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Die Erfindung betrifft eine Kamera zur Erzeugung digitaler Bilder.
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In den letzten Jahren hat die Verbreitung von digitalen Kameras zugenommen. Eine digitale Kamera hat einen Bildsensor, der in der Lage ist, Lichtstrahlen aufzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln. Beispiele für einen Bildsensor sind „charged coupled device” (CCD) Halbleiterdetektoren oder „complementary metal oxide semiconductor” (CMOS) Bausteine. Eine Verarbeitung der elektrischen Signale erlaubt eine Darstellung der aufgenommenen Lichtstrahlen in Form von elektronischen Daten. Falls ein Bild auf eine lichtempfindliche Schicht des Bildsensors abgebildet wird, läßt sich das Bild zum Beispiel in einer elektronischen Datei speichern. Die elektronische Datei kann ein Standardformat haben, so dass sich die elektronische Datei zum Beispiel auf einen Computer übertragen läßt und und mit einem geeigneten Programm auf einem Monitor anzeigen läßt.
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Die digitale Kamera umfasst ein Objektiv, das ein Bild erzeugt. Ein Bildbereich ist scharf fokussiert auf den Bildsensor, wenn der Bildbereich nach der Verarbeitung in einer Darstellung scharf erkennbar ist. Eine scharfe Erkennbarkeit hängt von den Anforderungen an die Darstellung ab und wird beeinflusst von weiteren Eigenschaften des gesamten optischen Systems wie zum Beispiel der Auflösung des Bildsensors. Entsprechend der Anforderungen ergibt sich ein Schärfekörper, der eine Schärfeebene beinhaltet. Gegenstände, die sich innerhalb des Schärfekörpers befinden, lassen sich von dem Objektiv scharf auf den Bildsensor abbilden, das heisst, dass das Bild der Gegenstände scharf auf den Bildsensor fokussiert ist. Ist die Längsachse des Objektivs rechtwinklig, das heisst orthogonal, zum Bildsensor, dann ist die Schärfeebene auch rechtwinklig zur Langsachse und damit parallel zum Bildsensor. Dies ist der Fall bei der Mehrzahl der digitalen Kameras. In bestimmten Situationen ist eine Schärfeebene, die nicht rechtwinklig zur Längsachse des Objektivs ist, wünschenswert. Bei Kameras mit einem Tilt-Objektiv ist das Objektiv verschwenkbar und eine gegenüber der Längsachse geneigte Schärfeebene wird erreicht. Derartige Tilt-Objektive sind mechanisch anspruchsvoll und aufwändig in der Herstellung. Es sind Spezialobjektive, die nur in wenigen Festbrennweiten angeboten werden. Darüberhinaus ist eine scharfe Fokussierung eines grossen Bildbereichs aufgrund fehlender Kontrollmöglichkeiten der Schärfe und automatischer Einstellbarkeit schwierig. Weiterhin gibt es Grossformat-Kameras, die einen beweglichen Mittelteil besitzen. Der bewegliche Mittelteil erlaubt auch eine Verschwenkung von Standardobjektiven. Derartige Grossformat-Kameras sind mechanisch ebenfalls sehr anspruchsvoll, aufwändig in der Herstellung und kompliziert in der Handhabung. Eine scharfe Fokussierung ist möglich, aber sehr aufwändig. Die Patentschrift mit Nummer
DE 698 20 871 T2 offenbart eine digitale Kamera mit einem verschwenkbaren Sensor, der automatisch entsprechend einer geneigten Objektebene ausgerichtet wird. Die Offenlegungsschrift mit Nummer
DE 101 32 624 A1 offenbart eine Kamera mit einem Mehrpunkt-Autofokussystem, das für mehrere Erfassungszonen einen Defokusbetrag berechnen kann. Wenn ein Defokusbetrag für eine gewählte Erfassungszone nicht gültig ist, kann eine weitere Erfassungszone ermittelt werden, für die ein gültiger Defokusbetrag ermittelbar ist. Die Offenlegungsschrift mit Nummer
DE 196 37 629 A1 offenbart eine Kamera mit einem Bildsensor, der verschwenkbar ist und in drei Dimensionen verschiebbar ist. Verschiedene Gegenstandspunkte können manuell scharf gestellt werden und entsprechende Werte können über eine Tastatur in einen Rechner eingegeben werden zur Ermittlung von Einstellungsparametern.
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Mit der Erfindung wird eine flexible digitale Kamera angestrebt, mit der die Schärfeebene gegenüber der Längsachse des Objektivs neigbar ist.
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Entsprechend der Anforderung wird in Anspruch 1 eine digitale Kamera offenbart. Die offenbarte digitale Kamera hat einen gegenüber der Längsachse des Obkjektivs verschwenkbaren Bildsensor. Eine Verschwenkung des Bildsensors führt zu einer angestrebten Neigung der Schärfeebene gegenüber der Längsachse des Objektivs. Die offenbarte Kamera ist flexibel, da sie mit Standarobjektiven verwendet werden kann und einfach in der Handhabung ist. Weiterhin ist die offenbarte digitale Kamera robust, weil interne Komponenten verschwenkbar sind. Die offenbarte digitale Kamera lässt sich herstellen, ohne dass die Ausmaße oder das Gewicht stark zunehmen gegenüber einer konventionellen digitalen Kamera ohne die offenbarten erfinderischen Merkmale.
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Weiterhin ist die offenbarte digitale Kamera ist kostengünstig herzustellen. Ausstattungsmerkmale, die bei einer konventionellen digitalen Kamera handelsüblich sind, lassen sich auch auf die offenbarte digitale Kamera übertragen.
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In den folgenden Ansprüchen, die von Anspruch 1 abhängig sind, werden weitere vorteilshafte Ausführungsformen der digitalen Kamera offenbart.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine beispielhafte digitale Kamera mit einem verschwenkten Bildsensor und einer entsprechend geneigten Schärfeebene dar.
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2A ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Bewegungselements.
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2B ist eine Seitenansicht auf die Ausführungsform eines Bewegungselements.
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3A ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Bewegungselements.
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3B ist eine Seitenansicht auf die weitere Ausführungsform eines Bewegungselements.
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4 ist eine beispielhafte digitale Kamera mit einer Darstellung eins Bildes mit gekennzeichneten Autofokusbereichen.
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5 ist eine beispielhafte digitale Kamera mit einer Darstellung eines Kontrollbereichs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine beispielhafte digitale Kamera 100 mit einem verschwenkten Bildsensor 120 und einer entsprechend geneigten Schärfeebene 206 dar. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht. Die digitale Kamera 100 ist geeignet zur Erzeugung von digitalen Bildern mit dem Bildsensor 120, der dazu geeignet ist, ein Bild, das von einem Objektiv 110 erzeugt wird, in elektrische Signale umzuwandeln. Der Bildsensor ist auf einem Bewegungselement mit einem steuerbaren Antrieb angebracht, wobei das Bewegungselement den Bildsensor verschwenkbar macht, so dass ein Winkel zwischen einer Achse 112 des Objektivs und einer Ebene 122 des Bildsensors veränderbar ist. Das Bewegungselement umfasst den steuerbaren Antrieb und ist steuerbar über den Antrieb.
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Eine Steuerung des Bewegungselements über den Antrieb kann zum Beispiel über elektrische Signale an den Antrieb oder das Bewegungselement erfolgen. Das Bewegungselement kann zum Beispiel die elektrischen Signale umsetzen, so dass sie zu der Steuerung des Antriebes geeignet sind. Die elektrischen Signale können über den steuerbaren Antrieb eine mechanischen Bewegung des Bewegungselements bewirken, die zu einer entsprechenden erwünschten Verschwenkung des Bildsensor führen. Die Achse 112 des Objektivs ist die Längsachse des Objektivs. Die geneigte Schärfeebene 206 und die Ebene 122 des Bildsensor treffen sich in einer Linie, die in 1 als ein Punkt dargestellt ist. In der Linie trifft sich nach dem Scheimpflugprinzip auch eine Objektivebene, die rechtwinklig zur Achse 112 des Objektivs ist. Die Linie wird auch als Scheimpfluglinie bezeichnet. Bei einem unverschwenkten Bildsensor, das heisst, einem Bildsensor der rechtwinklig zur Achse 112 des Objektivs ist, ist die Schärfeebene 206 parallel zur Ebene 122 des Bildsensors und man kann sagen, dass die Scheimpfluglinie unendlich weit entfernt liegt. Ein Öffnungswinkel des Objektivs wird durch eine obere Öffnungslinie 114 und eine untere Öffnungslinie 116 dargestellt. Das Objektiv erzeugt ein Bild von Gegenständen innerhalb des Öffnungswinkels. Demensprechend erzeugt das Objektiv ein Bild von einem nahen Gegenstand 202 und einem weit entfernten Gegenstand 204. Der nahe Gegenstand 202 ist zum Beispiel ein Ball in 2 Meter Entfernung und der entfernte Gegenstand 204 ist zum Beispiel eine Bergkette in 5000 Meter Entfernung. Die Schärfeebene schneidet den nahen Gegenstand 202 und den entfernten Gegenstand 204. Bei einer entsprechenden Öffnung der Blende ergibt sich ein Schärfekörper, in dem der nahe Gegenstand und der entfernte Gegenstand liegt. Bei der entsprechenden Öffnung der Blende lassen sich also der nahe und der entfernte Gegenstand scharf fokussieren. Mit einem unverschwenkten Bildsensor läßt sich eine derartige Fokussierung nicht erreichen und der nahe Gegenstand und der entfernte Gegenstand lassen sich nur mit einer verminderten Bildqualität durch starkes Abblenden abbilden. Für das genannte Beispiel der 5000 Meter entfernten Bergkette und dem 2 Meter entfernten Ball kann mit der Linsengleichung, auch Formel für dünne Linsen genannt, eine ungefähre Verschwenkung für einen Bildsensor berechnet werden. Die Linsengleichung lautet: die Summe von Kehrwert vom Objektabstand zur Linse und von Kehrwert vom Bildabstand zur Linse ist gleich dem Kehrwert der Brennweite der Linse. Bei zum Beispiel einer Brennweite des Objektivs von 20 Millimetern und einem Abstand zwischen dem Bild des nahen Gegenstandes und des entfernten Gegenstandes von 10 Millimetern auf dem Bildsensor ergibt sich eine Verschwenkung von ungefähr 1.1 Grad gegenüber einem rechtwinkligen Bildsensor. Die digitale Kamera 100 kann zum Beispiel eine digitale Spiegelreflexkamera, eine digitale Sucherkamera, eine Digitalkamera ohne optischen Sucher, oder eine Kamera mit einem digitalen Rückteil sein. Das Objektiv kann zum Beispiel ein Objektiv mit Festbrennweite oder ein Zoomobjektiv sein. Das Objektiv kann auch ein Makroobjektiv sein und bei einer Makroaufnahme kann ein Entfernungsunterschied zwischen einem nahen und einem entfernten Gegenstand wenige Zentimeter betragen.
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2A ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform eines Bewegungselements. Der Antrieb des Bewegungselementes besteht aus Einheiten 132, 134, 136. Der Bildsensor 120 ist auf eine Plattform aufgebracht und die Einheiten verbinden die Plattform mit einer Rückwand 102 einer digitalen Kamera. Die Plattform ist ein Teil des Bewegungselementes. Die Einheiten 132, 134, 136 können flexibel an der Plattform angebracht sein, so dass die Winkel zwischen den Einheiten und er Plattform veränderlich ist. Die Einheiten können auch flexibel an der Rückwand angebracht sein. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine größere oder kleinere Zahl von Einheiten vorkommen. Weiterhin gibt es eine Ausführungsformen, die eine Verschwenkung des Bildsensors nur in eine Richtung ermöglichen. Derartige Ausführungsformen lassen sich auch mit einer Einheit und zum •Beispiel mit einem Gelenk erreichen.
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2B ist eine Seitenansicht auf die Ausführungsform des Bewegungselements. Die Seitenansicht ist derartig, dass die Einheiten 132, 134, 136 sichtbar sind. Die Einheiten können einzeln ihre Länge in der angegebenen Richtung verändern. Damit lässt sich eine Verschwenkung des Bildsensors 120 in jede Richtung erzielen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Einheit mit einer veränderlichen Länge auszuführen. Zum Beispiel kann ein Piezoelement durch Anlegen einer Spannung zu einer Änderung der Länge gebracht werden. In einem weiteren Beispiel kann eine Einheit einen kleinen Elektromotor umfassen, der eine Gewindespindel dreht, so dass sich ein Abstand zwischen einem Ende der Gewindespindel und einer Fassung der Gewindespindel verändert und zu einer Änderung der Länge der Einheit führt. Elektrische Leitungen zur Steuerung der Einheiten sind in den Zeichnungen (2A und 2B) nicht aufgeführt.
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3A ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Bewegungselements. In der weiteren Ausführungsform ist ein Befestigungselement 142 an einem Träger für den Bildsensor 120 befestigt. Hinter dem Bildsensor ist vor die Rückwand 102 der digitalen Kamera.
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3B ist eine Seitenansicht auf die weitere Ausführungsform eines Bewegungselements. Das Befestigungselement 142 wird in einem Befestigungshaus 146 durch eine Halterung 148 beweglich gehalten, so dass die Längsachse des Befestigungselements 142 verschwenkbar ist. Eine Verschwenkung in vertikale Richtung wird durch eine Einheit 144, die ein Teil des steuerbaren Antriebes ist, mit veränderlicher Länge in der angezeigten vertikalen Richtung gesteuert. Eine Verschwenkung in horizontale Richtung läßt durch eine weitere, nicht abgebildete Einheit mit veränderlicher Länge steuern. Die weitere Einheit kann zum Beispiel gegenüber der Einheit 144 um 90 Grad um die Längsachse des Befestigungselements 142 gedreht sein. Für die Einheit 144 mit veränderlicher Länge sind Ausführungsformen möglich, die auch in einer der vorhergehenden Zeichnungen (2B) dargestellt und beschrieben wurden. Das Bewegungselement umfasst das Befestigungselement 142, das Befestigungshaus 146, die Halterung 148 und die Einheit 144.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen steuerbaren Antrieb, mit der eine mechanischen Bewegung des Bewegungselement steuerbar ist, ist ein Ultraschallmotor. Ultraschallmotoren sind dem Fachmann aus der Objektivautofokussierung bekannt. Weiterhin sind auch Bewegungselemente möglich, die über einen rein mechanischen Antrieb gesteuert werden. Der rein mechanische Antrieb kann zum Beispiel eine Drehung eines Steuerungsrades durch den Benutzer umsetzen in eine mechanische Bewegung des Bewegungselementes. Da eine genaue Justierbarkeit des Bewegungselementes wünschenswert ist, muss der Antrieb eine sehr feine Einstellbarkeit durch entsprechende mechanische Komponenten erlauben.
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4 ist eine beispielhafte digitale Kamera 100 mit einer Darstellung 160 eines Bildes mit gekennzeichneten Autofokusbereichen 162 und 164. Bei der beispielhaften Kamera 100 handelt es sich um eine digitale Spiegelreflexkamera mit einem zusätzlichen Autofokuselement, das dazu geeignet ist, aus einer Entfernungsermittlung eines Bereiches eine Entfernungseinstellung des Objektivs und eine Verschwenkung des Bildsensors zu ermitteln, so dass der Bereich scharf auf den Bildsensor fokussierbar ist. Der Bereich kann aus einem oder mehreren Teilbereichen bestehen, die jeweils getrennt oder zusammenhängend sein können. Der Bereich kann zum Beispiel aus 45 Autofokuspunkten bestehen, die in 45 verschiedenen Teilbereichen die Entfernung erfassen. Die Autofokuspunkte können gleichmäßig gemäß eines Gitters über den Gesamtbereich, der vom Objektiv auf den Bildsensor abgebildet wird, verteilt sein. In einem weiteren Beispiel kann die Verteilung der Autofokuspunkte abweichen von einer Gitterstruktur. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen des Autofokuselement bekannt. So gibt es aktive Autofokuselemente, die zum Beispiel die Reflexion eines Infrarotlichtes messen und passive Autofokuselemente. Die passiven Autofokuselemente können die Entfernung zum Beispiel über einen Kontrastvergleich ermitteln. Der Kontrastvergleich kann zum Beispiel bei digitalen Sucherkameras verwendet werden. Die passiven Autofokuselemente können die Entfernung auch zum Beispiel über einen Phasenvergleich ermitteln. Der Phasenvergleich kann zum Beispiel bei digitalen Spiegelreflexkameras verwendet werden. Die Kamera 100 hat einen Sucher 155, in der der fokussierbare Bereich in einer Darstellung 160 des Bildes für einen Benutzer der Kamera visuell gekennzeichnet ist. In dem Beispiel gibt es 2 visuell gekennzeichnete fokussierbare Bereiche 162 und 164. Der Bereich 162 umfasst einen Teil des nahen Gegenstandes 202 und der Bereich 164 umfasst einen Teil des entfernten Gegenstandes 204. Beide Bereiche 162 und 164 sind entsprechend der Fokussierung oder Entfernungseinstellung des Objektivs, der eingestellten oder vorhergesehenen Blende des Objektivs, der Verschwenkung der Kamera und der vom Autofokuselement gemessenen Entfernungen scharf auf den Bildsensor fokussierbar. Das heisst, die beiden Bereiche 162 und 164 werden bei einer Öffnung des Verschlusses oder einer Auslösung der Kamera entsprechend der Einstellung scharf auf die lichtempfindliche Schicht des Bildsensors abgebildet. In weiteren Kamera mit mehreren Autofokuspunkten werden unter gegebenen Umständen eine größere Zahl von scharf abbildbaren Bereichen gekennzeichnet. Weiterhin verfügt die Kamera 100 über eine zusätzliche Eingabemöglichkeit von einem Zielbereich, wobei das Autofokuselement durch eine Entfernungsermittlung des Zielbereiches, eine entsprechende Fokussierungseinstellung des Objektivs und eine entsprechende Verschwenkung des Bildsensors anstrebt, den Zielbereich scharf auf den Bildsensor zu fokussieren. In einer weiteren Ausführungsform kann das Autofokuselement auch die Blendeneinstellung derartig ermitteln, dass der Zielbereich scharf auf den Bildsensor fokussiert wird. Durch die Blendeneinstellung wird die Dicke des Schärfekörpers bestimmt, das heisst, welche Gegenstände, die nicht in der Schärfeebene liegen, noch scharf fokussiert werden. Weiterhin hat die Kamera 100 einen zusätzliches Steuerungselement 150, mit dem eine Verschwenkung des Bildsensors von einem Benutzer steuerbar ist. Mit dem Steuerungselement kann der Benutzer manuell die Verschwenkung bestimmen. Der Benutzer kann dazu einen Knopf oder Stick nach oben, unten, links oder rechts ausrichten und eine Ausrichtung wird dann auf eine entsprechende Verschwenkung des Bildsensors übertragen. So kann zum Beispiel eine Ausrichtung des Knopfes nach oben zu einer Verschwenkung führen, bei der die Oberkante des Bildsensors nach vorne geschwenkt wird. Eine Ausrichtung des Knopfes nach links kann zum Beispiel zu einer Verschwenkung führen, bei der die linke Kante des Bildsensors nach vorne geschwenkt wird. Die Auswirkung einer Verschwenkung auf die scharf abgebildeten Bereich kann der Benutzer dann der Darstellung 160 zum Beispiel anhand der gekennzeichneten, scharf fokussierbaren Bereiche entnehmen. Mit dem Steuerungselement 150 können zum Beispiel auch ein oder mehrere Zielbereiche bestimmt werden, indem jeweils ein Zielbereich sich mit dem Knopf in der Darstellung bewegen läßt. Die Kamera 100 ist eine digitale Spiegelreflexkamera, die die Darstellung 160 über den Sucher 155 ermöglicht. Bei einer digitalen Kamera anderer Bauart, zum Beispiel bei einer digitalen Sucherkamera oder eine digitalen Kompaktkamera, kann die Darstellung 160 zum Beispiel auch über einen liquid crystal display (LCD) Monitor erfolgen. Der LCD-Monitor kann einen Teil der Informationen der Darstellung 160 über den Bildsensor erhalten.
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5 ist eine beispielhafte digitale Kamera 100 mit einer Darstellung eines Kontrollbereichs 172. Der Kontrollbereich 172 der Kamera 100 ermöglicht eine visuelle Kontrolle der Fokussierung durch den Benutzer. Der Kontrollbereich wird in der Zeichnung über eine LCD-Monitor 170 der Kamera dargestellt. In einer weiteren Ausführungsform der digitalen Kamera kann sich der Kontrollbereich auch über einen Sucher zum Beispiel als gespaltener Kreis oder Split-Screen darstellen lassen. Bei einer digitalen Spiegelreflexkamera kann der LCD-Monitor 170 die Darstellung 172 nach einer Belichtung des Bildsensors ermöglichen. Der Benutzer kann zum Beispiel eine Probeaufnahme machen, einen oder mehrere Kontrollbereiche anzeigen lassen, um die Schärfe für die Kontrollbereiche zu überprüfen und nach einer Änderung der Verschwenkung eine weitere Aufnahme machen. Die Darstellung 172 zeigt den nahen Gegenstand 202 (siehe 1), der ein Ball ist, in einer Vergrößerung, so dass eine scharfe Fokussierung erkennbar ist. Mit dem Steuerungselement 150 kann der Benutzer zum Beispiel den Kontrollbereich verschieben oder zu einem weiteren, vordefinierten Kontrollbereich springen, um die scharfe Fokussierung für den weiteren Kontrollbereich zu überprüfen. Die digitale Kamera 100 erlaubt bezüglich der Verschwenkung des Bildsensors eine manuelle Bedienung, in der die Verschwenkung über das Steuerungselement steuerbar ist. Weiterhin erlaubt die digitale Kamera eine automatische Verschwenkung, die dadurch ermittelt wird, dass möglichst viele oder große Bereiche scharf fokussierbar sind. Die automatische Verschwenkung kann von der Kamera gesteuert werden, so dass der Benutzer zum Beispiel keinen Einfluss auf die Einstellung nimmt oder die Verschwenkung nicht wahrnimmt. Der Benutzer kann aber den erweiterten Schärfebereich bei entsprechender Bildgestaltung in einer Darstellung des Bildes deutlich wahrnehmen.
