LU102087B1 - Abbildungssystem, insbesondere für eine Kamera - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem (1), insbesondere für eine Kamera, mit mehreren, in Richtung einer optischen Achse (2) aufeinanderfolgend angeordneten Abbildungseinrichtung (3 bis 5), die eine erste Abbildungseinrichtung (3) zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes von einem Objekt in einer Zwischenbildebene (6), eine zweite Abbildungseinrichtung (4) zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Spiegelbildes von dem reellen Zwischenbild, das in der Zwischenbildebene (6) versetzt zu dem reellen Zwischenbild angeordnet ist, und eine dritte Abbildungseinrichtung (5) zur gemeinsamen Abbildung des reellen Zwischenbildes und des virtuellen Spiegelbildes als reelles Bild auf einer in axialem Abstand zu der Zwischenbildebene (6) anzuordnenden Bildempfängerfläche (7) umfassen. Erfindungsgemäß ist der Abbildungsmaßstab für die Abbildung durch die dritte Abbildungseinrichtung (5), vorzugsweise unter gleichbleibender Fokussierung der dritten Abbildungseinrichtung (5) auf die Zwischenbildebene (6), verstellbar.

Description

-]- = LU102087 "PATENTANWALTE BERNHARDT | WOLFF

Beschreibung:

K| Lens GmbH, 66111 Saarbrücken (Deutschland)

Abbildungssystem, insbesondere für eine Kamera

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem, insbesondere für eine Kamera, mit mehreren, in Richtung einer optischen Achse aufeinanderfolgend angeordneten

Abbildungseinrichtungen, die eine erste Abbildungseinrichtung zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes von einem Objekt in einer Zwischenbildebene, eine zweite

Abbildungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Spiegelbildes von dem reellen Zwischenbild, das in der Zwischenbildebene versetzt zu dem reellen

Iwischenbild angeordnet ist, und eine dritte Abbildungseinrichtung zur gemeinsamen

Abbildung des reellen Zwischenbildes und des virtuellen Spiegelbildes als reelles Bild auf einer in axialem Abstand zu der Zwischenbildebene anzuordnenden Gesamtbild- empfangerfldche umfassen.

Ein Abbildungssystem solcher Art geht aus der WO 2014/124982 Al hervor. In

Verbindung mit einer digitale Bilddaten erzeugenden Kamera erlaubt ein solches

Abbildungssystem die Erzeugung von Bilddatensätzen, die neben zweidimensionaler

Bildinformation auch die Tiefe von Bildpunkten im Objektraum betreffende

Information beinhalten. Bei der elektronischen Bildwiedergabe mittels solcher Daten- sätze lässt sich die zusätzliche Tiefeninformation zum Beispiel dazu nutzen, das Bild für verschiedene Objektfeldtiefen scharf zu stellen.

Bei der gemeinsamen Abbildung des reellen Zwischenbildes mit virtuellen Spiegel- bildern wird für die Teilbilder jeweils nur ein Abschnitt der die Bildempféangerfl&che bildenden Sensorfläche eines Kamerasensors genutzt. Entsprechend gering ist die

Zahl der je Teilbild genutzten Pixel.

: -2- LU102087 . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Abbildungssystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sich eine durch einen Kamerasensor gebildete Bildempfängerflâche weitergehend nutzen lässt.

Das diese Aufgabe lôsende Abbildungssystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsmaßstab für die Abbildung durch die dritte

Abbildungseinrichtung verstellbar ist.

Vorteilhaft kann die Abbildung des reellen, zentral auf der optischen Achse gelegenen Zwischenbildes durch die dritte Abbildungseinrichtung derart vergrößert werden, dass sie die gesamte Bildempfängerfläche ausfüllt. Insbesondere kann für diese Abbildung der Bildsensor einer digitalen Kamera voll genutzt werden. Vorteil- haft können Motivsuche und Scharfeinstellung bei größtmöglicher Bildauflösung erfolgen. Zur Erzeugung eines Bildpunkttiefeninformation beinhaltenden Bildpunkt- datensatzes kann das reelle Zwischenbild mit größtmöglicher Auflösung vor oder nach Verstellung des Abbildungsmaßstabs gesondert aufgenommen werden.

In einer Ausführungsform sind in einer ersten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs auf der Bildempfängerfläche unter Ausnutzung der gesamten Bildempfängerfläche das reelle Zwischenbild und mindestens acht virtuelle Spiegelbilder vollständig abbildbar.

In einer zweiten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs ist unter Nutzung der gesamten Bildempfängerfläche allein das reelle Zwischenbild abbildbar.

Der Abbildungsmaßstab kann ferner derart eingestellt sein, dass das durch die dritte

Abbildungseinrichtung erzeugte Gesamtbild nur in einen Teilbereich der Bild- empfängerfläche fällt. Insbesondere kann der Abbildungsmaßstab eingestellt sein, dass das erzeugte Gesamtbild auf der Bildempfängerfläche im Vergleich kleiner dargestellt wird. Dabei kann das Seitenverhältnis des Teilbereichs vom Seiten- verhältnis der Bildempfängerfläche, das durch die Geometrie der zweiten

Abbildungseinrichtung bestimmt ist, abweichen. Eine solche Abbildung auf nur einen

Teilbereich kann z.B. im Videoaufnahmemodus einer elektronischen Bildkamera erfolgen, in welchem nur ein Teilbereich mit dem Seitenverhältnis 16:9 anstelle der gesamten Empfängerfläche des Bildsensors mit dem Seitenverhältnis 3:2 ausgelesen wird. Es versteht sich, dass bei Darstellung des Gesamtbilds in dem Teilbereich mit

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; -3- LU102087 . dem Seitenverhältnis 16:9 ein Teil des horizontalen Bereichs ungenutzt bleiben könnte.

Es versteht sich, dass zur Verstellung des Abbildungsmaßstabs Linsen der dritten

Abbildungseinrichtung axial zueinander oder die dritte Abbildungseinrichtung in ihrer

Gesamtheit axial bewegbar sein kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungs- form ist eine oder sind mehrere Linsengruppen in Richtung der optischen Achse verschiebbar.

Eine Linse oder Linsengruppe kann von Hand durch Drehung eines die Linse fassenden Gehduseteils verschiebbar sein, das die Linse entlang einer mit der optischen Achse zusammenfallenden Gewindeachse verschiebt. Für eine

Verschiebung käme auch ein Gleitlager in Betracht.

Die Einrichtungen zur Verstellung umfassen vorzugsweise einen die Linse oder Linsen- gruppe transportierenden Schlitten. Zweckmäßig lässt sich der Schlitten in Einstell- positionen verrasten.

Der Schlitten kann manuell oder durch Motorkraft, insbesondere gegen eine rück- stellende Feder, axial verschiebbar sein. Vorteilhaft kann die Feder für eine schnelle

Verstellung des Abbildungsmaßstabes sorgen, so dass Bildaufnahmen in unterschied- lichen Einstellpositionen des Abbildungsmaßstabs innerhalb eines kurzen Zeitraums, in dem Bewegungen des Objekts oder/und der Kamera vernachlässigbar sind, erfolgen können.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Abbildungssystem für eine digitale Kamera, und

Fig. 2 bis4 das Abbildungssystem von Figur 1 in verschiedenen Einstellpositionen einer Linsengruppe.

Ein in den Figuren 1 bis 4 jeweils schematisch dargestelltes Abbildungssystem 1 umfasst in Richtung einer optischen Achse 2 aufeinanderfolgend angeordnete

Abbildungseinrichtungen 3 bis 5. * TOC —_——— A

. -4- LU102087

Die als Hauptobjektiv zu bezeichnende Abbildungseinrichtung 3 ist dem Objektraum zugewandt und weist mehrere zu der optischen Achse koaxial und zueinander im

Abstand angeordnete Linsen auf. Durch die Linsengesamtheit werden fernliegende oder in einer bestimmten Objektraumtiefe liegende Objektpunkte in einer zu der optischen Achse 2 senkrechten Zwischenbildebene 6 scharf abgebildet.

Die Abbildungseinrichtung 4 umfasst in dem Beispiel ein Rohr, dessen Innenquer- schnitt rechteckig und in Richtung der Rohrachse konstant ist und dessen Rohrachse mit der optischen Achse 2 zusammenfällt. Die bei konstantem Innenquerschnitt rechteckigen Innenflächen des Rohres sind verspiegelt.

Die Abbildungseinrichtung 4 erzeugt in der zur optischen Achse senkrechten

Zwischenbildebene 6 durch Ein- und Mehrfachreflexion an den Spiegelflächen von dem durch die Abbildungseinrichtung 3 erzeugten reellen Zwischenbild zu dem reellen Zwischenbild versetzt gleich große virtuelle Spiegelbilder.

Das Rohr könnte alternativ mit verspiegelten Grenzflächen aus durchsichtigem

Material, insbesondere als Glaskörper ausgebildet sein.

Die Zwischenebene 6 fällt mir der Eingangsebene der Abbildungseinrichtung 4 zusammen. Das reelle Zwischenbild von dem Objekt, erzeugt von der Abbildungs- einrichtung 3, füllt den Querschnitt des verspiegelten Rohres etwa vollständig aus.

Die Abbildungseinrichtung 5 kann das in der Zwischenbildebene erzeugte Gesamt- bild jeweils ausschnittsweise auf einer Bldempfängerfläche 7 abbilden, wobei die

Empfängerfläche 7 z.B. in einer Kamera angeordnet und durch einen elektrische

Bildpunktsignale erzeugenden Sensor gebildet ist.

Figur 1b zeigt eine die Bldempfängerfläche 7 vollständig ausfüllende Gesamt- abbildung, die eine Abbildung 8 des reellen Zwischenbildes und Abbildungen 9 bis 16 durch die Abbildungseinrichtung 4 nach einmaliger oder zweimaliger Reflexion erzeugter virtueller Spiegelbilder von dem reellen Zwischenbild umfasst. Die

Abbildung 8 unterscheidet sich von dem reellen Zwischenbild dadurch, dass sie nur durch solche von dem reellen Zwischenbild ausgehende Lichtstrahlen gebildet ist, welche die zweite Abbildungseinrichtung 5 unreflektiert verlassen, also zur optischen

Achse annähernd parallele Lichtstrahlen. in den Lichtpunkten der Abbildung 8 sind jeweils nur die Lichtstrahlen entsprechender Teilbündel der Lichtpunkte des reellen

Zwischenbildes zusammengeführt, wobei diese Lichtpunkte in Bezug auf die

EEE

: -5- LU102087 . Abbildung 8 Objektpunkte darstellen. Während die Abbildung 8 also durch Licht- strahlen gebildet ist, die im kleinen Winkel zur optischen Achse stehen, sind die

Abbildungen 9 bis 16 durch einmal reflektierte Lichtstrahlen erzeugt, welche in entsprechend größerem Winkel zur optischen Achse stehen, wobei die Abbildungen 10,13,14 und 16 jeweils zwei einander überlagerte Abbildungen betreffen.

Es versteht sich, dass die Abbildungseinrichtungen 3 bis 5 als miteinander verbind- bare Teilstücke eines Gesamtobjektivs ausgebildet sein können. Gegebenenfalls sind sie in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Es versteht sich ferner, dass die

Zwischenbildebene 6 und die Bildempfängerfläche 7, z.B. einer Kamera, zueinander in einem auf die Konstruktion der Abbildungseinrichtung abgestimmten festen oder verstellbaren Abstand angeordnet sein können.

Bei Verwendung des vorangehend beschriebenen Abbildungssystems 1 in einer digitale Bilddatensätze erzeugenden Kamera können die auf die Bildempfänger- fläche 7 projizierten Spiegelbilder zusätzliche, die räumliche Tiefe der Bildpunkte einer

Aufnahme betreffende Information liefern, wie dies in WO 2014/124982 A1 beschrieben ist.

Diese Möglichkeit zur Gewinnung von Tiefeninformation beruht letztlich darauf, dass durch die etwas unterschiedlichen Perspektiven der Abbildungen 8 bis 16 die Objekt- punkte eine Parallaxe zueinander aufweisen. Der Abstand der zu den Objektpunkten gehörenden Bildpunkte relativ zueinander ist daher in der Bildebene etwas unter- schiedlich. Dieser als Disparität bezeichnete Unterschied lässt sich bestimmen und erlaubt eine Berechnung der Tiefe (Abstand von der Bildempfängerfläche 7).

Die Abbildungseinrichtung 5, die ein weiteres Objektiv mit mehreren Linsen bildet, kann durch axiale Verschiebung einer Linsengruppe 17 gemäß Pfeilen 18 und 19 ihre bildseitige Brennweite und damit den Abbildungsmaßstab so verändern, dass unter- schiedlich große Abschnitte des in der Zwischenbildebene 6 erzeugten Gesamtbildes auf die Bldempfängerfläche 7 projiziert werden.

In einer in Figur 2a gezeigten Position der Linsengruppe 17 ist der das reelle Zwischen- bild betreffende Abschnitt des Gesamtbilds in der Zwischenbildebene 6 so vergrößert, dass die Abbildungseinrichtung 5 auf der Bildempfängerfläche 7 eine

Abbildung 8‘ erzeugt, die die gesamte Empfängerfläche 7 einnimmt.

Es versteht sich, dass zur Verstellung des Abbildungsmaßstabs nicht nur die

Verstellung einer einzigen Linsenbaugruppe der dritten Abbildungseinrichtung in

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- -8- LU102087 , Betracht kommt, sondern auch die Verschiebung mehrerer Linsengruppen, ggf. gegeneinander.

Alternativ zur mechanischen Verstellung einer oder mehrerer Linsen bzw. einer oder mehrerer Linsengruppen kommt auch der Einsatz von Flüssigkeitslinsen in Betracht, deren Abbildungseigenschaften durch Anlegen einer Spannung veränderbar ist. Die elektrische Ansteuerung kann mechanische Verstelleinrichtungen ersetzen oder ergänzend zu mechanischer Verstellung eingesetzt werden. Vorteil einer elektrischen

Verstellung von Flüssigkeitslinsen ist eine sehr hohe Änderungsgeschwindigkeit von

Linsenparametern verbunden gegenüber mechanischer Verstellung verringerten, die

Abbildung beeinträchtigenden Erschütterungen.

Durch die Verstellbarkeit des AbbildungsmaBstabs bei der Abbildung durch

Abbildungseinrichtung 5 können im Zuge zweier Belichtungen der Bildempfänger- fläche 7 Tiefeninformation beinhaltende Bildpunktdatensätze erzeugt werden, wobei bei einer der beiden Belichtungen das reelle Zwischenbild zusammen mit den durch

Spiegelung von dem reellen Zwischenbild erzeugten virtuellen Spiegelbildern und bei der anderen Belichtung nur das reelle Zwischenbild vergrößert unter Ausnutzung der gesamten Bildempfängerfläche 7 auf dieser abgebildet wird. Indem im letzteren Fall die Bildempfängerfläche 7 für die Abbildung des reellen Zwischenbildes vollständig ausgenutzt wird, ergibt sich die größtmögliche Bildauflösung durch einen die

Empfängerfläche bildenden Bildsensor.

Es versteht sich, dass die Belichtungen zweckmäßig in zueinander kurzem Zeitabstand erfolgen, in welchem sich keine Änderungen in dem durch das Abbildungssystem 1 erfassten Objektraum ergeben. Entsprechend kann ein Kamerabenutzer die Bild- suche und Scharfeinstellung bei größtmöglicher Auflösung vornehmen, wobei die

Abbildungseinrichtung 5 so eingerichtet ist, dass die Fokussierung auf das reelle

Zwischenbild bei der Verstellung erhalten bleibt. Gegebenenfalls erfolgt hierzu eine

Änderung des axialen Abstands zwischen der Zwischenbildebene 6 und der Bild- empfängerfläche 7.

Die Verstellung der Brennweite bzw. des Abbildungsmaßstabs der Abbildung durch die Abbildungseinrichtung 5 kann manuell oder/und elektromechanisch erfolgen.

Eine manuelle Verstellung lässt sich z.B. durch einen von außen um die optische

Achse drehbaren Gehäusering mit einem Gewinde realisieren. Insbesondere ein elektromechanischer Antrieb umfasst zweckmäßig einen die Linsengruppe 17

U

- -7- LU102087 . transportierenden, ggf. durch eine Feder und einen Elektromotor bewegbaren

Schlitten. Durch die Feder, die bei Einstellung der Brennweite durch den Motor gespannt werden, lässt sich bei Auslösung einer Aufnahme durch Knopfdruck die

Linsengruppe 17 sehr schnell aus der Stellung gemäß Figur 2 in die Stellung gemäß

Figur 1 verschieben, so dass Aufnahmen des reellen Zwischenbildes allein und des die virtuellen Spiegelbilder umfassenden Gesamtbildes mit geringer Zeitverzögerung belichtet werden können. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Verstellen der Linsengruppe 17 durch rein translatorische Bewegung eines äußeren Gehäuse- teils parallel zur optischen Achse.

Verkürzt man weiter die Brennweite der Abbildungseinrichtung 5, so werden gemäß

Figur 3b weitere durch Mehrfachreflexionen erzeugte virtuelle Spiegelbilder auf der

Bildempfängerfläche 7 abgebildet.

Wie Figur 4 zeigt, kann in einer Kamera mit Videomodus, in weichem der die Bild- empfängerfläche 7 bildende Bildsensor nur in einem Seitenverhältnis von 16:9 ausgelesen wird, das auf der Bildempfängerfläche 7 gemäß Figur 1b abgebildete

Gesamtbild so verkleinert sein, dass es in den ausgelesenen Bereich fällt. Somit sind die Bildpunkttiefeninformationen liefernden Spiegelbilder jeweils vollständig erfasst.

Die Abbildungseinrichtung 5 mit verstellbarer Brennweite kann auch so ausgebildet sein, dass das Abbildungssystem 1 in Kameras mit kleineren Bildempfängerflächen 7 bildenden Sensoren genutzt werden kann.

TTS

Claims (13)

- -8- LU102087 . Patentansprüche:

1. Abbildungssystem (1), insbesondere für eine Kamera, mit mehreren, in Richtung einer optischen Achse (2) aufeinanderfolgend angeordneten Abbildungseinrichtungen (3 bis 5), die eine erste Abbildungseinrichtung (3) zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes von einem Objekt in einer Zwischen- bildebene, eine zweite Abbildungseinrichtung (4) zur Erzeugung mindestens eines virtuellen Spiegelbildes von dem reellen Zwischenbild, das in der Iwischenbildebene (6) versetzt zu dem reellen Zwischenbild angeordnet ist, und eine dritte Abbildungseinrichtung (5) zur gemeinsamen Abbildung des reellen Zwischenbildes und des virtuellen Spiegelbildes als reelles Bild auf einer in axialem Abstand zu der Zwischenbildebene (6) anzuordnenden Bild- empfängerflâäche (7) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der AbbildungsmaBstab für die Abbildung durch die dritte Abbildungs- einrichtung (5) verstellbar ist.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung des AbbildungsmaBstabs die Brennweite der dritten Abbildungseinrichtung (5) unter gleichbleibender Fokussierung der dritten Abbildungseinrichtung (5) auf die Zwischenbildebene (6) verstellbar ist.

3. Abbildungssystem nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bidempfängerflâäche (7) durch einen elektrische Bildpunktsignale er- zeugenden Bildsensor gebildet und insbesondere innerhalb des Gehäuses einer Kamera angeordnet ist.

4. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet. dass in einer ersten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs auf der Bild- empfängerfläche (7) gemeinsam mit dem reellen Zwischenbild mindestens acht virtuelle Spiegelbilder abgebildet sind und die gemeinsame Abbildung die Bildempfängerfläche (7) vorzugsweise bis zum Rand ausnutzt.

: -9- LU102087 . 5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs lediglich die Abbildung (8') des reellen Zwischenbildes, die durch in den Abbildungseinrichtungen (3 bis 5), vorzugsweise zumindest in der zweiten Abbildungseinrichtung (4), nicht reflektierte Lichtstrahlen gebildet ist, die Bildempfängerfläche (7) bis zum Rand ausnutzt.

6. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs das durch die dritte Abbildungseinrichtung erzeugte Gesamtbild (8*‘) nur in einen Teilbereich der Bildempfängerfläche (7), wobei der Teilbereich (20) insbesondere ein vom Seitenverhältnis der Bildempfängerfläche (7) abweichendes Seitenverhältnis aufweist, das bis zum Rand ausgenutzt wird, Insbesondere ein Seitenverhältnis von 16:9.

7. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung des Abbildungsmaßstabs eine Linsengruppe (17) der dritten Abbildungseinrichtung (5) oder mehrere Linsengruppen durch Hand- antrieb oder/und elektromechanischen Antrieb verstellbar ist/sind.

8. Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsengruppe {17) zur Verschiebung von Hand unter Schraub- bewegung axial verschiebbarer Gehäuseteile um die optische Achse drehbar ist.

9, Abbildungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung des AbbildungsmaBstabs ein eine Linse oder Linsengruppe (17) axial transportierender Schlitten vorgesehen ist, oder eine Linse in ihrer Form verstellbar ist.

10. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, foin Pr AN

- -10- LU102087 . dass der Schlitten von Hand oder/und elektromechanisch, insbesondere gegen eine rückstellende Feder, axial verschiebbar ist.

11. Abbildungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsengruppe (17) durch die Feder zwischen der ersten und zweiten Einstellposition des Abbildungsmaßstabs entsprechenden Stellungen axial ver- schiebbar ist, auslôsbar insbesondere durch einen mindestens eine Bild- aufnahme auslôsenden Knopfdruck.

12. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem eine elektrisch ansteuerbare Flüssigkeitslinse auf- weist.

13. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellung des Abbildungsmaßstabs automatisch nach Betätigung eines Kameraauslösers erfolgt. "7 A} "_—_—_m_m_—_ _ {IE