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 Zwischenbild 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 Gesamtbildempfängerfläche 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 Datensätze 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 Spiegelbildern wird für die Teilbilder jeweils nur ein Abschnitt der die Bildempfängerfläche bildenden Sensorfläche eines Kamerasensors genutzt. Entsprechend gering ist die Zahl der je Teilbild genutzten Pixel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Abbildungssystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sich eine durch einen Kamerasensor gebildete Bildempfängerfläche weitergehend nutzen lässt. Das diese Aufgabe lösende 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. Vorteilhaft können Motivsuche und Scharfeinstellung bei größtmöglicher Bildauflösung erfolgen. Zur Erzeugung eines Bildpunkttiefeninformation beinhaltenden Bildpunktdatensatzes 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 Bildempfängerfläche 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 Seitenverhältnis 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 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 Ausführungsform 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 Gehäuseteils 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 Linsengruppe transportierenden Schlitten. Zweckmäßig lässt sich der Schlitten in Einstellpositionen verrosten.

Der Schlitten kann manuell oder durch Motorkraft, insbesondere gegen eine rückstellende Feder, axial verschiebbar sein. Vorteilhaft kann die Feder für eine schnelle Verstellung des Abbildungsmaßstabes sorgen, so dass Bildaufnahmen in unterschiedlichen Einstellpositionen des Abbildungsmaßstabs innerhalb eines kurzen Zeitraums, in dem Bewegungen des Objekts oder/und der Kamera vernachlässigbar sind, erfolgen können.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Abbildungseinrichtung zumindest einen Spiegel, vorzugsweise mehrere Spiegel, und/oder zumindest ein Prisma, vorzugsweise mehrere Prismen, zur Erzeugung der Abbildungen auf der Empfängerfläche auf. Der bzw. die Spiegel und/oder das Prisma bzw. die Prismen sind in der zweiten Abbildungseinrichtung derart angeordnet, dass auf der Empfängerfläche mehrere Abbildungen des Objekts erzeugbar sind. Dazu sind im Prinzip diverse unterschiedliche Anordnungen von Spiegeln und/oder Prismen möglich. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die zweite Abbildungseinrichtung derart vorzusehen, dass mehrere Spiegel vorgesehen und derart angeordnet sind, dass die verschiedenen in einer Eintrittsöffnung eintreffenden Lichtstrahlen beim Durchgang durch die zweite Abbildungseinrichtung je nach Strahlengang ohne Reflexion durch die zweite Abbildungseinrichtung hindurchdringen oder an einer oder mehreren der Spiegelflächen, ggf. mehrfach, reflektiert werden, bevor sie die zweite Abbildungseinrichtung wieder verlassen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweite Abbildungseinrichtung ein Kaleidoskop. Ein solches Kaleidoskop umfasst zweckmäßigerweise zumindest ein Paar ebener Spiegelflächen, wobei die Spiegel- flächen einander zugewandt und im Abstand voneinander angeordnet sind. Zumindest ein Teil, vorzugsweise sämtliche, Strahlengänge verlaufen durch den Raum zwischen den Spiegelflächen. Vorzugsweise sind Spiegelflächen parallel zueinander angeordnet. Das Kaleidoskop kann zwei oder mehrere Spiegelpaare aufweisen. Aus den Spiegelpaaren kann ein Rohr gebildet sein, das im Querschnitt polygonal, vorzugsweise rechteckig, ist. Das Kaleidoskop könnte alternativ durch einen zylindrischen, im Querschnitt polygonalen Glasstab gebildet sein, der Seitenflächen und verspiegelte Stirnflächen zum Ein- und Austritt der Lichtstrahlen aufweist. Der Glasstab weist im Querschnitt vorzugsweise die Form eines gleichschenkligen Dreiecks, eines Rechtecks, insbesondere Quadrats, eines regelmäßigen Fünf-, Sechs-, Sieben- oder Achtecks auf.

Zweckmäßigerweise sind die Spiegel und/oder Prismen derart vorgesehen, dass die verschiedenen Abbildungen das Objekt von unterschiedlichen Blickwinkeln aus aufgenommen darstellen.

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 bis 4 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.

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 Innenquerschnitt 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 Abbildungseinrichtung 3, füllt den Querschnitt des verspiegelten Rohres etwa vollständig aus.

Die Abbildungseinrichtung 5 kann das in der Zwischenbildebene erzeugte Gesamtbild jeweils ausschnittsweise auf einer Bildempfängerfläche 7 abbilden, wobei die Empfängerfläche 7 z.B. in einer Kamera angeordnet und durch einen elektrische Bildpunktsignale erzeugenden Sensor gebildet ist.

Figur 1 b zeigt eine die Bildempfängerfläche 7 vollständig ausfüllende Gesamtabbildung, 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 Abbildung 8 Objektpunkte darstellen. Während die Abbildung 8 also durch Lichtstrahlen 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 verbindbare 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 Bildempfängerfläche 7 projizierten Spiegelbilder zusätzliche, die räumliche Tiefe der Bildpunkte einer Aufnahme betreffende Information liefern, wie dies in WO 2014/124982 Al beschrieben ist.

Diese Möglichkeit zur Gewinnung von Tiefeninformation beruht letztlich darauf, dass durch die etwas unterschiedlichen Perspektiven der Abbildungen 8 bis 16 die Objektpunkte eine Parallaxe zueinander aufweisen. Der Abstand der zu den Objektpunkten gehörenden Bildpunkte relativ zueinander ist daher in der Bildebene etwas unterschiedlich. 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 unterschiedlich große Abschnitte des in der Zwischenbildebene 6 erzeugten Gesamtbildes auf die Bildempfängerfläche 7 projiziert werden.

In einer in Figur 2a gezeigten Position der Linsengruppe 17 ist der das reelle Zwischenbild 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 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 Verstelleinrich- tungen ersetzen oder ergänzend zu mechanischer Verstellung eingesetzt werden. Vorteil einer elektrischen Verstellung von Flüssigkeitslinsen ist eine sehr hohe Ände- rungsgeschwindigkeit von Linsenparametern verbunden gegenüber mechanischer Verstellung verringerten, die Abbildung beeinträchtigenden Erschütterungen.

Durch die Verstellbarkeit des Abbildungsmaßstabs bei der Abbildung durch Abbildungseinrichtung 5 können im Zuge zweier Belichtungen der Bildempfängerfläche 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 Bildsuche 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 Bildempfängerfläche 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 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 Gehäuseteils 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 welchem der die Bildempfängerfläche 7 bildende Bildsensor nur in einem Seitenverhältnis von 16:9 ausgelesen wird, das auf der Bildempfängerfläche 7 gemäß Figur 1 b 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.