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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Korrektur eines planaren
Fokus bei einer elektronischen Stehbild- oder Videokamera.
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In
Bürobilderzeugungsanwendungen
sind Desktopflachbettscanner weit verbreitet. Obwohl dieselben relativ
unaufwendig sind und gut funktionieren, ist es ein Nachteil, daß dieselben
unvermeidlicherweise eine wesentliche Menge an Tischplatz belegen,
der immer sehr gefragt ist.
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Digitalkameraprodukte
werden in vielen Bereichen der Stehbild- und Bewegungsphotographie üblich, und
werden folglich immer weniger aufwendig. Solche Kameras werden nach
wie vor jedoch immer noch beinahe ausschließlich für die Photographie von Menschen
oder Plätzen
verwendet und müssen
noch für
die Verwendung bei Bürobilderzeugungsanwendungen
angepaßt
werden. Dies liegt daran, daß elektronische
Kameras, die normalerweise zweidimensionale CCD-Arrays verwenden,
eine nicht ausreichende Auflösung
haben, um eine vollständige
A4-Seite bei 300 Punkten pro Zoll abzubilden, das Minimum, von dem
herkömmlicherweise ausgegangen
wird, daß es
für eine
vernünftige
qualitativ hochwertige Reproduktion notwendig ist. Obwohl größere CCDs
bei elektronischen Kameras verfügbar
sind, sind dieselben viel zu aufwendig für ein Massenmarktbürobilderzeugungsprodukt.
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Eine
Kamera, die an dem Schreibtisch befestigt ist und direkt nach unten
schaut, könnte
Dokumente auf dem Desktop abbilden und dadurch diese dauerhafte
Platzverschwendung vermeiden. Um eine ausreichende Auflösung mit
der begrenzten Anzahl von verfügbaren
Pixel zu erhalten, müßte die
Kamera direkt über
dem abzubildenden Dokument sein, so daß das gesamte Dokument fokussiert
ist. Dies ist jedoch unpraktisch, da es erfordert, daß sich ein
Benutzer entweder direkt über
das Dokument lehnt oder daß ein
Rahmen über
dem Schreibtisch vorgesehen ist, an dem die Kamera befestigt wäre. Eine Überkopfkamera
könnte
den Kopfraum eines Benutzers behindern oder unbeabsichtigt gestoßen werden.
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Falls
die Kamera alternativ nicht direkt über dem Dokument wäre sondern
beispielsweise in der Nähe
einer Kante des Schreibtisches gehalten oder befestigt würde, wäre nicht
das gesamte Dokument gleichzeitig fokussiert, weil das Dokument
nicht im rechten Winkel zu der optischen Achse der Kamera wäre. Aufgrund
des Auflösungsverlusts
aufgrund der begrenzten Feldtiefe der Kamera würde nur ein Teil des Dokuments
mit ausreichender Auflösung
in einem Rahmen aufgenommen. Dies ist unpraktisch, weil ein Benutzer
oder ein Typ mechanischer Betätigungsvorrichtung
dann die Kamera manuell schwenken und neigen müßte, um eine Anzahl von überlappenden
Bildern aufzunehmen, jedes mit einer ausreichenden Vergrößerung zum
Erhalten einer ausreichenden Auflösung, und nachfolgend diese
Bilder unter Verwendung von Software „zusammennähen" müßte.
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Es
gibt auch das zusätzliche
Problem, daß das
Bild aufgrund des geneigten Betrachtungswinkels verzerrt würde, ein
Effekt, der hierin als „Trapezverzerrung" bezeichnet wird.
Obwohl eine solche perspektivische Verzerrung ohne weiteres unter
Verwendung von gut bekannten Bildverarbeitungstechniken berichtigt
werden kann, führt
dies zu einer nicht optimalen Auflösung über den Bereichen des Bildes, wo
ein gedrucktes Zeichen über
weniger Pixel ausgebreitet ist.
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Herkömmliche
Lösungsansätze zum
Adressieren dieser Probleme leiden an anderen Beschränkungen.
Eine größere Tiefenschärfe kann
durch Reduzieren der Blendenöffnung
geliefert werden, aber dies verringert die Lichtmenge an der Bildebene,
was Rauschpegel erhöht.
Eine längere
Belichtungszeit wird mit handgehaltener Photographie aufgrund von Kameravibration
nicht funktionieren. Aktive oder elektronische Bildstabilisierer
erhöhen
die Kosten und sind beim Eliminieren des Effekts von Kameravibration
nicht völlig
effektiv. Ein Rah men und eine mechanische Befestigung zum Halten
und Schwenken/Neigen der Kamera können Kameravibration eliminieren,
aber mit einem wesentlichen Nachteil bezüglich mechanischer Komplexität und Kosten. Selbst
mit einer kleinen Blende oder längeren
Verschlußzeiten
ist es schwierig, die notwendige Tiefenschärfe zu erhalten, um bis zu
einem Winkel von weniger als 45 Grad zu arbeiten, wie es bei einer
elektronischen Kamera wünschenswert
wäre, die
an der Kante eines Schreibtisches gehalten wird oder befestigt ist.
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Seit
vielen Jahren wissen Photographen, daß es unter bestimmten Umständen, wie
sie durch die Scheimpflug-Bedingung definiert sind, möglich ist,
gleichzeitig mehrere Dinge an unterschiedlichen Abständen von
der Kamera zu fokussieren, vorausgesetzt, daß alle der Objekte von Interesse
auf einer flachen Ebene liegen. Wenn die Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist,
schneiden sich die Objektebene, die Bildebene und eine Ebene, die
durch die Linse verläuft,
alle entlang einer Linie. Obwohl diese Bedingung für einen
richtigen Fokus notwendig ist, ist sie allein nicht ausreichend.
Es wurde bisher davon ausgegangen, daß das Einstellen einer Kamera
zum Fokussieren auf einer geneigten Objektebene eine stativbefestigte
Großformatsichtkamera
und die Fähigkeiten
eines professionellen Photographen erfordert.
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Professionelle
Photographen, die solche Großformatkameras
verwenden, können
mit Übung und
einem intuitiven Verständnis
der dreidimensionalen Geometrie die Scheimpflug-Bedingung erreichen und den Winkel der
Linse und/oder der Bildebene einstellen, um eine Szene zu fokussieren,
die einen Bereich von Interesse in einer Ebene in einem schiefen
Winkel zu der optischen Achse aufweist. Herkömmlicherweise wird dies durchgeführt durch
Betrachten des Bildes, das auf eine Mattscheibe in der Kamera projiziert
wird, während
die relative Ausrichtung der Linse und der Bildebene eingestellt
wird, um die Objektebene von Interesse zu fokussieren.
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Obwohl
dieses Prinzip seit vielen Jahren bekannt ist, sind Scheimpflug-Kameras
nach wie vor manuell betrieben und großformatig. Ein Versuch zum
teilweisen Automatisieren einer Scheimpflug-Kamera ist in dem Patent
Dokument
US 4 564 277 beschrieben.
Dieses beschreibt jedoch eine Kamera, die für professionelle Filmphotographie geeignet
ist, und die eventuell eine Mattscheibe zum Betrachten eines Bildes
aufweist. Der Prozeß ist
nur halbautomatisch und erfordert daß ein Photograph eine Bildebene
senkrecht zu der optischen Achse zu zumindest zwei Positionen bewegt,
wo unterschiedliche Bereiche des Bildschirms fokussiert sind, und
(x, y, z) Positionsdaten für
diese Positionen in einen Rechner eingibt, der dann von der bekannten
Brennweite der Linse die korrekte Ausrichtung der Linse oder der
Bildebene zum Erfüllen
der Scheimpflug-Bedingung berechnen kann. Eine solche Kamera und
ein solcher Prozeß sind
nicht ausreichend unaufwendig, schnell oder praktisch für ein Massenmarktschreibtischbilderzeugungsprodukt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische
Kamera zu schaffen, die diese Probleme adressiert.
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Folglich
liefert die Erfindung eine elektronische Kamera, die folgende Merkmale
umfaßt:
ein Detektorarray; eine Objektivlinse, die angeordnet ist, um eine
optische Strahlung von einer Objektebene auf den Detektor zu richten,
wobei die Linse eine optische Achse der Kamera definiert, und die
Objektebene in einem schiefen Winkel zu der optischen Achse ist;
eine Bewegungseinrichtung zum Ändern
der relativen Ausrichtung des Detektors bezüglich der Linse, so daß der Detektor
und die Linse relativ aufeinander zu oder voneinander weg entlang
der optischen Achse bewegt werden können, und auch bezüglich zueinander
mit zumindest einem Freiheitsgrad geneigt werden können; und
eine Fokuserfassungseinrichtung, die mit dem Detektor verbunden
ist, um zu erfassen, wenn ein Abschnitt eines Bildes, das auf den Detektor
fällt,
fokussiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera eine Prozessoreinrichtung
zum Steuern der Bewegungseinrichtung gemäß dem erfaßten Fokus umfaßt, wobei
die Prozessoreinrichtung das Bild auf den Detektor fokussiert, in
dem zunächst
die relative Ausrichtung der Linse und des Detektors geändert wird,
bis ein erster Abschnitt des Bildes fokussiert ist, und dann der
erste Abschnitt fokussiert gehalten wird, während weiterhin die relative Ausrichtung
der Linse und des Detektors geändert wird,
bis ein zweiter Abschnitt des Bildes ebenfalls fokussiert ist.
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Der
Begriff „Linse", wie er hierin verwendet, ist
nicht auf ein einzelnes Linsenelement beschränkt und umfaßt Linsen
mit zusammengesetzten optischen Elementen.
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Die
Fokuserfassungseinrichtung kann jede der bekannten automatischen
Fokussiertechniken sein, die sich in digitalen oder filmbasierten
Stehbild- oder Videokameras finden. Diese umfassen Bereichsfindetechniken
auf der Basis der Sendung und des Empfangs von reflektierten Infrarotpulsen.
Eine zusätzliche
Fokuseinrichtung kann ebenfalls verwendet werden, beispielsweise
diejenigen, die sich auf reflektierte Ultraschallpulse verlassen.
Andere bekannte Techniken, die eine Art von statistischer oder Frequenzbereichanalyse
des erfaßten
Bildes umfassen, sind besonders geeignet, wenn das Objekt elektronisch
anstatt mit photographischem Film abgebildet wird, wie bei Video-
oder Digitalstehbildkameras.
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Akustische
und insbesondere Infrarotentfernungsmesser sind sehr richtungsempfindlich.
Es wäre
möglich,
drei derselben in die Kamera einzupassen, die zu unterschiedlichen
Richtungen innerhalb des Sichtsfelds zeigen. Die Position einer
Ebene ist definiert durch die Position von drei nichtkollinearen
Punkten. Wenn die Position der Objektebene bekannt ist, könnte der
erforderliche Winkel der Bild- (oder Linsen-) Ebene dann direkt
durch 3-D-Geometrie berechnet werden. Mit der oben erörterten
Vereinfachung wären
nur zwei Entfernungsmesser erforderlich.
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Der
Detektor kann jeder Typ von elektronischem Detektor sein, insbesondere
ein zweidimensionales CCD-Array oder ein CMOS-Array.
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Wenn
von einer vernünftig
entworfenen Linse ausgegangen wird, unabhängig von der Position der Bild-
oder Linsenebene, ist das Bild eine perspektivische Projektion des
ursprünglichen
Objekts. Somit ist jede gerade Linie auf der Objektebene auch ein gerade
Linie auf der Bildebene. Eine Folge dessen ist, daß es unnötig ist,
die in der
US 4 564 277 beschriebene
Prozedur zu durchlaufen, um die Position der Bildebene zu bestimmen
und dann von dieser und einer Kenntnis der Brennweite die erforderlichen Positionen
der Linsen- und/oder Bildebenen unter Verwendung der Scheimpflug-Regel
zu berechnen. Es reicht aus, den Fokus direkt einzustellen. Keine Berechnung
der Position von irgendeiner der Ebenen ist erforderlich. Genausowenig
ist es notwendig, die Brennweite der Linse zu kennen.
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Vorzugsweise
fokussiert die Prozessoreinrichtung das Bild indem zunächst die
Linse und der Detektor entlang der optischen Achse relativ aufeinander
zu oder voreinander weg bewegt werden, bis der erste Abschnitt des
Detektors fokussiert ist, und Fokussierthalten des ersten Abschnitts,
während
die Linse und der Detektor bezüglich
zueinander geneigt werden, bis der zweite Abschnitt ebenfalls fokussiert ist.
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Wenn
das Bild eines Objekts in einer Objektebene, die schief zu der optischen
Achse ist, auf dem Detektor fokussiert ist, erfüllen das Objekt, die Linse
und der Detektor die Scheimpflug-Bedingung. Die Linse kann mechanisch
kompliziert werden, falls dieselbe sowohl für einen allgemeinen oder groben Fokus
durch Herein- und Herausbewegen bezüglich eines Kamerakörpers korrekt
positioniert sein muß, als
auch geneigt sein muß.
Obwohl es möglich
ist, die Ebene der Linse durch eine Anzahl von Positionen zu bewegen,
die die Scheimpflug-Bedingung erfüllen, bis die Position des
besten Fokus gefunden wird, wird es bevorzugt, die Linse in einer
festen Position zu lassen und den Detektor zu der Bildebene zu bewegen,
um die gleiche Bedingung zu erfüllen,
weil dies mechanisch einfacher sein kann und sich dafür eignet,
automatisch durchgeführt
zu werden.
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Daher
kann die Linse entlang der optischen Achse bezüglich des Kamerakörpers beweglich
sein, wobei der Detektor bezüglich
des Körpers
beweglich ist, zumindest um den Detektor bezüglich der Linse zu neigen.
Optional kann ein kleiner Betrag an allgemeinen Fokus durch den
Detektor geliefert werden, durch die Bewegung des Detektors entlang
der optischen Achse ohne Neigung.
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Alternativ,
und insbesondere in dem Fall, wo der Betriebsfokusabstand immer
innerhalb gut definierter Begrenzungen liegt, beispielsweise in
der Größenordnung
von 0,2 m bis 2 m bei einer Schreibtischbilderzeugungsanwendung,
kann die Linse bezüglich
des Körpers
fest sein, wobei der Detektor bezüglich des Köpers entlang der optischen
Achse und zum Neigen des Detektors bezüglich der Linse beweglich ist.
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In
jedem Fall wird das Detektorarray dann durch die Bewegungseinrichtung
physikalisch bewegt, die beispielsweise an Kanten auf linearen Betätigungsvorrichtungen
befestigt ist, die es dem Detektor ermöglicht, sich rückwärts und
vorwärts
zu bewegen und auch bezüglich
der optischen Achse zu neigen. Falls die Kamera in einer Anwendung
verwendet werden soll, wo im wesentlich nur ein Freiheitsgrad an
Neigung erforderlich ist, beispielsweise falls ein Dokument, das
abgebildet werden soll, immer direkt vor der Kamera auf einer Oberfläche liegt, die
bezüglich
der optischen Achse um eine Linie in rechten Winkeln zu dieser Achse
geneigt ist, dann muß dieselbe
nur einen Freiheitsgrad an Neigung aufweisen. Eine Folge dieser
Vereinfachung der Kamerabewegung ist, daß es eine entsprechende Vereinfachung
bei der Fokussierbewegung gibt, die nur zwei Freiheitsgrade erfordert:
lineare Bewegung und Neigung in einer Richtung. Dies führt auch
zu einer Vereinfachung der Prozessorsteuerung.
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In
den meisten Fällen
wird es jedoch in Betracht gezogen, daß die Kamera mit einem Objekt
zurechtkommen muß,
das um eine Linie geneigt ist, die nicht in rechten Winkeln zu der
optischen Achse ist. Daher können
der Detektor und die Linse angeordnet sein, so daß dieselben
bezüglich
zueinander mit zwei im wesentlichen orthogonalen Freiheitsgraden
geneigt werden können.
Die Prozessoreinrichtung fokussiert dann das Bild, indem zunächst der
erste und der zweite Abschnitt fokussiert werden, und dann der erste
und zweite Abschnitt fokussiert gehalten werden, während die
Linse und der Detektor bezüglich zueinander
geneigt werden, bis ein dritter Abschnitt des Bildes ebenfalls fokussiert
ist.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfaßt
eine elektronische Kamera zusätzlich:
eine zweite Linse, die zwischen der Objektivlinse und dem Detektor
angeordnet ist, um eine optische Strahlung von einer Bildebene der
Objektivlinse auf den Detektor zu richten, wobei die zweite Linse
eine interne optische Achse der Kamera definiert, die die optische
Achse der Objektivlinse schneidet; und eine Dreheinrichtung zum Ändern der
relativen Ausrichtung der zweiten optischen Achse und der optischen Achse
der Objektivlinse, wobei die Prozessoreinrichtung angepaßt ist,
um die Dreheinrichtung zu steuern, um eine Detektortrapezverzerrung
in der Bildebene der zweiten Linse zu verbessern.
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Der
obige Begriff „verbessern" bedeutet in diesem
Zusammenhang entweder das Vermindern oder Eliminieren der Trapezverzerrung.
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Überraschenderweise
ist es im Prinzip möglich,
Trapezverzerrungen zu eliminieren, während gleichzeitig das Bild
des geneigten Objekts auf dem Detektor fokussiert wird, durch Erfüllen einer
doppelten Scheimpflug-Bedingung, eine für jede Linse. Dies kann außerdem durch
die Prozessoreinrich tung automatisch durchgeführt werden, unter Verwendung der
Fokuserfassung in den oben erwähnten
Detektorabschnitten, und der Kenntnis der Brennweite der beiden
Linsen und der Trennung zwischen diesen Linsen.
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Genauer
gesagt, die Kamera kann eine Speichereinrichtung umfassen, die Daten
hält, die
folgendes darstellen: die Brennweite sowohl der Objektivlinse als
auch der zweiten Linse, und die Trennung der Linsen, wenn die optischen
Achsen der Linsen ausgerichtet sind. Die Kamera umfaßt dann
eine Einrichtung zum Bestimmen der relativen Ausrichtung des Detektors
und der zweiten Linse, wenn die Abschnitte des Bildes fokussiert
sind, und zum Erzeugen von Daten, die die Ausrichtung darstellen. Schließlich kann
die Prozessoreinrichtung angeordnet sein, um von den Brennweite-,
den Trennungs- und den Ausrichtungsdaten eine relative Ausrichtung der
Objektivlinse, der zweiten Linse und des Detektors zu berechnen,
die die Objektebene auf den Detektor fokussieren, während gleichzeitig
die Trapezverzerrung verbessert wird.
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In
dem Fall, wo die Objektebene um eine Linie in rechten Winkeln zu
der objektiven optischen Achse geneigt ist, benötigt die Dreheinrichtung eventuell
nur einen Freiheitsgrad. Im allgemeinen kann die zweite optische
Achse jedoch bezüglich
der ersten optischen Achse mit zwei im wesentlichen orthogonalen
Freiheitsgraden gedreht werden.
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Die
oben beschriebene elektronische Kamera kann bei einer Schreibtischbilderzeugungsanwendung
statt einem Flachbettscanner verwendet werden. Ein solches Bilderzeugungsgerät kann eine
Befestigung aufweisen, beispielsweise einen Stab oder eine Klammer,
die an die Kante eines Tisches geklemmt werden kann, durch die die
Kamera über
der Kante des Schreibtisches befestigt werden kann und nach unten
auf den Schreibtisch gerichtet werden kann, um ein Dokument auf
dem Schreibtisch abzubilden.
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Ein
Schreibtischbilderzeugungsgerät,
das über
und an einer Seite einer Arbeitsoberfläche auf einem Schreibtisch
positioniert ist, nutzt selbstverständlich die Scheimpflug-Bedingung aus, weil
der Schreibtisch inhärent
eine flache Ebene ist.
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Außerdem ist
gemäß der Erfindung
ein Verfahren zum Abbilden eines Objektes vorgesehen, unter Verwendung
einer elektronischen Kamera, die folgende Merkmale umfaßt: ein
Detektorarray, eine Objektivlinse, die angeordnet ist, um optische
Strahlung von einer Objektebene auf den Detektor zu richten, wobei
die Linse eine optische Achse der Kamera definiert, eine Bewegungseinrichtung
zum Ändern
der relativen Ausrichtung des Detektors bezüglich der Linse, so daß dieselben
relativ aufeinander zu oder voneinander weg entlang der optischen
Achse bewegt werden können,
und auch bezüglich
zueinander mit zumindest einem Freiheitsgrad geneigt werden können, und
eine Fokuserfassungseinrichtung, die mit dem Detektor verbunden
ist, um zu erfassen, wenn ein Abschnitt eines Bildes, der auf den
Detektor fällt,
fokussiert ist, wobei das Verfahren den ersten Schritt des Richtens
der Kamera auf das Objekt umfaßt,
so daß die
Objektebene in einem schiefen Winkel zu der optischen Achse ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Kamera eine Prozessoreinrichtung umfaßt, um die Bewegungseinrichtung
gemäß dem erfaßten Fokus
zu steuern, und daß das
Verfahren die zusätzlichen
folgenden Schritte umfaßt:
- i) Verwenden der Prozessoreinrichtung zum Fokussieren
des Bildes auf den Detektor, indem zunächst die relative Ausrichtung
der Linse und des Detektors geändert
wird, bis ein erster Abschnitt des Bildes fokussiert ist; und dann
- ii) Fokussierthalten des ersten Abschnitts, während die
relative Ausrichtung der Linse und des Detektors weiterhin geändert wird,
bis ein zweiter Abschnitt des Bildes ebenfalls fokussiert ist.
Das
Verfahren kann auch auf den Fall angepaßt werden, wo es gewünscht wird,
die Trapezverzerrung in einer elektronischen Kamera mit einer zweiten
Linse zu verbessern, wie es oben erwähnt wurde. Wenn daher die Prozessoreinrichtung
angepaßt
ist, um die Dreheinrichtung zu steuern, umfaßt das Verfahren folgende Schritte:
- iii) Verwenden der Prozessoreinrichtung, um die relative Drehung
der zweiten optischen Achse und der optischen Achse der Objektivlinse
zu ändern,
um die Detektortrapezverzerrung in der Bildebene der zweiten Linse
zu verbessern.
Wenn die Kamera eine Speichereinrichtung und eine
Einrichtung zum Bestimmen der relativen Ausrichtung des Detektors
umfaßt,
wie es oben erwähnt
wurde, umfaßt
das Verfahren den folgenden Schritt:
- iv) Speichern von Daten in der Speichereinrichtung, die folgendes
darstellen: die Brennweite sowohl der Objektivlinse als auch der
zweiten Linse, und die Trennung der Linsen, wenn die Achsen der
Linsen ausgerichtet sind;
und nach Schritt ii) die folgenden
Schritte:
- v) Verwenden der Prozessoreinrichtung, um aus den Brennweite-,
den Trennungs- und den Ausrichtungsdaten eine gewünschte Ausrichtung
der Objektivlinse, der zweiten Linse und des Detektors zu berechnen;
und
- vi) Verwenden der Prozessoreinrichtung zum Ändern der relativen Ausrichtung
der Objektivlinse, der zweiten Linse und des Detektors, um die Objektebene
auf den Detektor zu fokussieren, während gleichzeitig die Trapezverzerrung
verbessert wird.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher beschrieben.
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1 ist eine schematische
Zeichnung einer Linse mit einer Objektebene und einer Bildebene,
die die Scheimpflug-Bedingung erfüllen;
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2 ist eine schematische
Zeichnung einer elektronischen Kamera gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, mit mikroprozessorgetriebenen Fokus- und Detektorneigungsbetätigungsvorrichtungen
zum Erreichen der Scheimpflug-Bedingung;
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3 ist eine schematische
Ansicht eines Schreibtischbilderzeugungsgeräts, das die elektronische Kamera
von 2 verwendet, um
ein A4 großes
Blatt Papier auf einem Schreibtisch abzubilden;
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4 ist eine schematische
Zeichnung, die zwei Linsen mit einer Objektebene, einer Zwischenbildebene
und einer Endbildebene zeigt, die eine doppelte Scheimpflug-Bedingung
erfüllen;
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5 ist eine schematische
Zeichnung, die die gleichen Linsen von 4 zeigt, die eine weitere doppelte Schimpflug-Bedingung
erfüllen,
die mit einem zweiten Ausführungsbeispiel übereinstimmt,
bei dem die Trapezverzerrung von der Endbildebene entfernt ist;
und
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6 ist eine schematische
Zeichnung einer elektronischen Kamera gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die die doppelte Scheimpflug-Bedingung von 5 erreichen kann, bei der
Trapezverzerrung entfernt werden kann, während gleichzeitig der Fokus
einer geneigten Objektebene über
einen Detektor erreicht wird.
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1 zeigt schematisch die Scheimpflug-Bedingung,
bei der eine Linse 1 eine optische Achse 2 aufweist,
und ein planares Objekt 4 in einer Objektebene 6 ist,
die auf der Achse 2 liegt, in einem kleinen Winkel 8 geneigt.
Das Objekt 4 ist um einen Abstand S von Linse 2 getrennt,
der größer ist
als eine Brennweite f der Linse. Eine Linsenebene 10 senkrecht
zu der optischen Achse 2 schneidet die Objektebene 6 entlang
einer Linie, die durch Punkt 12 in der Zeichnung dargestellt
ist. Ein invertiertes planares Bild 14 des Objekts 4 wird
dann auf der optischen Achse 2 gebildet und liegt in einer
Bildebene 16, die durch einen Abstand S' von der Linse getrennt ist. Die Bildebene 16 schneidet
die Objektebene 6 und die senkrechte Ebene 10 entlang
der gleichen Linie an dem Punkt 12.
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In 1 ist m die Neigung der
Objektebene 6 und m' die
Neigung der Bildebene 16. Die normale laterale Vergrößerung dieses
Systems ist daher –S'/S. Wenn die Objektebene 6 und
Bildebene 16 die Scheimpflug-Bedingung erfüllen, müssen sich
die Objektebene und die Bildebene auf der Linsenebene 10 schneiden.
Falls der Abstand zwischen dem Schnittpunkt 12 und der
optischen Achse 2c ist, dann: M = –c/S und
m' = c/S', daher m' = –m·S/S'
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Für eine typische
laterale Vergrößerung von –1/15 ist,
m' = –15 m.
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Nachfolgend
wird auch auf 2 Bezug
genommen. Diese zeigt schematisch eine elektronische Kamera 20,
mit einem Körper 19,
in dem eine Linse 21 ein Objekt 24, das auf einer
Objektebene 26 in einem kleinen Winkel 28 auf
der optischen Achse 22 liegt, auf ein zweidimensionales
CCD-Detektorarray 34 abbildet,
das auf einer Bildebene 36 liegt. Das Detektorarray 34 ist
quadratisch, und obwohl dies nicht näher gezeigt ist, sind zwei
Betätigungsvorrichtungen 32, 33 befestigt,
um sich diametral zu entgegengesetzten Ecken des Detektors 34 zu
bewegen, der sich dann unter der Aktion der Betätigungsvorrichtungen um eine
Zwischenkante schwenkt, so daß die Betätigungsvorrichtungen
zwei unabhängige
orthogonale Freiheitsgrade zum Neigen des Detektors 34 bezüglich der
Linse 21 liefern.
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Wenn
die Objektebene 26 20° von
der Vertikalen entfernt ist, dann ist die Neigung derselben –tan (70)
= –2,74.
Mit einer lateralen Vergrößerung von –1/15 ist
die Neigung der Bildebene 36 41,21, was nur 1,39° von der
Vertikalen entfernt ist. Für
einen typischen CCD-Sensor, der auf einer Seite 10 mm um seine Mitte
gedreht ist, stellt dies eine Verschiebung von nur 5·sin (1,39)
= 0,12 mm an einer Ecke des Detektors 34 dar.
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Dies
ist eine relativ kleine Verschiebung, die durch entsprechend kompakte
Betätigungsvorrichtungen 32, 33 geliefert
werden kann. Die Erfindung profitiert somit von der Tatsache, daß elektronische Detektoren
klein sind, sicherlich im Vergleich zu photographischem Großformatfilm.
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Der
Detektor 34 liefert ein Ausgangssignal 37 an einen
Mikroprozessor 38 für
das Bild, das durch den Detektor erfaßt wird. Der Mikroprozessor 38 hat
außerdem
Ausgangsleitungen 40, 41, 42, die verwendet
werden, um die Detektorbetätigungsvorrichtungen 32, 33 und
eine Linsenfokusbetätigungsvorrichtung 44 anzutreiben.
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Im
allgemeinen kann ein Speicher 46 mit dem Mikroprozessor 38 verbunden
sein, und die Kamera 20 weist einen ausreichend niedrigen
mittleren Leistungsverbrauch auf, so daß dieselbe von einer entfernbaren
oder nachladbaren Batterie 48 batteriebetrieben werden
kann. Digitale Eingangs-/Ausgangsleitungen 50, 51 ermöglichen
es, daß die
Kamera mit einem Personalcomputer (nicht gezeigt) eine Schnittstelle
bildet.
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Fokussieren
kann mit der Hilfe des Mikroprozessors 38 erfaßt werden.
Die Betätigungsvorrichtungen 32, 33 können durch
eine Ableitung von einem der bekannten automatischen Fokussierverfahren
gesteuert werden, vorzugsweise entweder die bildstatistische oder
Frequenzbereichstechnik. Es gibt verschiedene Fokussieranordnungen,
die geeignet sind. Beispielsweise erreicht ein bestehendes Verfahren
den schärfsten
Fokus durch Einstellen, um die Varianz der Pixel zu maximieren,
die von dem Detektor 34 gelesen werden. Optional ist es
durch Bereitstellen von drei Betätigungsvorrichtungen
hinter der CCD-Anordnung, eine in der Mitte zusätzlich zu den beiden 32, 33 auf
benachbarten Kanten oder gegenüberliegenden
Ecken, möglich,
eine volle Steuerung der Position der Bildebene zu liefern, so daß zumindest
ein Teil der Gesamtfokusfähigkeit
durch den Detektor 34 geliefert werden kann. Die Bildvarianz kann
getrennt in zwei oder drei Regionen gemessen werden, abhängig von
der Anzahl von Freiheitsgraden der Detektorbewegung, wobei die Position
der mittleren Betätigungsvorrichtung
durch den Fokus der mittleren Region geregelt wird, und die beiden Seiten
durch entsprechende Regionen entlang den beiden Kanten. Das Aufnehmen
jeder dieser Korrekturen in ein geschlossenes Schleifensteuerungssystem,
das die Mikroprozessoren 38 umfaßt, führt zu einem Scheimpflug-Bedingung-Autofokus.
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3 zeigt, wie die elektronische
Kamera 20 verwendet werden kann, um ein Bild eines Stücks eines
A4 großen
Papiers 54 aufzunehmen, das auf der Oberfläche 56 eines
Schreibtisches 58 liegt. Die Kamera 20 ist auf
einem Ständer 60 befestigt,
der an einer Kante 64 des Schreibtisches 58 geklammert
ist 62. Eine Befestigung 66, die um eine horizontale
und vertikale Achse schwenkbar ist, verbindet den Ständer 60 mit
der Kamera 20, so daß die
Kamera manuell zu jedem Teil der Schreibtischoberfläche 56 gerichtet
werden kann. Weil die Kamera 20 an der Kante des Schreibtisches 58 ist,
ist der Rest der Schreibtischoberfläche 56 frei als Arbeitsoberfläche oder
für die
Plazierung anderer Büroausrüstung, wie
zum Beispiel eines Druckers oder eines Personalcomputers.
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Nachfolgend
wird auf 4 Bezug genommen,
und auf ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das in 5 und 6 dargestellt ist.
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Wenn
die Objekt- und die Bildebene für
eine einzelne Linse die Scheimpflug-Bedingungen erfüllen, ist
das Bild, wie es bekannt ist, scharf fokussiert. Das Bild ist jedoch
aufgrund des schiefen Betrachtungswinkels des Objekts verzerrt.
Um diese Trapezverzerrung zu entfernen, wird der oben beschriebenen
Anordnung eine zweite Linse 71 hinzugefügt. Anfangs ist die optische
Achse 2 der Objektivlinse 1 koaxial mit der optischen
Achse 202 der zweiten Linse 71. Dies macht die
oben beschriebene Bildebene 16 und das Bild 14 zu
einer Zwischenbildebene 116 bzw. einem Zwischenbild 114.
Der Detektor 214 kann dann in eine Endbildebene 216 plaziert
werden. Erneut kann der Detektor 216 bewegt werden, um
die Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen,
wie es in 4 gezeigt
ist.
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Das
Bild auf dem Detektor 216 wird nach wie vor eine Trapezverzerrung
aufweisen, aber 5 zeigt,
wie diese Verzerrung eliminiert werden kann durch Drehen der zweiten
Linse 71 und des Detektors 216 um eine Achse in
rechten Winkeln zu und durch die Objektivlinsenachse und durch die
Zwischenbildebene 114.
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Die
folgende Beschreibung erklärt
mathematisch, wie dies erreicht werden kann.
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Definition der Begriffe
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- f1: Brennweite der Objektivlinse 1
- f2: Brennweite der zweiten Linse 71
- S1: Objektabstand von der Objektivlinse 1
- M1: Vergrößerung der
Linse 1: M1 = fl/(f1 + S1)
- S2: Abstand des Bildes, das durch die Linse 1 gebildet
wird, von der Linse 71
- M2: Vergrößerung der
Linse 71: M2 = f2/(f2 + S2)
- K: Neigungswinkel des Objekts bezüglich der optischen Achse der
Linse 1
- P: Winkel zwischen den optischen Achsen 2, 202 der Linsen
- Q: Neigung des Detektors 214 bezüglich der optischen Achse 2, 202
- R: Neigungswinkel des Zwischenbildes 114 R = ArcTan {–M1·Tan(K)} (1)
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Fokus
und Null-Trapezverzerrung wird erreicht, wenn: ArcCos{f2·Cos[R]/(f1·M1·M2)} +
R – 180 (2)
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Das
Drehen der Achse um den Winkel, der durch die obige Gleichung (2)
gegeben ist, und dann Drehen des Sensors zum Erfüllen der Scheimpflug-Bedingungen
ergibt ein Bild, das keine Trapezverzerrung aufweist und scharf
fokussiert ist.
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Man
betrachte beispielsweise ein Objekt mit:
S1 = 400 mm von der
Linse 1 und geneigt bei 70° (K)
f1 = f2 = 12,12 mm
M1
= –1/32
M2
= –2
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Die
obige Formel (1) ergibt R = 90,65°,
und daher ist von der Formel (2) P = 11,14°.
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Ein
Verfahren zum Erreichen der doppelten Scheimpflug-Fokusbedingung ohne
Trapezverzerrung ist wie folgt.
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Zunächst werden
die optischen Achsen 2, 202 der beiden einzelnen
Scheimpflugstufen ausgerichtet, wie in 4. Dann wird der Detektor auf gleiche
Weise bewegt wie für
eine einzelne Scheimpflug-Stufe, um das Objekt scharf zu fokussieren.
Unter der Annahme, daß die
Ausrichtung der zweiten Linse und des Detektors gemessen oder bestimmt
werden kann, ergibt dies dann den Abstand S2', und die Neigung des Detektors 214 bezüglich der
optischen Achse 2, 202. Da die Brennweite der zweiten
Linse 71 bekannt ist, kann die Linsengleichung verwendet
werden, um S2 = S2'·f2/(f2 – S2') zu berechnen.
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Von
der Linsengleichung ist M2 = f2/(f2 + S2).
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Unter
Verwendung der Vergrößerungen kann
man zurückrechnen
von der Neigung des Sensors zum Herausfinden der Neigung des Zwischenbildes
unter Verwendung des Inversen der einzelnen Stufenscheimpflugformel
(1), um folgendes zu erhalten: R = ArcTan{(–1/M2)
Tan (Q)} (3)
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Diese
Daten werden in die Formel (2) eingesetzt, um die richtige Ausrichtung
für die
zweite Stufe bezüglich
der ersten zu finden. Alle diese Berechnungsschritte können selbstverständlich durch
einen Mikroprozessor durchgeführt
werden, der auch die Bewegung der Betätigungsvorrichtungen steuert.
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6 zeigt schematisch, wie
bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine doppelte Scheimpflug-Elektronikkamera 80 funktionieren kann.
Merkmale, die mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, das in 2 dargestellt ist, übereinstimmen,
weisen der Zweckmäßigkeit
die gleichen Bezugszeichen auf. Das zweite Ausführungsbeispiel 80 unterscheidet
sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
hauptsächlich
durch die Bereitstellung einer zweiten Linse 91, die in
dem Kamerakörper 19 auf
Schwenkvorrichtungen 81, 83 befestigt ist, die
eine einzelne Drehachse der zweiten Linse 91 definieren.
Die zweite Linse 91 wird in einer Röhre 84 gehalten, die
auch den Detektor 34 hält,
so daß sowohl
die zweite Linse 91 als auch der Detektor 34 sich
einheitlich drehen. Die Anordnung ermöglicht es, daß eine Trapezverzerrung
in einer Richtung aufgehoben wird. Falls eine Trapezverzerrung in
unterschiedlichen Richtungen benötigt
wird, könnte
eine Zweiachsenkardanbefestigung die einfachen Schwenkvorrichtungen 81, 83 ersetzen.
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Die
Mikroprozessor- und -Betätigungsvorrichtigungsanordnung
von 6 unterscheidet
sich von derjenigen für
das erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung in 2,
da der Mikroprozessor den Grad der Verschiebung der Objektivlinse 21 die
Winkelorientierung der Röhre 84 und
die Neigung des Detektors 84 verfolgt.
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Die
praktische Anordnung in der Röhre 84 kann
als eine Einzellinsenplanarscheimpflugfokuseinheit gesehen werden,
wie sie vorher beschrieben wurde, die aus Linse und beweglichen
Detektor 34 besteht. Diese Einheit 84 kann um
einen Punkt gedreht werden, der dem Zwischenbild zwischen den Linsen 21, 91 entspricht.
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Die
Erfindung wurde hierin als anwendbar auf Überkopfabtasten von Dokumenten
beschrieben. Es gibt jedoch keinen Grund, weshalb diese Erfindung
nicht auch auf Handkameras angewendet werden sollte. Die Erfindung
ist auch nicht auf das Aufnehmen von Bildern auf perfekt flachen
Ebenen be schränkt.
In jedem Fall, wo eine dominante Ebene vorliegt, könnte die
Erfindung Vorteile für
den Benutzer liefern. Beispielsweise erfordern viele Landschaften
eine große
Tiefenschärfe,
aber insbesondere der Vordergrund kann relativ flach sein. Somit
ist die Hauptebene grob horizontal. Gleichartig dazu können Bilder
von Gebäuden
eine vertikale Hauptebene aufweisen. Indem mehr als die minimalen
drei Fokusmessungen durchgeführt
werden, wäre
es möglich, automatisch
zu bestimmen, ob es eine geeignete Objektebene gibt, und falls dies
der Fall ist, auf dieselbe zu fokussieren, und falls nicht, gemäß einer
Vorgabeprozedur zu fokussieren. Wie es oben erwähnt wurde, sind professionelle
Photographen, die aufwendige Ausrüstung verwenden, in der Lage,
diese Möglichkeiten
heute mit stativbefestigten Großformatkameras
und durch die Ausübung
ihrer Fähigkeiten auszunutzen.
Auch ohne dieses Element der Fähigkeiten
kann es die Erfindung jedem Photograph, der eine Digitalkamera verwendet,
ermöglichen,
das gleiche zu tun.