzahl von sechseckigen Mikrokanälen 11, an deren bildseitigen Ende eine Linsenmatrix 111 aus einer Vielzahl von Mikrosammellinsen 110 das an der Stirnseite auf die Mikrokanäle 11 verteilte parallele Strahlenbündel Sp auf die Photozellen 121 des Sensors 12 fokussiert. Der Durchmesser eines Mikrokanals 11 ist hier mit 20-60 µm angenommen, wobei die Höhe h der Mikrowabenstruktur 113 ein Mehrfaches des Durchmessers eines Mikrokanals 11 beträgt.
14 zeigt ein flächenförmiges Array 13, bei dem drei Kameramodule 1 in einer Reihe 130 angeordnet sind und jeweils einen unterschiedlichen Bildwinkel α erfassen, in einem schematischen Querschnitt und in der Aufsicht. Das Array 13 kann mit dem Bildschirm 200 eines Geräts 2 verbunden werden. Das Kameramodul 1 mit einer plankonkaven Linse 103 entspricht dem in 1 erläuterten Ausführungsbeispiel, während das Kameramodul 1 mit einer bikonkaven Linse 104 dem in 2 erläuterten Ausführungsbeispiel und das Kameramodul 1 mit einer konvex-konkaven Linse 105 dem in 3 erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht. Ein derartiges flächenförmiges Array 13 kann für die simultane Erfassung unterschiedlicher Bildausschnitte z.B. für Nahaufnahmen, Fernaufnahmen und Weitwinkelaufnahmen genutzt werden. Eine weiterer Vorzug eines flächenförmigen Arrays 13 besteht in der Verwendung von Sensoren mit unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit, sodass Aufnahmen untertags, während der Dämmerung und auch Infrarotaufnahmen in der Nacht ermöglicht werden.
15 zeigt ein räumliches Array 13, das aus fünf Kameramodulen 1 aufgebaut ist, die dem in 3 erläuterten Ausführungsbeispiel entsprechen. Die konvexen Außenflächen 100 der konvex-konkaven Linsen 105 sind jeweils sphärisch ausgebildet, sodass durch die Fügung an den Rändern 102 der Zerstreuungslinsen 10 eine Sphäre 132 aus Glas gebildet wird. Im Inneren der Sphäre 132 befindet sich ein würfelförmiger Polyeder 131, der sich aus der Filterblende, dem Sensor 12 und einem nicht näher bezeichneten Träger aufbaut. Die sechste Modulfläche des Polyeders 131 und der Sphäre 132 ist für die Durchführung eines Leitungskanals 137 vorgesehen, der die Kameramodule 1 mit einem externen Rechner verbindet.
16 zeigt einen Horizontalschnitt durch das räumliche Array 13 nach 15. Vier konvexkonkave Linsen 105 aus einem polymeren Kunststoff werden jeweils an ihren Rändern 102, wie in 13 gezeigt, zu einer hohlen Sphäre 132 aus Glas verklebt, wobei im Inneren der Sphäre 132 die Mikrokanäle 11 und der Sensor 12 untereinander zu einem Würfel verbunden sind. Der diagonale Bildwinkel α eines Kameramoduls 1 beträgt 72 Grad.
17 zeigt den Horizontalschnitt durch ein räumliches Array 13 aus sechs Kameramodulen 1, die jeweils aus einer Zerstreuungslinse 10, den Mikrokanälen 11 und dem Sensor 12 aufgebaut sind. Ein Kameramodul 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und deckt einen diagonalen Bildwinkel α von 54 Grad ab. An ihren Rändern 102 sind sechs plankonkave Linsen 103 mit ebenen Außenflächen 100 und konkaven Innenflächen 101 zu einem regelmäßigen Polyeder 131 verbunden, der als Würfel zur Gruppe der platonischen Körper 135 gehört.
18 zeigt eine omnidirektionale Rundsichtkamera in Form eines regelmäßigen Polyeders 131, der als platonischer Körper 135 einen Dokekaeder aufweist und ein räumliches Array 13 aus 11 Kameramodulen 1 bildet. Die Außenflächen 100 der konvex-konkaven Linsen 105 sind jeweils an ihren Rändern 102 untereinander zu einem Dodekaeder mit gewölbten Außenflächen 100 zusammengeschlossen. Im Inneren des Dodekaeders befindet sich ein weiterer, aus den Mikrokanälen 11 und den Sensoren 12 aufgebauter Dodekaeder. Das zwölfte Modul des Dodekaeders ist für die Durchführung eines Leitungskanals 137 vorgesehen, der die Kameramodule 1 mit einem externen Rechner verbindet. Alternativ kann im Inneren des Polyeders 131 ein Sender angeordnet werden, sodass ein durch den Raum bewegter Polyeder 131 eine omnidirektionale Bildaufzeichnung ermöglicht.
19 zeigt ein räumliches Array 13, das einen regelmäßigen Polyeder 131 mit 18 quadratischen Flächen und 8 gleichseitigen Dreiecken aufweist, der als Rhombenkuboktaeder zu der Gruppe der archimedischen Körper 136 gehört. Das räumliche Array 13 weist einen äußeren Rhombenkuboktaeder auf, der wie in 22 gezeigt, von den Zerstreuungslinsen 10 der Kameramodule 1 gebildet wird, die dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen. An dem Rhombenkuboktaeder ist das 18-te Feld für die Durchführung eines Leitungskanals 137 vorgesehen.
20 zeigt einen Schichtkörper 133 des in 19 dargestellten archimedischen Körpers 136, der aus acht Kameramodulen 1, die dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen und eine 360°-Panoramakamera bilden. Der Leitungskanal 137 leitet die von dem räumlichen Array 13 aufgezeichneten Bilddaten zu einer externen Rechnereinheit.
21 zeigt den Schichtkörper 133 nach 20 in einem vertikalen Querschnitt mit Darstellung des auf den Mittelpunkt M zentrierten Strahlenbündels Sm, das an der plankonkaven Linse 103 zweimal gebrochen wird, um in ein paralleles Strahlenbündel Sp transformiert zu werden. Die Brennpunkte F der Außenfläche 100 liegen jeweils auf den optischen Achsen O der Kameramodule 1, die sich in dem Mittelpunkt M schneiden.
22 zeigt einen Horizontalschnitt durch acht Kameramodule 1, die untereinander als räumliches Array 13 zu einem achteckigen Ring verbunden sind, der den in 19-21 dargestellten Ausführungsbeispielen zugeordnet ist, wobei ein einzelnes Kameramodul 1 dem in 1 erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht. Die optischen Achsen O der acht Kameramodule 1 schneiden sich in einem gemeinsamen Mittelpunkt M, wobei die Schnittpunkte S der an den Außenflächen 100 der Zerstreuungslinsen 10 gebrochenen, konvergenten Strahlenbündel Sk auf der optischen Achsen O jeweils hinter dem Mittelpunkt M angeordnet sind. Das räumliche Array 13 ermöglicht, wie in 19 gezeigt, eine fast lückenlose räumliche Bilderfassung und kann, wie in 20 und 21 gezeigt, auch als Schichtkörper 133 des Rhombenkuboktaeders ausgebildet werden, um eine 360°-Panoramaaufnahme zu ermöglichen.
23 zeigt einen Segmentkörper 134 des in 19 dargestellten Rhombenkuboktaeders aus der Gruppe der archimedischen Körper 136, der aus drei Kameramodulen 1, die dem in 1 erläuterten Ausführungsbeispiel entsprechen und einen diagonalen Bildwinkel von 135 Grad abdecken.
24 zeigt ein Gerät 2 als Smartphone, bei dem ein Kameramodul 1 mit der Glasscheibe 20 des Displays verbunden ist, in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung und einem schematischen Querschnitt des Kameramoduls 1, das im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht. Die plankonkave Linse 103 kann unmittelbar und vollflächig mit der Glasscheibe 20 des Displays verbunden werden. Die vergleichsweise geringe Bauhöhe des Kameramoduls 1 erlaubt den Einbau eines großflächigen Sensors 12 in das Smartphone.
25 zeigt ein Gerät 2 als Endoskop 21, an dessen Stirnseite ein Kameramodul 1, das einen Bildwinkel α von 72 Grad abdeckt, eingebaut ist und das dem in 4 erläuterten Ausführungsbeispiel entspricht, in einer Stirnansicht und in einem schematischen Querschnitt. Das Endoskop 21 besteht aus einem flexiblen Kunststoffschlauch und ist mit einem Kanal für ein Videokabel 210, mit zwei Lichtkanälen 211 und einem Werkzeugkanal 212 ausgestattet. Alternativ kann an der Stirnseite des Endoskops 21 auch eine Sphäre 132, wie in 15 gezeigt, als räumliches Array 13 eingebaut werden, sodass eine Rundumaufnahme des inspizierten Hohlraums ermöglicht wird.
26 zeigt ein Fahrzeug als Gerät 2 mit einem Innenspiegel 201, zwei Außenspiegeln 202, zwei Frontscheinwerfern jeweils mit einem Scheinwerferglas 203, sowie einer Frontscheibe 204 und einer Heckscheibe 205. An diesen ausgewählten Stellen kann jeweils mindestens ein Kameramodul 1 oder ein räumliches Array aus einer Mehrzahl von Kameramodulen 1 eingebaut werden, um eine möglichst allseitige Bilderfassung der näheren und weiteren Umgebung des Fahrzeugs zu ermöglichen. Für einen zukünftigen autonomen Betrieb eines Fahrzeugs kommt es darauf an, Bewegungen in der Fahrzeugumgebung durch redundante Systeme in Echtzeit zu erfassen, um ein Höchstmaß an Betriebssicherheit zu gewährleisten. Die hier beschriebene Systemarchitektur für Kameramodule 1 löst diese Aufgabe.
27 zeigt ein Gerät 2 als Brille 22. In das Brillengestell ist ein Kameramodul 1 mit einer runden plankonkaven Linse 103 integriert, das dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, um die Umgebung aufzuzeichnen und über ein Verbindungskabel 220 an ein von dem Brillenträger mitgeführtes Smartphone weiterzuleiten. Das Kameramodul 1 und das Smartphone ermöglichen eine Erkennung der jeweiligen Umgebung, sodass z.B. Informationen zu touristischen Sehenswürdigkeiten auf dem Display des Smartphones zu lesen sind.
28 zeigt ein Gerät 2 als Taschenkamera, bei dem ein Kameramodul 1 mit einer konvex-konkaven Linse 105, das dem in 4 und 9 vorgestellten Ausführungsbeispiel entspricht, in ein Gehäuse mit einem die konvex-konkave Linse 105 schützenden Sprungdeckel und einem, wie in der unteren Perspektive gezeigt, rückseitigen Display mit einer Glasscheibe 20 integriert ist. Mit dem Öffnen des Sprungdeckels durch einen Druckknopf an dem Gehäuse beginnt die Taschenkamera mit der Aufzeichnung von Bildern, die mit dem Schließen des Sprungdeckels beendet wird. Auf dem rückseitigen Display erscheinen die aufgezeichneten Bilder und die Uhrzeit.
Bezugszeichenliste

Kameramodul	1	Gerät	2
Zerstreuungslinse	10	Zentriertes Strahlenbündel	Sm
Objektseitige Außenfläche	100	Konvergentes Strahlenbündel	Sk
Bildseitige Innenfläche	101	Divergentes Strahlenbündel	Sd
Rand	102	Paralleles Strahlenbündel	Sp
Plankonkave Linse	103	Optische Achse	O
Bikonkave Linse	104	Mittelpunkt	M
Konvex-konkave Linse	105	Radius	r1
Plankonvexe Linse	106	Radius	r2
Bikonvexe Linse	107	Radius	r3
Mikrokanal	11	Brennpunkt	F
Mikrosammellinse	110	Schnittpunkt	S
Linsenmatrix	111	Scheitelpunkt	G
Mikrolochplatte	112	Bildwinkel	α
Mikrowabenstruktur	113	Öffnungswinkel	δ
Sensor	12	Höhe	h
Bayerfilter	120	Glasscheibe	20
Photozelle	121	Bildschirm	200
Sensor insel	122	Innenspiegel	201
Bandraster	123	Außenspiegel	202
Array	13	Scheinwerferglas	203
Reihe	130	Frontscheibe	204
Polyeder	131	Heckscheibe	205
Sphäre	132	Endoskop	21
Schichtkörper	133	Video kabel	210
Segment körper	134	Lichtkanal	211
Platonischer Körper	135	Werkzeugkanal	212
Archimedischer Körper	136	Brille	22
Leitungskanal	137	Verbindungs kabel	220

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3971065 [0003]
DE 10149747 C2 [0004]
EP 2120451 B1 [0005]
DE 4311982 A1 [0006]
EP 1779166 B1 [0007]
EP 3190566 A1 [0008]

Claims

Kameramodul (1) mit einer auf einen Mittelpunkt (M) bezogenen optischen Achse (O) als eine in sich starre Einheit, bestehend aus einer Linse (10) mit einer objektseitigen Außenfläche (100), einer bildseitigen Innenfläche (101) mit einem Scheitelpunkt (G) und einem polygonal oder rund ausgebildeten Rand (102), aus einer Vielzahl parallel zu der optischen Achse (O) ausgerichteter Mikrokanäle (11) sowie aus einem mit einer Vielzahl von Photozellen (121) bestückten Sensor (12), welches Kameramodul (1) statische oder bewegte Bilder in Schwarzweiß oder Farbe aufzeichnet und als ein einzelnes Kameramodul (1) oder als ein aus einer Mehrzahl von Kameramodulen (1) aufgebautes flächenförmiges oder räumliches Array (13) mit einem Gerät (2) verbunden ist, bei dem die Linse (10) dazu ausgebildet ist, ein objekt- oder bildseitig auf den Mittelpunkt (M) zentriertes Strahlenbündel (Sm) in ein zu der optischen Achse (O) paralleles Strahlenbündel (Sp) zu kollimieren, wobei die Stirnseiten der Mikrokanäle (11) objektseitig ein Rayon mit einer Vielzahl von Einfallfeldern bilden, die der Verteilung und Separierung des parallelen Strahlenbündels (Sp) dienen und die longitudinale Ausdehnung der Mikrokanäle (11) als Filterblende wirkt und Streulicht absorbiert, sodass die Photozellen (121) des Sensors (12) bevorzugt ausschließlich durch Licht aus dem zentrierten Strahlenbündel (Sm) belichtet werden und zwischen einem auf einen abzubildenden Objektpunkt bezogenen Strahlenkegel und einer bestimmten Photozelle (121) des Sensors (12) eine eineindeutige Zuordnung hergestellt wird.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (11) entweder einen einheitlichen Durchmesser von mindestens 30 µm haben oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wobei die Mikrokanäle (11) aus einem opaken, Licht absorbierenden Material bestehen und entweder von einer Mikrowabenstruktur (113) oder von einer Mikrolochplatte (112) gebildet werden, deren Höhe (h) einem Mehrfachen des Durchmessers eines Mikrokanals (11) entspricht.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) durch ein Bandraster (123) in eine Vielzahl einzelner Sensorinseln (122) mit jeweils mindestens einer Photozelle (121) unterteilt ist und jeder Mikrokanal (11) an seinem sensorseitigen Ende eine Mikrosammellinse (110) aufweist, die die auf den Mikrokanal (11) entfallende Teilmenge des parallelen Strahlenbündels (Sp) in einem Brennpunkt (F) auf eine Photozelle (121) des Sensors (122) fokussiert, wobei die Mikrosammellinsen (110) untereinander eine zusammenhängende Linsenmatrix (111) bilden, die mit der sensorseitigen Stirnseite einer Mikrowabenstruktur (113) oder einer Mikrolochplatte (112) verbunden ist.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (11) unterschiedliche Durchmesser und Längen aufweisen, sodass an der Oberfläche des Sensors (12) in den Brennpunkten (F) der Linsenmatrix (111) eine einheitliche Lichtstärke herstellbar ist, und eine Abbildung mittels eines Rechners entweder äquidistant, oder winkeltreu, oder flächentreu, oder orthografisch, oder gnomonisch aufbereitet werden kann.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (M) des zentrierten Strahlenbündels (Sm) bildseitig angeordnet ist, wobei die Linse (10) als eine achromatische Zerstreuungslinse ausgebildet ist, die entweder eine plankonkave Linse (103) mit einer planebenen oder konkaven, objektseitigen Außenfläche (100) oder eine bikonkave Linse (104) oder eine konvex-konkave Linse (105) aufweist und das zentrierte Strahlenbündel (Sm) im Falle einer plankonkaven Linse (103) und einer bikonkaven Linse (104) jeweils durch eine erste Brechung an der objektseitigen Außenfläche (100) einer Zerstreuungslinse (103,104) zu einem konvergenten Strahlenbündel (Sk) mit einem Schnittpunkt (S) transformiert wird und erst durch eine zweite Brechung an der bildseitigen Innenfläche (101) einer Zerstreuungslinse (103,104) zu einem parallelen Strahlenbündel (Sp) kollimiert wird, oder dass im Falle einer plankonkaven Linse (103) mit einer konkaven Außenfläche (100) und im Falle einer konvex-konkaven Linse (105) mit einer sphärischen objektseitigen Außenfläche (100) das zentrierte Strahlenbündel (Sm) jeweils nur einmal gebrochen wird, um es zu kollimieren.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (M) des zentrierten Strahlenbündels (Sm) objektseitig angeordnet ist und einen Öffnungswinkel (δ) aufweist, wobei das Kameramodul (1) für Makroaufnahmen ausgelegt ist und die Linse (10) als eine achromatische Sammellinse ausgebildet ist und entweder eine plankonvexe Linse (106) oder eine bikonvexe Linse (107) aufweist, sodass das zentrierte Strahlenbündel (Sm) jeweils durch eine erste Brechung an der objektseitigen Außenfläche (100) einer Sammellinse (106,107) zu einem divergenten Strahlenbündel (Sd) transformiert wird und durch eine zweite Brechung an der bildseitigen Innenfläche (101) einer Sammellinse (106,107) zu einem parallelen Strahlenbündel (Sp) kollimiert wird.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein flächenförmiges Array (13) durch die Anordnung einer Mehrzahl von Kameramodulen (1) in mindestens einer Reihe (130) gebildet wird und die Kameramodule (1) z.B. im Falle einer Zerstreuungslinse jeweils einen unterschiedlichen Bildwinkel (α) abdecken und im Falle einer Sammellinse einen unterschiedlichen Öffnungswinkel (δ) abdecken oder jeweils nur eine bestimmte Lichtfarbe aufnehmen.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein räumliches Array (13) durch Rotation einer Mehrzahl von Kameramodulen (1) um den Mittelpunkt (M) gebildet wird und die Linsen (10) untereinander jeweils an ihren polygonalen Rändern (102) entweder zu einem hohlen und regelmäßigen Polyeder (131) oder zu einer hohlen Sphäre (132) oder zu einem Schicht- oder Segmentkörper (133,134) des Polyeders (131) oder der Sphäre (132) verbunden werden, wobei die Scheitelpunkte (G) der bildseitigen Innenflächen (101) der Linsen (10) auf einem Kreis mit einem Radius (r2) um den Mittelpunkt (M) und die Eckpunkte des Polyeders (131) bzw. die Oberfläche der Sphäre (132) auf einem Kreis mit einem Radius (r3) um den Mittelpunkt (M) des räumlichen Arrays (13) liegen.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an einem räumlichen Array (13) die optischen Achsen (O) einer Mehrzahl von Kameramodulen (1) in dem Mittelpunkt (M) schneiden, sodass eine lückenlose Bilderfassung in allen Raumrichtungen ermöglicht wird, wobei eine Mehrzahl von Linsen (10) untereinander zu einem regelmäßigen, hohlen Polyeder (131) oder zu einer hohlen Sphäre (132) verbunden sind.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (2) eine transparente Glasscheibe (20) aufweist, die z.B. den Bildschirm (200) eines Mobiltelefons oder eines Computers bildet oder als transparenter Teil des Innenspiegels (201) oder des Außenspiegels (202) eines Fahrzeugs ausgebildet ist, wobei die ebene objektseitige Außenfläche (100) einer plankonkaven Linse (104) vollflächig mit der Glasscheibe (20) verbunden ist, oder dass ein räumliches Array (13) als Polyeder- oder als Sphäre (131,132) innerhalb eines Scheinwerfergehäuses (203) oder in dem Innenraum eines Fahrzeugs unmittelbar hinter den Front- und Heckscheiben (204,205) oder auf der Außenseite der Karosserie des Fahrzeugs angeordnet ist.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (2) ein Endoskop (21) aufweist und eine Linse (10) einen diagonalen Bildwinkel (α) von bis zu 72 Grad abdeckt, oder dass ein kugelförmiges, räumliches Array (13) aus z.B. fünf Kameramodulen (1) im Umkreis von 360 Grad einen Bildwinkel (α) von 216 Grad abdeckt und das Endoskop (21) mit einem Kanal für ein Videokabel (210), mindestens einem Lichtkanal(211) und einem Werkzeugkanal (212) ausgebildet ist.
Kameramodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kameramodul (1) in eine Brille (22) integriert ist, wobei das Brillengestell einen Kanal für die Aufnahme eines Verbindungskabels (220) zu einem Smartphone aufweist, oder dass ein Kameramodul (1) zu einer Taschenkamera mit Sprungdeckel weitergebildet ist.