(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像装置であって、
(a)ダイクロイック膜により、被写体に係る入射光を複数の光路に分岐し射出する分岐手段と、
(b)前記分岐手段で分岐された光路上にそれぞれ設けられる複数の撮像センサと、
を備え、
前記複数の撮像センサそれぞれは、複数の波長帯域を持つ分光感度特性を有するとともに、
前記ダイクロイック膜は、前記複数の波長帯域のうち少なくとも１の波長帯域の光成分を第１と第２の部分に分割し、前記第１の部分を選択的に透過する波長特性を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記複数の波長帯域は、三原色に対応する３の波長帯域であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
前記複数の撮像センサそれぞれは、
前記複数の波長帯域に対応する複数の色フィルタが光電セル配列上に配列される色フィルタ配列、
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の撮像装置において、
前記複数の撮像センサは、互いに前記色フィルタ配列の配列パターンが同一であることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の撮像装置において、
前記ダイクロイック膜は、前記複数の波長帯域それぞれの光成分を第１と第２の部分に分割し、前記第１の部分を選択的に透過する波長特性を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の分光画像をワンショットで取得する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルチバンドカメラ(撮像装置)は、物体(被写体)の色を忠実に再現するための入力機であり、４色以上の多色で撮影して得られた多色情報に基づき演算を行い、物体の色を正確に取得するカメラである。
【０００３】
上記の撮像装置としては、被写体から撮像素子までの光路中に多色のカラーホイールを介挿し、このカラーホイールを回転させ、この回転に合わせて順次撮影する方式のものがある。この方式は順次の撮影が必要なためワンショット撮影が不可能である。
【０００４】
ワンショット撮影が可能な撮像装置としては、ハーフミラーで入射光を２つに分離し各光路に同じＲＧＢのＣＣＤが配置されるとともに各光路中に所定の波長特性を持った２つのフィルターが配置されるものがある（非特許文献１参照）。これにより、２つのＣＣＤで生成されるデータに基づき６色の分光画像が取得できる。
【０００５】
【非特許文献１】
石丸浩、他６名「複数のＲＧＢカメラを用いたワンショット型マルチスペクトルカメラの開発」、第６１回応用物理学会学術講演会  講演予講集、２０００年９月、ｐ８８７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の非特許文献１の技術においては、ハーフミラーで入射光を分離する際に各光路で光量が半減するとともに、光量が半減した各光路に配置される各フィルターがさらに特定波長の光をカットするため、ＣＣＤに到達する光量が小さくなり、効率が悪い。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ワンショットで複数の分光画像を光量効率良く取得できる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、撮像装置であって、(a)ダイクロイック膜により、被写体に係る入射光を複数の光路に分岐し射出する分岐手段と、(b)前記分岐手段で分岐された光路上にそれぞれ設けられる複数の撮像センサとを備え、前記複数の撮像センサそれぞれは、複数の波長帯域を持つ分光感度特性を有するとともに、前記ダイクロイック膜は、前記複数の波長帯域のうち少なくとも１の波長帯域の光成分を第１と第２の部分に分割し、前記第１の部分を選択的に透過する波長特性を有する。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る撮像装置において、前記複数の波長帯域は、三原色に対応する３の波長帯域である。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る撮像装置において、前記複数の撮像センサそれぞれは、前記複数の波長帯域に対応する複数の色フィルタが光電セル配列上に配列される色フィルタ配列を有する。
【００１１】
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る撮像装置において、前記複数の撮像センサは、互いに前記色フィルタ配列の配列パターンが同一である。
【００１２】
また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明に係る撮像装置において、前記ダイクロイック膜は、前記複数の波長帯域それぞれの光成分を第１と第２の部分に分割し、前記第１の部分を選択的に透過する波長特性を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
＜撮像システムの要部構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像システム１Ａの外観を示す斜視図である。
【００１４】
撮像システム１Ａは、撮像装置１０Ａとパーソナルコンピュータ（以下「パソコン」と略称する）１００とを備えている。撮像装置１０Ａとパソコン１００とは、ケーブルＣＢによって電気的に接続され、撮像装置１０Ａとパソコン１００とは相互にデータを送受信することができる。なお、ここでは、ケーブルＣＢによって電気的に接続したが、無線回線によって接続しても良いし、有線回線や無線回線等から構成されるネットワークを介して接続しても良い。
【００１５】
撮像装置１０Ａは、主に撮像レンズ２と箱形のカメラ本体部３Ａとによって構成され、例えば、被写体表面の色を分析する分析用のカメラ等として用いられる。また、撮像装置１０Ａは、後述するように、被写体表面から発する光を複数の色に対応する波長帯域別に分光し、これを撮影することによってマルチバンド画像、つまり分光画像データを生成できる。
【００１６】
また、撮像装置１０Ａは、生成された分光画像データを、ケーブルＣＢを介してパソコン１００に送信する。
【００１７】
パソコン１００は、情報処理装置として機能し、各種信号やデータの入出力を行うとともに各種データ処理等を行うパソコン本体部１０１と、種々の画像を可視的に出力する表示部１０２と、キーボードやマウス等によって構成される操作部１０３とを備えている。なお、図示を省略するが、パソコン本体部１０１と表示部１０２、パソコン本体部１０１と操作部１０３とは、各種信号やデータを互いに送受信可能となるように接続されている。
【００１８】
図２は、撮像システム１Ａの要部構成を示す図である。
【００１９】
撮像装置１０Ａのカメラ本体部３Ａは、分光プリズム３１Ａと、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂとを有している。
【００２０】
分光プリズム３１Ａは、直方体状の外形を有しており、その内部にダイクロイック膜で構成される分光面３１ｆが設けられている。この分光面３１ｆは、ダイクロイックフィルタとして機能し、被写体ＳＢから分光プリズム３１Ａに入射する入射光Ｌｏに対して４５度程度傾けられることにより、入射光Ｌｏの進行方向と同一方向に透過される光路Ｌａと、入射光Ｌｏの進行方向と直交方向に反射される光路Ｌｂとに分岐されて入射光Ｌｏが射出される。
【００２１】
撮像素子３２(３２ａ、３２ｂ)は、撮像センサとして機能し、受光の最小面積単位である画素(光電セル)ごとに赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の色フィルターが、例えばベイヤー配列で配列された汎用のカラーＣＣＤとして構成されている。すなわち、撮像素子３２ａ、３２ｂそれぞれは、三原色の波長帯域に対応するＲＧＢの３つの色フィルタが光電セル配列上に配列されている。また、撮像素子３２ａ、３２ｂは、分光プリズム３１Ａで分岐された光路Ｌａ、Ｌｂ上にそれぞれ配置されている。そして、撮像素子３２ａでは、一方の光路Ｌａを進む被写体ＳＢの分光画像を取得し、撮像素子３２ｂでは、他方の光路Ｌｂを進む被写体ＳＢの分光画像を取得する(後で詳述)。
【００２２】
パソコン１００のパソコン本体部１０１は、画像処理部１０５と、画像処理部１０５に電気的に接続する制御部１０６とを有している。
【００２３】
画像処理部１０５は、撮像装置１０ＡからケーブルＣＢを介して送られた分光画像データに対して、必要に応じて例えば画素補間の処理やγ補正などの画像処理を施す部位である。
【００２４】
制御部１０６は、撮像装置１０Ａの動作を制御したり、撮像装置１０Ａで生成されたマルチバンド画像情報に係る種々のデータを取り扱う。この場合、ユーザーが操作部１０３を操作することによって、パソコン本体部１０１からケーブルＣＢを介して撮像装置１０Ａに種々の制御信号を送信することができる。例えば、パソコン本体部１０１からの制御信号によって、撮像装置１０Ａにおける撮影の開始や停止、被写体に係るカラー情報に基づいた分光画像データの生成等を制御することができる。
【００２５】
また、パソコン本体部１０１は、ハードディスク（図示省略）を備えるとともに、前面に設けられたドライブ１０４に光ディスク等の記憶媒体を着装することができる。そして、ユーザーが操作部１０３を操作することによって、撮像装置１０ＡからケーブルＣＢを介して入力される分光画像データをハードディスクや記憶媒体に記憶することができる。
【００２６】
以上のような機能を有するパソコン１００では、表示部１０２において分光画像データに基づく種々の画像を可視的に出力することによって、被写体表面の色彩の解析を行うことができる。例えば、被写体表面の色彩を多数色のカラー情報として取得している場合は、表示部１０２に各色毎にヒストグラム（輝度分布）を表示させたりすることによって、被写体表面の色彩の解析を行うことができる。
【００２７】
以上の構成を有する撮像装置１０Ａにおいて、分光画像を取得する方法について以下で説明する。
【００２８】
＜分光画像の取得方法について＞
図３は、撮像装置１０Ａでの分光画像の取得方法を説明するための図である。図３(ａ)〜(ｃ)では、横軸に波長を示し、縦軸に透過率を示している。
【００２９】
図３(ａ)に示すように、撮像素子３２に配列されるＲＧＢ各色の色フィルタは、それぞれ透過率がピークとなる波長から外れると徐々に減衰する分光感度分布を持つ分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂ(仮想線で示す)を有している。一方、ダイクロイックプリズム３１Ａの分光面３１ｆは、撮像素子３２の各色フィルタが有する分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割するような波長特性Ｆ１を有している。
【００３０】
具体的には、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ１において最小透過率から最大透過率に変化する立上がり部(傾斜部)Ｆ１１により波長方向に第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。一方、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ１２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。また、分光透過特性Ｆｂで表されるＢ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ１３により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｆの波長特性Ｆ１により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ１を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ１の曲線より上側の光成分が伝搬する。このように、光路Ｌａおよび光路Ｌｂでは、光成分について相補的な関係となる。
【００３１】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図３(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＲ画素では、傾斜部Ｆ１１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒａ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ａのＧ画素では、傾斜部Ｆ１２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇｂ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ａのＢ画素では、傾斜部Ｆ１３の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂａ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００３２】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図３(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素では、傾斜部Ｆ１１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒｂ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＧ画素では、傾斜部Ｆ１２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇａ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｂのＢ画素では、傾斜部Ｆ１３の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂｂ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００３３】
分光プリズム３１Ａは、ガラス母材の吸収などの微少な光量ロスを除けば、波長特性Ｆ１に基づき入射光Ｌｏが透過または反射するため、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂにおいて、６つの波長帯域Ｒａ、Ｒｂ、Ｇａ、Ｇｂ、Ｂａ、Ｂｂすなわち６色の分光画像が、光量効率良く取得できることとなる。
【００３４】
＜撮像システム１Ａの動作＞
図４は、撮像システム１Ａの動作を説明するフローチャートである。
【００３５】
まず、ユーザーがパソコン１００の操作部１０３を種々操作することにより、パソコン１００から撮像装置１０Ａに撮影指示をする(ステップＳ１)。この場合、制御部１０６で生成された撮影指示信号が、ケーブルＣＢを介して撮像装置１０Ａに伝達することで、指示が行われることとなる。
【００３６】
ステップＳ２では、ダイクロイック膜を有する分光プリズム３１Ａで被写体ＳＢからの入射光Ｌｏが２つの光路Ｌａ、Ｌｂに分岐される。
【００３７】
ステップＳ３では、ステップＳ２で分岐された光路Ｌａ、Ｌｂにおいて被写体ＳＢの光像を受光する２つの撮像素子３２ａ、３２ｂによって画像を取得する。
【００３８】
ステップＳ４では、ステップＳ３で取得された画像データに対して、画像処理部１０５で画素補間などの画像処理を行う。
【００３９】
ステップＳ５では、ステップＳ４で画像処理されることにより、分光画像データが生成される。この場合、撮像素子３２における３つの分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割する分光面３１ｆの分光透過特性Ｆ１により、ワンショット撮影で６色（３色×２）の分光画像データが生成されることとなる。そして、生成された分光画像データに基づき、例えば表示部１０２に表示することにより、ユーザーが確認できることとなる。
【００４０】
以上の撮像システム１Ａの構成および動作により、ダイクロイック膜で構成される分光面３１ｆで分離された被写体光像を２つの撮像素子で取得するため、ワンショットで複数の分光画像を光量効率良く取得できる。
【００４１】
また、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂは、ともにベイヤー配列、つまり互いにＲＧＢの色フィルタの配列パターンが同一であるため、それぞれの撮像素子で取得した分光画像の比較・検討が容易となる。
【００４２】
さらに、ダイクロイック膜がＲＧＢの波長帯域Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分断させる波長特性Ｆ１を有するため、ワンショットで多数の分光画像を効率よく安価に取得できることとなる。
【００４３】
なお、分光プリズム３１Ａの分光面３１ｆにおけるダイクロイック膜については、図３に示す分光透過特性Ｆ１を有するのは必須でなく、図５に示す分光透過特性Ｆ２を有しても良い。
【００４４】
図５(ａ)に示すように、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ２の傾斜部Ｆ２１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。一方、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ２２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。また、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ２３により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。この波長特性Ｆ２により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ２を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ２の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００４５】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図５(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＲ画素では、傾斜部Ｆ２１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒｄ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ａのＧ画素では、傾斜部Ｆ２２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇｃ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ａのＢ画素では、傾斜部Ｆ２３の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂｄ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００４６】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図５(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素では、傾斜部Ｆ２１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒｃ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＧ画素では、傾斜部Ｆ２２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇｄ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｂのＢ画素では、傾斜部Ｆ２３の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂｃ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００４７】
図５に示す波長特性Ｆ２を有する分光プリズム３１Ａによっても、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂにおいて、６つの波長帯域Ｒｃ、Ｒｄ、Ｇｃ、Ｇｄ、Ｂｃ、Ｂｄすなわち６色の分光画像が、光量効率良く取得できる。
【００４８】
なお、図３および図５に示す分光面３１ｆの波長特性Ｆ１および波長特性Ｆ２については、１つのダイクロイック膜で実現するのは必須でなく、２つのダイクロイック膜を張合わせるようにして実現しても良い。例えば、分光プリズム３１Ａ(図２)を作製するには、図６に示すように２つの三角柱状のプリズム３１１、３１２をダイクロイック膜がコートされたコート面３１１ｆ、３１２ｆで張合わせる。この場合、図７(ａ)に示す波長特性Ｔ１を有するコート面３１１ｆと、図７(ｂ)に示す波長特性Ｔ２を有するコート面３１２ｆとを張合わせることにより、図３に示す分光透過特性Ｆ１を実現できる。また、図８(ａ)に示す波長特性Ｔ３を有するコート面３１１ｆと、図８(ｂ)に示す波長特性Ｔ４を有するコート面３１２ｆとを張合わせることにより、図５に示す分光透過特性Ｆ２を実現できる。
【００４９】
このように比較的複雑な波長特性Ｆ１、Ｆ２でも、簡素化され生成容易な波長特性Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４を有するコート面を張合わせることによって簡易で適切に実現できることとなる。
【００５０】
また、分光プリズム３１Ａの分光面３１ｆにおけるダイクロイック膜については、図３および図５に示すように撮像素子３２の３つの分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割する波長特性Ｆ１、Ｆ２を有するのは必須でなく、図９および図１０に示すように２つの波長帯域を分割する波長特性Ｆ３、Ｆ４を有しても良い。
【００５１】
図９(ａ)に示すように、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ３の傾斜部Ｆ３１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。一方、分光透過特性Ｆｂで表されるＢ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ３２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｆの波長特性Ｆ３により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ３を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ３の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００５２】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図９(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＧ画素では、傾斜部Ｆ３１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇｉ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ａのＢ画素では、傾斜部Ｆ３２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂｈ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００５３】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図９(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素では、分光透過特性Ｆ３の傾斜部が存在しないため、Ｒ色の色フィルタが有する波長帯域Ｒｏに関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＧ画素では、傾斜部Ｆ３１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇｈ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｂのＢ画素では、傾斜部Ｆ３２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂｉ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００５４】
一方、図１０(ａ)に示すように、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ４の傾斜部Ｆ４１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。また、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ４２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｆの波長特性Ｆ４により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ４を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ４の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００５５】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１０(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＲ画素では、傾斜部Ｆ４１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒｋ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ａのＧ画素では、傾斜部Ｆ４２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇｉ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。
【００５６】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１０(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素では、傾斜部Ｆ４１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒｊ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＧ画素では、傾斜部Ｆ４２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇｋ(網掛け部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＢ画素では、波長特性Ｆ４の傾斜部が存在しないため、Ｂ色の色フィルタが有する波長帯域Ｂｏに関する分光画像が得られる。
【００５７】
以上で説明したように、図９および図１０に示す分光透過特性Ｆ３、Ｆ４を有する分光プリズム３１Ａによっても、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂにおいて、図９に示す５つの波長帯域Ｒｏ、Ｇｈ、Ｇｉ、Ｂｈ、Ｂｉまたは、図１０に示す５つの波長帯域Ｒｊ、Ｒｋ、Ｇｊ、Ｇｋ、Ｂｏ、すなわち５色の分光画像が光量効率良く取得できることとなる。
【００５８】
同様に、分光プリズム３１Ａの分光面３１ｆにおけるダイクロイック膜については、図１１および図１２に示すように１つの波長帯域のみを分割する分透過特性Ｆ５、Ｆ６を有するようにしても良い。
【００５９】
図１１(ａ)に示すように、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ５の傾斜部Ｆ５１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｆの波長特性Ｆ５により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ５を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ５の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００６０】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１１(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＲ画素では、傾斜部Ｆ５１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒｍ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００６１】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１１(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素では、傾斜部Ｆ５１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒｎ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＧ画素およびＢ画素では、分光透過特性Ｆ５の傾斜部が存在しないため、Ｇ色およびＢ色の色フィルタが有する波長帯域Ｇｏ、Ｂｏに関する分光画像が得られる。
【００６２】
一方、図１２(ａ)に示すように、分光透過特性Ｆｂで表されるＢ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ６の傾斜部Ｆ６１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｆの波長特性Ｆ６により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌａでは、波長特性Ｆ６を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｂでは、波長特性Ｆ６の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００６３】
よって、分光面３１ｆを透過して光路Ｌａ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１２(ｂ)に示すように、撮像素子３２ａで取得される。すなわち、撮像素子３２ａのＢ画素では、傾斜部Ｆ６１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂｎ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００６４】
また、分光面３１ｆで反射して光路Ｌｂ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１２(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｂで取得される。すなわち、撮像素子３２ｂのＲ画素およびＧ画素では、分光透過特性Ｆ６の傾斜部が存在しないため、Ｒ色およびＧ色の色フィルタが有する波長帯域Ｒｏ、Ｇｏに関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｂのＢ画素では、傾斜部Ｆ６１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂｍ(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００６５】
以上で説明したように、図１１および図１２に示す分光透過特性Ｆ５、Ｆ６を有する分光プリズム３１Ａによっても、２つの撮像素子３２ａ、３２ｂにおいて、図１１に示す４つの波長帯域Ｒｍ、Ｒｎ、Ｇｏ、Ｂｏまたは、図１２に示す４つの波長帯域Ｒｏ、Ｇｏ、Ｂｍ、Ｂｎ、すなわち４色の分光画像が光量効率良く取得できることとなる。
【００６６】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る撮像システム１Ｂについては、図１に示す第１実施形態の撮像システム１Ａと同様の外観を有している。
【００６７】
図１３は、撮像システム１Ｂの要部構成を示す図である。
【００６８】
撮像システム１Ｂは、第１実施形態と同様の構成であるパソコン１００を有しているが、第１実施形態と異なる撮像装置１０Ｂを有している。
【００６９】
撮像装置１０Ｂは、分光プリズム３１Ｂと３つの撮像素子３２ｃ〜３２ｅとを有するカメラ本体部３Ｂを備えている。
【００７０】
分光プリズム３１Ｂは、第１実施形態の分光プリズム３１Ａと異なり、２つの分光面３１ｐ、３１ｑを有している。これらの分光面３１ｐ、３１ｑは、ダイクロイック膜で構成されており、被写体ＳＢからの入射光Ｌｏが透過する光路Ｌｃと、分光面３１ｐで反射される光路Ｌｄと、分光面３１ｑで反射される光路Ｌｅとに入射光Ｌｏを分離する。
【００７１】
撮像素子３２(３２ｃ〜３２ｅ)は、第１実施形態と同様に、画素(光電変換セル)ごとに赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の色フィルターが、例えばベイヤー配列で配列された汎用のカラーＣＣＤとして構成されている。そして、撮像素子３２ｃでは、２つの分光面３１ｐ、３１ｑを通過して光路Ｌｃを進む被写体ＳＢの分光画像を取得し、撮像素子３２ｄでは、分光面３１ｐにおける反射光の光路Ｌｄを進む被写体ＳＢの分光画像を取得するとともに、撮像素子３２ｅでは、分光面３１ｑにおける反射光の光路Ｌｅを進む被写体ＳＢの分光画像を取得する(後で後述)。
【００７２】
以上の構成を有する撮像装置１０Ｂにおいて、分光画像を取得する方法を以下で説明する。
【００７３】
＜分光画像の取得方法について＞
図１４および図１５は、撮像装置１０Ｂでの分光画像の取得方法を説明するための図である。
【００７４】
分光プリズム１０Ｂの分光面３１ｐは、図１４(ａ)に示すように、撮像素子３２の色フィルタが有する分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割する波長特性Ｆ７を有している。
【００７５】
具体的には、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ７の傾斜部Ｆ７１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。一方、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ７２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。また、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ７３により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｐの波長特性Ｆ７により、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌｃでは、波長特性Ｆ７を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｄでは、波長特性Ｆ７の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００７６】
よって、分光面３１ｐを透過して分光面３１ｑに至までの被写体ＳＢの光像は、図１４(ｂ)に示すような波長の構成となる。すなわち、撮像素子３２のＲ画素に関する光成分は、傾斜部Ｆ７１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒ２３(平行斜線部)となる。また、撮像素子３２のＧ画素に関する光成分は、傾斜部Ｆ７２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇ１２(網掛け部)となる。さらに、撮像素子３２のＢ画素に関する光成分は、傾斜部Ｆ７３の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂ２３(平行斜線部)となる。
【００７７】
また、分光面３１ｐで反射して光路Ｌｄ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１４(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｄで取得される。すなわち、撮像素子３２ｄのＲ画素では、傾斜部Ｆ７１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒ１(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｄのＧ画素では、傾斜部Ｆ７２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇ３(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｄのＢ画素では、傾斜部Ｆ７３の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂ１(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００７８】
一方、分光プリズム１０Ｂの分光面３１ｑは、分光面３１ｐと波長特性が異なっているが、図１５(ａ)に示すように、撮像素子３２の色フィルタが有する分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割する波長特性Ｆ８を有している。
【００７９】
具体的には、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、波長特性Ｆ８の傾斜部Ｆ８１により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。一方、分光透過特性Ｆｇで表されるＧ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ８２により第１と第２の部分に分割され、そのうちの高波長側に相当する部分が選択的に透過する。また、分光透過特性Ｆｒで表されるＲ色の波長帯域の光成分は、傾斜部Ｆ８３により第１と第２の部分に分割され、そのうちの低波長側に相当する部分が選択的に透過する。この分光面３１ｑにより、入射光Ｌｏが透過する光路Ｌｃでは、波長特性Ｆ８を表す曲線より下側の光成分が伝搬するとともに、入射光Ｌｏが反射する光路Ｌｅでは、波長特性Ｆ８の曲線より上側の光成分が伝搬することとなる。
【００８０】
よって、分光面３１ｑで透過して光路Ｌｃ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１５(ｂ)に示すように、撮像素子３２ｃで取得される。すなわち、撮像素子３２ｃのＲ画素では、傾斜部Ｆ８１の左側(低帯域側)の波長帯域Ｒ３(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｃのＧ画素では、傾斜部Ｆ８２の右側(高帯域側)の波長帯域Ｇ１(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｃのＢ画素では、傾斜部Ｆ８３の左側(低帯域側)の波長帯域Ｂ３(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００８１】
また、分光面３１ｑで反射して光路Ｌｅ上を伝搬する被写体ＳＢの光像は、図１５(ｃ)に示すように、撮像素子３２ｅで取得される。すなわち、撮像素子３２ｅのＲ画素では、傾斜部Ｆ８１の右側(高帯域側)の波長帯域Ｒ２(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。また、撮像素子３２ｅのＧ画素では、傾斜部Ｆ８２の左側(低帯域側)の波長帯域Ｇ２(網掛け部)に関する分光画像が得られる。さらに、撮像素子３２ｅのＢ画素では、傾斜部Ｆ８３の右側(高帯域側)の波長帯域Ｂ２(平行斜線部)に関する分光画像が得られる。
【００８２】
分光プリズム３１Ｂは、第１実施形態と同様に、分光面３１ｐの分光透過特性Ｆ７および分光面３１ｑの分光透過特性Ｆ８に基づき入射光Ｌｏが透過または反射するため、３つの撮像素子３２ｃ〜３２ｅにおいて、９つの波長帯域Ｒ１〜Ｒ３、Ｇ１〜Ｇ３、Ｂ１〜Ｂ３すなわち９色の分光画像が、光量効率良く取得できることとなる。
【００８３】
＜撮像システム１Ｂの動作＞
図１６は、撮像システム１Ｂの動作を説明するフローチャートである。
【００８４】
ステップＳ１１では、図４のフローチャートに示すステップＳ１と同様の動作を行う。
【００８５】
ステップＳ１２では、分光プリズム３１Ｂで被写体ＳＢからの入射光Ｌｏが３つの光路Ｌｃ〜Ｌｅに分岐される。この際には、２つの分光面３１ｐ、３１ｑにおいて透過光および反射光に分離されることにより、分光プリズム３１Ｂからの出射光が３つに分岐されることとなる。
【００８６】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で分岐された３つの光路Ｌｃ〜Ｌｅにおいて被写体ＳＢの光像を受光する３つの撮像素子３２ｃ〜３２ｅによって画像を取得する。
【００８７】
ステップＳ１４およびステップＳ１５では、図４のフローチャートに示すステップＳ４およびステップＳ５と同様の動作を行う。ただし、ステップＳ１５においては、撮像素子３２における３つの分光透過特性Ｆｒ、Ｆｇ、Ｆｂそれぞれを分割する分光面３１ｐの波長特性Ｆ７および分光面３１ｑの波長特性Ｆ８により、ワンショット撮影で９色（３色×３）の分光画像データが生成される。
【００８８】
以上の撮像システム１Ｂの構成および動作により、ダイクロイック膜で構成される２つの分光面３１ｐ、３１ｑで分岐された被写体光像を３つの撮像素子で取得するため、９色の分光画像を光量効率良く簡易に取得できる。
【００８９】
＜変形例＞
◎上記の各実施形態における撮像素子については、三原色の色フィルタからなる配列を有するのは必須でなく、２色や４色以上の色フィルタからなる配列を有しても良い。
【００９０】
また、撮像素子は、色フィルタで分光するのは必須でなく、受光する波長によって異なる深さで吸収する特性を利用してＲＧＢの各波長帯域ごとに分光しても良い。
【００９１】
◎上記の第１実施形態における分光プリズムについては、図２に示す直方体の形状を有するのは必須でなく、図１７(ａ)〜(ｅ)に示す各形状を有しても良い。
【００９２】
図１７(ａ)および図１７(ｂ)に示す分光プリズム３１Ｃ、３１Ｄは、底面に分光面３１ｇを有する三角柱状の形状を有しており、略直交方向に光路を分岐する。
【００９３】
図１７(ｃ)および図１７(ｄ)に示す分光部材３１Ｅ、３１Ｆは、１つの主面に分光面３１ｇを有する矩形板状の形状を有しており、２つの光路に分岐する。
【００９４】
図１７(ｅ)に示す分光プリズム３１Ｇは、図２に示す分光プリズムと異なり、互いに直交しない２つの光路に入射光を分岐させる。具体的には、被写体からの入射光Ｌｏに対して所定の傾斜を有する分光面３１ｈと、分光面３１ｈで反射した光を反射させる反射面３１ｍとによって、分光プリズム３１Ｇから出射する２つの光路Ｌｈ、Ｌｉに分離する。
【００９５】
◎上記の各実施形態の撮像システムについては、撮像装置とパソコンとの組合せで実現するのは必須でなく、パソコンの操作部や表示部に相当するユーザインターフェースがカメラ上に追加された撮像装置のみで実現しても良い。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項５の発明によれば、ダイクロイック膜は複数の撮像センサそれぞれが有する複数の波長帯域のうち少なくとも１の波長帯域の光成分を第１と第２の部分に分割し、第１の部分を選択的に透過する波長特性を有する。その結果、ワンショットで複数の分光画像を光量効率良く取得できる。
【００９７】
特に、請求項２の発明においては、複数の波長帯域が三原色に対応する３の波長帯域であるため、汎用のカラー撮像素子を利用し簡単に分光画像を取得できる。
【００９８】
また、請求項３の発明においては、複数の撮像センサそれぞれは複数の波長帯域に対応する複数の色フィルタが光電セル配列上に配列された色フィルタ配列を有するため、複数の波長帯域を持つ分光特性を容易に実現できる。
【００９９】
また、請求項４の発明においては、複数の撮像センサが互いに色フィルタ配列の配列パターンが同一であるため、それぞれの撮像センサで取得した分光画像の比較・検討が容易になる。
【０１００】
また、請求項５の発明においては、ダイクロイック膜が複数の波長帯域それぞれの光成分を第１と第２の部分に分割し、第１の部分を選択的に透過する波長特性を有するため、ワンショットで多数の分光画像を効率よく安価に取得できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る撮像システム１Ａの外観を示す斜視図である。
【図２】撮像システム１Ａの要部構成を示す図である。
【図３】撮像装置１０Ａでの分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図４】撮像システム１Ａの動作を説明するフローチャートである。
【図５】分光画像の他の取得方法を説明するための図である。
【図６】分光プリズム３１Ａの作製方法を説明するための図である。
【図７】分光プリズム３１Ａの作製方法を説明するための図である。
【図８】分光プリズム３１Ａの作製方法を説明するための図である。
【図９】５色の分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１０】５色の分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１１】４色の分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１２】４色の分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る撮像システム１Ｂの要部構成を示す図である。
【図１４】撮像装置１０Ｂでの分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１５】撮像装置１０Ｂでの分光画像の取得方法を説明するための図である。
【図１６】撮像システム１Ｂの動作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の変形例に係る分光プリズム３１Ｃ〜３１Ｇを説明するための図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ  撮像システム
２  撮像レンズ
３  カメラ本体部
１０Ａ、１０Ｂ  撮像装置
３１Ａ〜３１Ｇ  分光プリズム
３１ｆ、３１ｐ、３１ｑ  分光面
３２ａ〜３２ｅ  撮像素子
Ｆ１〜Ｆ８、Ｔ１〜Ｔ４  分光面の波長特性
【図１】
0003673845.tif 000002
【図２】
0003673845.tif 000003
【図３】
0003673845.tif 000004
【図４】
0003673845.tif 000005
【図５】
0003673845.tif 000006
【図６】
0003673845.tif 000007
【図７】
0003673845.tif 000008
【図８】
0003673845.tif 000009
【図９】
0003673845.tif 000010
【図１０】
0003673845.tif 000011
【図１１】
0003673845.tif 000012
【図１２】
0003673845.tif 000013
【図１３】
0003673845.tif 000014
【図１４】
0003673845.tif 000015
【図１５】
0003673845.tif 000016
【図１６】
0003673845.tif 000017
【図１７】
0003673845.tif 000018