(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素毎にＲ個のスペクトルの波長計測点数を有する色分解機構を備え、分光スペクトルのＲ個の情報を取得する撮像デバイスを用いて被写体を撮影し、カラー画像情報を取得するカラー画像撮影手段と、
前記カラー画像撮影手段によって取得した各画素のスペクトルをＲ個の離散値ｆk（ｋ＝１〜Ｒ）とし、それぞれ異なる光放出スペクトルを持つＰ（Ｐ≪Ｒ）個の光放出素子のスペクトルをｇlk（ｌ＝１〜Ｐ、ｋ＝１〜Ｒ）とした場合に、Ｐ個の前記光放出素子の光量ｘl（ｌ＝１〜Ｐ）を決定する下記数式１を最小自乗法によって解くことにより、前記光放出素子の出力を決めるパラメータであるＰ個のｘl（ｌ＝１〜Ｐ）の値を計算する加工手段と、
【数１】
0004420303.tif 000008
発光素子として有機ＥＬ素子を使用し、前記加工手段によって計算されたｘl（ｌ＝１〜Ｐ）の値に基づき、画素毎にそれぞれ異なる光放出スペクトルを持つＰ個の前記光放出素子のそれぞれを駆動することにより、前記カラー画像の分光スペクトルをディスプレイの各画素毎に再現するカラー画像再生手段と
を備えたことを特徴とするカラー画像再現システム。
【請求項２】
前記光放出素子として、それぞれ異なる中心波長のブロードな光を放出する６個の有機ＥＬ素子を使用することを特徴とする請求項１に記載のカラー画像再現システム。
【請求項３】
画素毎にＲ個のスペクトルの波長計測点数を有する色分解機構を備え、分光スペクトルのＲ個の情報を取得する撮像デバイスを用いて被写体を撮影し、カラー画像情報を取得する工程と、
前記カラー画像撮影手段によって取得した各画素のスペクトルをＲ個の離散値ｆk（ｋ＝１〜Ｒ）とし、それぞれ異なる光放出スペクトルを持つＰ（Ｐ≪Ｒ）個の光放出素子のスペクトルをｇlk（ｌ＝１〜Ｐ、ｋ＝１〜Ｒ）とした場合に、Ｐ個の前記光放出素子の光量ｘl（ｌ＝１〜Ｐ）を決定する下記数式２を最小自乗法によって解くことにより、前記光放出素子の出力を決めるパラメータであるＰ個のｘl（ｌ＝１〜Ｐ）の値を計算する工程と、
【数２】
0004420303.tif 000009
発光素子として有機ＥＬ素子を使用し、前記加工手段によって計算されたｘl（ｌ＝１〜Ｐ）の値に基づき、画素毎にそれぞれ異なる光放出スペクトルを持つＰ個の前記光放出素子のそれぞれを駆動することにより、前記カラー画像の分光スペクトルをディスプレイの各画素毎に再現する工程と
を含むことを特徴とするカラー画像再現方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラー画像撮影及び再生装置、カラー画像再現システムおよびカラー画像再現方法に関し、特に、カラーディスプレイの画像を、被写体を直接人間の目が見たそのものに近づけるための装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人間が感じる色は光の性質そのものではない。即ち、分光スペクトル（分光エネルギー分布）が同じのものは、同じ色に見える（アイソメリツクな性質）が、同じ色に見えるからといって分光スペクトルが同じとは限らない（メタメトリックな性質）。例えば、テレビに映されるバナナの色は、黄色（５８０ｎｍ）の光でなく、実は赤色と緑色の混合でできている。
【０００３】
従来、カラー表示（再現）は被写体の各部（以後撮影する画素単位で表現して、物体の画素毎と表現する）のカラー情報をＲＧＢ３色に色分解して撮影し、再びディスプレイデバイスの画素毎のＲＧＢ３色を再現することによっていた。即ち、被写体の画素毎の色調は本来多様な分光スペクトル（分光エネルギー分布）を持っているにもかかわらず、画像として再現される画面の画素ではＲＧＢ３色の混色比のみで表現されてきた。
このことについて、人間の視覚受容器が３種しか存在しないことを根拠とする３原色説を用いて、前記のような色分解と色再現の方法が人間の目には実物と変わらぬ画像を与えることが説明されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来のカラー画像再現システムにおいては、、如何にＲＧＢの色再現性に優れた発光素子を組み合わせて画素の色を再現しても、実物が持つ分光スペクトルを完全には再現できない。実物との分光スペクトルの違いは、表示装置を直接目で見た場合には明確に認識できないとしても、例えば表示装置から発光した光が物体に当たり、その反射光を見た場合に明確となる。
例えば、前記した実物から放出された黄色の光と、赤と緑のスペクトルにより合成した黄色の光とを、黄色のみを反射する物体に当てて、該物体を目で見た場合には、その反射光の色調や強度（エネルギー）は明らかに異なる。
【０００５】
日常経験する事例としては、例えば蛍光灯の光で見た衣服の色調と太陽光の下で見た色調とが異なるという事実は周知である。これも、蛍光灯の光を直接目で見た場合には太陽光と同一に見えるが、その分光スペクトルは太陽光のように均一に分布したものではなく、いくつかの輝線スペクトルによって構成されているために起こる。
【０００６】
更に、最近の視覚神経系に関する様々な実験結果によれば、人間の視覚受容器は確かに３色の異なるブロード（ある程度の帯域幅を有し、すその広がった）なスペクトル感度を有し、該３種の受容器を用いて画素毎の分光スペクトルを読み取るとしても、網膜、神経系での情報処理は３つの分解色のデジタル的な加減算処理ではないことが判明してきた。従って、分光スペクトルまで忠実に再現したシステムの画像は、従来のＲＢＧの混合による再現システムとは色調が異なって見える可能性がある。
しかし、従来のカラー画像再現システムにおいては、上記したような問題を解決するようなシステムは実際に実現されていない。
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、実物と同一の自然な画像を再生可能なカラー画像撮影及び再生装置、カラー画像再現システムおよびカラー画像再現方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
実物と最も近いディスプレイの実現方法としては、実物の画素から放射される光の分光スペクトルと同一の分光スペクトルの光を放出する画素を並ベることによりディスプレイを構成すれば、この問題は解決される。
従って、本発明のカラー画像再現システムにおいては、まず、被写体の画素毎の分光スペクトルを計測できる撮像デバイスを用いて物体を撮影する。この映像情報を数値処理し、ディスプレイ装置に入力する。そして、画像を形成する際こ、画素毎に任意の分光スペクトルを形成できる光放出型デバイスを用いたディスプレイ装置でカラー像を再構成する。
【０００８】
本発明によれば、人間の目に直接物体から入射する光と同一の分光スペクトルを有する光をディスプレイから放射することができるから、ディスプレイから放射される光を直接的に、あるいは間接的に見た場合にも、実物と同一の自然な色調の画像を再現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のカラー画像撮影装置の第１実施例の構成を示す説明図である。以下、第１実施例について、被写体からの入射光線を受光する撮像デバイスにおいて画素毎の分光スペクトルを直接的に取得し、数値処理し、光放出型ディスプレイの入力信号を決定する方法を説明する。
【００１０】
第１実施例の撮像装置は、レンズ１１およびライン型スペクトル分解撮像ユニット１３からなる。レンズ１１は物体１０の実像１２を生成し、ライン型スペクトル分解撮像ユニット１３は、図示しない走査機構によって実像１２を走査することによって、各画素の分光スペクトル情報を得る。
【００１１】
図２は、本発明のライン型スペクトル分解撮像ユニット１３の外観を示す斜視図である。また、図３は、本発明のライン型スペクトル分解撮像ユニット１３の断面を示す断面図である。ユニット１３には細長いスリット２０が設けられている。スリットの幅は１画素分の入射光が通過できる幅とする。
【００１２】
スリット２０を通過した１ライン分の入射光２３は細長いプリズム２１によって分光され、２次元イメージセンサ２２の上に焦点を結ぶ。イメージセンサ２２としては、可視領域の波長に対してほぼフラットな感度を有する２次元イメージセンサとして、例えばＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサ等を使用可能である。
【００１３】
例えば被写体の画像をＭ行、Ｎ列の画素データに分解する場合に、画素毎に取得する分光スペクトルの波長分解データの数をＲとすると、イメージセンサ２２の画素数はＲ行×Ｎ列のものが必要である。このユニット１３をＭ行の各位置に移動しながら各行の分光スペクトル情報を読み出すことによって、被写体のＭ×Ｎ×Ｒ個の画像情報が得られる。
【００１４】
１行を構成するＮ個の受光面にＮ個のマイクロプリズムないしはマイクロ回折格子を取り付け、これにより分光した光をＮ×Ｒ個の受光面を持つ撮像素子に入射させるようにしてもよい。更に、ラインユニット１３を機械的に動かすのではなく、鏡等を使用してラインユニット１３へ結像させるための光学系を動かしてＭ行を走査するようにしてもよい。
【００１５】
図４は、本発明のカラー画像撮影装置の第２実施例の構成を示す説明図である。第２実施例の撮影装置としては、例えばＣＣＤイメージセンサおよびレンズを使用し、レンズでセンサ上に像を結ばせ、多数の異なる色フィルタを使用することにより、各画素毎のスペクトル情報を得る。図４において、センサの１画素分の領域３０には各波長に対応する多数のカラーフィルタ３１〜４２が装着された複数の感光領域が設けられている。各領域において検出された各カラーフィルタに対応するスペクトル情報は周知の構成によって読み出される。このような構成により、感度は低下するが動画像を撮影することも可能となる。
【００１６】
画素から取得するスペクトルの分解能はそれほど高くなくてもよい。例えば３５０ｎｍから７５０ｎｍまでの波長範囲を１０ｎｍの光学分解能で分割すれば、４０個の波長データでよいことになり、３色に色分解した情報よりおよそ１桁多いデータを取り扱うことになる。
【００１７】
次に、この被写体の画像情報をディスプレイ上で再現することを考える。ここでもＭ×Ｎ個の画素として表現することとし、それぞれの画素はＰ個の異なる光放出スペクトルを持つ光放出型素子で構成されるものとする。
光放出型素子としては、被写体から発するブロードな分光スペクトルを再現するという意味から、輝線発光型のものでなく、ブロードな分光スペクトルを持つ素子を用いる。素子としては、例えば、有機ＥＬ素子のように有機分子からの発光スペクトルを利用することが考えられる。
【００１８】
図５は、本発明における表示装置（ディスプレイ）の第１実施例の構成を示す説明図である。光放出型素子としては例えば有機ＥＬ素子を使用し、１画素分の領域５０内にＰ＝６個の独立した有機ＥＬ発光素子５１〜５６が配置されている。６個の有機ＥＬ素子５１〜５６の発光中心波長は、例えば４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０ｎｍであり、それぞれの発光スペクトルの半値幅が７０ｎｍてあるとすれば、可視光領域の任意のスペクトルを表現できる。
各素子５１〜５６は、それぞれの発光材料の違いではなく、それぞれ異なる波長に対応したカラーフィルタを装着することにより、それぞれ異なる中心波長のブロードな光を放出するようにしてもよい。
【００１９】
Ｐ個の光放出素子の相対出力を決めるために、Ｐ個のパラメータを予め計算しておく必要がある。画素のスペクトルをＲ個の離散値、ｆk（ｋ＝１〜Ｒ）とし、光放出型素子はＰ個あり、それらのスペクトルは、ｇlk（ｌ＝１〜Ｐ、ｋ＝１〜Ｒ）で表現できるものとする。
各波長点（ｋ＝１〜Ｒ）における光の量を調節するようにＰ個の光放出素子の光量、ｘl（ｌ＝１〜Ｐ）を決定する式は下記（１）式である。
【００２０】
【数１】
0004420303.tif 000002
【００２１】
光放出素子の数Ｐが被写体の画素のスペクトルの波長計測点数Ｒより充分少ないと仮定すると、Ｒ＞＞Ｐであるので（１）式は最小自乗法で解析的に解けるので、光放出素子の出力を決めるパラメータであるＰ個のｘl（ｌ＝１〜Ｐ）の値を計算できる。
実践的には人間の目が必要とする波長分解能を考慮に入れて、最小限必要とされる撮像素子の波長分解能と光放出素子の必要個数を決めればよい。
【００２２】
図６は、本発明における表示装置（ディスプレイ）の第２実施例の構成を示す説明図である。この実施例はハロゲンランプ等の白色光源６０からの光を、１画素当たり例えば６色のカラーフィルターを備えた透過型液晶表示パネル６２を通過させてレンズ６３により図示しないスクリーンに結像させる投射型表示装置である。
【００２３】
次に、カラー画像再現システムの他の実施例について説明する。前記した実施例で示した撮像デバイスとしては、現在商業的に生産されているデバイスの流用はできず、量産するにはコストが高いことが予想される。また取り扱うデータ量が従来の画像データと比較しておよそ一桁増えることが問題点として残されている。そこで、上記した実施例とほぼ代替可能な、より簡便な方法を提示する。
この実施例は、被写体からの撮像デバイスヘの入射光線の画素毎のスペクトルを３個以上の異なるスペクトル感度を持つ検出器で同時に計測し、数値処理により画素毎のスペクトルを再構成し、光放出型ディスプレイの入力信号を決定する方法である。
【００２４】
この方法は、元来人間の目がカラー情報を取得する際には、波長分解能が低い３種の異なる感度スペクトルをもつ視細胞が用いられているので、最小限３個のブロードな感度特性を持つ受光器で得た情報で、人間の視覚が取得していると同等の情報が得られるはずであるとの考察から生まれたものである。
【００２５】
被写体からの入射光線を受光する撮像デバイスの面をＭ行、Ｎ列の画素で考える。各画素の光をＭ×Ｎ個の受光面を持つＣＣＤ撮像ユニットに入射させる。ひとつの画素は異なるフィルターを付けた３個以上のＣＣＤ撮像素子から成る。一画素を構成するＣＣＤ撮像素子の数は人間の視細胞の感度特性に合わせた感度特性を持つ最低３個で構成できるが、光放出素子で可視スペクトルの両端付近の色（青色、赤色領域）を再現する必要があることを考慮に入れれば４〜５個の異なる感度特性の撮像素子を一組として画素を構成した方がよい。
【００２６】
次に、この被写体の画像情報Ｒ’個を用いて、ディスプレイ上で画素のスペクトルを再現することを考える。Ｐ個の光放出素子の相対出力を決めるために、Ｐ個のパラメータ、ｙl（ｌ＝１〜Ｐ）を予め計算するが、情報としては、
（１）Ｒ’個の撮像素子の受光感度特性ｄk(λ)（ｋ＝１〜Ｒ’）、
（２）Ｒ’個の受光強度データ、ｆk（ｋ＝１〜Ｒ’）、
（３）Ｐ個の光放出素子の光放出スペクトルｇ(λ)
の三種であるとする。
【００２７】
画素で受光する光のスペクトルをＧ（λ）とすると、Ｒ’個の素子で受光した受光強度、ｆk（ｋ＝１〜Ｒ’）は下記の（２）式で与えられる。
【００２８】
【数２】
0004420303.tif 000003
【００２９】
一方、Ｇ（λ）をディスプレイの画素で表現する際には、下記（３）式が成立する必要がある。
【００３０】
【数３】
0004420303.tif 000004
【００３１】
（３）式を（２）式に入れて整理すると、
【数４】
0004420303.tif 000005
【００３２】
ここで、
【数５】
0004420303.tif 000006
【００３３】
は受光素子と光放出素子の性能で決まる装置定数である。従って、ｙl（ｌ＝１〜Ｐ）を求める式は（６）式で与えられるＲ’個の連立方程式である。
【００３４】
【数６】
0004420303.tif 000007
【００３５】
未知数がＰ個で方程式がＲ’個であり、通常Ｐ＞Ｒ’であるので、方程式の解は一般には不定であるが、更に便宜的に必要な条件を付加することによって、確定解を求めることができる。
【００３６】
ディスプレイは撮像デバイスと同一のＭ行、Ｎ列の画素から構成され、各画素にはＰ個の光放出型素子から形成されており、その各素子の光量は前出の出力パラメータで決められる。光放出素子としては例えば６個の有機ＥＬ素子を用い、その発光中心波長が４００，４５０、５００、５５０、６００、６５０ｎｍであり、それぞれの発光スペクトルの半値幅が７０ｎｍであるとすれば、可視光領域の任意のスペクトルを表現できる。
実践的には人間の目が必要とする波長分解能を考慮に入れて最小限必要とされる、画素を構成する撮像素子の個数及び光放出素子の必要個数を決めればよい。
【００３７】
【発明の効果】
従来、ディスプレイはＲＧＢ三色の光の加色混合で表現するしかなく、ディスプレイ画面に表現される映像は、物体からの光を直に目で観察する場合とは全くことなる分光スペクトルを有するごまかしの画像であったが、本発明のカラー画像再現システムにより、初めて人間が物体を直接見るときと同じ像をディスプレイ画面に表示できるようになるという効果がある。
本発明によれば、人間の目に直接物体から入射する光と同一の分光スペクトルを有する光をディスプレイから放射することができるから、ディスプレイから放射される光を直接的に、あるいは間接的に見た場合にも、実物と同一の自然な色調の画像を再現できる。本発明のカラー画像再現システムはテレビジョン、情報端末など、より自然な映像を再現することが要求されている用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカラー画像撮影装置の第１実施例の構成を示す説明図である。
【図２】本発明のスペクトル分解撮像ユニットの外観を示す斜視図である。
【図３】本発明のスペクトル分解撮像ユニットの断面を示す断面図である。
【図４】本発明のカラー画像撮影装置の第２実施例の構成を示す説明図である。
【図５】本発明における表示装置の第１実施例の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の表示装置の第２実施例の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…物体、１１…レンズ、１２…実像、１３…ライン型分解撮像ユニット、２０…スリット、２１…プリズム、２２…イメージセンサ、２３…入射光、３０…１画素分の領域、３１〜４２…カラーフィルタ、５０…１画素分の領域、５１〜５６…発光素子、６０…白色光源、６１…レンズ、６２…透過型液晶表示パネル、６３…レンズ
【図１】
0004420303.tif 000010
【図２】
0004420303.tif 000011
【図３】
0004420303.tif 000012
【図４】
0004420303.tif 000013
【図５】
0004420303.tif 000014
【図６】
0004420303.tif 000015