Title:
Antriebs-System für ein Bild-Sensor und seine Optik-Begleitelemente eines Bild- oder Videoaufnahme-Geräts
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Antriebs-System für den Bild-Sensor und seine Optik-Begleitelemente, innerhalb eines Geräts, das mit einer Kamera ausgestattet ist. Das Antriebs-System ist in der Lage den Bildsensor und seine Optik-Elemente in nahezu beliebige Richtungen gesteuert schnell, lautlos zu drehen und somit auch schnell bewegliche Ziele zu erfassen, ohne dass es erforderlich ist, das ganze Gehäuse des Geräts, in dem die Kamera eingebaut ist, zu bewegen. Das Antriebs-System findet Anwendung in Geräte aller Art, die ein Bildaufnahme-Sensor aufweisen, wie z. B. Digitalkameras aller Art (auch Videokameras), Smartphone, Notebook, Smartwatch, Tablett-PC, sowie Webcams, Drohnenkameras, Fahrzeugkameras oder Überwachungskameras, Datenbrille, etc.. Die Kamera wird fast wie ein menschliches Auge bewegt oder gedreht.





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102016004674A
Publication Date:
10/19/2017
Filing Date:
04/18/2016
Assignee:
Merlaku, Kastriot, 80995 (DE)
International Classes:
G03B17/00
Domestic Patent References:
DE102008031054A1N/A2009-07-16
DE10137737A1N/A2003-03-06
Foreign References:
GB2458905A2009-10-07
67349142004-05-11
83793342013-02-19
200100176652001-08-30
59461271999-08-31
GB2439346A2007-12-27
JPH08272446A1996-10-18
Claims:
1. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts,
dadurch gekennzeichnet,
dass es mit der Kamera, die innerhalb des Kamera-Träger-Geräts in einem eigenem Gehäuse, das frei drehbar/beweglich ist, eingebaut ist, wobei das Antriebs-System aus
– mindestens einem Bimetall-Spiralfeder/Bimetall-Element, das in Form einer Spirale gebaut ist und das mit einem Ende mit der frei beweglichen Kamera und mit dem anderen Ende mit dem Träger-Gerät gekoppelt ist, das bei Erwärmung oder Erhitzung einen Drehmoment erzeugt,
– Stromleitungen, die mit dem Bimetall-Element gekoppelt sind,
– eine Auswerteeinheit oder Steuerung, die mit dem Bimetall-Element gekoppelt ist und es unter Strom setzt und dadurch es erwärmt oder erhitzt wird,
besteht.

2. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera in einem separatem Gehäuse eingebaut ist, die vorzugsweise kugelförmig gebaut ist und innerhalb des Kamera-Träger-Geräts drehbar ist, das in einer Hohlsphäre mit Lichtfenstern platziert ist, die Bestandteil der Gehäuse des Kamera-Träger-Geräts ist.

3. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bimetall-Elemente in Form von Bimetall-Spiralen/Bimetall-Spiralfeder eingebaut sind, die so angeordnet sind, dass sie die Kamera in verschiedene Achsen drehen können.

4. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Drehachse mindestens zwei gegeneinander arbeitende Bimetall-Spiralen eingebaut sind, die separat mit Strom versorgt sind.

5. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Beleuchtungselemente, vorzugsweise Leuchtdioden oder Laserdioden, dessen Licht im sichtbaren Licht Spektrum oder im Infrarot Bereich liegt, mit der drehbaren Kamera integriert sind und mit bewegbar ist/sind.

6. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoppen der Kamera in einer bestimmten Position über einen in die Hohlsphäre eingebauten elektromagnetisch herausfahrbaren Stift und die dazugehörige Elektromagnet-Spule, der die Kamera berührt und am Weiterdrehen hindert, erfolgt.

7. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zweifach vorhanden ist und für eine 3D-Bilderfassung konzipiert ist.

8. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera aus dem Kamera-Träger-Gerät elektromagnetisch leicht herausfahrbar ist.

9. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Auswerteeinheit oder die Steuerung mit einem Schall-Quellen-Erfassungs-System gekoppelt ist, das so konzipiert ist, das die dementsprechende Bimetall-Spiralen aktiviert werden, wodurch die Kamera in Schall-Quelle-Richtung sich dreht.

10. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera in einer Kardanaufhängung angebracht ist, an deren Achsen mindestens je eine Bimetall-Spiralfeder eingebaut ist.

11. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera gesteuert innerhalb des Träger-Geräts in die optische Achse rotierbar ist.

12. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder, die mit der Kamera und der Hohlsphäre gekoppelt ist, als Rückstellefeder eingebaut ist.

13. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera am Rande oder am Eck des Kamera-Träger-Geräts eingebaut ist.

14. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera lediglich auf einer Achse drehbar ist mit zwei Bildmotiv-Erfassungs-Hauptpositionen von 0° und 180°, wobei 0° für Bild-/Video-Aufnahmen aus der Vorderseite und 180° für Bild-/Video-Aufnahmen aus der Rückseite des Kamera Träger-Geräts bedeutet.

15. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Bildmotiv-Erfassungs-Zwischen-Positionen von 0° bis 180° einnehmen kann.

16. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor der Kamera nicht flach, sondern vielmehr gebogen/konkav gebaut ist.

17. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bimetall-Element oder die Bimetall-Spiralfeder nicht direkt durch einen Stromfluss, sondern indirekt durch einem Heizelement/feine Heizspirale/Heizwendel oder eine Glühwendel, ähnlich gebaut wie bei Glühbirnen, die das Bimetall-Element oder die Bimetall-Spiralfeder berührt oder in dessen/deren unmittelbarer Nähe platziert ist und diese bei Aktivierung erwärmt, eingebaut ist.

18. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement ein Halbleiter- oder Keramik-Heizelement ist.

19. Antriebs-System für eine Kamera eines Bild- und/oder Videoaufnahme-Geräts/Kamera-Träger-Geräts nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bimetall-Elemente oder die dafür vorgesehene Heizelemente mit Halbleiter-Dioden gekoppelt sind, die einen Strom abhängig von der Stromflussrichtung auf einen bestimmten Bimetall-Element oder dessen Heizelement umleiten.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Antriebs-System für den Bild-Sensor und seine Optik-Begleitelemente (praktisch Bildaufnahme-Geräte und Kameras aller Art), innerhalb eines Geräts, das mit einer Kamera ausgestattet ist. Das Antriebs-System ist in der Lage den Bildsensor und seine Optik-Elemente (sein komplettes Linsen-System) 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 Antriebs-System findet Anwendung in allen Geräten, die ein Bildaufnahme-Sensor aufweisen, wie z. B. Digitalkameras aller Art (Videokameras, Kleibildkameras, digitale Spiegelreflex Kameras), Notebook, Smartwatch (eine Art Armbanduhr mit PC-ähnliche oder Smartphone Funktionen), Tablett-PC, sowie Webcams, Drohnenkameras, Fahrzeugkameras oder Überwachungskameras, Datenbrille, Mobil-Telefon, unter anderen Smartphone, Endoskopie-Kamera, medizinische Geräten aller Art, die eine Kamera aufweisen, etc.. Das Antriebs-System ist in der Lage den Kamera-Sensor und dessen Optik in all diese Geräte zu bewegen oder zu drehen und das gesteuert in beliebige Richtung. Nicht das ganze Träger-Gerät der Kamera wird bewegt oder gedreht, sondern lediglich der Bildsensor mit seiner Optik innerhalb des Träger-Geräts, fast wie ein menschliches Auge.

Insbesondere ist das System perfekt für kleine Geräte geeignet, die eine Kamera aufweisen, wie z. B. Mobiltelefone (Smartphone), Tablett-PC-s, Notebooks/Netbooks, Datenbrille, Smartwatch, unbemannte ferngesteuerte Drohnen, Roboter, Endoskope, etc.

Nahezu jedes Tablett-PC, Notebook oder Mobiltelefon/Smartphone weist heutzutage eine eingebaute Kamera auf, meistens davon 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, die solche Dienste anbieten (z. B. Facebook, Skype, Tanga, Viber, X8, Cobra, Aquila, etc.) zu ermöglichen. Weil der Einbau einer Kamera aufwändig ist und auch weil die Teile nicht ganz 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 besetzt das meiste Platz in einem Smartphone der Akku. 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, es liegt am Interesse der Benutzer, Bilder oder Videos mit hoher Qualität zu übertragen. Zudem viele Menschen sich selber fotografieren (sog. Selfies), ist eine gute Bildqualität von der Frontkamera wünschenswert. Für die Film-/Video- oder Bild-Aufnahme wird bei einem Mobiltelefon ein Bild-Sensor verwendet, nach dem sich auch die Bildauflösung richtet. Bedingt durch die kleine Abmessungen der optischen Linse sowie sehr kleine Sensoren ist die Bildaufnahme besonders anfällig für Bildrauschen. Auch bei guten Lichtverhältnissen können nur mäßig wertige Bilder erzeugt werden, verglichen mit herkömmlichen Digital-Kameras. Es ist ja auch klar, das bei solche extrem kleinen Bild-Sensoren und auch Mini-Linsen nur wenig Licht aus dem Umfeld, bzw. Bildmotiv ankommt und die fehlende Lichtinformation über elektrische Wege kompensiert wird. Hinzu kommt auch dass die Sensor-Mikro-Bauteile in sehr engem Raum angeordnet sind, was zu Feld-Wechselwirkungen kommt und bei den Daten-Signalen kein „sauberer Transport. gewährleistet werden kann, was zum Bildrauschen führt. Erst wenn Organik-Photo-Sensor Technologie auf dem Vormarsch kommt, dann werden die Bilder weitgehend besser.

Der Einbau von zwei Kameras in einem Smartphone erfordert nicht nur den Einbau von zwei Kamerasensoren, beziehungsweise Bildsensoren, sondern auch die Optik-Begleitelemente die in einem Bildaufnahme-Optik-System dazugehören, wie zum Beispiel die optische Linsen, Bildkorrekturelemente, Bildstabilisatoren, sowie eine Steuerung dazu. Auch die Software muss die beiden Kameras separat steuern können, was auch die Bedienung eines Smartphone mehr oder weniger komplizierter macht.

Die Erfindung in einem Smartphone (Mobiltelefon mit PC-Eigenschaften) eingebaut, ersetzt praktisch komplett die zweite Kamera, weil diese elektrisch drehbar ist und kann sowohl von der Rückseite, als auch von der Vorderseite Bilder oder Videoaufnahmen machen. Insbesondere für kleine Geräte, wie z. B. Flugdrohnen, Datenbrille, Tablett-PC ist die Erfindung perfekt geeignet.

Es gibt zahlreiche Antriebssysteme, die geeignet sind, um eine Kamera zu bewegen. Meistens werden Elektromotoren (in der Regel Schrittmotoren) und oft auch kleine Getriebe eingesetzt, die die Kamera hin und her schwenken können. Allerdings sind die Elektromotoren und Getriebe mit einigen Nachteilen verbunden. Diese sind nicht unendlich klein zu bekommen, bringen dementsprechenden Gewicht mit sich, können für Störungen anfällig sein (z. B. Staub oder Feuchtigkeit), sind nicht absolut lautlos und auch nicht super schnell in Bewegung, wenn eine schnelle Schwenkung der Kamera erreicht werden soll.

Die Anmeldung GB 2439346 beschreibt eine Aufhängung (Gimbal) für eine Kugel, die ohne mechanischen Kontakt, rein elektromagnetisch erfolgt. Dort wird eine Kugel in einem Elektromagnet-Käfig gehalten, die dann gedreht werden kann. In der Kugel kann eine Kamera eingebaut werden. Sowohl der drehbare Körper, als auch die Stator-Hülle 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 Kamera-Sensor und die Elektromagneten sind mit elektrischen Leitungen gekoppelt, die wiederum an dem Stator gekoppelt sind, was zu Anfälligkeit bei der Bewegung der Kamera und der Elektromagneten führt. Diese Anordnung ist zu kompliziert und wirtschaftlich uninteressant für kleine Geräte, wie z. B. Mobiltelefone, Webcams, Fahrzeugkameras, oder Drohnenkameras.

Um eine Kugel zu drehen, werden zahlreiche Methoden beschrieben.

Die Anmeldung JP 080272446 beschreibt eine Vorrichtung, die zum Bewegen von Figuren auf einer Sphäre dient. Die Bewegung kann in beliebige Richtungen, innerhalb physikalische Einschränkungen oder festgelegten Parametern, stattfinden.

Die Anmeldung US 5413010 beschreibt einen Elektromotor, der einen sphärischen Rotor aufweist.

Die Anmeldung US 5280225 beschreibt eine Vorrichtung, die ein Antriebs-System für einen sphärischen Körper konzipiert ist. Hier wird eine Sphäre im Prinzip eines Schrittmotors in mehrere Achsen gedreht. Diese Methode findet vielmehr in Robotik-Bereich Anwendung.

Die Anmeldung U.S. Pat. 3178600 zeigt eine Struktur mit sphärisch angeordneten Spulen an, wobei eine Rotation eines Körpers auf einer Achse zulässig ist.

Die Anmeldung U.S. Pat. 3260475 zeigt einen speziellen Elektromotor, dessen Rotor sphärisch gebaut ist und für Weltraum-Fahrzeuge konzipiert ist. Der dabei entstehendes Drehmoment kann in verschiedene Richtungen entfaltet werden, somit auch das Fahren in verschiedene Richtungen, ohne spezielle Lenkvorrichtungen oder Getriebe, möglich.

Auf dem Markt gibt es Webkamera für Laptops, die drehbar sind. Allerdings die Drehung erfolgt per Hand, rein mechanisch (direktes Anfassen der Webcam-Gehäuse mit der Hand).

Eine Art Webcam, die ebenso auf dem Markt sich befindet, kann sich elektrisch bewegen, ist allerdings über Elektromotoren und ein kleines Getriebe angetrieben. Die Bewegungs-Reaktionsgeschwindigkeit ist nicht besonders hoch.

Es werden Kamera-Systeme für Smartphone beschrieben, auch solche die drehbar sind, allerdings fast alle mechanisch. Mehrere Smartphone-Hersteller haben Smartphone 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 einige 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 auf einer Achse gedreht werden. Man könnte theoretisch auch eine in mehrere Richtungen drehbaren 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: z. B. der herkömmliche Antrieb (meistens über Schrittmotoren und Getriebe) wäre zu groß, anfällig, würde die Ästhetik des Träger-Geräts zunichte machen und auch die Verkabelung müsste so konzipiert werden, dass diese nicht abreist, wenn die Kamera hin und her gedreht wird.

Bei den aufgelisteten Anmeldungen, wobei eine Kugel gedreht wird, sind die dort beschriebenen Systeme ziemlich kompliziert, nicht ohne großen Aufwand in sehr kleinen Maßstab hin zu bekommen und auch relativ anfällig.

Es gibt ähnliche Prinzipe, die auch auf einem Mobil-Telefon, Laptop, Tablett-PC usw. theoretisch übertragbar sind.

Es gibt auch Methoden, ein Bildsensor in die Kamera drin leicht hin und her zu schwenken. Die optischen Elemente bleiben dabei statisch. Mit solchen Methoden werden Bildstabilisierungen vorgenommen, allerdings ist die Blickfeld-Änderung dabei nur sehr klein, sodass keine großartigen Effekte zu erwarten sind. Zudem sind hier physikalische Grenzen gesetzt: je weiter der Bildsensor sich bewegt, desto verzerrter wird das Bild, weil der Sensor sich auf dem Blickfeld bzw. Fokus-Punkt der einfallenden Lichtstrahlen bewegt. Die optischen Elemente folgen die Sensorbewegung nicht mit. Ähnlich funktioniert eine Methode, wobei nur eine der Linsen (oder eine Gruppe von denen) sich hin und her schwenken kann. Auch hier treten Nachteile auf, in Form von Bildverzerrung bei großen Schwenk-Amplituden. Hier wird der einfallende Lichtstrahl mehr oder weniger verzerrt, je nachdem, wie groß die Schwenk-Amplitude der Linse ist.

Die namhafte Hersteller (z. B. SONY, Panasonic, etc.) bauen elektromagnetisch bewegbare Linsen in Smartphone-Kameras oder bei anderen hochwertigen Geräten. Die Linse ist dabei entlang der optischen Achse hin und her bewegbar. Auf diese Weise funktioniert die automatische Autofokus-Einstellung, bei hochwertigen Kameras.

Wie beschrieben, es gibt genügend elektrische Antriebe für Kameras (Überwachung-Kameras, IP-Webcams, etc.), aber es werden dort für den Antrieb hautsächlich Elektromotoren und auch Getriebe eingesetzt. Die Antrieb-Systeme sind dort zu grob, zu langsam und es ist nahezu unmöglich oder sehr aufwändig diese auf Reiskorn-Größe zu verkleinern.

Für besseres Verständnis werde ich ab hier jedes Gerät, das eine Kamera aufweist, Träger-Gerät nennen. Das kann z. B. eine Videokamera, Kleibildkamera, Spiegelreflex Kamera, Notebook, Smartwatch (Armbanduhr mit PC-Funktion und/oder eingebauten Mobiltelefon-Eigenschaften), Tablett-PC, Webcam, Drohne, Fahrzeug, Flugzeug, Rakete, Roboter, Überwachungskamera, Datenbrille, Mobil-Telefon – unter anderen Smartphone, Extrem-Sport-Kamera, TV-Studio-/Kino-Film-Kamera, SteadyCam, etc. sein.

Der in den Patentansprüchen 1 bis 19 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Antriebs-System für Kameras aller Art zu schaffen, das in der Lage ist, die Kamera innerhalb eines Träger-Geräts flüssig und lautlos, mit dem Bewegungs-Effekt fast wie das des menschlichen Auge, zu drehen.

Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 bis 19 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Vorteile der Erfindung sind:

  • – die Kamera dreht sich innerhalb des Träger-Geräts (also z. B. keine Schwenkung eines Smartphone notwendig, um ein Zielobjekt, das etwas links oder rechts beim Fotografieren liegt),
  • – macht recht fließende Bewegung,
  • – lautlos in Bewegung
  • – bringt kaum Zusatz-Gewicht mit,
  • – extrem gut für kleine Geräte, vorzugsweise Smartphone/Mobiltelefone geeignet,
  • – keine Verschleißteile, daher sehr langlebig,
  • – eine recht flotte Änderung der Drehrichtung der Kamera möglich,
  • – optimale Verwendung auch auf bewegende/fliegende Träger-Geräte, wie Fahrzeuge, Hubschrauber, Raketen, Drohnen, Tablett-PC-s,
  • – optimal für Video-Überwachungs-Geräte,
  • – optimal auch für Film-/TV-Studio-Zwecke
  • – Verfolgung eines beweglichen Objektes
  • – günstiges System in der Herstellung und einfache Vorrichtung.

Die Erfindung ist ein Antriebssystem für die Kamera, oder vielmehr für den Bildsensor und seine optische Begleitelemente, das in der Lage ist, ein zu fotografierendes Ziel zu verfolgen, eine Videoaufnahme von einem beweglich Objekt oder Person zu machen, beziehungsweise eine automatische Rotation des Bildsensoren und seiner Optik-Elemente zu erreichen, um Bilder oder Videoaufnahmen von hinten und/oder von vorne (mit nur einem Bildsensor zu realisieren). Ein extrem kleines bewegliches Kamera-System, dass auch in einem kleinem Kamera-Träger-Gerät, insbesondere in einem Mobil-Telefon (Smartphone), Tablett-PC, Webcam, Armbanduhr etc. integrierbar ist, dass in der Lage ist, ähnlich wie das Auge eines Menschen oder sogar schneller sich zu bewegen und innerhalb vorhandenen Parametern das Blickfeld dynamisch zu erfassen. Das Antriebssystem ist recht flott, lautlos und kann innerhalb des Kamera-Träger-Geräts, die Kamera dynamisch und schnell zu bewegen, drehen oder auch zu rotieren, sodass Bildaufnahmen aus verschiedene Blickwinkel, und auch aus der Rückseite und Vorderseite des Träger-Geräts 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 Optik-Elemente innerhalb des Träger-Geräts nach vorne oder nach hinten gerichtet werden sollte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 17 erläutert. Es zeigen:

1 eine Variante, wobei die Kugel-Kamera einfach an Bimetall-Spiralfedern befestigt ist,

2 zeigt eine Variante, die eine Kardanaufhängung aufweist.

3 eine Variante mit mehrere Bimetall-Spiralfedern,

4 zeigt eine Variante, wobei nicht nur der Bildsensor sondern auch eine Art Beleuchtung, die das Blickfeld des Sensors beleuchtet, bewegbar eingebaut ist.

5 eine vereinfachte Teil-Kardanaufhängung, mit nur zwei Achsen

6 ist eine Variante mit Bimetall-Elementen, in Form von Bändern oder Streifen

7 eine spezielle Variante mit einem aus elektroaktiven Kunststoff gebauten Licht-Fenster,

8 eine 3D-Kamera

9 eine leicht herausfahrbare Kamera

10 zeigt eine Variante, die mit einem Schall-Quellen-Erfassungs-System ausgestattet ist.

11 einen Konkaven Bildsensoren,

12 eine Variante, wobei das Stoppen der Kugel-Kamera in einer bestimmten Position über einen elektromagnetisch herausfahrbaren Stift erfolgt,

13 eine Variante, die in einem Smartphone eingebaut ist, wobei die Kugel-Kamera zusätzlich in der optischen Achse rotierbar ist.

14 (a, b, c, d) einige Einsatz-Beispiele der Erfindung,

15 einen Smartphone, bei dem die Kugel-Kamera am Rand oder am Eck eingebaut ist,

16 eine Variante, wobei feine und sehr kleine Heizspiralen (Heizwendel) die Bimetall-Elemente erwärmen,

17 die Heizwendel oder Glühwendel, die mit je einer Diode ausgestattet sind.

Der Kamera-Sensor 1 und seine optischen Begleitelemente 2 sind vorzugsweise in einem kleinen kugelförmigen Gehäuse 3 angebracht (ab hier wird das Gehäuse Kugel-Kamera genannt), dass in einem Hohlsphären-Gehäuse 4 (ab jetzt wird diese nur Hohlsphäre genannt), das nur bisschen grösser als die Kugel-Kamera ist, angebracht ist. Die Kugel-Kamera kann einfach lose und frei drehbar in der Hohlsphäre platziert werden, wobei eine oder mehrere Bimetall-Spiralfeder 5 mit der Kugel-Kamera an einem Ende und mit der Hohlsphäre am anderen Ende verbunden sind (1). Oder sie kann in eine einfache Kardanaufhängung 8 angebracht werden, wobei in diesem Fall, die Kugel-Kamera 3 nicht mehr (oder nur selten) die Hohlsphären-Wand berührt (2). Die Hohlsphäre 4 ist bei einigen Varianten statisch angebracht, also unbeweglich, nur die Kamera-Kugel drin bewegt sich.

Speziell eine Kamera in einem Tablett-PC, I-PAD, I-Phone, Smartphone oder anderes Mobil-Telefon, kann so eingebaut, dass sie in dem Gehäuse drin 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 eine Hohlsphäre platziert, ähnlich wie das menschliche Auge in seine Hohlraum sich befindet, die durchsichtig ist oder zumindest in einem Teil einen Fenster aufweist, durch die die Kugel-Kamera das Licht von der Umgebung bekommt. Die Kugel-Kamera ist komplett mit Bildsensor 1, Elektronik-Bauteile und begleitende Optik-Elemente 2 (z. B. Linsen, Mini-Prismas, etc.) ausgestattet. Die Kugel-Kamera 3 wird nicht wie herkömmlich durch Getriebe oder Elektromotoren gedreht (auch nicht manuell durch Berührung), sondern durch einen oder mehrere Bimetall-Spiralfedern 5 oder Bimetall-Streifen 33 elektrisch gesteuert in gezielte Richtung gedreht oder geschwenkt. Die Schwenkung, bzw. die Drehung kann in einer oder mehreren Achsen 7 erfolgen. Multi-Achsendrehung kann durch eine Kardan-Aufhängung 8 realisiert werden, falls die Kugel-Kamera 3 die Hohlsphären-Wand nicht berühren soll (2). Allerdings die einfachste Variante sieht vor, dass die Kugel-Kamera, insbesondere bei kleinen Geräten, in die Hohlsphäre 4 einfach frei beweglich drin steckt, wobei diese durch Bimetall-Spiralfeder 5 gehalten und auch gedreht wird. Die Kugel-Kamera 3 muss nicht unbedingt gelagert sein. Sie kann die Wände der Hohlsphäre berühren, allerdings ist ihr Gewicht sehr klein und dadurch entsteht kaum Reibung, wenn sie hin und her durch Bimetall-Spiralfedern gedreht wird. Das Material, aus dem die Kugel-Kamera-Gehäuse und die Hohlsphäre bestehen, soll kratzfest sein (zumindest die Flächen-Beschichtungen, die auf einander reiben werden) und möglicherweise auch selbstschmierend sein (zumindest an manchen Bereichen). Der Stromsignal-Transfer zu dem Bildsensor erfolgt durch eine flexible Leitung 9 oder durch die Bimetall-Spiralfeder selbst. Die Kamera kann zwar auch andere Formen haben (z. B. wie ein Ei, oval förmig) oder auch mit kleinen Kanten versehen, allerdings die Form einer Kugel ist am besten dafür geeignet. Die Kugel-Kamera ist mit Bimetall-Spiralfedern gekoppelt, die ebenso am anderen Enden mit der Hohlsphäre verbunden sind. Sie wird in beliebige Richtung, alleine durch Ausdehnung der Spiralfeder bei Temperatur-Erhöhung, wobei in deren Zentrum ein Drehmoment entsteht, geschwenkt oder gedreht. Sobald eine Bimetall-Spiralfeder unter Strom steht, wird diese durch die innere Stromwiderstand schnell erwärmt und ein Drehmoment auf der Mittigen Punkt der Spirale aufgebaut. Die Bimetall-Spiralfeder ist sehr dünn gebaut, weil diese schnell und mit sehr wenig Strom erwärmt werden muss und ebenso sich schnell abkühlen soll, wenn der Strom abgeschaltet wird. Schließlich werden für die Bewegung einer sehr kleinen Kamera in einem Mobiltelefon nur schwache Drehmoment-Kräfte benötigt. Die Kugel-Kamera wird durch die Bimetall-Spiralen, je nachdem welche der Spiralen aktiv, ist, beliebig in jede Richtung, schnell und lautlos gedreht. Abhängig davon, welche der Bimetall-Spiralfedern aktiv ist, bzw. unter Strom steht, wird eine Schwenkung der Kugel-Kamera in die Richtung ausgeführt, die dem Drehmoment der aktiven Bimetall-Spiralfeder entspricht. Weil die Bimetall-Spiralfeder/-Streifen bei Erwärmung nur in eine Richtung die Kugel-Kamera drehen können, und bei Abkühlung zurückdrehen, sind für jede Achse 7 mindestens zwei davon gegeneinander arbeitende Bimetall-Spiralfeder 5/-Streifen 33 notwendig, um eine aktive Schwenkung der Kugel-Kamera 3 in die gewünschte Richtung zu erreichen. Wird einer davon aktiviert, wird die Kugel-Kamera in die Richtung auch gedreht, trotz der leichten Widerstand der mechanischen Spannung der Gegenspirale. Kühlt die Bimetall-Spiralfeder ab, dreht sich die Kugel-Kamera wieder in Ausgangsposition zurück. Wird das andere spiralfederförmiges Bimetall-Element aktiviert, dreht sich die Kugel-Kamera dann in die andere Richtung. Eine Steuerung 6 sorgt dafür, dass die Erwärmung der Bimetall-Spiralfeder/-Streifen exakt erfolgt und die bestimmte Position der Kugel-Kamera auch hält. Weil zwei gegeneinander arbeitende Bimetall-Spiralfeder/-Streifen immer auf einer Schwenkachse 7 eingebaut sind, werden automatisch die Temperatur-Schwankungen von außen ausgeglichen, weil beide Elemente im stromlosen Zustand (inaktiv) gleichmäßig warm oder kalt sind. Der Antrieb mit Bimetall-Spiralfedern/-Streifen ist zwar nicht für extrem schnelle Schwenkungen geeignet, ist allerdings auch ziemlich präzise steuerbar, arbeitet wartungsfrei und zuverlässig. Selbstverständlich sind mit solchen Bimetall-Elementen keine großartigen Bewegungen zu erreichen, weil sie irgendwann dann auch gegenseitig stören, aber eine Schwenkung um mehrere dutzende Winkelgrade ist damit erreichbar. Je dünner und kleiner die Bimetall-Elemente sind, desto schneller die Reaktion ist und auch kleiner der Stromverbrauch. Das Aufrechterhalten einer Position der Kugel-Kamera wird durch ständige, präzise gesteuerte Erwärmung der bestimmten Bimetall-Elemente erreicht, bzw. durch die Aufrechterhaltung des elektrischen Stromflusses. Erhöht sich die Spannung und damit selbstverständlich der Stromfluss, wird auch die Temperatur in dem Bimetall-Element erhöht, somit ein stärkeres Drehmoment erzeugt wird. Dadurch, dass die Bimetall-Elemente sehr dünn sind und nur geringe Masse haben, ist eine Reaktions-Trägheit kaum spürbar. Diese Methode ist relativ einfach und funktioniert auch sehr zuverlässig und vollkommen wartungsfrei. Vor allem hier sind keine weitere Einbau-Maßnahmen notwendig: lediglich die Bimetall-Elemente (z. B. Bimetall-Spiralfeder auf die Drehachsen einbauen, mit Strom-Leitungen 10 an der Steuerung 6 koppeln und fertig ist der Antrieb. Sobald feine, exakt gesteuerte Ströme durch die Bimetall-Elemente fließen, werden sie mehr oder weniger erwärmt und eine Ausdehnung absolvieren. Weil diese spiralförmig geformt sind, wird dabei ein Drehmoment erzeugt, der eine Drehung der Kugel-Kamera bewerkstelligt (ähnlich wie die früheren einfachen Bimetall-Thermometer mit Bimetall-Spiralfeder drin). Selbstverständlich müssen die Bimetall-Spiralfeder nicht glühend heiß erhitzt werden, sondern es reicht eine Temperatur von 10–40° über die Umgebungstemperatur, um vernünftige Drehmomente zu erzeugen. Die Kugel-Kamera ist ja bei kleinen Geräten, wie z. B. Mobiltelefone (Smartphone), Notebooks oder Tablett-PC-s sehr klein, wiegt nur paar Gramm und diese kann mit sehr wenig Kraft gedreht. Die Bimetall-Elemente belasten auch nur wenig oder kaum den Akku des Kamera Träger-Geräts, weil der Stromverbrauch sehr gering ist. Die sehr dünnen Spiralfeder können mit niedrige Spannungen (z. B. niedriger als 3,7 V) und Ströme von unter 10 mA erwärmt werden. Die Aufgabe der Auswerteeinheit oder der Steuerung, die die Spiralfeder mit Strom versorgt, ist es, abhängig von der notwendige Drehung der Kamera eine bestimmte Spannung auf die dementsprechenden Bimetall-Spiralfeder freizugeben, damit diese mit der angestrebten Temperatur zu erwärmen. Die Erwärmung erfolgt blitzschnell, weil die Spiralfeder sehr dünn ist, einen hohen elektrischen Widerstand hat und nur eine geringe Masse hat. Ebenso schnell erfolgt die Abkühlung, wenn der Stromfluss unterbrochen wird. Das ermöglicht relativ schnelle Bewegungen der Kugel-Kamera. Die Kugel-Kamera ist über mehrere Bimetall-Spiralfeder mit der Hohlsphäre gekoppelt (3), an deren Zentrumen die Drehachsen für die Kugel-Kamera sich befinden. Mehrere solche Bimetall-Spiralfedern 5, die in zweidimensionalen Achsen oder sogar dreidimensional angeordnet sind, ermöglichen dadurch zwei- oder dreidimensionale Dreh-Bewegungen der Kugel-Kamera-Gehäuse. Eine Bewegung der Kugel-Kamera in zwei Achsen wäre vollkommen ausreichend für unsere Zwecke. Je weniger Masse die Spiralfeder besitzen, desto schneller ist deren Reaktion, bzw. Bewegung. Um eine Schwenkung in eine beliebige Richtung in zwei Achsen zu erreichen, sind mindestens vier solche Bimetall-Elemente notwendig (je zwei pro Drehachse, gegenseitig arbeitend angeordnet). Auf der 6 ist eine einfache Variante dargestellt worden, wobei die Kugel-Kamera einfach an Bimetall-Spiralfeder hängt und durch deren Aktivierung in bestimmte Drehrichtungen angeregt. Durch eine Interaktion der Software, die auch die Steuereinheit für das Antriebs-System kontrolliert, wird die Kugel-Kamera geschmeidige Bewegungen absolvieren, während sie ein Ziel verfolgt.

Durch die Software (hauptsächlich über die des Träger-Geräts) unterstützt, kann das zu fotografierende Ziel dadurch erfasst und verfolgt werden, wenn es sich nicht allzu schnell bewegt, wobei es stets nahezu mittig auf dem Videoaufnahme Bilder bleibt, auch bei Einzel-Bildaufnahmen. Sogenannte Face Tracking kann damit realisiert werden, weil die Kamera das Gesicht einer bewegenden Person durch ihre Drehung verfolgen könnte und das Gesicht stets in die Mitte der aufgenommenen Bilder platzieren. Der Versuch des zu fotografierenden Objekts aus der Mittigen Bereich des Bildsensor-Erfassungs-Winkels sich fortzubewegen, wird durch Schwenkung der Kugel-Kamera voll kompensiert, bis das Ende des gesamten Blickfeldbereichs erreicht ist. Das geht ähnlich, so wie ein Mensch mit seinen Augen ein bewegendes Objekt verfolgt, ohne sich dabei den Kopf zu drehen. Die Kugel-Kamera kann auch komplett nach hinten gedreht werden, wobei eine zusätzliche Rückkamera entfallen würde (insbesondere interessant für Mobiltelefone).

Die Kamera aus der Erfindung hier hat deutlichen Vorteilen gegenüber der Stand der Technik. Diese Kamera wird innerhalb des Träger-Geräts über Bimetall-Spiralfeder oder Bimetall-Streifen gedreht, wobei die Drehung relativ schnell und lautlos erfolgt. Die Kamera hier wird nicht nur hin und her gedreht, sondern auch eine Zielverfolgung realisiert (eine automatische Zielverfolgung kann damit problemlos realisiert werden). Weil hier nicht das ganze Kamera-Träger-Gehäuse 11 sich dreht, sondern nur das Teil, bzw. das kompakte extra Gehäuse 3 in dem der Bildsensor 1 und seine Optik 2 sich befinden, ist eine relativ schnelle Schwenkung möglich. Die Kugel-Kamera 3 würde hier wie ein Auge eines Menschen hin und her schauen.

Für die Drehung der Kugel-Kamera werden die von Bimetall-Spiralen durch Erwärmung erzeugten differenzierten Ausdehnungen, die in Drehmoment umgewandelt werden, angewendet. Natürlich findet hier keine 360° Drehung statt, die kontinuierlich anhält, wie bei einem Elektromotor, sondern vielmehr sind diese leichte Schwenkbewegungen. Die Bimetall-Spiralfedern bestehen aus mindestens zwei Metalle oder Legierungen, die verschiedene Dehn-Fähigkeiten bei bestimmten Temperaturen aufweisen. Das Phänomen ist schon längst bekannt und wurde früher bei mechanischen Thermometern eingesetzt. Die waren mit einer Bimetall-Spiral-Feder ausgestattet, die bei Temperaturschwankungen sich gedreht hat und somit wurde die Temperatur ermittelt. Die Drehung erfolgt, wie bereits bekannt, durch den unterschiedlichen Dehnkoeffizienten von den zwei Metallschichten, aus denen die Spiralfeder besteht. Weil dort eingesetzte Bimetall-Spiralfeder ziemlich dick war, hat es ein bisschen länger gedauert, auch bei schnellen Temperaturunterschieden, bis der richtige Wert angezeigt wurde, weil die Bimetall-Feder etwas träge wirkt, bzw. erstmal erwärmt (oder abgekühlt) werden muss. Das gleiche Prinzip wird hier auch für die Drehung der Kamera eines Smartphones oder eines anderen Kamera-Träger-Geräts eingesetzt. Hier kann man mehrere Bimetall-Spiralfedern einsetzen, die die Kugel-Kamera in jede Richtung drehen können. Zudem kann man pro Drehachse zwei Bimetall-Spiralfedern einsetzen, die gegenseitige Drehmomente erzeugen. Außerdem es wird nicht gewartet bis Umgebungs-Temperaturunterschiede entstehen, sondern die Bimetall-Spiralfedern werden gezielt unter Strom gesetzt und aktiv damit erwärmt. Der innere Strom-Widerstand der Bimetall-Spiralfeder wird für die Erwärmung benutzt. Man kann zusätzlich eine feine Heizspirale/Wedel 12 wie bei Glühbirnen einbauen, die die Bimetall-Spiralfeder berührt und diese bei Aktivierung erwärmt, ist aber nicht unbedingt notwendig. Eine Drehung der Kugel-Kamera in zwei Achsen wäre voll ausreichend und würde dafür lediglich zwei oder vier Bimetall-Spiralfeder benötigen. Eine vereinfachte Teil-Kardanaufhängung 13, mit nur zwei Achsen kann sehr gut dafür geeignet sein. Diese Aufhängung 13 besteht, wie auf dem Bild 5 dargestellt, aus lediglich einem viertel Kreis langen Arm 14, der an beiden Enden mit je einem Drehgelenk 15 ausgestattet ist. An einem Drehgelenk ist die Kugel-Kamera befestigt und am anderen ist die Hohlsphäre gekoppelt. An den Drehgelenken ist je eine Bimetall-Spiralfeder eingebaut, die eine Drehung des am Gelenk angebrachten Körpers bei Stromfluss bewirken kann. Der Stromfluss ist für jede Spiralfeder separat durch separate flexible Leitungen gewährleistet.

Die beiden gegeneinander arbeitenden Bimetall-Spiralfedern 5, die an dieselbe Drehachse eingebaut sind, können an beiden Enden miteinander elektrisch verbunden werden, wobei einfach mit je eine Halbleiter-Diode gekoppelt werden, die in Gegen-Strom-Leitrichtung mit Bimetall-Spiralfedern elektrisch verbunden sind. Der Strom, der auf beiden Spiralfedern gleichzeitig fließen sollte, wird durch die Halbleiterdioden selektiert und je nach Stromfluss-Richtung auf eine oder die andere Bimetall-Spiralfeder selektiert werden. Um die Erwärmung von nur einer davon zu erzielen, ist je eine kleine Halbleiterdiode eingebaut, die zu der Halbleiterdiode der anderen Bimetall-Spirale entgegen gerichtet ist, wobei die Erwärmung der einzelnen Bimetall-Spiralfeder durch Strom-Fluss-Umpolung erzielbar ist. In dem Fall, z. B. der Stromfluss von A nach B, würde über die Spiralfeder 5A fließen und dann über die Halbleiterdiode 16A auf das Gegenpol. Wenn der Stromfluss von B nach A fliesst, dann über die Spiralfeder 58 und über Halbleiterdiode 16B auf das Gegenpol. Weil die Bimetall-Spiralfedern einen größeren Stromwiderstand als die Halbleiterdiode in Stromflussrichtung haben, fließt kaum Strom über die zweite Spiralfeder, die durch die Halbleiterdiode kurzgeschlossen wird, sondern über diese. Für die Schwenkung in die Senkrechte Achse 7A wird die Bimetall-Spiralfeder 5A aktiviert. Um eine Schwenkung in die waagerechte Achse 7B zu realisieren, wird die Bimetall-Spiralfeder 5B unter Strom gesetzt und dadurch erwärmt.

Der Einbau von vier Bimetall-Spiralfedern (paarweise und in Entgegengesetzte Drehrichtung eingebaut) ermöglicht eine präzisere Drehung der Kugel-Kamera.

Weil die Kugel-Kamera innerhalb der Hohlsphäre drehbar ist, kann diese sowohl als Rückkamera als auch Frontkamera benutzt werden. Selbstverständlich dreht sich die Kugel-Kamera dabei nicht unkontrolliert, sondern diese wird sehr genau über die Steuerung der Bimetall-Spiralen auf gewünschtes Blickfeld positioniert. Das Anhalten in der gewünschten Position kann durch Aufrechterhaltung der Temperatur der aktiven Bimetall-Spiralfeder und eventuell durch kurzzeitige Aktivierung der entgegengesetzten Bimetall-Spiralfeder erfolgen. Die Hohlsphäre kann komplett durchsichtig gebaut werden, oder sie kann an bestimmte Stellen mit großen Lichtfenstern 17 ausgestattet, durch denen das Licht von den Bildmotiven, bzw. Umgebung in die Kamera-Kugel ankommt 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 Träger-Gerät herausgefahren werden, um den Blickwinkel zu vergrößern. In dem Fall wäre eine weitere Bimetall-Spirale oder Bimetall-Streifen notwendig, die die Hohlsphäre oder einen Hohlzylinder in der die Kugel-Kamera angebracht wäre, aus dem Träger-Gerät mehr oder weniger herauszufahren.

Die Leiter-Verbindungen zwischen der Bimetall-Spiralfeder/-Streifen, sowie beweglichen Kugel-Kamera 3 und einer Signalverarbeitungseinheit 34, die außerhalb der gekapselten Sphäre sich befindet, sind etwas längere, flexible Leitungen 9, die die Bewegungen der Kugel-Kamera nicht weiter behindern. Diese Leiter oder Mikro-Kabel müssen sehr viele Schwenkungen aushalten und dabei stets eine einwandfreie Signalübertragung ermöglichen. Verflechte Mikro-Kabel, wie man aus den Lautsprecher-Membranen kennt, können dabei sehr viele Schwingungen aushalten. Obwohl hier die Kugel-Kamera nicht nur in Schwingungen versetzt, sondern auch hin und her gedreht wird, können solche Kabel bei täglichen Belastungen einige Jahre aushalten. Man kann theoretisch auch die Bimetall-Spiralfeder für den Strom-Signal-Transport benutzen. Wie beschrieben, kann die Kugel-Kamera einfach lose in die Hohlsphäre ohne jegliche Lager eingebaut werden. Optimal und etwas teurer wäre eine Kardanaufhängung (es reicht dabei eine stark vereinfachte Kardanaufhängung, mit nur einem kleinen Arm, wie in der 5 dargestellt ist, einzubauen). Eine Steuerung 6 kann beim Erreichen einer bestimmten Drehposition der Kugel-Kamera über entgegenarbeitenden Bimetall-Spiralfeder eine Gegenkraft schnell erzeugen, bis die aktive Spiralfeder sich ein bisschen abgekühlt ist und die Dehnung/Drehmoment nachgelassen hat, wobei diese einer Weiterdrehung der Kugel-Kamera entgegenwirkt.

Bei Verwendung von Kardanaufhängung 8, oder bei Varianten, wobei die Kugel-Kamera einfach in die Hohlsphäre lose steckt, sind keine Weiter-Schwingungen zu erwarten, sobald die gewünschte Positionierung erreicht ist und die aktiven Bimetall-Spiralfeder gleichmäßig mit Strom versorgt werden. Weil die Kamera auch um die optische Achse sich drehen kann, ist das Fotografieren bzw. Erzeugung von perfekten Bildern auch bei Schräghaltung des Träger-Geräts möglich. Das Bild wäre stets perfekt gerade, egal wie schräg man die Kamera hält. Über die Steuereinheit und natürlich Software-Unterstützung des Träger-Geräts kann für Videoaufnahmen automatisch der Kamera-Bildsensor so gedreht werden, dass Breitbild-Aufnahmen erfolgen. Bei Einzelbildaufnahme kann wenn gewünscht eine vertikale Ausrichtung der Fotoaufnahmen erfolgen.

In die 6 ist eine Variante mit Bimetall-Elementen, in Form von Bändern oder Streifen 33 dargestellt, wobei eine Schwenkung der Kugel-Kamera damit erreichbar ist. Hier sind Bimetall-Elemente eingebaut, die durch kleine Ströme, schnell erwärmt oder sogar erhitzt werden können und dadurch sich biegen, womit eine Schwenk-Bewegung der Kugel-Kamera bewirken.

Bei einer Variante, die in der 7 dargestellt ist, wird die Oberfläche des Plastik-Fensters 17 des Kamera-Träger-Geräts, dass das Sehfeld des Bildsensors schützt, aus einem speziellen Kunststoff 18 (z. B. elektroaktiven Kunststoff) hergestellt, das in der Lage ist, elektrisch oder thermisch gesteuert vorübergehend eine Kuppe 19 nach außen zu bilden, in der die Kugelförmige Kamera sich hineinschlüpft und dadurch den Blickwinkel deutlich erweitert, etwa, wenn das Träger-Gerät (z. B. das Mobiltelefon) auf dem Tisch liegt und man möchte aus diese Position den ganzen Raum fernüberwachen. Durch die Rotation der Kamera, und die Erzeugung der Kuppe, wäre das Blickfeld fast halbsphärisch zu überwachen. Mit einer Soundsteuerung, die mit dem Antrieb-System gekoppelt wäre, könnte die Kamera dann dort automatisch gerichtet werden, woher der Sound oder die Stimme kommt. Für diesen Fall müsste das Kamera-Träger-Gerät über einem Stereo-Mikrofon oder Richtmikrofon verfügen, was bei Mobiltelefonen (Smartphone) auch der Fall ist. Eine elektronische Kopplung der beiden Systeme, also Audio- und optische Erfassungs-Systeme kann das Antriebs-System steuern und dadurch kann die Bewegung der Kamera automatisiert werden, wobei diese genau in Richtung der Stimmen/Sound-Quelle für Bildaufnahme/Videoaufnahme gerichtet werden.

Die drehbare Kugel-Kamera kann mit einer Rück-Stellfeder 20 oder einem Ruhe-Position-Dauermagnet 21, der einen Ferromagnet-Bereich oder Ferromagnet-Körper 22 (vorzugsweise Eisen oder Nickel) in einer Ruhe-Position anzieht, ausgestattet werden. Die Rück-Stell-Feder oder der Ruhe-Position-Dauermagnet sorgen dafür, dass bei Abschaltung der aktiven Drehung der Kugel-Kamera, eine bestimmte Rückstellkraft die Kugel-Kamera bis zu einer bestimmten Position dreht. Ein anderer Dauermagnet, der in die Hohlsphärenwand eingebaut ist, zieht den Ferromagnet-Körper oder den anderen Dauermagneten an, der in die Kugel-Kamera eingebaut ist.

Die elektrische und Signalübertragung von dem Sensor auf die Auswerte Einheit erfolgt durch sehr 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 einem Lautsprecher Membran. Diese Methode hat sie sehr lange bewährt, um die Leitungen vor Schäden aufzubewahren. Es ist bekannt dass die Lautsprechermembran während ihr gesamtes „Leben” eine sehr hohe Anzahl von Schwingungen absolviert (mehrere hunderte Milliarden!!), wobei die Stromleitungen zwischen dem Gehäuse und der Lautsprecherspule unzählige Bewegungen und Schwingungen mitmachen, auch nach Jahren intakt bleiben. Die gleiche Technik könnte auch hier verwendet werden. Das würde eine langlebige einwandfreie Signal- und Stromübertragung zwischen dem Bildsensor und dem Träger-Gerät (z. B. einem Smartphone) trotz der Bewegung des Bildsensors gewährleisten. 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 Bildsensoren und seiner optischen Elementen ermöglichen. 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 Bimetall-Spiralfeder, kann man eine beliebige Drehung der Kugel-Kamera erreichen.

Ebenso die Beleuchtungselemente 23, egal ob diese im Spektrum des sichtbaren Lichts oder im Infrarot-Bereich Strahlung emittieren, können mit der Kamera mit bewegt werden. Das ermöglicht eine optimale Beleuchtung, dass die Bewegung des Blickfeldes der Kugel-Kamera verfolgt. Auch ein Blitzlicht, vorzugsweise eine starke Leuchtdiode in die Kamera-Kugel eingebaut, kann dafür verwendet werden (4). Es ist denkbar auch der Einsatz von Laserdioden als Beleuchtungsmittel. Die Laserdioden strahlen sehr intensiv und können perfekt das Motiv beleuchten. Eine Kombination von drei Licht-Grundfarben (RGB), bzw. der Einbau von mindestens drei Laserdioden, wobei mindestens eine ein rotes, die zweite blaues und die dritte grünes Laserlicht abgibt, kann ein gesamtes Weißlicht erzeugt werden, das das Blickfeld beleuchtet.

In die 4 ist eine Variante mit Bimetall-Spiralfeder, die in einer Kardanaufhängung eingebaut sind, dargestellt. Die Spiralfeder sind kleine Bimetall-Elemente, die durch kleine Ströme, schnell erwärmt oder sogar erhitzt werden und damit eine Bewegung der Kamera-Gehäuse bewirken.

Man kann die Kugel-Kamera in eine Voll-Kardan-Aufhängung 8 (Drei-Achsendrehfreiheit) oder Teil-Kardanaufhängung 13 mit nur zwei Drehachsen, anbringen, wobei die Drehachsen mit Bimetall-Feder gekoppelt sind (5). Je nachdem welches davon aktiv ist, wird eine Schwenkung der Kugel-Kamera absolviert. Weil die Bimetall-Elemente bei Erwärmung die Kugel-Kamera nur in eine Richtung drehen können (und bei Abkühlung zurückdrehen), sind für jede Achse mindestens zwei davon gegeneinander arbeitende Bimetall-Elemente notwendig, um eine aktive Schwenkung der Kugel-Kamera in die gewünschte Richtung zu erreichen. Wird einer davon aktiviert, wird die Kugel-Kamera in die Richtung auch gedreht, trotz der leichten Widerstand der gegenarbeitenden Spirale. Kühlt sich die Bimetall-Spiralfeder ab, dann zieht sich diese ab und dreht die Kugel-Kamera wieder in Ausgangsposition zurück. Wird das andere Bimetall-Element aktiviert, dreht sich die Kugel-Kamera dann in die andere Richtung. Eine Steuerung sorgt dafür, dass die Erwärmung und damit die Ausdehnung der Bimetall-Elemente exakt erfolgt und die bestimmte Position der Kugel-Kamera auch hält. Weil zwei gegeneinander arbeitende Bimetall-Elemente immer auf einer Schwenkachse eingebaut sind, werden automatisch die Temperatur-Schwankungen von außen ausgeglichen, weil beide Elemente im stromlosen Zustand (inaktiv) gleichmäßig warm oder kalt sind. Die Variante mit Bimetall-Elemente ist zwar nicht für extrem schnelle Schwenkungen geeignet, ist allerdings auch sehr präzise steuerbar und arbeitet wartungsfrei und sehr zuverlässig. Je dünner und kleiner die Bimetall-Spiralfeder/-Streifen sind, desto schneller die Reaktion ist und auch kleiner der Stromverbrauch. Das Aufrechterhalten einer Position der Kugel-Kamera wird durch ständige Erwärmung, bzw. gesteuerte Stromfluss durch den bestimmten Bimetall-Element erreicht. Erhöht sich die elektrische Spannung, wird gleichzeitig auch die Temperatur der Bimetall-Spiralfeder erhöht, und dann ein stärkeres Drehmoment erzeugt. Diese Methode ist relativ einfach und funktioniert auch zuverlässig. Vor allem hier sind keine weitere Einbau-Maßnahmen notwendig: lediglich die Bimetall-Elemente (z. B. Bimetall-Spiralfeder auf die Drehachsen einbauen, mit Strom-Leitungen aus der Steuerung koppeln und fertig ist der Antrieb. Sobald feine Ströme durch die Bimetall-Elemente fließen, werden sie mehr oder weniger erwärmt und eine Ausdehnung absolvieren. Weil diese spiralförmig geformt sind, wird dabei ein Drehmoment erzeugt, der eine Drehung der Kugel-Kamera bewerkstelligt (ähnlich wie die früheren einfachen Bimetall-Thermometer mit Bimetall-Spiralfeder drin).

Für eine 3D-Bilderfassung sind zwei solche Kameras und Systeme notwendig, die am besten in einem Abstand von aneinander gebaut sind (8).

Bei alle Varianten, wird die Kamera wird wie ein Auge eines Menschen in einer Hohlsphäre eingebaut werden und auch mit einem Verfolgungs-Mechanismus ausgestattet werden, die über eine Software gesteuert wird, die erfasste Person oder Gesicht dann automatisch verfolgt.

Die Kamera kann so konzipiert werden, dass sie leicht aus dem Mobiltelefon oder Tablett-PC elektromagnetisch oder elektrisch angehoben wird, sodass sie ein bisschen herausschaut wenn das Gerät irgendwo liegen bleibt (9). Die Abdeck-Linse oder Kuppe oder ein durchsichtiger Hohlzylinder 24, in dem die Kamera sich befindet, kann in diesem Fall leicht herausgefahren werden. Ideal wäre ein durchsichtiger Hohlzylinder mit kuppen förmigen Enden, die auch Blicklichtfenstern 17 für den Bildsensor sind. Der Hohlzylinder könnte mit einem ferromagnetischen Ring 25 in der Mitte ausgestattet werden, der durch eine außen statisch angebrachten 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, der sich dann so bewegt, je nachdem wie die Elektromagnetspule gepolt ist. Die kuppen-förmigen Enden, sind natürlich durchsichtig und bilden je ein Fenster, durch die der Kamerasensor „herausschauen. kann. Durch die Kuppe 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 Schall-Quellen-Erfassungs-System ausgestattet ist. Hier wird ein Stereo-Mikrofon 28 benutzt, um eine Schall-Quelle 29 zu lokalisieren. Sobald das geschehen ist, wird über eine Steuerung, das Antriebs-System so gesteuert, dass die Kamera direkt dort gerichtet, wo auch die Schallquelle sich befindet. Das wäre praktisch, wenn man Videos aufnimmt und die aufgenommene Person auch spricht. Die Kamera würde in dem Fall die Schallquelle automatisch verfolgen.

Die Verfolgung von beweglichen Objekten kann durch die Software des Träger-Geräts unterstützt werden. Auf dem Kontrollbildschirm des Träger-Geräts kann man per Finger-Touch ein Objekt markieren und das würde dann die Kamera automatisch stets verfolgen, egal wie es sich bewegt oder wie das Kamera-Träger-Gerät gehalten wird. Allerdings die Hauptaufgabe erledigt das Antriebs-System, das die Drehung des Bildsensors ermöglicht.

Bei Bildaufnahmen oder Videoaufnahmen mit herkömmlichen Mobiltelefone (Smartphone), merkt man, dass die Objekte, die sich am Rande befinden, oft leicht verzerrt sind. Das kommt davon, weil der Bildsensor flach gebaut ist und die Optik-Korrektur-Elemente, die das Problem beheben könnten, kaum Platz in einem Smartphone finden. Der Bildsensor sollte nicht unbedingt flach sein, sondern er kann leicht konkav gebaut werden, um die Retina des menschlichen Auges besser nachzuahmen. In dem Fall wären auch kaum mehr Verzerrungen des Bildmotivs wahrnehmbar (11). Für das Herstellungs-Verfahren von solche Konkav-Bildsensoren 30 kann eine kuppen förmige Mikro-Matte aus Plastik, die mit einem Memory-Effekt versehen ist, sehr gut verwendet werden. Sobald die Dotierung abgeschlossen ist, und die physikalische Festigkeit des Sensors erreicht ist, wird das kuppen-förmiges Plastikteil, sich wieder flach biegen und so von dem Sensor ablösen.

Auf der 12 ist eine Variante dargestellt worden, wobei das Stoppen der Kugel-Kamera in einer bestimmten Position über einen elektromagnetisch herausfahrbaren Stift 31 erfolgt. Sobald die gewünschte Position der Kugel-Kamera erreicht ist, soll diese dann auch in der Position sofort gestoppt und so gehalten werden. Das Stoppen kann durch einen kleinen Stift, der durch eine Elektromagnetspule 32 aus der Hohl-Sphärenwand 4 in Richtung der Kugel-Kamera 3 herausgefahren wird und diese dann stoppend berührt.

Die Kugel-Kamera 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 diese vier Richtungen), die auf viele Wege erreicht werden kann. Wie ein Auge, wurden sie das Objekt verfolgen und damit scharfe Fotos immer schießen auch wenn Objekte sich bewegen würden. Baut man zwei solche Kugel-Kameras auf einem Träger-Gerät (z. B. Smartphone, Laptop, Tablett-PC, Webcam etc.) in einem kleinen Abstand voneinander, kann man Stereo-Bilder oder 3D-Aufnahmen erzielen.

Die 13 zeigt eine Variante, die in einem Smartphone eingebaut ist, wobei die Kugel-Kamera 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, sodass man keine Fehler mehr mit der unterschiedlichen Haltungen der Smartphone bei Video- oder Bildaufnahmen macht. Für die Drehung kann eine einfache Schwerpunkt-Verlagerung nach unten oder ein kleines elektrisch bewegbares oder kippbares Gewicht 35 dienen, das in die Kugel-Kamera eingebaut ist, das die Kugelkamera stets so ausrichtet, dass die Bilder perfekt in vertikaler Lage aufgenommen werden. In dem Fall dass man Videos aufnehmen möchte, sobald im Videomodus eingeschaltet wird, wird das Gewichts-Stück 35 elektrisch um die optischen Achse 36 um 90° gedreht und dann kann man Videoaufnahmen machen wobei die Videoaufnahmen stets im horizontalen Lage erfolgen, auch beim Drehen der Smartphone in beliebige Richtung.

Auf der 14 (a, b, c, d) sind einige Einsatz-Beispiele der Erfindung dargestellt.

Die 15 zeigt einen Smartphone 37, bei dem die Kugel-Kamera 3 am Rand oder noch besser am Eck 38 eingebaut ist, wobei eine Drehung von vorne nach hinten eine über 180° Bild-Aufnahme ermöglicht. Der Erfassungswinkel kann bis zu 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 die Bimetall-Elemente nicht direkt unter Strom stehen, sondern indirekt durch je eine feine und sehr kleine Heizspirale (Heizwendel) 12 erwärmt werden. Diese Methode ist etwas komplizierter, funktioniert aber ebenso sehr zuverlässig. Die feine Heizspirale ist sehr dünn und ist ähnlich wie die Heizwendel einer Glühkerze in Mikroformat gestaltet. Auch eine Glühwendel kann dafür verwendet werden. Die Heizspirale kann das Bimetall-Element umschließen, berühren oder einfach in unmittelbarer Nähe eingebaut werden. Auch andere Heizelemente, wie z. B. elektrische Keramik-Heizelemente sind dafür gut geeignet.

Wie in der 17 dargestellt, können auch die Heizelemente, Heizwendel oder Glühwendel mit je eine Diode 16 ausgestattet werden, die dann so angeordnet sind, dass bei eine Stromfluss einen der Wendel erwärmt oder erhitzt wird und bei umgekehrter Stromfluss, die andere. Das hat den Vorteil, weil in dem Fall zwei Bimetall-Heiz-Elemente mit nur zwei, statt vier Leitungen gekoppelt sind. Alleine der Stromfluss-Umpolung bestimmt welches der Bimetall-Elemente erwärmt oder erhitzt wird.

Bezugszeichenliste

1
Kamera-Sensor/Bildsensor
2
optische Begleitelemente
3
kugelförmigen Gehäuse/Kugel-Kamera
4
Hohlsphären-Gehäuse
5
Bimetall-Spiralfeder
6
Steuerung
7
Achse
8
Kardan-Aufhängung
9
flexibleLeitung
10
Strom-Leitungen Stromleitung für Bimetall-Spiralfeder
11
Kamera-Träger-Gehäuse
12
Heizspirale/Wedel
13
vereinfachte Kardanaufhängung mit nur zwei Achsen
14
Arm (Aufhängungs-Teil)
15
Drehgelenk
16
Halbleiterdiode (auch 16A und 16B)
17
Lichtfenster
18
Elektroaktiver Kunststoff
19
Kuppe
20
Rück-Stellfeder
21
Ruhe-Position-Dauermagnet
22
Ferromagnet-Bereich oder Ferromagnet-Körper
23
Beleuchtungselemente/Laserdioden/Leuchtdioden
24
Hohlzylinder
25
ferromagnetischer Ring
26
Elektromagnetspule
27
Dauermagnetring
28
Stereo-Mikrofon
29
Schall-Quelle
30
Konkav-Bildsensoren
31
Stift
32
Elektromagnetspule für den Stift
33
Bimetall-Elemente in Form von Bändern/Streifen
34
Signalverarbeitungseinheit
35
Gewichts-Stück
36
optische Achse
37
Mobiltelefon/Smartphone
38
Eck des Mobiltelefons

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • GB 2439346 [0009]
  • JP 080272446 [0011]