DE102016004673B4

DE102016004673B4 - Antriebssystem für eine frei drehbare Kamera

Info

Publication number: DE102016004673B4
Application number: DE102016004673.2A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: DE102016004673A1

Abstract

Antriebssystem für eine frei drehbare Kamera, die einen Bildsensor (1) und Optikbegleitelemente (2) aufweist und innerhalb eines Kameraträgergeräts vorgesehen ist, wobei das Antriebssystem mit der vorzugsweise kugelförmigen Kamera gekoppelt ist, und das Antriebssystem mindestens ein Antriebselement aufweist, welches ein Band in Form einer Spirale (5) ist, und das Band mit einem Ende mit der Kamera und mit dem anderen Ende mit dem Kameraträgergerät gekoppelt ist, und das Band aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei eine Schicht die Außenfläche und die andere die Innenfläche des Bandes bildet, wobei mindestens eine davon eine elektroaktive Polymerbeschichtung (40) ist, die sich unter Spannung ausdehnt und dadurch ein Drehmoment erzeugt, und die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) mit Stromleitungen gekoppelt ist, um diese mit Strom zu versorgen, und das mindestens eine Antriebselement eine Auswerteeinheit oder Steuerung aufweist, die die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) unter Spannung setzt und dadurch diese aktiv ausdehnt, dadurch gekennzeichnet, dass das Band aus Metall oder einer Legierung besteht, wobei auf einer Seite die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) angebracht ist, und das Metall oder die Legierung in der Spirale (5) elektrisch von der elektroaktiven Polymerbeschichtung (40) isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Bildsensor und seine Optikbegleitelemente (praktisch Bildaufnahmegeräte und Kameras aller Art) innerhalb eines Geräts, das mit einer Kamera ausgestattet ist. Das Antriebssystem ist in der Lage, den Bildsensor und seine Optikelemente (sein komplettes Linsensystem) in nahezu beliebige Richtungen gesteuert zu drehen und somit auch bewegliche Ziele zu erfassen, ohne dass es erforderlich ist, das ganze Gehäuse des Geräts, in dem die Kamera eingebaut ist, zu bewegen.
Das Antriebssystem findet Anwendung in allen Geräten, die einen Bildaufnahmesensor aufweisen, wie z.B. Digitalkameras aller Art (Videokameras, Kleinbildkameras, digitale Spiegelreflexkameras), Notebook, Smartwatch (eine Art Armbanduhr mit PC-ähnlichen oder Smartphone-Funktionen), Tablett-PC, sowie Webcams, Drohnenkameras, Fahrzeugkameras oder Überwachungskameras, Datenbrillen, Mobiltelefone, u. a. Smartphones, Endoskopiekameras, medizinischen Geräten aller Art, die eine Kamera aufweisen, etc.. Das Antriebssystem ist in der Lage, den Kamerasensor und dessen Optik in allen diesen Geräten gesteuert in beliebige Richtungen zu bewegen oder zu drehen. Es wird nicht das ganze Trägergerät der Kamera bewegt oder gedreht, sondern lediglich der Bildsensor mit seiner Optik innerhalb des Trägergeräts, fast wie ein menschliches Auge.
Insbesondere ist das System perfekt für kleine Geräte geeignet, die eine Kamera aufweisen, wie z.B. Mobiltelefone (Smartphones), Tablett-PCs, Notebooks, Netbooks, Datenbrillen, Smartwatches, unbemannte ferngesteuerte Drohnen, Roboter, Endoskope, etc.
Nahezu jeder Tablett-PC, Notebook oder Mobiltelefon, insbesondere Smartphone weist heutzutage eine eingebaute Kamera auf, meistens sogar zwei. Zwei Kameras sind manchmal notwendig, um mit einer die Umgebung zu fotografieren oder Videos zu machen und mit der anderen Kamera eine Videokonversation über Anbieter (z.B. Facebook, Skype, Tanga, Viber, X8, Cobra, Aquila, etc.) zu ermöglichen. Weil der Einbau einer Kamera aufwendig ist und auch weil die Teile nicht günstig sind, werden in der Regel eine schwächere, minderwertige Frontkamera und eine bessere Rückkamera eingebaut. Der Einbau von zwei Kameras bringt noch weitere Nachteile mit sich. Der Platz in einem Smartphone wird dabei ziemlich eng für weitere Erweiterungen oder technische Neuigkeiten. In der Regel benötigt der Akku den meisten Platz in einem Smartphone. Aber auch die Kameras und deren Steuerung sind nicht ganz zu vernachlässigen. Der Einbau einer schwächeren, minderwertigeren Frontkamera bringt weitere Nachteile mit sich. Die übertragene Videoqualität über Videochat-Programme ist über die Frontkamera ziemlich schlecht. Während die Rückkamera meistens gute Fotos oder Videos erstellen kann, ist die Frontkamera in der Regel minderwertig. Dadurch dass das Internet heutzutage immer schneller wird, liegt es im Interesse der Benutzer, Bilder oder Videos mit hoher Qualität zu übertragen. Da sich zudem viele Menschen selbst fotografieren (sog. Selfies), ist eine gute Bildqualität der Frontkamera wünschenswert. Für die Film-, Video- oder Bildaufnahmen wird bei einem Mobiltelefon ein Bildsensor verwendet, der auch die angepriesene Bildauflösung bestimmt. Bedingt durch die kleinen Abmessungen der optischen Linse sowie sehr kleinen Sensoren ist die Bildaufnahme besonders anfällig für Bildrauschen. Auch bei guten Lichtverhältnissen können - verglichen mit herkömmlichen Digitalkameras - nur mäßig gute Bilder erzeugt werden. Es ist auch klar, dass bei solch extrem kleinen Bildsensoren und auch kleinen Linsen nur wenig Licht aus dem Umfeld bzw. vom Bildmotiv ankommt und die fehlende Lichtinformation über elektrische Wege kompensiert wird. Hinzu kommt auch, dass die Sensor-Mikrobauteile in sehr engem Raum angeordnet sind, was zu Feldwechselwirkungen führt und bei den Datensignalen kein „sauberer Transport“ gewährleistet werden kann, was wiederum zum Bildrauschen führt. Erst mit verbesserter Organik-, Foto- und Sensortechnologie werden die Bilder besser.
Der Einbau von zwei Kameras in einem Smartphone erfordert nicht nur den Einbau von zwei Kamerasensoren beziehungsweise Bildsensoren, sondern auch die Optikbegleitelemente, die ein Bildaufnahmeoptiksystem benötigt, wie zum Beispiel optische Linsen, Bildkorrekturelemente, Bildstabilisatoren, sowie eine Steuerung. Auch die Software muss die beiden Kameras unabhängig steuern können, was auch die Bedienung eines Smartphones mehr oder weniger kompliziert macht.
Wird die Erfindung in einem Smartphone (Mobiltelefon mit PC-Eigenschaften) eingebaut, ersetzt sie praktisch komplett die zweite Kamera. Weil diese elektrisch drehbar ist, kann sie sowohl von der Rückseite als auch von der Vorderseite Bilder oder Videoaufnahmen machen. Insbesondere für kleine Geräte, wie z.B. Flugdrohnen, Datenbrillen, Tablett-PCs ist die Erfindung perfekt geeignet.
Es gibt zahlreiche Antriebssysteme, die geeignet sind, um eine Kamera zu bewegen. Meistens werden Elektromotoren (in der Regel Schrittmotoren) oft mit kleinen Getrieben eingesetzt, die die Kamera hin und her schwenken können. Allerdings sind die Elektromotoren und Getriebe mit einigen Nachteilen verbunden. Diese sind nicht unendlich klein, bringen dementsprechendes Gewicht mit sich, können für Störungen anfällig sein (z.B. Staub oder Feuchtigkeit), sind nicht absolut lautlos und auch nicht hinreichend schnell, wenn eine schnelle Schwenkung der Kamera erreicht werden soll.
Die Anmeldung GB 2 439 346 A beschreibt eine Aufhängung (Gimbal) für eine Kugel, die ohne mechanischen Kontakt, rein elektromagnetisch erfolgt. Dort wird eine Kugel in einem Elektromagnetenkäfig gehalten, die dann gedreht werden kann. In die Kugel kann eine Kamera eingebaut werden. Sowohl der drehbare Körper als auch die Statorhülle sind hier mit einer großen Anzahl von Elektromagnetspulen ausgestattet, die mit Strom versorgt werden müssen. Durch die Interaktivität zwischen den Feldern der Spulen wird eine Drehbewegung erzeugt. Der Kamerasensor und die Elektromagneten sind mit elektrischen Leitungen gekoppelt, die wiederum an den Stator gekoppelt sind, was zu Anfälligkeit bei der Bewegung der Kamera und der Elektromagneten führt. Diese Anordnung ist zu kompliziert und unwirtschaftlich für kleine Geräte, wie z.B. Mobiltelefone, Webcams, Fahrzeugkameras, oder Drohnenkameras. Um eine Kugel zu drehen, werden zahlreiche Methoden beschrieben.
Die Anmeldung JP H08 - 272 446 A beschreibt eine Vorrichtung, die zum Bewegen von Figuren auf einer Sphäre dient. Die Bewegung kann in beliebigen Richtungen innerhalb physikalischer Einschränkungen oder festgelegten Parametern stattfinden.
Die US 5 413 010 A beschreibt einen Elektromotor, der einen sphärischen Rotor aufweist.
Die US 5 280 225 A beschreibt eine Vorrichtung, die als ein Antriebssystem für einen sphärischen Körper konzipiert ist. Hier wird eine Sphäre im Prinzip eines Schrittmotors um mehrere Achsen gedreht. Diese Methode findet im Robotikbereich Anwendung.
Die US 3 178 600 A zeigt eine Struktur mit sphärisch angeordneten Spulen, wobei eine Rotation eines Körpers um eine Achse möglich ist.
Die US 3 260 475 A zeigt einen speziellen Elektromotor, dessen Rotor sphärisch gebaut ist und für Weltraumfahrzeuge konzipiert ist. Das dabei entstehende Drehmoment kann in verschiedene Richtungen wirken, somit ist auch das Fahren in verschiedene Richtungen ohne spezielle Lenkvorrichtungen oder Getriebe möglich.
Aus der US 2009 / 0 161 240 A1 ist eine Kugelkamera bekannt, die in einer Hohlsphäre drehbar angeordnet ist. Die Kugelkamera weist Permanentmagneten auf, die mit Elektromagneten der Hohlsphäre wechselwirken, um die Kugelkamera zu verschwenken.
Aus der GB 2 458 905 A ist eine Kamera bekannt, die kardanisch aufgehängt ist. Die Kamera wird dabei durch Piezoantriebe verschwenkt.
Aus der US 5 946 127 A ist eine Kamera bekannt, die ein Objekt automatisch verfolgen kann. Zu diesem Zweck ist die Kamera kugelförmig ausgebildet und in einer Hohlsphäre angeordnet. Die Kamera wird dabei mittels Motoren über Spindelgetriebe angetrieben.
Aus der US 6 734 914 B1 ist eine weitere Kugelkamera bekannt. Diese Kamera ist mittels Piezoantrieben verstellbar.
Aus der US 7 612 953 B2 ist eine gattungsgemäße Kamera bekannt, die mittels ionenleitenden Polymerfilmen verstellt wird. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an diesen Polymerfilmen erzeugen diese eine Biegung, die dann zum Verstellen der Kamera genutzt wird.
Aus der US 2012 / 0 038 815 A1 ist eine Verstellvorrichtung für eine Linse einer Kamera bekannt. Diese wird mittels polymerer Aktuatorelemente verstellt, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Biegung im Material erzeugen.
Aus der US 2003 / 0 117 044 A1 ist ein Aktuator für eine Membranpumpe bekannt. Dieser Aktuator nutzt eine Spirale, die mit einem elektroaktiven Polymer belegt ist, um durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Bewegung der Membran senkrecht zur Membranfläche zu erzeugen.
Auf dem Markt gibt es drehbare Webkameras für Laptops. Allerdings erfolgt die Drehung rein mechanisch durch direktes Anfassen der Webcamgehäuse mit der Hand.
Eine Art Webcam, die sich ebenso auf dem Markt befindet, kann sich elektrisch bewegen, ist allerdings über Elektromotoren und ein kleines Getriebe angetrieben. Die Bewegungsreaktionsgeschwindigkeit ist nicht besonders hoch.
Es werden Kamerasysteme für Smartphones beschrieben, auch solche die drehbar sind, allerdings sind fast alle mechanisch. Mehrere Smartphone-Hersteller haben Smartphones entworfen, die eine drehbare Kamera haben, die per Hand mechanisch gedreht wird und dadurch wahlweise Bilder von hinten oder Frontbilder machen kann. Solche Kameras wurden auch in einigen Laptops eingesetzt, wie z.B. ältere Baureihen von ASUS (Modell ASUS W5000). Die Kamera hier ist auf einem drehbaren Rahmen eingebaut und wird per Hand nach hinten oder vorne gedreht. Allerdings kann diese Kamera nur um eine Achse gedreht werden. Man könnte theoretisch auch eine in mehrere Richtungen drehbare Kamera konstruieren, die in einer Kardanaufhängung angebracht wäre. Eine elektrisch drehbare Kamera im herkömmlichen Sinne für Notebooks ist aber in dem Fall mit mehreren Problemen verbunden. Der herkömmliche Antrieb (meistens über Schrittmotoren und Getriebe) wäre zu groß, zu anfällig, würde die Ästhetik des Trägergeräts zunichte machen und auch die Verkabelung müsste so konzipiert werden, dass diese nicht abreißt, wenn die Kamera hin und her gedreht wird.
Bei den aufgelisteten Anmeldungen sind die dort beschriebenen Systeme ziemlich kompliziert, nicht ohne großen Aufwand in sehr kleinem Maßstab zu realisieren und auch relativ anfällig.
Es gibt ähnliche Prinzipien, die auch auf einem Mobil-Telefon, Laptop, Tablett-PC usw. theoretisch übertragbar sind.
Es gibt auch Methoden, einen Bildsensor in der Kamera geringfügig hin und her zu schwenken. Die optischen Elemente bleiben dabei statisch. Mit solchen Methoden werden Bildstabilisierungen vorgenommen, allerdings ist die Blickfeldänderung dabei nur sehr klein, so dass keine großen Effekte zu erwarten sind. Zudem sind dieser Methode physikalische Grenzen gesetzt. Je weiter sich der Bildsensor bewegt, desto verzerrter wird das Bild, weil der Sensor sich im Blickfeld bzw. Fokuspunkt der einfallenden Lichtstrahlen bewegt. Die optischen Elemente folgen der Sensorbewegung nicht mit. Ähnlich funktioniert eine Methode, wobei nur eine der Linsen (oder eine Gruppe der Linsen) hin und her schwenken kann. Auch hier treten Nachteile in Form von Bildverzerrung bei großen Schwenkamplituden auf. Hier wird der einfallende Lichtstrahl mehr oder weniger verzerrt, je nachdem, wie groß die Schwenkamplitude der Linse ist.
Die namhaften Hersteller (z.B. SONY, Panasonic, etc.) bauen elektromagnetisch bewegbare Linsen in Smartphonekameras oder in andere hochwertige Geräte. Die Linse ist dabei entlang der optischen Achse hin und her bewegbar. Auf diese Weise funktioniert die automatische Autofokuseinstellung bei hochwertigen Kameras.
Wie beschrieben, gibt es genügend elektrische Antriebe für Kameras (Überwachungskameras, IP-Webcams, etc.), aber es werden dort für den Antrieb hauptsächlich Elektromotoren und auch Getriebe eingesetzt. Die Antriebssysteme sind dort zu grob, zu langsam und es ist nahezu unmöglich oder sehr aufwendig, diese auf Reiskorngröße zu verkleinern.
Für ein besseres Verständnis wird hier jedes Gerät, das eine Kamera aufweist, Trägergerät genannt. Das kann z.B. eine Videokamera, Kleibildkamera, Spiegelreflex Kamera, Notebook, Smartwatch (Armbanduhr mit PC-Funktion und/oder eingebauten Mobiltelefoneigenschaften), Tablett-PC, Webcam, Drohne, Fahrzeug, Flugzeug, Rakete, Roboter, Überwachungskamera, Datenbrille, Mobiltelefon u. a. Smartphone, Extremsportkamera, TV-Studio-, Kinofilmkamera, SteadyCam, etc. sein.
Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Antriebssystem für Kameras der eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage ist, die Kamera innerhalb eines Trägergeräts flüssig und lautlos, mit einem Bewegungseffekt fast wie dem des menschlichen Auge, zu drehen.
Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.
Vorteile der Erfindung sind:
Die Kamera dreht sich innerhalb des Trägergeräts (also ist z.B. keine Schwenkung eines Smartphones notwendig, um ein Zielobjekt zu erfassen, das etwas links oder rechts liegt).
Die Kamera macht recht fließende, lautlose Bewegungen.
Die Erfindung trägt kaum zum Gewicht bei.
Sie ist gut für kleine Geräte, vorzugsweise Mobiltelefone (Smartphones), geeignet.
Sie enthält keine Verschleißteile und ist daher sehr langlebig.
Es ist eine rasche Änderung der Drehrichtung der Kamera möglich.
Sie kann optimal auch auf sich bewegenden, fliegenden Trägergeräten, wie Fahrzeuge, Hubschrauber, Raketen, Drohnen, Tablett-PCs eingesetzt werden.
Die Erfindung ist optimal für Videoüberwachungsgeräte, Film-, TV- und Studiozwecke.
Die Verfolgung eines beweglichen Objektes ist möglich.
Das System ist günstig in der Herstellung und die Vorrichtung ist einfach.
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für die Kamera oder vielmehr für den Bildsensor und seine optischen Begleitelemente, das in der Lage ist, ein zu fotografierendes Ziel zu verfolgen, eine Videoaufnahme von einem beweglichen Objekt oder einer Person zu machen, beziehungsweise eine automatische Rotation des Bildsensors und seiner Optikelemente zu erreichen, um Bilder oder Videoaufnahmen von hinten und/oder von vorne mit nur einem Bildsensor zu realisieren. Das bewegliche Kamerasystem ist extrem klein, so dass es auch in einem kleinen Kameraträgergerät, insbesondere in einem Mobiltelefon (Smartphone), Tablett-PC, Webcam, Armbanduhr etc. integrierbar ist. Es ist in der Lage, sich ähnlich wie das Auge eines Menschen oder sogar schneller zu bewegen und innerhalb vorhandener Parameter das Blickfeld dynamisch zu erfassen. Das Antriebssystem ist recht schnell, lautlos und kann innerhalb des Kameraträgergeräts die Kamera dynamisch und schnell bewegen, drehen oder auch rotieren, so dass Bildaufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln und auch von der Rückseite und der Vorderseite des Trägergeräts möglich sind.
Nebenbei kann die Erfindung so konzipiert werden, dass sie in der Lage ist, auch automatisch erkennen zu können, ob der Bildsensor und seine Optikelemente innerhalb des Trägergeräts nach vorne oder nach hinten gerichtet werden sollten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 19 erläutert.
Es zeigen:

1 eine Variante, wobei die Kugelkamera einfach an elektroaktiven Kunststoffspiralfedern befestigt ist,
2 eine Variante mit Bi-Polymerantriebselementen,
3 eine Variante mit mehreren elektroaktiven Kunststoffspiralfedern,
4 eine Variante mit elektroaktiven Kunststoffspiralfedern, die in einer Kardanaufhängung eingebaut sind,
5 eine vereinfachte Teilkardanaufhängung mit nur zwei Achsen,
6 eine Variante mit elektroaktiven Kunststoffelementen in Form von Bändern oder Streifen,
7 ein spezielles Plastikfenster, das aus einem elektroaktiven Kunststoff gebaut ist,
8 eine 3D-Kamera,
9 eine leicht herausfahrbare Kamera,
10 eine Variante, die mit einem Schallquellenerfassungssystem ausgestattet ist.
11 einen konkaven Bildsensor,
12 eine Variante, wobei das Stoppen der Kugelkamera in einer bestimmten Position über einen elektromagnetisch herausfahrbaren Stift erfolgt,
13 eine Variante, die in einem Smartphone eingebaut ist, wobei die Kugelkamera zusätzlich in der optischen Achse rotierbar ist,
14 ein Smartphone mit der am Rand eingebauten Kamera,
15 ein Smartphone, bei dem die Kugelkamera an der Ecke eingebaut ist,
16 eine Variante, wobei eine Metallspirale mit einem elektroaktiven Polymer beschichtet ist.
17 eine Variante, wobei nicht nur der Bildsensor, sondern auch eine Art Beleuchtung, die das Blickfeld des Sensors beleuchtet, bewegbar eingebaut ist,
18 die Anordnung der Halbleiterdioden im Stromkreis,
19 eine Variante, bei der die Spirale aus zwei elektroaktiven Polymerschichten besteht.

Elektroaktive Polymere (kurz mit „EAP“ bezeichnet) sind Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern können. Es wird im Allgemeinen zwischen ionischen EAPS und elektronischen EAPS unterschieden. Bei ionischen EAPS beruht der Wirkungsmechanismus auf Massentransport (Diffusion) von Ionen, wobei die Wirkungsweise elektronischer EAPS auf elektronischem Ladungstransport beruht. Vorteile von EAPS im Vergleich zu anderen Aktormaterialien, wie z. B. piezoelektrische Keramiken, sind die extrem hohen Dehnungen, die erreicht werden können sowie die geringe Dichte der Polymere und deren freie Formbarkeit.
Die erste wissenschaftliche Arbeit zu EAPS wurde 1880 von Wilhelm Conrad Röntgen veröffentlicht. Er führte ein Experiment mit einem Kautschukband durch, das er an einem Ende aufhängte und das freie Ende mit Gewichten ausdehnte. Nach einer elektrischen Aufladung stellte er eine Längenzunahme von mehreren Prozent fest. Sobald der Kautschuk elektrisch entladen wurde ging die Ausdehnung zurück.
Das gleiche Prinzip wird hier für die Bewegung der Kamera verwendet. Auch hier werden elektroaktive Polymere (Kunststoffe) in Form von Bändern oder Spiralfedern eingebaut und mit der Kamera gekoppelt, wobei diese gesteuert innerhalb des Trägergeräts gedreht werden.
Der Kamerasensor 1 und seine optischen Begleitelemente 2 sind vorzugsweise in einem kleinen kugelförmigen Gehäuse 3, im Folgenden Kugelkamera genannt, angebracht, das in einem Hohlsphärengehäuse 4, im Folgenden Hohlsphäre genannt, welches nur wenig größer als die Kugelkamera ist, angebracht ist. Die Kugelkamera kann einfach lose und frei drehbar in der Hohlsphäre platziert werden, wobei eine oder mehrere elektroaktive Kunststoffelemente 5 mit der Kugelkamera an einem Ende und mit der Hohlsphäre am anderen Ende verbunden sind (1). Die Kamera kann auch an einer einfachen Kardanaufhängung 8 angebracht werden, wobei in diesem Fall die Kugelkamera 3 nicht mehr (oder nur selten) die Hohlsphärenwand berührt. Die Hohlsphäre 4 ist bei einigen Varianten statisch angebracht, also unbeweglich, nur die Kamerakugel bewegt sich in ihr.
Speziell eine Kamera eines Tablett-PCs, I-PADs, I-Phones, Smartphones oder anderes Mobiltelefons, kann so eingebaut sein, dass sie in dem Gehäuse nach hinten oder nach vorne elektrisch drehbar ist und sowohl für Rückaufnahmen als auch für Frontaufnahmen geeignet ist. Auch in einem Mobiltelefon wird die Kamera vorzugsweise in Form einer Kugel gebaut und in einer Hohlsphäre platziert, ähnlich wie sich das menschliche Auge in seinem Hohlraum befindet, wobei die Hohlsphäre durchsichtig ist oder zumindest in einem Teil ein Fenster aufweist, durch das die Kugelkamera Licht von der Umgebung erhält. Die Kugelkamera ist komplett mit dem Bildsensor 1, Elektronikbauteilen und begleitenden Optikelementen 2 (z.B. Linsen, Mini-Prismas, etc.) ausgestattet. Die Kugelkamera 3 wird nicht wie herkömmlich durch Getriebe oder Elektromotoren gedreht, auch nicht manuell durch Berührung, sondern durch einen oder mehrere elektroaktive Kunststoffspiralfedern 5 oder elektroaktive Kunststoffstreifen 33 elektrisch gesteuert in gezielter Richtung gedreht oder geschwenkt.
Die Schwenkung, bzw. die Drehung kann in einer oder mehreren Achsen 7 erfolgen. Multiachsendrehungen können durch eine Kardanaufhängung 8 realisiert werden, falls die Kugelkamera 3 die Hohlsphärenwand nicht berühren soll (2).
Die einfachste Variante sieht vor, dass die Kugelkamera, insbesondere bei kleinen Geräten, in der Hohlsphäre 4 einfach frei beweglich angeordnet ist, wobei diese durch die elektroaktive Kunststoffspiralfeder 5 gehalten und auch gedreht wird. Die Kugelkamera 3 muss nicht notwendigerweise gelagert sein. Sie kann die Wände der Hohlsphäre berühren, allerdings ist ihr Gewicht sehr gering, so dass kaum Reibung entsteht, wenn sie durch die elektroaktiven Kunststoffspiralfedern hin und her gedreht wird. Das Material, aus dem die Kugelkameragehäuse und die Hohlsphäre bestehen, soll kratzfest sein (zumindest die Flächenbeschichtungen, die auf einander reiben werden) und möglicherweise auch selbstschmierend sein (zumindest an manchen Bereichen). Der Stromsignaltransfer zu dem Bildsensor erfolgt durch eine flexible Leitung 9. Die Kamera kann zwar auch andere Formen haben (z.B. wie ein Ei, ovalförmig) oder auch mit kleinen Kanten versehen sein, allerdings ist die Form einer Kugel am besten dafür geeignet. Die Kugelkamera ist mit elektroaktiven Kunststoffspiralfedern (Polymere) gekoppelt, die ebenso am anderen Ende mit der Hohlsphäre verbunden sind. Sie wird in beliebige Richtung, alleine durch Ausdehnung der unter Spannung gesetzten Spiralfeder geschwenkt oder gedreht, wobei in deren Zentrum ein Drehmoment entsteht. Sobald eine elektroaktive Kunststoffspiralfeder unter Spannung steht, wird diese expandieren und ein Drehmoment auf den Mittelpunkt der Spirale erzeugen. Die elektroaktive Kunststoffspiralfeder ist sehr dünn aufgebaut, weil diese schnell und mit sehr wenig Strom aktiviert werden muss und sich ebenso schnell wieder verkürzen soll, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Schließlich werden für die Bewegung einer sehr kleinen Kamera in einem Mobiltelefon nur schwache Drehmomente benötigt. Die Kugelkamera wird durch die elektroaktiven Kunststoffspiralen, je nachdem welche der Spiralen aktiv ist, beliebig in jede Richtung schnell und lautlos gedreht. Abhängig davon, welche der elektroaktiven Kunststoffspiralfedern aktiv ist bzw. unter Spannung steht, wird eine Schwenkung der Kugelkamera in die Richtung ausgeführt, die dem Drehmoment der aktiven elektroaktiven Kunststoffspiralfeder entspricht. Weil die elektroaktive Kunststoffspiralfeder bzw. der -streifen unter Spannung die Kugelkamera nur in eine Richtung drehen kann und beim Abschalten der Spannung zurückdreht, sind für jede Achse 7 mindestens zwei davon gegeneinander arbeitende, elektroaktive Kunststoffspiralfedern 5 bzw. -streifen 33 notwendig, um eine aktive Schwenkung der Kugelkamera 3 in die gewünschte Richtung zu erreichen. Wird einer davon aktiviert, wird die Kugelkamera in diese Richtung gedreht, trotz des leichten Widerstandes der mechanischen Spannung der Gegenspirale. Fehlt die Spannung an einer elektroaktiven Kunststoffspiralfeder, dreht sich die Kugelkamera wieder in die Ausgangsposition zurück. Wird das andere spiralfederförmige elektroaktive Kunststoffelement aktiviert, dreht sich die Kugelkamera dann in die andere Richtung. Eine Steuerung 6 sorgt dafür, dass die Spannung der elektroaktiven Kunststoffspiralfeder bzw. -streifen exakt erfolgt und die bestimmte Position der Kugelkamera hält. Der Antrieb mit elektroaktiven Kunststoffspiralfedern bzw. -streifen ist zwar nicht für extrem schnelle Schwenkungen geeignet, er ist allerdings auch ziemlich präzise steuerbar, arbeitet wartungsfrei und zuverlässig. Je dünner und kleiner die elektroaktiven Kunststoffelemente sind, desto schneller ist die Reaktion und desto kleiner ist der Stromverbrauch. Das Halten einer Position der Kugelkamera wird durch ständige, präzise gesteuerte Spannungserhaltung an den dementsprechenden elektroaktiven Kunststoffelementen (Polymer) erreicht bzw. durch die Aufrechterhaltung der elektrischen Spannung. Erhöht sich die Spannung an einem Element wird auch das Drehmoment in dem elektroaktiven Kunststoffelement erhöht. Dadurch, dass die elektroaktiven Kunststoffelemente dünn sind und nur eine geringe Masse haben, ist eine Reaktionsträgheit kaum spürbar. Diese Methode ist relativ einfach und funktioniert auch sehr zuverlässig und vollkommen wartungsfrei. Vor allem hier sind keine weiteren Einbaumaßnahmen notwendig. Es müssen lediglich die elektroaktiven Kunststoffelemente (z.B. elektroaktive Kunststoffspiralfedern) auf die Drehachsen eingebaut und mit Stromleitungen 10 an der Steuerung 6 und elektronischen Spannungsgenerator 39 gekoppelt werden. Sobald exakt gesteuerte Spannungswerte an den elektroaktiven Kunststoffelementen anliegen, werden sie mehr oder weniger aktiv und eine Ausdehnung erzeugen. Weil diese spiralförmig geformt sind, wird dabei ein Drehmoment erzeugt, das eine Drehung der Kugelkamera bewirkt. Die Kugelkamera ist bei kleinen Geräten, wie z.B. Mobiltelefone (Smartphone), Notebooks oder Tablett-PCs sehr klein, wiegt nur ein paar Gramm und kann somit mit sehr wenig Kraft gedreht werden.
Die elektroaktiven Kunststoffelemente belasten auch kaum den Akku des Kameraträgergeräts, weil deren Stromverbrauch sehr gering ist. Die elektroaktiven Polymerspiralfedern können über den elektronischen Spannungsgenerator 39 (eine Art Spannungswandler) versorgt werden. Die Aufgabe der Auswerteeinheit bzw. Steuerung 6, die die Spiralfeder mit Strom versorgt, ist es, abhängig von der notwendigen Drehung der Kamera, eine bestimmte Spannung auf die dementsprechenden elektroaktiven Kunststoffspiralfedern zu geben, damit diese mit der angestrebten Intensität aktiv werden. Die Ausdehnung erfolgt blitzschnell, auch weil die Spiralfeder ziemlich klein ist und nur eine geringe Masse besitzt. Ebenso schnell erfolgt das Abziehen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Das ermöglicht relativ schnelle Bewegungen der Kugelkamera.
Die Kugelkamera ist über mehrere elektroaktive Kunststoffspiralfedern mit der Hohlsphäre gekoppelt (3), an deren Zentren sich die Drehachsen für die Kugelkamera befinden. Mehrere solcher elektroaktiven Kunststoffspiralfedern 5, die in zweidimensionalen Achsen oder sogar dreidimensional angeordnet sind, ermöglichen dadurch zwei- oder dreidimensionale Drehbewegungen des Kugelkameragehäuses. Eine Bewegung der Kugelkamera in zwei Achsen wäre für gängige Zwecke vollkommen ausreichend. Je weniger Masse die Spiralfeder besitzt desto schneller ist deren Reaktion bzw. Bewegung. Um eine Schwenkung in eine beliebige Richtung um zwei Achsen zu erreichen, sind mindestens vier solcher elektroaktiven Kunststoffelemente notwendig (je zwei pro Drehachse, die gegenseitig arbeitend angeordnet sind).
In der 6 ist eine einfache Variante dargestellt, wobei die Kugelkamera an der elektroaktiven Kunststoffspiralfeder hängt und durch deren Aktivierung in bestimmten Drehrichtungen bewegt wird. Durch eine Interaktion der Software, die auch die Steuereinheit für das Antriebssystem kontrolliert, wird die Kugelkamera geschmeidige Bewegungen vollführen, während sie ein Ziel verfolgt.
Durch die Software (hauptsächlich über die des Trägergeräts) unterstützt, kann das zu fotografierende Ziel dadurch erfasst und verfolgt werden, wenn es sich nicht allzu schnell bewegt, wobei es stets nahezu mittig im Bildausschnitt bleibt. Damit kann das sogenannte Face Tracking realisiert werden, weil die Kamera das Gesicht einer sich bewegenden Person durch ihre Drehung verfolgen kann und das Gesicht stets in die Mitte der aufgenommenen Bilder platziert. Der Versuch des zu fotografierenden Objekts, sich aus dem mittigen Bereich des Bildsensorerfassungswinkels fortzubewegen, wird durch Schwenkung der Kugelkamera kompensiert, bis das Ende des gesamten Blickfeldbereichs erreicht ist. Das ist ähnlich, wie ein Mensch mit seinen Augen ein sich bewegendes Objekt verfolgt, ohne dabei den Kopf zu drehen. Die Kugelkamera kann auch komplett nach hinten gedreht werden, wobei eine zusätzliche Rückkamera entfallen würde, was insbesondere für Mobiltelefone interessant ist.
Die Kamera der Erfindung hat deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Diese Kamera wird innerhalb des Trägergeräts über elektroaktive Kunststoffspiralfedern (Polymer) oder elektroaktive Kunststoffstreifen gedreht, wobei die Drehung relativ schnell und lautlos erfolgt. Sie kann Bilder von hinten und von vorne aufnehmen und sie wird nicht nur hin und her gedreht, es ist auch eine Zielverfolgung realisierbar, welche auch automatisch sein kann. Weil sich nicht das ganze Kameraträgergehäuse 11 dreht, sondern nur das Teil bzw. das kompakte Extragehäuse 3, in dem sich der Bildsensor 1 und seine Optik 2 befinden, ist eine relativ schnelle Schwenkung möglich. Die Kugelkamera 3 würde hier wie ein Auge eines Menschen hin und her schauen. Optimal ist ein Einsatz auch in einer Überwachungskamera, Drohnenkamera, Roboterkamera, Fahrzeugkamera, etc. denkbar.
In der 2 sind Spiralfederelemente als Antriebselemente vorgesehen, die aus zwei Schichten bestehen. Eine davon ist eine elektroaktive Polymerschicht 40, die unter elektrischer Spannung dehnbar ist. Die Spiralfederelemente 41 hier sind nicht komplett aus elektroaktiven Polymer aufgebaut, sondern sind in Form von Bi-Polymerbeschichtungen ausgeführt, wobei eine Beschichtung ein normaler Kunststoff 42 ist, der elektrisch neutral und nicht aktivierbar ist und das andere ein elektroaktives Polymer ist. Die Spirale ist ähnlich wie die Spiralfeder von aufziehbaren mechanischen Uhren gebaut. Sie hat zwei breitere Flächen, eine Innenfläche 46 und eine Außenfläche 47. Eine der Flächen (egal ob die Außenfläche oder die Innenfläche) ist aus elektroaktivem Kunststoff aufgebaut. Auf diese Weise werden für die Drehung der Kugelkamera 3 die von der elektroaktiven Kunststoffbeschichtung in der Spirale durch Spannung erzeugten differenziellen Ausdehnungen, die in ein Drehmoment umgewandelt werden, angewendet. Die Drehung erfolgt, wie bereits bekannt, durch den unterschiedlichen Dehnkoeffizienten der zwei miteinander verbundenen Polymer- bzw. Kunststoffschichten, aus denen die Spiralfeder besteht, wobei eine davon elektroaktiv ist. Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie bei Bimetallspiralfedern, die sich bei Temperaturunterschieden drehen, weil die Metallschichten verschiedene Dehnkoeffizienten haben. Solche Bimetallspiralfedern wurden bei einfachen Bimetallthermometern eingesetzt. Natürlich muss hier keine 360° Drehung stattfinden, die kontinuierlich anhält wie bei einem Elektromotor. Vielmehr müssen diese Schwenkbewegungen die Kamera nur hin und her drehen.
Das Antriebselement bzw. die Spirale kann anstatt von zwei Kunststoffschichten aus einem Metall oder einer Legierung 43 gebaut werden, die auf einer Fläche eine elektroaktive Kunststoffbeschichtung 40 aufweist. Diese Beschichtung verursacht die Ausdehnung, um die Spirale dadurch zu verformen bzw. ein Drehmoment in der Mitte der Spirale zu erzeugen, das als Antriebskraft genutzt werden kann (16).
Das gleiche Prinzip wird hier auch für die Drehung der Kamera eines Smartphones oder eines anderen Kameraträgergeräts eingesetzt. Hier kann man mehrere Bi-Polymerspiralen 41 mit elektroaktiven Kunststoffbeschichtungen oder elektroaktiven Kunststoffspiralen 5 einsetzen, die die Kugelkamera in jede Richtung drehen können. Zudem kann man pro Drehachse zwei elektroaktive Kunststoffspiralfedern einsetzen, die gegensinnige Drehmomente erzeugen. Die elektroaktiven Kunststoffspiralfedern werden gezielt unter Spannung gesetzt und aktiv dadurch ausgedehnt. Eine Drehung der Kugelkamera in zwei Achsen wäre ausreichend und würde dafür lediglich zwei oder vier elektroaktive Kunststoffspiralfedern benötigen. Eine vereinfachte Teilkardanaufhängung 13 mit nur zwei Achsen kann sehr gut dafür geeignet sein. Diese Aufhängung 13 besteht, wie in 5 dargestellt, aus lediglich einem Viertelkreis langen Arm 14, der an beiden Enden mit je einem Drehgelenk 15 ausgestattet ist. An einem Drehgelenk ist die Kugelkamera befestigt und am anderen ist die Hohlsphäre gekoppelt. An den Drehgelenken ist je eine elektroaktive Kunststoffspiralfeder eingebaut, die eine Drehung des am Gelenk angebrachten Körpers bei Stromfluss bewirken kann. Die Spannung ist für jede Spiralfeder separat durch getrennte flexible Leitungen gewährleistet.
Für die Schwenkung in die senkrechte Achse 7A wird die elektroaktive Kunststoffspiralfeder 5A aktiviert. Um eine Schwenkung in die waagerechte Achse 7B zu realisieren, wird die elektroaktive Kunststoffspiralfeder 5B unter Spannung gesetzt und dadurch ausgedehnt. Der Einbau von vier elektroaktiven Kunststoffspiralfedern (paarweise und in entgegen gesetzte Drehrichtung eingebaut) ermöglicht eine präzisere Drehung der Kugelkamera.
Weil die Kugelkamera 3 innerhalb der Hohlsphäre 4 drehbar ist, kann diese sowohl als Rückkamera als auch Frontkamera genutzt werden. Selbstverständlich dreht sich die Kugelkamera dabei nicht unkontrolliert, sondern diese wird sehr genau über die Steuerung der elektroaktiven Kunststoffspiralen auf das gewünschte Blickfeld positioniert. Das Anhalten in der gewünschten Position kann durch Aufrechterhaltung der Spannung der aktiven elektroaktiven Kunststoffspiralfeder und eventuell durch kurzzeitige Aktivierung der entgegengesetzten elektroaktiven Kunststoffspiralfeder erfolgen. Die Hohlsphäre 4 kann komplett durchsichtig gebaut werden oder sie kann an bestimmten Stellen mit großen Lichtfenstern 17 ausgestattet sein, durch die das Licht von den Bildmotiven bzw. der Umgebung in die Kamerakugel kommt und dessen Sensor auch erreicht. Kleine zusätzliche Optik-Elemente (Linsen) können eine leichte Bildverzerrung, die durch die sphärenförmigen Fenster entsteht, erfolgreich korrigieren. Die Kamera kann auch mehr oder weniger aus dem Trägergerät herausgefahren werden, um den Blickwinkel zu vergrößern. In dem Fall wäre eine weitere elektroaktive Kunststoffspirale oder ein elektroaktiver Kunststoffstreifen notwendig, die bzw. der die Hohlsphäre oder einen Hohlzylinder, in der die Kugelkamera angebracht ist, aus dem Trägergerät mehr oder weniger herausfährt.
Die Leiterverbindungen zwischen der elektroaktiven Kunststoffspiralfeder bzw. -streifen sowie der beweglichen Kugelkamera 3 und einer Signalverarbeitungseinheit 34, die sich außerhalb der gekapselten Sphäre befindet, sind etwas längere, flexible Leitungen 9, die die Bewegungen der Kugelkamera nicht weiter behindern. Diese Leiter oder Mikrokabel müssen sehr viele Schwenkungen aushalten und dabei stets eine einwandfreie Signalübertragung ermöglichen. Verflochtene Mikrokabel, die man aus den Lautsprechermembranen kennt, können dabei sehr viele Schwingungen aushalten. Obwohl hier die Kugelkamera nicht nur in Schwingungen versetzt, sondern auch hin und her gedreht wird, können solche Kabel bei täglichen Belastungen einige Jahre überdauern. Man kann theoretisch auch die elektroaktive Kunststoffspiralfeder für den Stromsignaltransport nutzen.
Wie beschrieben, kann die Kugelkamera einfach lose in die Hohlsphäre ohne jegliche Lager eingebaut werden. Optimal und etwas teurer wäre eine Kardanaufhängung. Es reicht dabei, eine stark vereinfachte Kardanaufhängung 13 mit nur einem kleinen Arm 14, wie in der 5 dargestellt ist, einzubauen. Eine Steuerung 6 kann beim Erreichen einer bestimmten Drehposition der Kugelkamera über die elektroaktive Kunststoffspiralfeder schnell eine Gegenkraft erzeugen, bis die Ausdehnung der aktiven Spiralfeder ein bisschen nachlässt, wobei diese einer Weiterdrehung der Kugelkamera entgegenwirkt. Für ein schnelles Stoppen der Drehbewegung kann man auch kleine Borsten 49 oder kleine Schwammkörper zwischen der Hohlsphäre und der Kugelkamera platzieren, wobei diese an einem Ende frei und am anderen Ende entweder mit der Wand der Hohlsphäre oder der Kugel gekoppelt sind.
Bei Verwendung einer Vollkardanaufhängung 8 und Varianten, bei denen die Kugelkamera einfach in die Hohlsphäre lose eingeführt ist, sind keine Schwingungen zu erwarten, sobald die gewünschte Position erreicht ist und die aktiven elektroaktiven Kunststoffspiralfedern gleichmäßig mit Spannung versorgt werden. Weil sich die Kamera auch um die optische Achse 36 drehen kann, ist das Fotografieren bzw. die Erzeugung von perfekten Bildern auch bei Schräghaltung des Trägergeräts möglich. Das Bild ist stets perfekt gerade, egal wie schräg man die Kamera hält. Über die Steuereinheit und natürlich Softwareunterstützung des Trägergeräts kann für Videoaufnahmen automatisch der Kamerabildsensor so gedreht werden, dass Breitbildaufnahmen erfolgen. Bei Einzelbildaufnahme kann - wenn gewünscht - eine vertikale Ausrichtung der Fotoaufnahmen erfolgen.
In der 6 ist eine Variante mit elektroaktiven Kunststoffelementen in Form von Bändern oder Streifen 33 dargestellt, wobei eine Schwenkung der Kugelkamera erreichbar ist. Hier sind elektroaktive Kunststoffelemente eingebaut, die sich durch Spannung ausdehnen können und sich dadurch verformen, womit sie eine Schwenkbewegung der Kugelkamera bewirken. Die elektroaktiven Kunststoffelemente verbinden die Kugelkamera mit der Hohlsphäre, wobei die Verbindung an die Kugelkamera tangential verläuft, ähnlich wie beim menschlichen Auge und seinen Muskeln.
Bei einer Variante, die in der 7 dargestellt ist, wird das Material des optischen Fensters 17 des Kameraträgergeräts, das das Sehfeld des Bildsensors schützt, aus einem elektroaktiven, durchsichtigen Kunststoff 18 hergestellt, der in der Lage ist, sich elektrisch gesteuert auszudehnen, wobei der Rand aus einem nicht dehnbaren Ring 44 besteht. Weil die Ausdehnung durch den Ring begrenzt wird, wird vorübergehend eine Kuppel 19 nach außen gebildet, in die die kugelförmige Kamera eindringen kann, um den Blickwinkel deutlich zu erweitern. Dies ist vorteilhaft, wenn das Trägergerät (z.B. das Mobiltelefon) auf dem Tisch liegt und aus dieser Position der ganze Raum fernüberwacht werden sollte. Durch die Rotation der Kamera und die Erzeugung der Kuppel 19, ist ein fast halbsphärisches Blickfeld überwachbar.
Mit einer Soundsteuerung, die mit dem Antriebsystem gekoppelt ist, kann die Kamera dann automatisch dort ausgerichtet werden, woher der Sound oder die Stimme kommt. Für diesen Fall verfügt das Kameraträgergerät über ein Stereomikrofon 28 oder Richtmikrofon, was bei Mobiltelefonen (Smartphone) auch der Fall ist. Eine elektronische Kopplung der beiden Systeme, also Audio- und optische Erfassungssysteme, kann das Antriebssystem steuern. Dadurch kann die Bewegung der Kamera automatisiert werden, wobei diese genau in Richtung der Stimm- bzw. Soundquelle für Bildaufnahme bzw. Videoaufnahme gerichtet wird.
Die drehbare Kugelkamera kann mit einer Rückstellfeder 20 oder einem Ruhepositionsdauermagneten 21, der einen Ferromagnetbereich oder Ferromagnetkörper 22 (vorzugsweise Eisen oder Nickel) in einer Ruheposition anzieht, ausgestattet werden. Die Rückstellfeder oder der Ruhepositionsdauermagnet sorgen dafür, dass bei Abschaltung der aktiven Drehung der Kugelkamera eine bestimmte Rückstellkraft die Kugelkamera bis zu einer bestimmten Position dreht. Ein anderer Dauermagnet, der in die Hohlsphärenwand eingebaut ist, zieht den Ferromagnetkörper oder den anderen Dauermagneten an, der in die Kugelkamera eingebaut ist (10).
Die elektrische und Signalübertragung vom Sensor auf die Auswerteeinheit erfolgt durch eine dünne und extrem flexible Leitung 9, die idealerweise wie eine Feder geformt ist. Die feinen Signalleitungen sind ineinander verflochten, ähnlich wie die Leitungen einer magnetischen Spule in einer Lautsprechermembran. Diese Methode hat sich bewährt, um die Leitungen vor Schäden zu bewahren. Es ist bekannt, dass die Lautsprechermembran während ihres gesamten „Lebens“ eine sehr hohe Anzahl von Schwingungen absolviert (mehrere hundert Milliarden), wobei die Stromleitungen zwischen dem Gehäuse und der Lautsprecherspule unzählige Bewegungen und Schwingungen mitmachen, auch nach jahrelangem Betrieb intakt bleiben. Die gleiche Technik kann auch hier verwendet werden. Das gewährleistet eine langlebige einwandfreie Signal- und Stromübertragung zwischen dem Bildsensor und dem Trägergerät (z.B. einem Smartphone) trotz der Bewegung des Bildsensors. Wenn man eine längere Leitung verwendet, die fein verflochten ist und die auch mehr oder weniger wie eine Feder spiralförmig geformt ist, kann eine nahezu vollständige Drehung des Bildsensors und seiner optischen Elemente erzielt werden. Der Innendurchmesser der Hohlsphäre ist nur wenig größer als die Kugel, in der der Bildsensor und seine Begleitelemente eingebaut sind. Durch die Erzeugung von Drehmomenten über die elektroaktive Kunststoffspiralfeder kann man eine beliebige Drehung der Kugelkamera erreichen.
Die Beleuchtungselemente 23, egal ob diese im Spektrum des sichtbaren Lichts oder im Infrarotbereich Strahlung emittieren, können mit der Kamera mitbewegt werden. Das ermöglicht eine optimale Beleuchtung, die die Bewegung des Blickfeldes der Kugelkamera verfolgt. Auch ein Blitzlicht, vorzugsweise eine starke Leuchtdiode, die in die Kamerakugel eingebaut ist, kann dafür verwendet werden (17).
Die 4 zeigt eine Variante mit elektroaktiven Kunststoffspiralfedern, die in einer Kardanaufhängung eingebaut sind. Die Spiralfedern sind mikroelektroaktive Kunststoffelemente, die sich durch Spannung schnell ausdehnen und damit eine Bewegung des Kameragehäuses bewirken. Man kann die Kugelkamera in einer Vollkardanaufhängung 8 mit Dreiachsendrehfreiheit oder Teilkardanaufhängung 13 mit nur zwei Drehachsen anbringen, wobei die Drehachsen mit elektroaktiven Kunststofffedern gekoppelt sind (5).
Je nachdem welche davon aktiv ist, wird eine Schwenkung der Kugelkamera erzeugt. Weil die elektroaktiven Kunststoffelemente unter Spannung die Kugelkamera nur in eine Richtung drehen können und beim Abschalten zurückdrehen, sind für jede Achse mindestens zwei gegeneinander arbeitende elektroaktive Kunststoffelemente notwendig, um eine aktive Schwenkung der Kugelkamera in die gewünschte Richtung zu erreichen. Wird einer davon aktiviert, wird die Kugelkamera in die Richtung gegen den leichten Widerstand der gegenarbeitenden Spirale auch gedreht. Schaltet man die elektroaktive Kunststoffspiralfeder ab, dreht sich die Kugelkamera wieder in die Ausgangsposition zurück. Wird das andere elektroaktive Kunststoffelement aktiviert, dreht sich die Kugelkamera dann in die andere Richtung. Eine Steuerung sorgt dafür, dass die Aktivierung der elektroaktiven Kunststoffelemente exakt erfolgt und eine bestimmte Position der Kugelkamera auch hält.
Die Variante mit elektroaktiven Kunststoffelementen ist zwar nicht für extrem schnelle Schwenkungen geeignet, ist allerdings ziemlich präzise steuerbar und arbeitet wartungsfrei und zuverlässig. Je dünner und kleiner die elektroaktiven Kunststoffspiralfedern bzw. -streifen sind, desto schneller ist die Reaktion und desto kleiner ist der Stromverbrauch. Das Aufrechterhalten einer Position der Kugelkamera wird durch ständige Spannungserhaltung bzw. gesteuerten Stromfluss durch das bestimmte elektroaktive Kunststoffelement erreicht. Erhöht sich die elektrische Spannung, wird gleichzeitig auch der Ausdehneffekt der elektroaktiven Kunststoffspiralfeder erhöht und dadurch ein stärkeres Drehmoment erzeugt. Diese Methode ist relativ einfach und funktioniert auch zuverlässig. Hier sind keine weiteren Einbaumaßnahmen notwendig. Es müssen lediglich die elektroaktiven Kunststoffelemente (z.B. elektroaktive Kunststoffspiralfedern) in die Drehachsen eingebaut und mit Stromleitungen aus der Steuerung gekoppelt werden. Sobald Spannung auf die elektroaktiven Kunststoffelemente angelegt wird, werden sie mehr oder weniger ausgedehnt und dabei ein Drehmoment erzeugt. Weil diese spiralförmig geformt sind, wird dabei ein Drehmoment in der Mitte erzeugt, das eine Drehung der Kugelkamera bewerkstelligt, ähnlich wie bei den einfachen Bimetall-Spiralfederthermometern.
Für eine 3D-Bilderfassung sind zwei solche Kameras und Systeme notwendig, die am besten in einem Abstand voneinander aufgebaut sind (8).
Bei allen Varianten wird die Kamera wie ein Auge eines Menschen in einer Hohlsphäre eingebaut und auch mit einem Verfolgungsmechanismus ausgestattet, der über eine Software gesteuert wird und die erfasste Person oder deren Gesicht dann automatisch verfolgt.
Die Kamera kann so konzipiert werden, dass sie leicht aus dem Mobiltelefon oder Tablett-PC elektromagnetisch oder elektrisch gehoben wird, so dass sie ein bisschen herausragt, wenn das Gerät irgendwo liegen bleibt (9). Die Abdecklinse oder Kuppel oder ein durchsichtiger Hohlzylinder 24, in dem sich die Kamera 3 befindet, kann in diesem Fall leicht herausgefahren werden. Ideal wäre ein durchsichtiger Hohlzylinder mit kuppelförmigen Enden, die auch Blicklichtfenster 17 für den Bildsensor sind. Der Hohlzylinder kann mit einem ferromagnetischen Ring 25 in der Mitte ausgestattet sein, der durch eine außen statisch angebrachte Elektromagnetspule 26 angezogen wird, wobei der Hohlzylinder, je nachdem wie das Mobiltelefon liegt, angehoben wird bzw. die Kamera nach vorne oder nach hinten herausfährt. Statt des ferromagnetischen Ringes kann auch ein Dauermagnet oder Dauermagnetring 27 eingebaut sein, der sich dann entsprechend der Polung der Elektromagnetspule bewegt. Die Variante mit dem Dauermagneten ist einfacher herzustellen, weil dafür lediglich ein kleiner Magnet am Boden des Zylinders und eine Elektromagnetspule 26 darunter notwendig sind. Durch Magnetfeldwechselwirkung wird der Zylinder 24 nach oben geschoben oder angezogen, je nachdem wie die Spule gepolt wird. Die kuppelförmigen Enden sind natürlich durchsichtig und bilden je ein Fenster, durch die der Kamerasensor Licht erhält. Durch die Kuppel entsteht kaum bzw. eine leichte Verzerrung des Bildes, die berechenbar ist und softwaremäßig problemlos korrigierbar ist. Auch der Einsatz einer Korrekturlinse in das optische System des Bildsensors kann die Verzerrung aufheben.
Die 10 zeigt eine Variante, die mit einem Schallquellenerfassungssystem ausgestattet ist. Hier wird ein Stereomikrofon 28 benutzt, um eine Schallquelle 29 zu lokalisieren. Sobald das geschehen ist, wird über eine Steuerung das Antriebssystem so gesteuert, dass die Kamera direkt dorthin gerichtet wird, wo sich die Schallquelle befindet. Damit kann bei der Aufnahme eines Videos die aufgenommene Person mit der Kamera automatisch verfolgt werden, wenn diese spricht.
Die Verfolgung von beweglichen Objekten kann durch die Software des Trägergeräts unterstützt werden. Auf dem Kontrollbildschirm des Trägergeräts kann man per Fingertouch ein Objekt markieren, das dann die Kamera automatisch stets verfolgt, egal wie es sich bewegt oder wie das Kameraträgergerät gehalten wird. Die Hauptaufgabe erledigt dabei das Antriebssystem, das die Drehung des Bildsensors ermöglicht.
Bei Bild- oder Videoaufnahmen mit herkömmlichen Mobiltelefonen (Smartphones), merkt man, dass die Objekte, die sich am Rande befinden, oft leicht verzerrt sind. Das kommt daher dass der Bildsensor flach ist und die Optikkorrekturelemente, die das Problem beheben könnten, kaum Platz in einem Smartphone finden. Der Bildsensor sollte nicht unbedingt flach sein, sondern er kann leicht konkav gebaut sein, um die Retina des menschlichen Auges besser nachzuahmen. In dem Fall wären auch kaum mehr Verzerrungen des Bildmotivs wahrnehmbar ( 11).
Für das Herstellungsverfahren von solchen Konkavbildsensoren 30 kann eine kuppelförmige Mikromatte aus Plastik, die mit einem Memoryeffekt versehen ist, sehr gut verwendet werden. Sobald die Dotierung abgeschlossen ist, und die physikalische Festigkeit des Sensors erreicht ist, wird das kuppelförmige Plastikteil sich wieder flach biegen und sich so von dem Sensor ablösen. Bei einer Variante wird der Bildsensor stets flexibel in der Kamera geformt. Durch eine spezielle, elektrisch formbare Polymerschicht 48 und eine Steuerung kann der Bildsensor, der mit dieser Schicht auf der Rückseite gekoppelt ist, stets verformt werden und somit an die Lichtverhältnisse angepasst werden. Auch eine Autofocusfunktion wäre damit realisierbar. Somit müssten die optischen Elemente nicht allzu sehr bewegt werden, sondern der Bildsensor vielmehr seinen Biegungsgrad ändern bzw. flexibel gestaltet sein (11).
In der 12 ist eine Variante dargestellt, wobei das Stoppen der Kugelkamera in einer bestimmten Position über einen elektromagnetisch herausfahrbaren Stift 31 erfolgt. Sobald die gewünschte Position der Kugelkamera erreicht ist, soll diese dann auch in der Position sofort gestoppt und so gehalten werden. Das Stoppen kann durch einen kleinen Stift erfolgen, der durch eine Elektromagnetspule 31 aus der Hohlsphärenwand in Richtung der Kugelkamera herausgefahren wird und diese dann stoppend berührt.
Die Kugelkamera muss nicht unbedingt komplett drehen, sondern es reicht für viele Anwendungen nur eine leichte Schwenkung in zwei Achsen (zweidimensionale Bewegung - hoch, runter, rechts, links und damit auch jede beliebige Kombination zwischen diesen vier Richtungen), die auf viele Wege erreicht werden kann. Wie ein Auge verfolgen sie das Objekt und man erhält scharfe Fotos, auch wenn sich die Objekte bewegen. Baut man zwei solche Kugelkameras auf einem Trägergerät (z.B. Smartphone, Laptop, Tablett-PC, Webcam etc.) in einem kleinen Abstand voneinander, kann man Stereobilder oder 3D-Aufnahmen erzielen.
Die 13 zeigt eine Variante, die in einem Smartphone eingebaut ist, wobei die Kugelkamera zusätzlich in der optischen Achse rotierbar ist. Diese Variante ist interessant, weil - egal wie gerade oder schräg man das Smartphone beim Fotografieren hält - stets gute gerade Bilder entstehen, wenn diese Funktion aktiviert ist. Im Videomodus wird die Kugelkamera so gedreht, dass die Aufnahmen perfekt waagerecht entstehen, so dass man keine Fehler mehr mit unterschiedlichem Halten des Smartphones bei Video- oder Bildaufnahmen macht. Für die Drehung kann eine einfache Schwerpunktverlagerung nach unten oder ein kleines elektrisch bewegbares oder kippbares Gewicht 35 dienen, das in die Kugelkamera eingebaut ist, das die Kugelkamera stets so ausrichtet, dass die Bilder perfekt in vertikaler Lage aufgenommen werden. Sobald der Videomodus eingeschaltet wird, wird das Gewichtsstück 35 elektrisch um die optische Achse 36 um 90° gedreht und man kann Videoaufnahmen machen, wobei die Videoaufnahmen stets in horizontaler Lage erfolgen, selbst wenn das Smartphone in beliebige Richtung gedreht wird. Das Gewichtsstück kann ein Dauermagnet sein, der durch eine oder mehrere Elektromagneten 50, um 90° um die optische Achse versetzt wird. Der Elektromagnet 50 ist so angeordnet, dass er einen Pol in dem Bereich des Dauermagneten aufbaut und den anderen außerhalb, der keinen Einfluss mehr auf den Dauermagneten hat (13 a).
Die Variante in der 13b ist etwas besser gestaltet. Hier ist der Elektromagnet näher am Dauermagneten angebracht und seine beiden Enden sind leicht gebogen, um die Bewegung des Dauermagneten genau auf 90° zu begrenzen. Beide Enden 53 des Elektromagneten 50 werden polarisiert und je nachdem wie der Stromfluss in die Spule 54 verläuft, wird eine entsprechende Magnetfeldorientierung erzeugt. Der Kern 52 dieses Elektromagneten besteht aus Eisen. Sobald der Dauermagnet in eine Richtung angezogen wird, haftet er an einem Ende 53 des Eisenkerns und bleibt dort, auch wenn der Elektromagnet abgeschaltet wird. Somit ist nur ein kleiner Stromimpuls notwendig, um die Schwenkung bzw. Gewichtsverlagerung um 90° in die Kamerakugel zu erreichen. Wenn das Gewicht auf die andere Seite verlagert werden soll, wird der Elektromagnet 50 durch einen geänderten Stromfluss umgepolt, so dass er Abstoßkräfte an der Haftstelle erzeugt, wobei der Dauermagnet loslässt und sich in die anderen Richtung bewegt, bis er dann erneut mit seinem Gegenpol haften bleibt. Ein Gegengewicht 51 ist zusätzlich und statisch in der Kugelkamera gegenüberliegend angebracht, so dass keine Gewichtsverlagerung wegen des Elektromagneten, der auch statisch angebracht ist, stattfindet. Der Elektromagnet wird durch eine Steuerung 55 gesteuert, die entweder in das drehbare Gehäuse integriert ist oder außerhalb irgendwo im Mobiltelefon eingebaut ist. Die Gewichtsverlagerung verursacht also lediglich der Dauermagnet mit seinen Schwenkbewegungen. Dort wo er stehen bleibt, wird der Schwerpunkt verlagert und somit die Kugelkamera, die frei drehbar eingebaut ist, in dementsprechender Richtung durch die Erdanziehungskraft gedreht.
Die 14 und 15 zeigen ein Smartphone 37, bei dem die Kugelkamera 3 am Rand oder noch besser an einem seiner Ecken 38 eingebaut ist, wobei durch eine Drehung von vorne nach hinten eine über 180° Bild-Aufnahme ermöglicht wird. Der Erfassungswinkel kann über 300° betragen, wenn man bedenkt, dass die Kamera auch schräg nach unten, sowohl vorne, als auch hinten, gerichtet werden kann (wenn man z.B. das Smartphone senkrecht hält).
16 zeigt eine Variante, wobei eine Metallspirale mit einem elektroaktiven Polymer beschichtet ist. Die Metallspirale 43 wird durch das Anlegen einer Spannung an der elektroaktiven Polymerbeschichtung 40 einseitig gedehnt und somit verformt, wobei ein Drehmoment in der Mitte erzeugt wird. Selbstverständlich ist das Metall der Spirale von der elektroaktiven Kunststoffschicht elektrisch durch einen Isolator 45 isoliert, weil sonst lediglich ein Kurzschluss erfolgen würde. Als Isolatorschicht kann eine einfache Lackschicht verwendet werden.
Die 17 zeigt den Einbau von Beleuchtungselementen, vorzugsweise von LEDs, die mit der Kamera direkt gekoppelt sind und mit der Kamera mitdrehen. Dies optimiert die Beleuchtung des Bildmotivs, weil jede Drehung der Kamera auch die Beleuchtung in die gleiche Richtung ausrichtet, so dass stets das Licht von dem Bildmotiv optimal in dem Bildsensor reflektiert wird.
Wie in der 18 dargestellt, können die elektroaktiven Polymer-Elemente 40 mit je eine Halbleiterdiode 16 ausgestattet werden, die dann so angeordnet sind, dass bei einem Stromfluss ein Element unter Spannung steht und bei umgekehrtem Stromfluss das andere. Das hat den Vorteil, dass zwei elektroaktive Polymerelemente mit nur zwei statt vier Leitungen gekoppelt sind. Alleine die Stromflussumpolung bestimmt, welches der Polymer-Elemente aktiviert wird.
In der 19 ist eine Variante dargestellt, bei der die Spirale aus zwei elektroaktiven Polymerschichten 40 besteht, die elektrisch durch eine Isolatorschicht 45 getrennt sind. Die beiden breiten Flächen der Spirale, sowohl die Außenfläche 47 als auch die Innenfläche 46 bestehen hier aus elektroaktiven Polymeren und werden separat von der Steuerung unter Spannung gesetzt. Wird die Außenfläche unter Spannung gesetzt, dann zieht sich die Spirale enger zusammen und dreht sich somit zu deren Zentrum. Je nachdem wie lang die Spirale gebaut ist, erfolgt dementsprechend die Drehbewegung. Sobald die Innenfläche unter Spannung gesetzt wird, dehnt sich diese Fläche aus, wodurch die Spirale sich ausbreitet. Auch in diesem Fall erfolgt eine Drehbewegung im Zentrum der Spirale, jedoch in die entgegengesetzte Richtung als vorher. Auch hier reichen zwei elektrische Leitungen aus, um beide Flächen der Spirale separat steuern zu können. Allerdings bedarf es wieder des Einbaus von mindestens zwei Halbleiterdioden, die entgegengesetzt angeordnet mit je einer der Polymerschichten gekoppelt sind und dadurch den Spannungsaufbau für jede Schicht voneinander trennen, wie in der 18b dargestellt ist.

Claims

Antriebssystem für eine frei drehbare Kamera, die einen Bildsensor (1) und Optikbegleitelemente (2) aufweist und innerhalb eines Kameraträgergeräts vorgesehen ist, wobei das Antriebssystem mit der vorzugsweise kugelförmigen Kamera gekoppelt ist, und das Antriebssystem mindestens ein Antriebselement aufweist, welches ein Band in Form einer Spirale (5) ist, und das Band mit einem Ende mit der Kamera und mit dem anderen Ende mit dem Kameraträgergerät gekoppelt ist, und das Band aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei eine Schicht die Außenfläche und die andere die Innenfläche des Bandes bildet, wobei mindestens eine davon eine elektroaktive Polymerbeschichtung (40) ist, die sich unter Spannung ausdehnt und dadurch ein Drehmoment erzeugt, und die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) mit Stromleitungen gekoppelt ist, um diese mit Strom zu versorgen, und das mindestens eine Antriebselement eine Auswerteeinheit oder Steuerung aufweist, die die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) unter Spannung setzt und dadurch diese aktiv ausdehnt, dadurch gekennzeichnet, dass das Band aus Metall oder einer Legierung besteht, wobei auf einer Seite die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) angebracht ist, und das Metall oder die Legierung in der Spirale (5) elektrisch von der elektroaktiven Polymerbeschichtung (40) isoliert ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spirale (5) aus zwei separat elektrisch steuerbaren elektroaktiven Polymerbeschichtungen (40) und einer dazwischen liegenden Isolationsschicht besteht, die die Polymerbeschichtungen (40) elektrisch voneinander trennt.
Antriebssystem nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung aus einer Lackschicht besteht.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (1) und seine Optikbegleitelemente (2) in einem separaten Gehäuse (3) eingebaut sind, das vorzugsweise kugelförmig gebaut und innerhalb des Kameraträgergeräts drehbar ist, das in einer Hohlsphäre mit Lichtfenstern (17) platziert ist, die Bestandteil des Gehäuses (3) des Kameraträgergeräts ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektroaktive Polymerspiralfedern (5) eingebaut sind, die so angeordnet sind, dass sie die Kamera in verschiedene Achsen (7) drehen können.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Drehachse (7) mindestens zwei gegeneinander arbeitende elektroaktive Kunststoffelemente, vorzugsweise elektroaktive Polymerspiralfedern (5), eingebaut sind, die separat mit Spannung versorgt sind.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Beleuchtungselemente (23) im sichtbaren Lichtspektrum oder im Infrarotbereich mit der drehbaren Kamera integriert und mit ihr bewegbar sind.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoppen des drehbaren Bildsensors (1) und seiner Optikbegleitelemente (2) in einer bestimmten Position über einen in die Hohlsphäre eingebauten elektromagnetisch herausfahrbaren Stift (31) erfolgt, der die Kamera berührt und am Weiterdrehen hindert.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zweifach vorhanden ist und für eine 3D-Bilderfassung konzipiert ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera aus dem Kameraträgergerät elektromagnetisch oder durch weitere elektroaktive Kunststoffelemente leicht herausfahrbar ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit oder die Steuerung mit einem Schallquellenerfassungssystem gekoppelt ist und durch die dementsprechende Steuerung der elektroaktiven Polymere die Kamera in Schallquellenrichtung dreht.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera in einer Kardanaufhängung angebracht ist, an deren Achsen (7) mindestens je eine elektroaktive Polymerspiralfeder (5) eingebaut ist.
Antriebssystem nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder, die mit dem drehbaren Gehäuse (3) des Bildsensors (1) mit den Optikelementen (2) und der Hohlsphäre gekoppelt ist, als Rückstellfeder (20) eingebaut ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera am Rande oder an einer Ecke des Kameraträgergeräts eingebaut ist, wobei ein Rundumsichtwinkelbereich aus der Perspektive des Bildsensors (1) zur Verfügung steht.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera lediglich auf einer Achse mit zwei Bildmotiverfassungs-Hauptpositionen von 0° und 180°drehbar ist, wobei 0° Bild- oder Videoaufnahmen aus der Vorderseite und 180° Bild- oder Videoaufnahmen aus der Rückseite des Kameraträgergeräts bedeuten.
Antriebssystem nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera weitere Bildmotiverfassungs-Zwischenpositionen von 0° bis 180° einnehmen kann.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (1) der Kamera konkav gebaut ist.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroaktive Polymerbeschichtung (40) mit Halbleiterdioden (16) gekoppelt ist, die einen Strom abhängig von der Stromflussrichtung auf eine bestimmte Polymerbeschichtung (40) umleiten.