(57)【要約】【課題】高い空間解像度及び高い感度が得られると共に、色情報を取得することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮影レンズ３，６，７と、モノクロ撮像素子５及びカラー撮像素子１とを備え、入射した光を分岐させる光学部材４が少なくとも撮像素子１，５よりも前段に配置され、この光学部材４によって分岐した光の各成分が、それぞれ、モノクロ撮像素子５或いはカラー撮像素子１に照射される撮像装置１０を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズと、撮像素子とを備え、
前記撮像素子として、モノクロ撮像素子とカラー撮像素子とをそれぞれ有し、
入射した光を分岐させる光学部材が、少なくとも前記撮像素子よりも前段に配置され、
前記光学部材によって分岐した光の各成分が、それぞれ、前記モノクロ撮像素子或いは前記カラー撮像素子に照射される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記モノクロ撮像素子及び前記カラー撮像素子が、撮像領域が略同一であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記モノクロ撮像素子の画素数をＭｎ、前記カラー撮像素子の画素数をＣｎとすると、Ｍｎ≧Ｃｎであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に係わり、監視カメラ等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
広域を監視する監視カメラにおいて、求められる要件としては、以下の３つの要件が挙げられる。
第一の要件は、遠方の人等、注目する被写体を鮮明に撮像することである。そのためには、単位画角当たりの空間分解能を向上させる必要がある。そして、撮影画角を狭めることなしに、単位画角当たりの空間分解能を向上させるためには、レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）に余裕のある範囲で、単位面積当たりの画素数、即ち撮像素子の画素数を多くする必要がある。
第二の要件は、被写体が照度の低い環境、即ち暗い環境にあるときでも、撮影が可能であることである。そのためには、カメラの感度を高くする必要がある。
第三の要件は、カラー撮影である。赤い服を着た人を監視する等、色情報が重視される場合も多い。
【０００３】
ところで、撮像素子を用いたカメラでは、カメラに入射した光を撮影レンズやレンズ群で収束させて、撮像素子に照射している（例えば特許文献１参照。）。
そして、カラー撮影を行う場合には、撮像素子としてカラー撮像素子を使用して、入射光を撮影レンズやレンズ群で収束させて、カラー撮像素子に照射している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１４８６７号公報（図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、カラーカメラに一般的に用いられているベイヤー配列のカラー撮像素子の概略平面図を図２Ａに示し、モノクロ撮像素子の概略平面図を図２Ｂに示す。なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、ＣＣＤ固体撮像素子の垂直転送部のような画素以外の部分は省略して、画素のみを示している。
ベイヤー配列のカラー撮像素子では、図２Ａに示すように、縦２画素・横２画素の４画素を繰り返し単位としており、繰り返し単位の４画素のうちの２画素を緑Ｇとし、残りを１画素ずつ赤Ｒ及び青Ｂを配置している。
一方、モノクロ撮像素子では、図２Ｂに示すように、同じ構成の画素が、縦横に配列されている。即ち、繰り返し単位は、縦横とも１画素となっている。
【０００６】
ここで、従来の単板カラー撮像素子を用いたカメラを、前述した３つの要件の観点から考察する。
【０００７】
まず、第一の要件を考える。
カラー撮像素子を用いたカメラにおいて、解像度を決定付けるのは、輝度信号Ｙである。
この輝度信号Ｙは、以下に示す式（１）で定義される。
Ｙ＝０．２９９×ＲｅｓＲ＋０．５８７×ＲｅｓＧ＋０．１１４×ＲｅｓＢ  （１）
（ＲｅｓＲ：赤の変調度、ＲｅｓＧ：緑の変調度、ＲｅｓＢ：青の変調度）
【０００８】
式（１）からわかるように、緑の変調度ＲｅｓＧが輝度信号Ｙの多くを占めているため、解像度は緑Ｇの画素が支配的である。
【０００９】
しかしながら、カラー撮像素子の場合、図２Ａに示したように、緑Ｇの画素の数が、モノクロ撮像素子の画素の数と比較して、半数となっている。また、画素の各行及び各列において、緑Ｇの画素が１つ置きになっている。
従って、モノクロ撮像素子と比較して、縦横方向とも空間分解能が劣っている。
なお、ベイヤー配列以外の他の色配列を用いてカラー撮像素子を構成しても、同様の問題を生じる。
【００１０】
次に、第二の要件を考える。
単板カラー撮像素子は、受光素子の前に赤・緑・青の色フィルタを設置しているため、赤・緑・青の各色の画素が、いずれも、モノクロ撮像素子と比べて感度が低くなる。
【００１１】
これに対して、単板モノクロ撮像素子は、単板カラー撮像素子と比較して、高感度でかつ空間解像度の高い撮影が可能である、という利点がある。
しかしながら、モノクロ撮像素子は、当然ながら色情報を取得することが不可能であるため、前述した第三の要件を満たすことができない。
【００１２】
上述した問題の解決のために、本発明においては、高い空間解像度及び高い感度が得られると共に、色情報を取得することが可能な撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の撮像装置は、撮影レンズと撮像素子とを備え、撮像素子として、モノクロ撮像素子とカラー撮像素子とをそれぞれ有し、入射した光を分岐させる光学部材が少なくとも撮像素子よりも前段に配置され、この光学部材によって分岐した光の各成分が、それぞれ、モノクロ撮像素子或いはカラー撮像素子に照射されるものである。
【００１４】
上述の本発明の撮像装置の構成によれば、光学部材によって分岐した光の各成分が、それぞれ、モノクロ撮像素子或いはカラー撮像素子に照射されるので、モノクロ撮像素子により、高感度でかつ空間解像度の高い撮影を行うことが可能になる。
また、カラー撮像素子により、色情報を取得することができる。
従って、モノクロ撮像素子で得た画像と、カラー撮像素子で得た画像とを、合成することにより、高感度でかつ空間解像度の高いカラー画像を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
上述の本発明によれば、高感度でかつ空間解像度の高いカラー画像を得ることが可能になることにより、カラーでの高解像度撮影と、被写体が照度の低い環境にあるときも撮影可能とする低照度撮影とが、共に可能になる。
従って、夜間等の低照度撮影とカメラから離れた遠方の人の顔等を識別可能な高解像度撮影とが必要とされる、監視・モニタリングカメラ等の用途に有効である。
【００１６】
また、モノクロ撮像素子の長所と、カラー撮像素子の長所とを、それぞれ生かすことができるため、それぞれの撮像素子に要求される条件が緩和されることから、市販されている一般的な撮像素子を用いても、充分な特性が得られる。
これにより、撮像素子の選択の幅が広がる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施の形態として、撮像装置の概略構成図を図１に示す。
この撮像装置１０は、撮影レンズとして、前玉レンズ３とレンズ群（光学系）６，７とを備え、レンズ群６，７の後段に撮像素子１，５が配置されて構成されている。
【００１８】
また、本実施の形態の撮像装置１０では、特に、前玉レンズ３の後段にハーフミラー４を設けて、ハーフミラー４に入射した光を分岐して、その一部はハーフミラー４で反射させて第１のレンズ群（光学系）６へ向かわせて、残りはハーフミラー４を透過させて第２のレンズ群（光学系）７に向かわせるようにしている。
そして、第１のレンズ群６の後段には、撮像素子としてカラー撮像素子１が配置されている。第２のレンズ群７の後段には、撮像素子としてモノクロ撮像素子５が配置されている。
【００１９】
カラー撮像素子１及びモノクロ撮像素子５としては、ＣＣＤ固体撮像素子、ＭＯＳ型固体撮像素子、ＣＭＯＳ型固体撮像素子等の各種の固体撮像素子を使用することができる。
【００２０】
第１のレンズ群（光学系）６及び第２のレンズ群（光学系）７は、同様の構成で、光学系のＦ値が同様であることが好ましい。
また、カラー撮像素子１とモノクロ撮像素子５の光学サイズは、ほぼ同等であることが好ましい。
これらの構成とすると、特に調整をしなくても、２つの光学系において、画角や焦点深度、並びに撮像領域をほぼ同等とすることができる利点を有する。
【００２１】
ハーフミラー４における、反射光と透過光との分岐割合は、特に限定されないが、カラー撮像素子１とモノクロ撮像素子５とを合わせて、合成した画像において、目的とする解像度や感度が得られるように、ハーフミラー４を構成する。
例えば、反射光を２０％、透過光を８０％とする。
【００２２】
本実施の形態の撮像装置１０では、モノクロ撮像素子５で得た映像と、カラー撮像素子１で得た映像とを、重ね合わせて画像処理を行い、合成された画像を得る。
この際、モノクロ撮像素子５の画像の情報は、緑Ｇの画素の情報として取り扱って、画像の合成を行うとよい。
【００２３】
上述の画像処理を行う手段（信号処理手段等）は、様々な構成が可能である。
例えば、撮像装置１０に画像処理を行う信号処理回路を内蔵させてもよく、撮像装置１０の外部に設けてもよい。
【００２４】
また、画像処理を行う時期は、特に限定されず、リアルタイムや撮影完了後等、様々な時期が考えられる。
例えば、リアルタイムに画像処理を行う場合には、各撮像素子１，５で撮影した画像信号を信号処理して、短時間で合成した画像を作成する。
一方、例えば、いったん各撮像素子１，５で撮影した画像を記録媒体に記録しておいて、後で画像を呼び出して画像処理を行うことも可能である。
また、各撮像素子１，５と、画像処理手段や記録媒体の記録装置と信号処理手段との間の接続は、有線（例えば、ケーブル、電話回線）又は無線等を通じてデータのやり取りが可能な構成とすることも考えられる。
さらに、例えばネットワーク（イントラネット、インターネット等）上のサーバに画像処理を行うソフトウエア（コンピュータプログラム）を置き、ネットワークを通じてこのソフトウエアにアクセスして、各撮像素子１，５によって撮影した画像の信号処理を行うことも考えられる。
【００２５】
好ましくは、モノクロ撮像素子５の画素数をＭｎ、カラー撮像素子１の画素数をＣｎとしたとき、Ｍｎ≧Ｃｎを満たすように構成する。
このように構成することにより、カラー撮像素子１の画素数Ｃｎがモノクロ撮像素子５の画素数Ｍｎ以下であるため、カラー撮像素子１の感度を高くすることができ、画素数の多いカラー撮像素子と比較して向上することができる。
一方、モノクロ撮像素子５の画素数Ｍｎが多いので、モノクロ撮像素子５によって高い解像度が確保される。
【００２６】
このように、モノクロ撮像素子５の画素数Ｍｎよりも、カラー撮像素子１の画素数Ｃｎを少なくした場合には、例えば、カラー撮像素子１で得た画像の各画素を拡大して、モノクロ撮像素子５で得た画像と、位置合わせをして合成すればよい。
【００２７】
上述の本実施の形態の撮像装置１０の構成によれば、前玉レンズ３を通過した入射光２を、ハーフミラー４で分岐させて、分岐させた光を、それぞれカラー撮像素子１或いはモノクロ撮像素子５に入射させている。
これにより、カラー撮像素子１によって色情報を取得することができると共に、モノクロ撮像素子５によって、高い空間解像度及び高い感度で画像を取得することができる。
【００２８】
従って、本実施の形態によれば、モノクロ撮像素子５で得た画像と、カラー撮像素子１で得た画像とを、合成することにより、高感度でかつ空間解像度の高いカラー画像を得ることが可能になる。
これにより、カラーでの高解像度撮影と、被写体が照度の低い環境にあるときも撮影可能とする低照度撮影とが、共に可能になる。
そして、夜間等の低照度撮影とカメラから離れた遠方の人の顔等を識別可能な高解像度撮影とが必要とされる、監視・モニタリングカメラ等の用途に好適な撮像装置１０を実現することができる。
【００２９】
また、本実施の形態の撮像装置１０は、モノクロ撮像素子５の長所と、カラー撮像素子１の長所とを、それぞれ生かすことができるため、それぞれの撮像素子１，５に要求される条件が緩和されることから、市販されている一般的な撮像素子を用いても、充分な特性が得られる。
これにより、撮像素子１，５の選択の幅が広がり、例えば安価な撮像素子を用いて、撮像装置１０を安価に構成することが可能になる。
【００３０】
（実施例）
ここで、図１に示した実施の形態の撮像装置１０において、実施例として、実際にあるモノクロ撮像素子やカラー撮像素子を使用した場合を想定して、感度の向上について考察する。
【００３１】
本発明の実施例として、ＶＧＡ（６４０×４８０）のカラー撮像素子１と、ＵＸＧＡ（１６００×１２００）のモノクロ撮像素子５とを使用して撮像装置１０を構成する。
また、第１のレンズ群６と第２のレンズ群７とをほぼ同等の光学系とする。
そして、ハーフミラー４における分岐比率を、反射光が２０％、透過光が８０％であるとする。
一方、比較例として、一般的なＵＸＧＡのカラー撮像素子Ｕのみを使用した構成も考える。
これらの撮像素子１，５，Ｕの仕様を比較して、表１に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
実施例では、光学系（第１のレンズ群６及び第２のレンズ群７）がほぼ同等であり、かつ撮像素子１，５の光学サイズが同一（１／２インチ）であるため、ＵＸＧＡのモノクロ撮像素子５と、ＶＧＡのカラー撮像素子１とは、ほぼ同じ画角で撮影を行っている。
これにより、モノクロ撮像素子５の映像とカラー撮像素子１の映像とを重ね合わせて画像処理することにより、ＵＸＧＡのカラー画像を再生成することができる。
具体的には、ＶＧＡのカラー画像が、ＵＸＧＡのモノクロ画像と比較して縦横とも１／２．５の画素数であるため、ＶＧＡのカラー画像の各画素を縦横とも２．５倍拡大し、縦１２００画×横１６００画素のＵＸＧＡカラー画像とした上で、モノクロのＵＸＧＡ画像と位置決めして、これらの画像を合成する。その際、モノクロ画像の情報は、緑の画素情報として扱って、画像の合成を行う。
【００３４】
実施例及び比較例の各構成において、得られる画像の解像度を考えてみる。
いずれの構成においても、画像の解像度を決定付けるのは、いずれも輝度信号Ｙである。
上述した実施例では、モノクロ撮像素子５から得られる輝度信号Ｙから、充分な大きさの解像度が得られるため、遠方に位置する人等の被写体の識別を行うことができる。
一方、比較例の一般的なＵＸＧＡカラー単板撮像素子Ｕでは、輝度信号Ｙが前述した式（１）で定義される。式（１）から分かるように、青及び赤の画素の解像度への寄与は少なく、緑の画素が解像度を大きく決定づける。
そして、モノクロ撮像素子では、すべての画素が解像度に寄与するのに対して、カラー単板撮像素子では、色配列により緑の画素は全画素の半分以下（ベイヤー配列では全画素の半分）であるため、解像度に寄与する画素が相対的に少なくなり、サンプリング周波数が低くなる。
従って、実施例は、原理的に、比較例よりも解像度に優れていることがわかる。
【００３５】
次に、感度の観点で考える。
レンズ及びハーフミラーによる光量損失がないと仮定すると、実施例ではモノクロ撮像素子５への入射割合が８０％であり、０．８×８５０＝６８０＞４００であるから、モノクロ撮像素子５へ入射する光だけで、比較例の一般的なＵＸＧＡのカラー撮像素子Ｕよりも高い感度が得られる。
実施例では、さらにカラー撮像素子１の分の感度が加わるため、比較例の一般的なＵＸＧＡのカラー撮像素子Ｕよりも充分に高い感度を得ることが可能になる。特に、カラー撮像素子１として、ＵＸＧＡ用のカラー撮像素子Ｕよりも画素数が少なく感度の高いＶＧＡ用のカラー撮像素子１を使用しているので、これによっても感度の向上を図ることができる。
従って、実施例は、比較例よりも感度の点でも優れていることがわかる。
【００３６】
また、表１に示した感度は、撮像素子単体での感度を示している。
カラー撮像素子では、実際には、受光素子の前に色分離のために赤・緑・青の色フィルタが存在しているため、撮像装置に組み込んだときには、モノクロ撮像素子との感度の差がさらに広がることになる。
【００３７】
なお、上述した実施例では、モノクロ撮像素子５への入射割合を８０％と設定したが、表１に示した撮像素子の仕様の場合には、モノクロ撮像素子５への入射割合を５０％程度以上とすれば、カラー撮像素子Ｕ単板の比較例よりも感度を高くすることが可能である。
【００３８】
上述した実施例のように、本発明の構成とすることにより、解像度と感度に優れ、カラー画像を得ることが可能な撮像装置を実現することが可能になる。
【００３９】
なお、本発明において、撮像素子は、図２Ａ及び図２Ｂに平面図を示した正方形状のような、矩形に限定されるものではなく、画素や有効画素領域の形状を、矩形以外の形状（例えば三角形状、六角形状、円形状、楕円形状）としてもよい。
【００４０】
上述の実施の形態の撮像装置１０では、入射光を分岐させるハーフミラー４を前玉レンズ３と光学系のレンズ群６，７との間に配置したが、本発明において、入射光を分岐させる光学部材の位置は特に限定されず、その他の位置に配置することも考えられる。
例えば、レンズ群の中間や、レンズ群と撮像素子との間に配置することが考えられる。また、前玉レンズを設けない代わりに、それぞれのレンズ群（光学系）の手前に同様の機能を有するレンズを配置して、最初に光学部材によって入射光を分岐させることも考えられる。
【００４１】
上述の実施の形態の撮像装置１０のように、光学部材を前玉レンズとレンズ群との間に配置した場合には、前玉レンズが共通であるために、前玉レンズの収差等の影響が等しくなることや、レンズ群（光学系）として、従来のカメラに使用されているものをそのまま使用することが可能になる、という利点を有する。
【００４２】
ところで、モノクロ撮像素子を備えたカメラと、カラー撮像素子を備えたカメラとを、撮像領域がほぼ重なるように配置しても、本発明の撮像装置と同様の撮像を行うことが可能ではあるが、カメラが別々になることから視差の発生や焦点の合わせズレ等の問題を生じるおそれがある。
本発明の撮像装置では、モノクロ撮像素子及びカラー撮像素子がカメラを共通としていることにより、視差や合わせズレは生じない。
【００４３】
本発明において、入射光を分岐させる光学部材は、図１の撮像装置１０で用いたハーフミラーに限らず、プリズムの組み合わせ等の他の光学部材を使用することも可能である。
【００４４】
本発明において、光路の分岐の数は、２つに限定されるものではなく、全体として３つ以上に分岐させても構わない。
即ち、カラー撮像素子又はモノクロ撮像素子を複数備えて撮像装置を構成してもよい。
例えば、カラー撮像素子として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対応して各色毎に撮像素子を設けた３板式のカラー撮像素子があるが、この３板式のカラー撮像素子とモノクロ撮像素子とを組み合わせて撮像装置を構成することも可能である。この場合、光路が４つ以上に分岐することになる。
【００４５】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態の撮像装置の概略構成図である。
【図２】Ａ  ベイヤー配列のカラー撮像素子の画素配列を示す概略平面図である。Ｂ  モノクロ撮像素子の画素配列を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  カラー撮像素子、５  モノクロ撮像素子、６，７  光学系（レンズ群）、１０  撮像装置
【図１】
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【図２】
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