DE19634631C1 - Stereokamera - Google Patents

Stereokamera

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stereokamera nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer Stereokamera für das gleichzeitige Fotografieren zweier Bilder mit einer rechten und linken fotografischen Linse ist im allgemeinen der Abstand zwischen den optischen Achsen der beiden fotografischen Linsen feststehend ausgebildet. Bei der Stereokamera mit dem feststehenden Abstand zwischen den optischen Achsen erhöht sich die Abweichung des rechten und linken fotografierten Bildes eines Objekts gemäß der Parallaxen der beiden fotografischen Linsen, wenn die Objektweite (Gegenstandsweite) abnimmt. In Fig. 10 sind nicht überlappende Bereiche (a bis b, c bis d) an den äußeren Rändern des rechten und linken fotografierten Bildes L und R übertrieben dargestellt.
Wenn die beiden Bilder auf einen Stereobildrahmen gerahmt sind und betrachtet werden, tragen die nichtüberlappenden Bereiche (a bis b, c bis d) nicht dazu bei den Stereobildeffekt zu erzeugen. Fig. 11 zeigt das aus den beiden Einzelbildern L und R von Fig. 10 zusammengesetzte Stereobild mit den nichtüberlappenden Bereichen (a bis b, c bis d). Aus diesem Grunde existieren Mittel, um die nichtüberlappenden Bereiche (a bis b, c bis d) des rechten und linken Bildes abzublenden. Dies geschieht derart, daß ein Stereobildrahmen einer geeigneten Fensterbreite aus einer Vielzahl von Stereobildrahmen mit verschiedenen Fensterbreiten ausgewählt wird. Es ist bekannt, daß dies die Nachteile mit sich bringt, daß der Verlust an Bildbreite beträchtlich ist, und daß die Auswahl der Blende und die Bestimmung der lateralen Positionen der Bilder beim Rahmen nicht einfach ist.
Aus diesem Grunde hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Stereokamera vorgeschlagen, bei der eine automatische Justiermechanik des Abstands zwischen den optischen Achsen vorgesehen ist, die bei Scharfeinstellung die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linse immer in Übereinstimmung bringt, um so die Parallaxe in Abhängigkeit von der Aufnahmeentfernung automatisch zu korrigieren. Da diese Stereokamera auf diese Art und Weise den Abstand zwischen den optischen Achsen automatisch einstellt, so daß die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linsen bei Scharfeinstellung immer in Übereinstimmung gebracht werden, kann der Verlust der stereofotografierten Bereiche reduziert werden, und schnelles Fotografieren kann hervorragend durchgeführt werden. Es gibt jedoch kaum den Fall, daß alle Objekte auf den Bildern tatsächlich Brennweitenentfernung (Scharfeinstellung) haben, da die Objekte meist zahlreiche verschiedene Entfernungen (Objektweiten) aufweisen. Da die menschliche optische Wahrnehmung eine Kollimation für die Wahrnehmung eines Objektes im Nahbereich hat, kann der Korrekturbetrag der Distanz der optischen Achsen der Linsen bei Fokussierung eines Hauptobjekts im Fernaufnahmebereich bezüglich eines Objekts im Nahaufnahmebereich in demselben Bild unzureichend sein. Wenn das auf diese Art und Weise fotografierte Stereobild gerahmt und betrachtet wird, wird das Nahaufnahmeobjekt im extremen Nahaufnahmebereich fokussiert und erscheint unnatürlich. Um dies zu korrigieren, ist es notwendig, beim Rahmen die äußeren Bereiche des rechten und linken Bildes auszublenden. Dies ist möglich, da das fokussierte Hauptobjekt im Fernaufnahmebereich in der Regel in der Bildmitte fokussiert ist.
Eine weitere Stereokamera mit automatischer Justiermechanik des Abstands zwischen den optischen Achsen ist aus EP-0 174 091 A1 bekannt, und verschiebt die Linsen geradlinig symmetrisch in der Ebene ihrer optischen Achsen. Bei Fokussierung eines Hauptobjekts im Fernaufnahmebereich sind die optischen Achsen der Linsen bezüglich der Mittelpunkte der zu belichteten Flächen nicht verschoben, woraus der gleiche Nachteil resultiert wie bei der vorstehend beschriebenen Stereokamera des Erfinders der vorliegenden Erfindung.
Aus diesem Grunde ist es selbst bei einer Stereokamera mit automatischer Justiermechanik des Abstands zwischen den optischen Achsen außer beim Fotografieren im Nahaufnahmebereich von 1 bis 2 m häufig nötig, die Parallaxe zu korrigieren, indem die äußeren Bereiche des Bildes ausgeblendet werden. Dies geschieht mit Mitteln wie der Verkleinerung der Fensterbreite des Bildrahmens beim Rahmen der Bilder.
Es stellt sich daher das technische Problem, eine Stereokamera mit automatischer Justiermechanik der optischen Achsen bereitzustellen, die den Verlust der stereofotografierten Bereiche beim Aufnehmen der Bilder weitestgehend reduziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das vorstehende technische Problem zu lösen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in schematischen Zeichnungen dargestellt sind. Hierin zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer dreilinsigen Stereokamera, die eine Ausführung der vor­ liegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 einen Schnitt durch die dreilinsige Stereokamera;
Fig. 3 einen Schnitt der Nockenwelle in Fig. 2;
Fig. 4 eine erläuternde Darstellung der Be­ ziehung zwischen dem Brennpunkt einer fotografischen Linse und der Distanz zwischen den optischen Achsen, um die Gesichtsfelder der rechten und linken Linse in Übereinstimmung zu bringen;
Fig. 5 eine Tabelle mit beispielhaften Zahlen­ werten des Verschiebungsbetrages S1 und des Vorschubbetrages Δif der foto­ grafischen Linsen;
Fig. 6 eine Darstellung des geometrischen Ortes des Hauptpunktes der fotografischen Linsen der Stereokamera der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt einer dreilinsigen Stereo­ kamera, die eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer Linsenplatte und einer Nockenwelle in Fig. 7;
Fig. 9 eine Vorderansicht einer zweilinsigen Stereokamera, die eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 10L und 10R erläuternde Darstellungen der Resultate von Fotografien mit einer herkömmlichen Stereokamera; und
Fig. 11 eine erläuternde Darstellung des Bildver­ lustes des mit den in Fig. 10 gezeigten Bildern zusammengesetzten Stereobildes.
Nachfolgend werden die Ausführungen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße dreilinsige Stereokamera 1, mit einer Sucherlinse 2 und einem Paar einer rechten und linken fotografischen Linse 3R und 3L, die in der Mitte der Vorderseite eines Kameragehäuses horizontal in einer Reihe angeordnet sind, und deren optische Achsen parallel in einer Ebene angeordnet sind. Ein nicht-gezeigter Verschlußmechanismus ist unmittelbar über der Filmoberfläche hinter den fotografischen Linsen 3R und 3L angeordnet. Ein nichtgezeigter 45°-Reflexionsspiegel ist hinter der Sucherlinse 2, die dieselben Linseneigenschaften wie die fotografischen Linsen 3R und 3L hat feststehend angeordnet.
Wenn Licht, in die Sucherlinse 2 einfällt, wird es über einen Reflexionsspiegel auf eine obere Mattscheibe 4 fokussiert, und ähnlich wie bei einer herkömmlichen einlinsigen Spiegelreflexkamera kann über ein Pentaprisma 5 und eine Okular 6 ein aufrechtes Bild betrachtet werden.
Fig. 2 zeigt eine Entfernungseinstellmechanik mit automatischer Einstellung des Abstands zwischen den optischen Achsen der Stereokamera 1. An dem Kameragehäuse sind Verschiebeführungen 9R und 9L und Schieber 10 an beiden, der rechten und der linken Seite der Linsenplatten 8R und 8L vorgesehen, und die Schieber 10 sind mit den Verschiebeführungen 9R und 9L verbunden. Die erfindungsgemäß in einem Winkel zu den optischen Achsen ausgebildeten Verschiebeführungen 9R und 9L und Schieber 10 dienen dazu, die rechte und linke Linsenplatte 8R und 8L, die die fotografischen Linsen 3R und 3L tragen, derart zu verschieben, daß der Abstand zwischen den optischen Achsen der fotografischen Linsen 3R und 3L verändert wird. Beim Verschieben der Linsenplatten 8R und 8L werden diese erfindungsgemäß in einem Winkel zu den optischen Achsen geradlinig symmetrisch verschoben. Die Verschiebung erfolgt dabei in der Ebene der optischen Achsen. Dies ist möglich, da die Linsenplatten 8R und 8L symmetrisch auf dem Objektivträger 7 des Kameragehäuses 1 angeordnet sind. Die Linsenplatte 8C der Sucherlinse 10 ist an der Verschiebeführung 9C angeordnet, die derart ausgebildet ist, daß die Sucherlinse 10 in Richtung ihrer optischen Achse linear verschoben werden kann.
In dem Kameragehäuse ist eine teilweise ausgebildete zahnförmig evolvente Nockenwelle 11 für die horizontale Einstellung des Brennpunkts und für die gleichzeitige Veränderung des Abstands zwischen den optischen Achsen der Linsen 3R und 3L vorgesehen. An den Linsenplatten 8L, 8C und 8R sind Hebel 12L, 12C und 12R vorgesehen, die sich von den unteren Enden der Linsenplatten 8L, 8C und 8R in Richtung der Nockenwelle 11 erstrecken und mit dieser verbunden sind.
Fig. 3 zeigt die Verbindung der Hebel 12L, 12C und 12R mit der Nockenwelle 11. Eine evolvente Nocke 11a der Nockenwelle 11 greift in die Kerben von rechtwinkligem Querschnitt 13L, 13C und 13R der Hebel 12. Wenn demzufolge der Entfernungseinstellknopf 14, der an dem Ende der Nockenwelle 11 angeordnet ist, gedreht wird, werden die fotografischen Linsen 3R und 3L und die Sucherlinse 2 in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Nockenwelle 1 gemeinsam vorgeschoben oder zurückgeschoben, und durch das Okular 6 kann die Scharfeinstellung beobachtet werden. Wenn die fotografischen Linsen 3R und 3L und die Sucherlinse 2 verschoben werden, werden die fotografischen Linsen 3R und 3L entlang den Verschiebeführungen 9R und 9L derart verschoben, daß sich gleichzeitig die Distanz zwischen ihren optischen Achsen ändert, wodurch automatisch die Parallaxe der fotografischen Linse 3R und 3L bezüglich des Objekts korrigiert wird. Durch die Kombination der evolventen Nocken 11a mit den Kerben 13L, 13C und 13R mit rechtwinkligem Querschnitt ist Spiel ausgeschlossen, und daher eine exakte Entfernungseinstellung möglich.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Brennpunkt der fotografischen Linsen und dem Abstand zwischen den optischen Achsen, um die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linse 3R und 3L bei Fokaldistanz in Übereinstimmung zu bringen. Es sei angenommen, daß eine dünne Linse verwendet wird:
Brennweite der Linse: f,
Abstand von Objekt und Hauptpunkt der Linse
Gegenstandsweite (Objektweite): L,
Abstand zwischen Brennpunkt der Linse und Bildweite: Δif.
Dann gilt Δif=f²/L-f und daher ist der Abstand zwischen Hauptpunkt der Linse und Oberfläche des Films f + Δif.
Außerdem ist bei einem Mittelpunktsabstand zwischen der rechten und linken Belichtungsoberfläche der Stereokamera P₁, der horizontale Verschiebebetrag Sl senkrecht zu den optischen Achsen, um den rechten und linken fotografierten Bereich in Übereinstimmung zu bringen, für die rechte und linke Linse gegeben durch
Das bedeutet, daß bei abnehmender Objektweite L die rechte und linke Linse in eine Richtung bewegt werden können, in der sich der Abstand zwischen ihren optischen Achsen verkleinert, indem sie um einen Betrag Sl verschoben werden, der sich aus der vorstehenden Gleichung berechnet.
Die in Fig. 5 dargestellte Tabelle zeigt die Beziehung zwischen dem Verschiebungsbetrag Δif der Linsen in Richtung der optischen Achsen und dem Verschiebungsbetrag Sl senkrecht zu den optischen Achsen gemäß der vorstehenden Gleichung, für den Fall, daß die Brennweite der Linse 36 mm und der Mittelpunktsabstand P1 der rechten und linken belichteten Oberfläche 66 mm ist. Fig. 6 zeigt Δif in Abhängigkeit von Sl, wobei sich die Hauptpunkte der fotografischen Linsen auf einer gleichmäßigen exponentiellen Kurve bewegen (gepunktet).
Im Gegensatz zu der errechneten exponentiellen Kurve bewegen sich bei der erfindungsgemäßen Entfernungseinstellmechanik für die automatische Einstellung des Abstands zwischen den optischen Achsen der erfindungsgemäßen Stereokamera die Hauptpunkte der fotografischen Linsen auf der in Fig. 6 gezeigten durchgezogenen Linie und werden geradlinig verschoben. Diese durchgezogene Linie bildet im Punkt der kürzesten Aufnahmeentfernung die Tangente an die Exponentialkurve, die von der vorstehenden Gleichung errechnet ist, und hier gepunktet dargestellt ist (die kürzeste Aufnahmeentfernung ist in diesem Fall 600 mm, und der maximale Vorschubbetrag der Linse Δif = 2,30 mm). Demzufolge sind die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linse 3R und 3L bei der kürzesten Aufnahmeentfernung in Übereinstimmung. Der Verschiebungsbetrag Sl wird dabei nicht Null, wenn die Gegenstandsweite unendlich ist. In der Rechnung wurde der Korrekturbetrag der Distanz der optischen Achsen beim Fotografieren im Fernaufnahmebereich etwas größer errechnet.
Es tritt jedoch kaum der Fall auf, daß das Objekt im Nahaufnahmebereich wie vorstehend beschrieben das Hauptobjekt des Bildes darstellt, und die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linse bei Fokaldistanz in Übereinstimmung gebracht werden müssen. Wenn aber das Objekt im Fernaufnahmebereich fokussiert wird, gibt es häufig andere Objekte im Nahaufnahmebereich mit einer Gegenstandsweite, die kleiner ist als die fokussierte Gegenstandsweite. Die erfindungsgemäße Stereokamera ist demzufolge derart ausgebildet, daß bei einer Aufnahme, die auf ein Objekt im Fernaufnahmebereich fokussiert ist, die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linsen des Nahaufnahmebereichs derart in Übereinstimmung gebracht sind, wie die Gesichtsfelder der fotografischen Linsen des fokussierten Fernaufnahmebereichs. Auf diese Art und Weise kann die häufig auftretende unzureichende Distanzkorrektur zwischen den optischen Achsen, die durch den Einfluß von Objekten im Nahaufnahmebereich verursacht wird, ausgeschaltet werden, und es wird auf diese Art und Weise wird ein wirklichkeitsgetreuerer Korrekturbetrag erzielt.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Entfernungseinstellmechanik für die automatische Einstellung des Abstands zwischen den optischen Achsen. Schraubenförmig evolvente Nocken 22R und 22L sind in einem Steigungswinkel zur Achse der Nockenwelle 21, der mit dem Winkel der Verschiebungsrichtung fotografischen Linsen 3R und 3L zu den optischen Achsen der Linsen übereinstimmt, an der rechten und linken Seite der in Fig. 7 gezeigten Nockenwelle 21 vorgesehen. Eine auf der Nockenwelle 21 parallel evolvente Nocke 22C ist in der Mitte ähnlich wie bei der in Fig. 2 gezeigten Stereokamera vorgesehen.
Kerben 25R und 25L mit rechtwinkligem Querschnitt sind erfindungsgemäß senkrecht zur Verschiebungsrichtung der Linsenplatten 23R und 23L auf den Hebel 24R und 24L der Linsenplatten 23R und 23L der fotografischen Linsen 3R und 3L ausgebildet. Die schraubenförmig evolventen Nocken 22R und 22L greifen in die Kerben 25R und 25L, und die mittlere evolvente Nocke 22C greift in die rechtwinklige Kerbe 25C des Hebels 24C der Linsenplatte 23C der Linse 2.
Bei dieser erfindungsgemäßen Entfernungseinstellmechanik mit automatischer Einstellung des Abstands der optischen Achsen stimmt die Richtung der Kraftwirkung auf die Linsenplatten 23R und 23L mit der Verschiebungsrichtung der Linsenplatten durch die Rotation der schraubenförmig evoluten Nocken 22R und 22L überein. Das hat den Vorteil, daß die Verschiebung der Linsenplatten 23R und 23L gleichmäßiger wird.
Die Stereokamera der vorliegenden Erfindung korrigiert in Zusammenwirken mit der Entfernungseinstellung die Parallaxen der fotografischen Linsen 3R und 3L und für den Fall der Aufnahme im Fernaufnahmebereich wird das Objekt, das eine kleinere Gegenstandsweite als die fokussierte Gegenstandsweite hat, auf die der Brennpunkt eingestellt ist, auf dem rechten und linken Bild auf derselben Position fotografiert. Da außerdem die Distanz zwischen den optischen Achsen der fotografischen Linsen automatisch korrigiert wird, kann das Objekt, das verglichen mit der eingestellten Brennweite im extremen Nahaufnahmebereich angeordnet ist, den Korrekturbetrag der Distanz der optischen Achsen leicht verfehlen, aber der Grad an Unzulänglichkeit der Korrektur ist nicht nur gegenüber der herkömmlichen Stereokamera ohne Einstellmechanik der Distanz zwischen den optischen Achsen, sondern auch gegenüber der herkömmlichen Stereokamera mit automatischer Einstellmechanik der Distanz der optischen Achsen bemerkenswert reduziert.
Aus diesem Grunde ist es kaum nötig, beim Rahmen der Bilder auf den Stereobildrahmen die Parallaxe durch Einstellen des Abstands zwischen den Bildern zu korrigieren. Wenn ein Stereorahmen verwendet wird, der ein Fenster von gleicher Größe wie die Größe des verwendeten Bildes hat, und die Bilder an ihrer ursprünglichen Position gerahmt werden, wird das Stereobild des Objekts im Nahaufnahmebereich nicht im Nahaufnahmebereich fokussiert, sondern es wird von dem Stereobild ein natürlicher Stereoeffekt erzielt.
Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. In der zweilinsigen Stereokamera 31, die mit der vorstehenden erfindungsgemäßen Entfernungseinstellmechanik mit Einstellung der Distanz zwischen den optischen Achsen der Linsen ausgestattet ist, können anstelle des Pentaprismas ein Entfernungsbereichssucher 32 oder ein Realbildtransmissionssucher verwendet werden. Außerdem kann ein Sensorelement für die Messung der Entfernung, eine Mikroprozessoreinheit und ein Schrittmotor vorgesehen sein, um die Nockenwelle für die Einstellung der Brennweite zu steuern, und um eine herkömmliche aktive oder passive Autofokus-Steuermechanik zu bilden, wobei die Entfernungseinstellmechanik mit automatischer Einstellung des Abstands zwischen den optischen Achsen automatisch von der Autofokusmechanik gesteuert werden kann.
Mit der vorstehend beschriebenen Stereokamera der vorliegenden Erfindung werden die Gesichtsfelder der rechten und linken fotografischen Linse bei Brennweite im Nahaufnahmebereich in Übereinstimmung gebracht, die Parallaxe vollständig korrigiert wird, und die Gesichtsfelder des Nahaufnahmebereichs der rechten und linken fotografischen Linse werden bei Brennweite im Fernaufnahmebereich ebenfalls in Übereinstimmung gebracht. Demzufolge wird bei Aufnahmen im Fernaufnahmebereich die menschliche Kollimation nicht durch unnatürliche Entfernungseindrücke des Nah- und Fernbereichs beeinflußt.

Claims (4)

1. Stereokamera (1) mit zwei fotografischen Linsen (3R, 3L) auf verschiebbaren Linsenplatten (8R, 8L), wobei die optischen Achsen der Linsen (3R, 3L) zueinander parallel in einer Ebene angeordnet sind, und die Linsenplatten (8R, 8L) mit den Linsen (3R, 3L) in der Ebene der optischen Achsen geradlinig symmetrisch zueinander in einem Winkel zu den optischen Achsen derart verschiebbar sind, daß die Distanz zwischen den optischen Achsen geändert wird, wobei die Verschiebung mit der Entfernungseinstellung mechanisch gekoppelt ist, und mittels einer Entfernungseinstellmechanik erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebungsbetrag Sl in Abhängigkeit von Δif und L durch die Tangente an die Kurve der nachstehenden Gleichung im Punkt der kleinsten Aufnahmeentfernung gegeben ist wobei
Brennweite der Linsen: f;
Gegenstandsweite: L,
Abstand zwischen dem Brennpunkt einer Linse und der Bildweite: Δif,
Verschiebungsbetrag der Linsen senkrecht zu den optischen Achsen der Linsen: Sl,
Mittelpunktabstand des rechten und linken Filmbildes: P₁.
2. Stereokamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungseinstellmechanik aus einer Nockenwelle (11, 21) mit evolventen Nocken (11a, 22L) besteht, deren Nocken in Kerben (13L, 13R) eingreifen, die in Hebeln (12L, 12R, 24L) ausgebildet sind, die mit den verschiebbaren Linsenplatten (8R und 8L) verbunden sind, und an dem Kameragehäuse Verschiebungsführungen (9R, 9L) und Schieber (10) parallel zu der geradlinigen Verschiebungsrichtung ausgebildet sind, und durch Drehen der Nockenwelle (11, 21) die Entfernungseinstellmechanik betätigt wird.
3. Stereokamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (25L) einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen und senkrecht zur Verschiebungsrichtung ausgebildet sind und die Nocken (22L) schraubenförmig ausgebildet sind, deren Gewindesteigung mit der Achse der Nockenwelle (21) einen Winkel bildet, der mit dem Winkel zwischen der geradlinigen Verschiebungsrichtung und den optischen Achsen der Linsen (3L, 3R) identisch ist.
4. Stereokamera nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte zwischen den beiden Linsen (3L, 3R) eine Sucherlinse (2) angeordnet ist, deren optische Achse zu den optischen Achsen der Linsen (3L, 3R) parallel ist und mit diesen in einer Ebene liegt, und die mit der Entfernungseinstellmechanik gekoppelt ist.
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