(57)【要約】【課題】忠実色再現技術の製品化に困難がある、適用範囲が狭くなる、コスト面の制約がある。【解決手段】分光反射率Ｒ（λ）の観察対象２に対して、三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を有する照明光を照射する照明部３と、観察対象２の反射光を検出する、一つの分光感度Ｋ（λ）を備えた第１カメラ４と、を備え、該一つの分光感度Ｋ（λ）、並びに、発光スペクトル分布Ｅ（λ）を持つ照明下でＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数の線形変換である三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を第２カメラＭに設定する場合における、発光スペクトル分布Ｅ（λ）及び分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））に基づいて、第２カメラＭの出力と等価になるように発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を照明部３に設定し、第１カメラ４からの出力を変換して三刺激値を取得する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光反射率Ｒ（λ）の観察対象に対して、三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を有する照明光を生成する照明部と、
前記観察対象の反射光を検出する、一つの分光感度Ｋ（λ）を備えた第１カメラと、を備え、
該一つの分光感度Ｋ（λ）、並びに、
発光スペクトル分布Ｅ（λ）を持つ照明下でＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数の線形変換である三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を第２カメラに総合感度として設定する場合における、該発光スペクトル分布Ｅ（λ）及び前記分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））に基づいて、
前記第２カメラの出力と等価になるように、前記発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を前記照明部に設定することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第１カメラの出力を変換して三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを取得することを特徴とする請求項１の撮像装置。
【請求項３】
前記照明部が分光透過率ＯL（λ）の照明光学系を備え、前記カメラが分光透過率ＯD（λ）の受光光学系を備え、前記発光スペクトル分布Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ）を前記分光透過率ＯL（λ）及び分光透過率ＯD（λ）で補正するとともに、前記照明部の照明と前記カメラの露光タイミングとを同期させる同期部を備える請求項１又は２の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に係り、主に、電子スコープなどに適用される撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された発明は、観察対象を読み取った画像の色域を人の色域と一致させて出力することができる忠実色再現フィルタであり、図７に示す通り、三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を備え、カメラに搭載されることにより、人間の眼の感度に忠実（正確）な色情報を取得することにより、異なったカメラ間での色差をなくすことができるように意図されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５７８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような色フィルタに分光感度を設定しカメラ側で忠実色再現技術を適用した製品の生産においては、ＣＣＤの分光感度によってカメラの総合感度が左右されるので、実際には製品化が困難である。しかも、カメラ側で忠実色再現技術を適用するものであるので、忠実色再現技術の適用範囲が狭くなるという問題もある。例えば、内視鏡などはファイバーの先端部に設けられたカメラ部の大きさに制約があるため、カメラ部への忠実色再現フィルタの搭載が物理的に困難であり、内視鏡などへの適用ができないという問題がある。さらに、コスト面の制約があることも無論である。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、実際の色再現技術の製品化に資するとともに、忠実色再現技術の適用範囲を拡大すること、忠実色再現技術に係るコストを低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明の撮像装置１は、図１、２に示す通り、分光反射率Ｒ（λ）の観察対象２に対して、三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を有する照明光を生成する照明部３と、前記観察対象２の反射光を検出する、一つの分光感度Ｋ（λ）を備えた第１カメラ４と、を備えている。
【０００７】
また、この一つの分光感度Ｋ（λ）、並びに、図３に示す通り、発光スペクトル分布Ｅ（λ）を持つ照明下でＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数の線形変換である三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を忠実色再現カメラである第２カメラＭに総合感度として設定する場合における、この発光スペクトル分布Ｅ（λ）及び分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））に基づいて、第２カメラの出力と等価になるように、図２に示す発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を照明部３に設定したものである。
【０００８】
この発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））は、次の数式１で計算される。なお、詳細は後述する。
【数１】
2010233116.tif 000003
【０００９】
照明部３は、ランプと色フィルタを備えることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、第１カメラ４からの出力を変換して三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを取得することを特徴とする。
【００１１】
第１カメラ４からの出力は演算処理装置５で処理することが好ましいが、第１カメラ４に演算処理装置５を内蔵させてもよい。第１カメラ４はレンズと固体撮像素子を備えることが好ましいが、種々なる態様で実施可能である。
【００１２】
図５に示す通り、前記照明部３が分光透過率ＯL（λ）の照明光学系を備え、第１カメラ４が分光透過率ＯD（λ）の受光光学系を備え、Ｋ（λ）をＫ´（λ）、分光透過率ＯL（λ）及び分光透過率ＯD（λ）の積で補正することが好ましい。ここでは、Ｋ（λ）＝Ｋ´（λ）×ＯL（λ）×ＯD（λ）である。この補正の態様は種々に設定可能であり、例えば、発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を分光透過率ＯL（λ）の照明光学系で補正し、Ｋ（λ）を受光光学系の分光透過率ＯD（λ）で補正してもよい。
【００１３】
さらに、照明部３の照明と前記第１カメラ４の露光タイミングとを同期させる同期部６（図５参照）を備えることが好ましい。
【００１４】
つぎに本発明の撮像装置１は、理論を交えながら具体的態様を説明すると、三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））と等価な三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を照明部３に設定したものである。撮像装置１は、撮像装置Ａをベースに発明されたものであり、撮像装置Ａでは第２カメラＭで三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を設定して、可能な限り平坦な発光スペクトル分布とした照明部を備えたものである。
【００１５】
このように、撮像装置１は、図３に示す第２カメラＭと等価な、等色関数に基づく照明による撮像装置１である（図１参照）。
【００１６】
また、撮像装置Ａは、特許文献１が色フィルタに三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））を設定しているのに対して、第２カメラＭにこの分光感度を設定している点で相違している。
【００１７】
なお、この発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））は色フィルタから出る照射光のものであるが、受光光学系で補正した後のものでもよい。
【００１８】
図２のグラフに示す通り、照明部３からの照明光は三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を備え、観察対象２は分光反射率Ｒ（λ）を有し、カメラ３は、モノクロームカメラであるので、一つの分光感度Ｋ（λ）を備えている。
【００１９】
図２（ａ）にその一例を示す通り、発光スペクトル分布Ｌ3（λ）は、図４（ｃ）のＳ３（λ）と同様の曲線である。Ｌ2（λ）はＳ2（λ）と対比して歪んでおり頭頂部が右に傾斜して曲線となっている。Ｌ１（λ）はＳ１（λ）と対比して歪んでおり、左側のカーブは傾斜が大きくなっており、右側のカーブは頭頂部付近でピークを複数（ここでは２個）有している。ここでは発光スペクトル分布Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ）は、数式１より、カメラ４の分光感度の曲線が変更されれば、それに対応して、その曲線が変更される。
【００２０】
ここで、前記数式１のｋは第２カメラＭのゲインである。発光スペクトル分布Ｅ（λ）は図３に示す撮像装置Ａの照明部Ｌからの照明光の発光スペクトル分布であり、また、三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））は、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数を線形変換したものであり、第２カメラＭの分光感度である。ｌ（エル）は図１に示す第１カメラ４のゲインである。
【００２１】
つぎに数式１の導出過程について説明する。まず、図３の撮像装置Ａにおいて、発光スペクトル分布Ｅ（λ）を持つ光によって分光反射率Ｒ（λ）を持つ観察対象２が照明されている。第２カメラＭが、等色関数ｘ（λ），ｙ（λ），ｚ（λ）の線形変換である（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））の３つの分光感度を持つように総合感度が設定されている。（等色関数は通常その文字の上に「横線」を付してエックスバーなどと表現するが、本明細書では簡単のため「横線」を省略して示す。）このため、第２カメラＭの総合感度がＳ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ）となるように、色フィルタの分光感度が設定してある。
【００２２】
この第２カメラＭで観察対象２を撮像すると、第２カメラＭの出力（Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3）は、次の数式２になる。このカメラ出力を演算処理装置で三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚに変換し、映像装置側でＲＧＢ信号を生成している。
【数２】
2010233116.tif 000004
【００２３】
一方、図２の撮像装置１において、第１カメラ４の出力は次の数式３になる。
【数３】
2010233116.tif 000005
【００２４】
撮像装置Ａと等価な撮像装置１を取得するためには、第２カメラＭと第１カメラ４の出力を等しくすれば良いので、Ｃi＝Ｃi′（i＝1，2，3）であればよい。数式２と数式３により、数式１のＬi（λ）を求めることができる。これにより、等価な照明部３を得ることができる。
【００２５】
数式１を満足する３つの発光スペクトル分布Ｌi（λ）：i＝1，2，3を持つ照明を順次行い、一つの分光感度Ｋ（λ）を持つカメラで、その都度撮像する。カメラ出力Ｃi′の計算について、波長に関して、たとえば、380nmから780nmに亘り計算し、その総和を計算する。得られた３枚の画像Ｃ´1，Ｃ´2，Ｃ´3から色変換マトリクスＭにより発光スペクトル分布Ｅ（λ）を持つ照明の場合と同じ三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ画像を得ることができる。
【００２６】
即ち、第１カメラ４の出力をＣ´、色変換マトリクスをＭとすると、観察対象２の三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ画像（カラー画像）Ｘは、数式４で記述される。
【数４】
2010233116.tif 000006
【００２７】
ここで、Ｍは３×３、３×６、あるいは３×９のマトリクスである。Ｘ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）T、Ｘ，Ｙ，ＺはＸＹＺ表色系における三刺激値であり、また、Ｃ´＝（Ｃ´1，Ｃ´2，Ｃ´3）Tである。上付き文字Ｔは転置行列を表す。演算処理装置（たとえばパソコンなど）で第１カメラ４の出力を数式４で変換することにより、正確な三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚの取得が可能になる。さらに映像装置側（たとえば液晶表示装置）でこの三刺激値Ｘ，Ｙ，ＺをＲＧＢ信号に変換すると、人の色域と等しい画像を取得でき、観察対象２の色を正確に再現できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、カメラの感度に左右されない忠実色再現技術を製品化できる。また、照明部に３つの発光スペクトル分布を設定し忠実色再現カメラと等価な特性を備えさせ、これにより小さなカメラにも忠実色再現技術を適用できるようにしたので、忠実色再現技術の適用範囲を内視鏡などに拡大することができ、その工業的利用価値は大である。また、カメラは一つの分光感度を持てばよいため、モノクロームカメラを採用できるなど、コストを削減できる効果をも有する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の要旨を示す概要図である。
【図２】（ａ）は本発明実施形態の撮像装置１０において、（ａ）は照明部の発光スペクトル分布、（ｂ）は同じく撮像対象の分光反射率、（ｃ）は同じく第１カメラの分光感度である。
【図３】本発明実施形態の忠実色再現カメラに３つの分光感度を持たせた撮像装置Ａの概要図である。
【図４】本発明実施形態の撮像装置Ａにおいて、（ａ）はその照明部の発光スペクトル分布、（ｂ）は撮像対象の分光反射率、（ｃ）は第２カメラＭの分光感度である。
【図５】本発明の要旨を示す概要図（照明光学系と受光光学系を付加したもの）である。
【図６】本発明実施形態の照明発光とカメラ露光との同期タイミングを示すタイミングチャートである。
【図７】等色関数と３バンド忠実色再現カメラである第２カメラＭの分光感度との関係を示す説明図である。
【図８】本発明実施形態の撮像装置１０の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明における好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
【００３１】
図８に示す通り、電子スコープ１０（たとえば、内視鏡など）は、分光反射率Ｒ（λ）の観察対象２０に対して、三つの発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を有する照明光を照射する照明部３０と、観察対象２０の反射光を検出する、一つの分光感度Ｋ´（λ）を備えたモノクロームカメラである第１カメラ４０と、演算処理装置５０と、同期部６０と、を備えている。以下、詳細を説明する。
【００３２】
照明部３０は、たとえばLEDなどから構成されるランプ３１と、色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃと、集光レンズ３３と、ライトガイド３４と、照明レンズ３５と、を備えている。集光レンズ３３、ライトガイド３４、及び照明レンズ３５は、図５に示す分光透過率ＯL（λ）の照明光学系を構成する。
【００３３】
電子スコープ１０は、１個のランプ３１を用いて、この光源の前方に回転式の色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃを設けた構成としている。色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃは、各々異なる分光特性を有する色フィルタを有する３セグメントカラーホイールを採用することができ、図示しない回転駆動装置によって回転駆動される。
【００３４】
この色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃは、半径方向における各色領域の所定位置（例えば中央部）に光軸が位置するようにランプ３１の前方に設置する。そして、色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃを、中心点Ｏ（図示略）を中心に所定角度ずつ回転させることにより、各色の光を順次集光レンズ３３へ照射させる。
【００３５】
このような構成によって、観察対象２０から得られる画像の色域を人の色域と一致させて出力することができる。なお、１個のランプ３１に代えて、同様の特性を備えた３個の光源を用いてもよい。
【００３６】
照明部３の照明光が、下に示す数式５に基づいて計算される発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））を備えるように、照明部３に発光スペクトル分布を設定したものである。ここでは、色フィルタ３２A〜３２Cから出る光の発光スペクトル分布としてあるが、色フィルタ３２A〜３２Cを経て照明光学系（集光レンズ３３、ライトガイド３４、及び照明レンズ３５）から観察対象物２に照射される光の発光スペクトル分布として設定してもよい。
【数５】
2010233116.tif 000007
この数式５は数式１をＯL（λ）、ＯD（λ）で補正したものである。その詳細は後述する。
【００３７】
ここで、ｋは第２カメラＭのゲインである。発光スペクトル分布Ｅ（λ）は図３に示す撮像装置Ａの照明部Ｌからの照明光の発光スペクトル分布であり、また、図７の右側のグラフに示す三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））は、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数を線形変換したものであり、図３の撮像装置Ａの第２カメラＭの総合分光感度である。ｌ（エル）は第１カメラ４０のゲインである。
【００３８】
図８の撮像装置１０の照明部３０は、図３のカメラMと同様の特性を有し、発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））となる照明光を生成するものである。色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃからの照明光が発光スペクトル分布（Ｌ1（λ），Ｌ2（λ），Ｌ3（λ））となるように照明部３０を設計してある。なお、図３の構成については既に述べた。
【００３９】
三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））について詳細に説明する。図中のＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数を線形変換して得られる分光感度を基にした特性をそれぞれ示している。すなわち、この３バンド忠実色再現カメラＭの規格化感度は、図７の左側のグラフの等色関数を線形変換したものであり、すべて正の値を持ち、単独のピークを持ち、互いの重なりが最小になるようにしたものである。
【００４０】
Ｓ１はピーク波長が５８２ｎｍで、１／２幅が５２３〜６２９ｎｍ、１／１０幅が４９１〜６６３ｎｍである。
【００４１】
Ｓ２は、ピーク波長が５４３ｍｍで、１／２幅が５０６〜５８９ｎｍ、１／１０幅が４６４〜６３２ｎｍである。
【００４２】
Ｓ３は、ピーク波長が４４６ｎｍで、１／２幅が４２３〜４７８ｎｍ、１／１０幅が４０９〜５０８ｎｍである。
【００４３】
なお、前記分光特性は、それぞれのピーク波長が４ｎｍ、３ｎｍ、７ｎｍの範囲で移動しても実質的に画質は損なわれない。
【００４４】
ここで、三つの分光感度（Ｓ1（λ），Ｓ2（λ），Ｓ3（λ））は次の数式６を用いて求めた。分光特性自体についての詳細は特許文献１を参照されたい。
【数６】
2010233116.tif 000008
【００４５】
つぎに、第１カメラ４０は、対物レンズ４１と、この対物レンズ４１の後方に配置された固体撮像素子（ここではＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）４２と、を備えている。対物レンズ４１は分光透過率ＯD（λ）の受光光学系を構成する。数式１のＫ（λ）をＫ´（λ）、分光透過率ＯL（λ）及び分光透過率ＯD（λ）の積で補正することにより、数式５によりＬi（λ）が設定される。つまり、照明光学系と受光光学系の分光透過率ＯL（λ），ＯD（λ）とカメラの分光感度Ｋ′（λ）の積であるＯL（λ）×ＯD（λ）×Ｋ´（λ）が、数式１のＫ（λ）の代わりとなる。なお、Ｌi（λ）の補正はこれには限定されず、種々なる態様で設定できる。
【００４６】
また、撮像装置１０は、演算処理装置５０と、照明部３０の照明と第１カメラ４０の露光タイミングとを同期させる同期部６０とをそなえている。
【００４７】
以上のように構成された撮像装置１０によれば、ランプ３１から照射された光は、色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃを透過し、この時点で、照明光は発光スペクトル分布Ｌi（λ）を備え、そして、集光レンズ３３で集光され、ライトガイド３４を透過して、照明レンズ３５から観察対象２０に照射される。
【００４８】
そして、観察対象２０から反射された光は、対物レンズ４１を介して、固体撮像素子４２に入り、観察対象２０の像を結像する。カメラ４０から演算処理装置５０と同期部６０へ、それぞれ異なった色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃに基づく照明に対応する色域のカメラ出力が出される。カメラ出力を演算処理装置５０で演算処理し、三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ信号が生成される。この三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ信号は映像装置側で処理し、ＲＧＢ信号を生成するが、演算処理装置５０で演算処理し、ＲＧＢ信号を出力してもよい。
【００４９】
演算処理装置５０は高速で動作し、各画像信号に基づいて、画像の色についての色度値をリアルタイムで得る。演算処理装置５０による演算は、前記した数式と理論的概念によって計算される。
【００５０】
このように、電子スコープ１０は、ＣＩＥが定めたＸＹＺ等色関数を線形変換して得られる分光感度を有する第２カメラＭと等価な分光特性の設定された発光スペクトル分布を備えた照明部３を用いて照明光を生成する。これに基づいて、計算方式と理論的概念によって、観察対象２０の色についての色度値を得ることができる。これにより、観察対象２０から取得された画像の色域を人の色域と一致させて出力することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、１個のランプ３１と３個の色フィルタ３２Ａ〜３２Ｃを用いた構成の電子スコープ１０について説明したが、これに代えて３つの光源を用いた構成としてもよい。
【００５２】
以上、詳しく説明した本実施の形態について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。本実施の形態では、図７の右側のグラフに示す規格化感度を線形変換により導出したが、必ずしもこのような線形変換によらない変換を行なった場合であっても、図７の右側のグラフに示す規格化感度と同じ範囲内にあるものは、実質的に特定マトリクスに基づくものと解されるべきであり、マトリクス変換以外の変換を排除する趣旨ではない。また、３つの色フィルタを用いたが、プログラマブル・フィルタ（可変フィルタ）を用いても良い。さらに、発光スペクトル分布の、照明光学系、受光光学系による補正の態様も種々に設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
ＣＣＤを撮像素子としたカメラ装置は安定性、信頼性が高く、家庭用のみならず産業用、保安用、その他のあらゆる分野に利用されている。こうした分野では正確な色情報の取得や異なったカメラ間で色差が認められないことが強く求められるので、本発明の撮像装置はこうした要求を満たすものとして広い利用が期待される。
【符号の説明】
【００５４】
１…撮像装置  ２…観察対象  ３…照明部  ４…カメラ  Ｍ…忠実色再現カメラ
Ａ…撮像装置  １０…電子スコープ  ２０…観察対象  ３０…照明部
４０…モノクロームカメラ  ３１…ランプ  ３２Ａ〜３２Ｃ…色フィルタ
３３…集光レンズ  ３４…ライトガイド  ３５…照明レンズ  ４１…対物レンズ
４２…固体撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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