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Die Erfindung betrifft ein Kameramodul mit einer Platine, die mit Komponenten einer digitalen Kameraelektronik bestückt ist, und mit einem auf der Platine angeordneten optischen Sensorfeld, das in einem Gehäuse aufgenommen ist, das einen rechteckigen Sockel und einen von der Oberseite des Sockels vorspringenden zylindrischen Objektivhalter bildet.
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Solche Kameramodule sind im Handel erhältlich und werden beispielsweise als Zubehör zu sogenannten Einplatinencomputer-Bausätzen angeboten, mit denen der Benutzer computergesteuerte Geräte und Systeme, beispielsweise Kameraüberwachungssysteme, nach eigenen Vorstellungen aufbauen kann. Im Auslieferungszustand ist in den Objektivhalter ein kleinbauendes, kurzbrennweitiges Kunststoffobjektiv eingesetzt, mit dem sich nur eine begrenzte Bildqualität erreichen lässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Kameramodul mit verbesserter Bildqualität zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen scheibenförmigen Adapter, der eine durchgehende Bohrung aufweist, in die der Objektivhalter passend eingreift, und der weiterhin auf einer Seite einen auf die Bohrung zentrierten Normgewindestutzen für ein auswechselbares Objektiv und auf der entgegengesetzten Seite eine rechtwinklig zur Achse der Bohrung verlaufende ebene erste Referenzfläche für die Oberseite des Sockels sowie eine Stufe mit einer rechtwinklig zu der ersten Referenzfläche verlaufenden zweiten Referenzfläche für eine Seitenfläche des Sockels aufweist.
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Der Adapter erlaubt es, das mitgelieferte Kunststoffobjektiv durch ein höherwertiges Objektiv zu ersetzen, wie es auch bei handelsüblichen Digitalkameras benutzt wird.
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Dazu wird das Kunststoffobjektiv aus dem Objektivhalter entfernt, und der Objektivhalter wird in die Bohrung des Adapters eingesteckt. Auf diese Weise wird eine genaue Zentrierung des in den Normgewindestutzen eingeschraubten Objektivs auf das Sensorfeld erreicht. Da die Oberseite des rechteckigen Sockels exakt parallel zur Ebene des optischen Sensorfeldes ausgerichtet ist, stellt die erste Referenzfläche des Adapters sicher, dass auch die Bildebene des neuen Objektivs exakt parallel zur Ebene des Sensorfeldes orientiert ist. Mit Hilfe der zweiten Referenzfläche wird die Zeilenrichtung des Sensorfeldes relativ zum Adapter festgelegt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Adapter auf der Rückseite, die der Platine zugewandt ist, eine Nut auf, deren Boden die erste Referenzfläche bildet und deren Seitenwände den Sockel des Gehäuses passend aufnehmen, so dass sie als zweite Referenzflächen dienen. In der Nut und ggf. weiteren Ausnehmungen, die sich auf der Rückseite des Adapters befinden, können die elektronischen Komponenten untergebracht werden, die zusätzlich zu dem Sensorfeld auf der Platine angeordnet sind.
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Die durch das hochwertigere Objektiv erreichte Verbesserung der Bildqualität erlaubt es insbesondere, weitgehend verzerrungsfreie zweidimensionale digitale Bilder zu erhalten, so dass sich aus Bildern eines Objektes, die mit mehreren gleichartigen Kameramodulen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, mit Hilfe bekannter Algorithmen ein dreidimensionales Modell des Objekts errechnen lässt. Auf diese Weise lässt sich mit Hilfe mehrerer solcher Kameramodule ein kostengünstiger 3D-Scanner realisieren. Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein 3D-Scanner mit mindestens einem Kameramodul der oben beschriebenen Art.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kameramoduls;
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2 eine Ansicht der Rückseite eines Adapters des Kameramoduls nach 1; und
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3 eine schematische Ansicht eines 3D-Scanners mit mehreren erfindungsgemäßen Kameramodulen.
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Das in 1 gezeigte Kameramodul 10 weist ein handelsübliches Objektiv 12 für Digitalkameras, einen scheibenförmigen Adapter 14 aus Kunststoff und ein Grundelement 16 auf, das die eigentliche Digitalkamera bildet.
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Das Grundelement 16 weist eine Platine 18 auf, die mit Komponenten 20 einer digitalen Kameraelektronik bestückt ist und von der ein bandförmiger flexibler Leitungsträger 22 zu einem nicht gezeigten Mikrocontroller führt, der das Kameramodul steuert und die aufgenommenen digitalen Bilder aufzeichnet. Der Leitungsträger 22 weist nicht gezeigte Leiterbahnen auf, die mit entsprechenden Kontakten auf der Platine 18 verbunden sind.
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Auf der Platine 18 ist ein Gehäuse 24 montiert, das einen rechteckigen (quaderförmigen) Sockel 26 bildet, von dessen Oberseite ein zylindrischer Objektivhalter 28 vorspringt. Der Boden des Gehäuses 24 wird durch optisches Sensorfeld 30 gebildet, beispielsweise eine matrixförmige Anordnung von CCD-Elementen, die beispielsweise durch Oberflächenmontage (SMD) auf der Platine befestigt und kontaktiert ist und dazu dient, ein von dem Objektiv 12 auf das Sensorfeld projiziertes Bild pixelweise in elektronische Signale umzuwandeln, die dann von der Kameraelektronik weiter verarbeitet werden.
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Das Grundelement 16 wird aus einem im Handel erhältlichen Kameramodul gewonnen, bei dem in den Objektivhalter 28 ein Kunststoffobjektiv eingesetzt ist. Zum Aufbau des erfindungsgemäßen Kameramoduls wird dieses Kunststoffobjektiv entfernt, und statt dessen wird mit Hilfe des Adapters 14 das Objektiv 12 präzise in Bezug auf das Sensorfeld 30 positioniert.
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Zu diesem Zweck weist der Adapter 14 eine durchgehende zentrale Bohrung 32 auf, in die der Objektivhalter 28 von der Rückseite her passend eingesteckt wird. Auf der Oberseite bildet der Adapter 14 einen Normgewindestutzen 34 mit einem Innengewinde, in das ein Außengewinde 36 des Objektivs 12 einschraubbar ist. Beispielsweise beträgt der Gewindedurchmesser des Normgewindestutzens 34 1 Zoll und ist damit deutlich größer als der Durchmesser der Bohrung 32 und des Objektivhalters 28.
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Wie deutlicher in 2 zu erkennen ist, weist der Adapter 14 auf der Rückseite eine Nut 38 auf, in die der Sockel 26 des Grundelements 16 passend eingreift. Der Boden der Nut 38, in dem sich die Bohrung 32 befindet, bildet eine erste Referenzfläche 40, an der die (in 2 nach unten weisende) Oberseite des Sockels 26 satt anliegt. Auf diese Weise wird das Gehäuse 24 so positioniert, dass die Ebene des Sensorfeldes 30 exakt parallel zur Bildebene des in den Normgewindestutzen 34 eingeschraubten Objektivs 12 ausgerichtet ist.
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Die Seitenwände der Nut 38 bilden eine zweite Referenzfläche 42 (im gezeigten Beispiel sogar zwei einander gegenüberliegende Referenzflächen) für die entsprechende Seitenfläche des Sockels 26. Durch Anlage der Seitenflächen des Sockels 26 an den zweiten Referenzflächen 42 wird die Winkelorientierung des Sensorfeldes 30 in Bezug auf den Adapter 14 festgelegt.
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Im gezeigten Beispiel weist der Adapter 14 Befestigungsbohrungen 44 auf, die es erlauben, den Adapter 14 und damit das gesamte Kameramodul 10 in einer definierten Position auf einem nicht gezeigten Kameraträger zu befestigen.
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Als Anwendungsbeispiel für mehrere Kameramodule der oben beschriebenen Art ist in 3 ein 3D-Scanner 110 gezeigt. Dieser 3D-Scanner weist mehrere (im gezeigten Beispiel drei) Stelen 112 auf, die einzeln und unabhängig voneinander aufstellbar sind, und jeweils mehrere (im gezeigten Beispiel ebenfalls drei) Kameramodule 10 aufweisen. Die Stelen 112 sind so um eine Objektplattform 114 herum angeordnet, dass die Kameramodule 10 auf die Objektplattform gerichtet sind, so dass ein auf der Objektplattform 114 angeordnetes Objekt oder eine auf dieser Plattform stehende Person mit Hilfe der Kameramodule 10 aus mehreren Richtungen fotografiert werden kann.
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Jedes Kameramodul ist Teil einer Aufnahmeeinheit 116, zu der außerdem ein Mikrocontroller 118 und eine Kommunikationsschnittstelle 120 für ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk (z.B. WiFi) gehören. Über dieses Netzwerk kommunizieren die Aufnahmeeinheiten 116 drahtlos mit einem Router 122, der an einen zentralen Rechner 124 angeschlossen ist. Der Rechner 124 dient als Master, der die einzelnen Aufnahmeeinheiten 116 als Clients steuert. Der Rechner 124 ist über einen Internetzugang mit dem Internet 126 verbunden und enthält beispielsweise einen Node-JS / Socket-IO-Server für die Kommunikation mit den Aufnahmeeinheiten 116 sowie einen Webserver und einen FTP-Server für die Kommunikation über das Internet 126.
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Der Webserver erlaubt es, den 3D-Scanner 110 von jedem internetfähigen Gerät aus zu steuern, beispielsweise von einem Smartphone aus.
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Damit aus den von den Aufnahmeeinheiten 116 aufgenommenen digitalen 2D-Bildern des Objekts ein dreidimensionales Modell des Objekts errechnet werden kann, ist es insbesondere bei beweglichen Objekten wie Personen wichtig, dass die Auslösezeitpunkte der Kameramodule 10 exakt miteinander synchronisiert sind. Zur Vorbereitung eines Aufnahmevorgangs sendet der Rechner 124 einen Befehl an alle Aufnahmeeinheiten 116, der diese in einen aufnahmebereiten Zustand versetzt. Nachdem alle Aufnahmeeinheiten die Aufnahmebereitschaft bestätigt haben, wird vom Rechner 124 aus ein Auslösesignal gesendet, durch das sämtliche Kameramodule 10 zeitgleich ausgelöst werden. Die aufgenommenen 2D-Bilder werden drahtlos an den Rechner 124 übermittelt und über das Internet 126 an ein Rechnersystem 128 (Cloud) weitergeleitet, das aus den 2D-Bildern der verschiedenen Aufnahmeeinheiten 116 ein 3D-Modell errechnet. Dazu müssen lediglich die Brennweiten der Objektive 12 sowie die Abmessungen und Auflösungen der Sensorfelder 30 bekannt sein. Die Information über die genauen Positionen der Kameramodule 10 ist implizit in den zweidimensionalen Bildern enthalten und lässt sich aus Unterschieden zwischen den einzelnen Bildern, die sich aus den unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen ergeben, zurückrechnen. Die Stelen 112 können deshalb frei aufgestellt werden, ohne dass ihre genauen Positionen vermessen werden müssen.
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Es versteht sich, dass jede Stele über eine Spannungsversorgung in der Form einer Batterie oder eines Netzanschlusses verfügt. Wahlweise kann jede Stele darüber hinaus mindestens ein Projektionssystem 130 enthalten, das es erlaubt, bestimmte Muster auf das zu scannende Objekt zu projizieren.
