(57)【要約】【課題】  マルチバンド撮像装置において、マルチバンドフィルタの各フィルタを選択する自由度を高めること。【解決手段】  入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数の画素から成る撮像素子（２２）と、予め決められた波長帯域以外の光をカットする赤外・紫外カットフィルタ（２１）と、前記波長帯域を分割した、複数の分割波長帯域の光をそれぞれ主に透過する複数の第１の帯域フィルタ（ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３）と、各分割波長帯域について、その一部の波長帯域の光をそれぞれ透過する、複数の第２の帯域フィルタ（ＣＦ４、ＣＦ５、ＣＦ６）と、撮像素子から出力される信号の内、各分割波長帯域毎に第１及び第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号を用いて差分演算して得た信号と、第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号とから、予め決められた複数の帯域の信号を生成する信号処理部（７４）とを有する。【選択図】  図２
2009141905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数の画素から成る撮像手段と、
予め決められた波長帯域以外の光をカットするカットフィルタと、
前記予め決められた波長帯域を分割した複数の分割波長帯域の光をそれぞれ主に透過する複数の第１の帯域フィルタと、
前記複数の分割波長帯域それぞれの波長帯域の一部の波長帯域の光をそれぞれ透過する、複数の第２の帯域フィルタと、
前記複数の分割波長帯域の各分割波長帯域毎に、前記撮像手段から出力される信号の内、前記第１及び第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号を用いて差分演算して得た信号と、前記第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号とから、予め決められた複数の帯域の信号を生成する信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第２の帯域フィルタは、前記複数の分割波長帯域の各分割波長帯域をｎ帯域（ｎは２以上の整数）に分割する場合、各分割波長帯域の１／ｎ，…，（ｎ−１）／ｎの波長帯域の光をそれぞれ透過する（ｎ−１）枚のフィルタから成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】
前記複数の第１の帯域フィルタ及び前記複数の第２の帯域フィルタは、前記信号処理手段により得られる信号のダイナミックレンジが揃うように、前記撮像手段の波長に対する感度特性に基づいて選択されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の帯域フィルタが、それぞれ赤、緑、青の波長帯域の光を主に透過することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の帯域フィルタ及び前記第２の帯域のフィルタが、前記撮像手段の複数の画素の各画素にそれぞれ対応するようにモザイク状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過する波長帯域が異なる複数のフィルタを用いて被写体を撮像することにより、被写体のスペクトル画像を取得することができる、固体撮像素子を用いたマルチバンド画像撮像装置（例えば、マルチバンドカメラ等）が近年実用化され始めている。
【０００３】
このようなマルチバンド画像撮像装置で用いる複数のフィルタの一例として、各フィルタの分光透過率を、例えば図１の(1)から(6)に示すような６バンドの特性にする干渉膜を用いたフィルタが用いられてきた。しかしながら、干渉膜を用いたフィルタは光線の入射角度によって分光透過率が大きく変わってしまうといった問題があった。一方、色素の吸収特性を利用したフィルタも有るが、分光透過率の自由度が少ないといった問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決する為に、特許文献１には、多数のシャープカット色素フィルタを順次撮像素子の前に配置してそれぞれ撮影し、得られた画像データを差分演算することにより、所望の帯域のデータを得ることが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３０１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で提案された方法では、固体撮像素子から得られる信号のダイナミックレンジを圧迫してしまうという問題があった。これは、固体撮像素子は一般的に波長が長くなるほど感度が落ちるためで、特許文献１で提案されように各フィルタを通過した信号をそれぞれ順次差分していく方法では、長波長側の領域において、短波長側よりも固体撮像素子から得られる信号値が低くなってしまう。この問題を解決するために長波長側の透過率を低波長側の透過率よりも高すると、今度は適切な差分値を得ることができない。このように、特許文献１の方法では、順次差分を取ることにより所望の帯域のデータを得るため、シャープカット色素フィルタの透過率を選択することで各帯域のダイナミックレンジを揃えるのは非常に難しい。
【０００７】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、マルチバンド撮像装置において、マルチバンドフィルタの各フィルタを選択する自由度を高めることを目的とする。
【０００８】
更に、マルチバンド撮像装置において、容易に各波長帯域のダイナミックレンジを揃えることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数の画素から成る撮像手段と、予め決められた波長帯域以外の光をカットするカットフィルタと、前記予め決められた波長帯域を分割した複数の分割波長帯域の光をそれぞれ主に透過する複数の第１の帯域フィルタと、前記複数の分割波長帯域それぞれの波長帯域の一部の波長帯域の光をそれぞれ透過する、複数の第２の帯域フィルタと、前記複数の分割波長帯域の各分割波長帯域毎に、前記撮像手段から出力される信号の内、前記第１及び第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号を用いて差分演算して得た信号と、前記第２の帯域フィルタを介して入射する光に対応する信号とから、予め決められた複数の帯域の信号を生成する信号処理手段とを有する。
【００１０】
また、好ましくは、前記複数の第１の帯域フィルタ及び前記複数の第２の帯域フィルタは、前記信号処理手段により得られる信号のダイナミックレンジが揃うように、前記撮像手段の波長に対する感度特性に基づいて選択されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、マルチバンド撮像装置において、マルチバンドフィルタの各フィルタを選択する自由度を高めることが可能になる。
【００１２】
また、マルチバンド撮像装置において、容易に各波長帯域のダイナミックレンジを揃えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図２は、本発明の第１の実施形態における撮像素子及びフィルタ構成を説明するための図である。図２において、２１は赤外・紫外カットフィルタであり、可視光（予め決められた波長帯域の光）を透過し、可視光よりも短波長及び長波長側の光（予め決められた波長帯域以外の光）をカットする。２２は入射光を光電変換して、電気信号を出力する撮像素子、２３は撮像素子２２の受光部、２４は受光部２３覆うカラーフィルタであり、図２ではその一部を拡大して示している。赤外・紫外カットフィルタ２１は、撮像素子２２の直前に配されている。
【００１５】
被写体からの光は不図示の撮像レンズなどの光学系を経て、赤外・紫外カットフィルタ２１を通った後、更にカラーフィルタ２４を透過して、撮像素子２２に入射する。赤外・紫外カットフィルタ２１の構成は、弗燐酸ガラスなどを使った吸収型のものでも良いし、赤外・紫外カットフィルタ２１に入射する光が平行光に近い場合は干渉膜を用いたものでも良いし、また、両者を併用したものでも良い。
【００１６】
カラーフィルタ２４は受光部２３上に縦横マトリクス状（モザイク状）に規則的に配置されており、受光部２３の深さ方向には不図示のフォトダイオードがそれぞれのカラーフィルタ（ＣＦ１〜ＣＦ６）に対応して形成されている。撮像素子２２としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサが考えられるが、これらに限られるものではなく、フォトダイオードで発生する電気信号を撮像素子２２の外に読み出せる構成のものであれば良い。
【００１７】
図３は、撮像素子２２の前面に赤外・紫外カットフィルタ２１及びカラーフィルタ２４が配置されていない場合の、撮像素子２２の相対的な分光感度特性の一例を示す図である。図３に示すように、一般にデジタルカメラで使われている撮像素子の分光感度は波長によって異なり、長波長側で感度が落ちる傾向がある。しかしながら、説明を分かり易くするために、先ず、短波長側と長波長側とで感度に変化が無いものとして、図１に示す透過率の特性を実現するための本第１の実施形態におけるフィルタ構成について説明する。
【００１８】
図４から図６は、図１の(1)から(6)に示す６バンドの分光透過率に近似した特性を実現するための、本発明の第１の実施形態におけるフィルタ特性図である。図中、太実線で示したものは、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率特性であり、図４から図６まで共通の特性である。また、図４の一点鎖線及び点線はカラーフィルタ２４のうち、それぞれＣＦ１及びＣＦ４の分光透過率を示したものである。また、図５の一点鎖線及び点線はカラーフィルタ２４のうち、それぞれＣＦ２及びＣＦ５の分光透過率を示したものである。また、図６の一点鎖線及び点線はカラーフィルタ２４のうち、それぞれＣＦ３及びＣＦ６の分光透過率を示したものである。即ち、図４〜図６に示す例では、ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３は、赤外・紫外カットフィルタ２１が透過する光の波長帯域を、複数に分割した、各分割波長帯域の光を透過する特性を有し、第１の帯域フィルタに対応する。また、ＣＦ４、ＣＦ５、ＣＦ６は、ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３が透過する分割波長帯域の内の、一部の波長帯域の光を透過する特性を有し、第２の帯域フィルタに対応する。
【００１９】
前述したように、被写体からの光は不図示の撮像レンズなどの光学系を経て、赤外・紫外カットフィルタ２１を通った後、カラーフィルタ２４を透過して撮像素子２２に入射する。そのため、総合的なフィルタの分光透過率特性は、赤外・紫外カットフィルタ２１と、受光部２３に配されたカラーフィルタ２４のＣＦ１〜ＣＦ６のいずれかの分光透過率を乗算したものになる。
【００２０】
従って、図４において、ＣＦ４の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して図１の(1)の特性に近似した特性を得ることができる。また、ＣＦ１の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して、図１の(1)と(2)を波長毎に加算した特性に近似した特性を得ることができる。
【００２１】
また、図５において、ＣＦ５の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して図１の(6)の特性に近似した特性を得ることができる。また、ＣＦ２の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して、図１の(5)と(6)を波長毎に加算した特性に近似した特性を得ることができる。
【００２２】
また、図６において、ＣＦ６の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して図１の(3)の特性に近似した特性を得ることができる。また、ＣＦ２の分光透過率を適切に選択することにより、赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率と総合して、図１の(3)と(4)を波長毎に加算した特性に近似した特性を得ることができる。
【００２３】
以上のように、ＣＦ１からＣＦ６及び赤外・紫外カットフィルタ２１の分光透過率特性が選択されている。
【００２４】
図７は、赤外・紫外カットフィルタ２１及び撮像素子２２を用いたデジタルカメラの機能構成図である。図７において、７２は撮像素子２２からの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器である。７３はＡ／Ｄ変換器７２からの信号をカラーフィルタ２４のＣＦ１からＣＦ６の配列に従ってデモザイクする（各画素が各フィルタに対応する波長帯域の信号を有するように補間する）デモザイク部である。また、７４はデモザイク部７３により同時化された信号を処理する信号処理部である。さらに、７５は信号処理部７４の出力を記録媒体７６に記録する為の処理をする記録インターフェース（Ｉ／Ｆ）部、７６はメモリカードなどの記録媒体であって、デジタルカメラに着脱可能なものである。
【００２５】
図８は、デモザイク部７３に入力されるＡ／Ｄ変換器７２からの信号の標記を図２のカラーフィルタ配列に対応させた図である。なお、図８において、xxは画素位置を表し、Ｐ１〜Ｐ６は画素位置xxにおける、
Ｐ１xx（xx=01,03,・・・,45）：ＣＦ１に対応した画素出力、
Ｐ２xx（xx=11,13,・・・,55）：ＣＦ２に対応した画素出力、
Ｐ３xx（xx=00,04,・・・,44）：ＣＦ３に対応した画素出力、
Ｐ４xx（xx=10,14,・・・,54）：ＣＦ４に対応した画素出力、
Ｐ５xx（xx=02,05,・・・,42）：ＣＦ５に対応した画素出力、
Ｐ６xx（xx=12,30,・・・,52）：ＣＦ６に対応した画素出力
【００２６】
を示している。例えば、図中Ｐ３22の位置にはＣＦ３を通過した光の情報はあるが、ＣＦ３以外の分光透過率を有するフィルタを通過した波長帯域の光の情報は欠落している。デモザイク部７３ではこのように、ある注目画素で欠落している情報を付近の画素から補間演算して求める。補間の一例としてＰ３22の位置の欠落している情報を付近の画素出力から求める式を以下に示す。
Ｐ１22 = (Ｐ１21+ Ｐ１23)/2
Ｐ２22 = (Ｐ２11+ Ｐ２13+ Ｐ２31+ Ｐ２33)/4
Ｐ４22 = (Ｐ４10+ 2×Ｐ４32+ Ｐ４14)/4
Ｐ５22 = (Ｐ５02+ Ｐ５20+ Ｐ５24+ Ｐ５42)/4
Ｐ６22 = (Ｐ６30+ 2×Ｐ６12+ Ｐ６34)/4
ここでは、Ｐ３22についての式を示したが、他の各画素位置における欠落情報の補間も、同様にして付近の画素情報から行うことが可能である。
【００２７】
信号処理部７４では、デモザイク部７３で求められた各画素位置のＰ１からＰ６までの波長帯域の画素出力を使って、図１の(1)から(6)に相当する波長帯域の信号Ｐ(1)からＰ(6)を演算する。
【００２８】
下記式は信号処理部７４で行われる演算を示している。
Ｐ(1) = Ｐ４
Ｐ(2) = Ｐ１−Ｐ４
Ｐ(3) = Ｐ６
Ｐ(4) = Ｐ３−Ｐ６
Ｐ(5) = Ｐ２−Ｐ５
Ｐ(6) = Ｐ５
【００２９】
このようにして演算により生成された各波長帯域(1)〜(6)の信号Ｐ(1)−Ｐ(6)は、記録インターフェース部７５を通して記録媒体７６に記録される。
【００３０】
なお、上記説明では、各波長帯域(1)〜(6)の透過率を同等する場合について説明したが、図３を参照して説明したように、一般的に、撮像素子の感度特性は波長毎に異なる。従って、各フィルタＣＦ１〜ＣＦ６の透過率が、撮像素子２２の感度の逆数の比と同様の比となるようにフィルタＣＦ１〜ＣＦ６を選択することにより、各波長帯域のダイナミックレンジを揃えることができる。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３２】
図９は本第２の実施形態における赤外・紫外カットフィルタ２１及び撮像素子２２を用いたデジタルカメラの機能構成図を示すもので、図７と同じ構成には同じ参照番号を付し、ここでは説明を省略する。デモザイク部７３ｂは、デモザイク部７３と同じ演算を行うが、その演算結果のうち、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を簡易的画像作成部７７に出力するところが図７に示す構成と異なる。前述したように、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、図４、図５、図６のそれぞれＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３に対応した画像信号である。
【００３３】
本第２の実施形態ではＣＦ１をＢフィルタ、ＣＦ２をＲフィルタ、ＣＦ１をＧフィルタとみなすことができる設計にした。従って、簡易的画像作成部７７では、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３をそれぞれＢ、Ｒ、Ｇ信号として扱う事ができる。勿論、ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３の分光透過率を、一般に使われているＲＧＢ３原色デジタルカメラのＲＧＢカラーフィルタの特性として適した設計をすることも可能である。
【００３４】
簡易的画像作成部７７では、公知の所定の輝度、色度処理などを行い、更にＪＰＥＧ形式の画像信号に変換する。記録インターフェース部７５ｂでは、信号処理部７４からのＰ(1)〜Ｐ(6)信号及び簡易的画像作成部７７からの画像信号を、記録媒体７６に記録する。勿論、信号処理部７４から得られる信号と、簡易的画像作成部７７から得られる信号のいずれかを選択する構成を追加し、選択結果に応じていずれか一方を記録するようにしてもよい。
【００３５】
＜第３の実施形態＞
図１０は本発明の第３の実施形態における赤外・紫外カットフィルタ２１及び撮像素子２２を用いたデジタルカメラの機能構成図を示す。図１０は、前述した第１の実施形態における図５のＣＦ５の代わりに、図１０に示す分光透過率特性を有するＣＦ５ｂを用いたところが第１の実施形態と異なる。
【００３６】
第３の実施形態では、デジタルカメラの機能構成は図７に示すものと基本的に同じであるが、信号処理部７４で行われる演算が一部異なる。本第３の実施形態では、第１の実施形態におけるＰ(5)及びＰ(6)を求める演算の代わりに、下記の演算を行う。
Ｐ(5) = Ｐ５ｂ
Ｐ(6) = Ｐ２−Ｐ５ｂ
【００３７】
このように、信号処理部７４の演算内容を変えるだけで、本発明に適用できるカラーフィルタの選択肢を広げることができる。即ち、ＣＦ４、ＣＦ５、ＣＦ６として、ＣＦ１、ＣＦ２、ＣＦ３が透過する波長帯域の半分の波長帯域の分光透過率特性を有するフィルタを使い、適宜演算内容を変更すれば、６バンド分の信号を得ることができる。
【００３８】
なお、上述した第１乃至第３の実施形態では、求める波長帯域が６バンドである場合について説明したが、本発明は６バンドに限られるものではなく、それ以上のバンド数の信号を得ることができるようにカラーフィルタ２４及び信号処理部７４を構成してもよい。例えば、８バンドの画像信号を取得する場合には、以下のようにすればよい。先ず、赤外・紫外カットフィルタ２１が透過する光の波長帯域を４つの帯域に分割し、各分割波長帯域の光を透過するフィルタと、各分割波長帯域の半分の帯域の光を透過するフィルタとを選択し、差分演算する。また、例えば、９バンドの画像信号を取得する場合には、以下のようにすればよい。即ち、赤外・紫外カットフィルタ２１が透過する光の波長帯域を３つの帯域に分割し、各分割波長帯域の光を透過するフィルタと、各分割波長帯域のそれぞれ２／３、１／３の帯域の光を透過するフィルタとを選択する。そして、差分演算することで求めることができる。即ち、各分割波長帯域を更にｎ帯域（ｎは２以上の整数）に分割する場合、各分割波長帯域の光を透過するフィルタと、その分割波長帯域の１／ｎ，…，（ｎ−１）／ｎの帯域をそれぞれ透過するフィルタを設け、差分演算すればよい。
【００３９】
このように、赤外・紫外カットフィルタ２１が透過する光の波長帯域を複数に分割した分割波長帯域と、その分割波長帯域の一部の帯域の光を透過するフィルタとを組み合わせることで所望のバンド数の信号を得ることができ、各フィルタの選択の自由度も向上する。このように、撮像素子の波長に応じた感度特性に合わせて、各分割波長帯域毎に独立してフィルタを選択することが可能になるため、各波長帯域でダイナミックレンジがより揃った画像信号を容易に取得することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】理想的な分光透過特性の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における赤外・紫外カットフィルタ及び撮像素子を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における撮像素子の分光感度特性を示す図である。
【図４】本発明の第１、第２、第３の実施形態におけるカラーフィルタの一部の分光透過率特性を示す図である。
【図５】本発明の第１、第２の実施形態におけるカラーフィルタの一部の分光透過率特性を示す図である。
【図６】本発明の第１、第２、第３の実施形態におけるカラーフィルタの一部の分光透過率特性を示す図である。
【図７】本発明の第１、第３の実施形態におけるデジタルカメラの機能構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施形態におけるデモザイク前の信号の平面的位置関係を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態におけるデジタルカメラの機能構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態におけるカラーフィルタの一部の分光透過率特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２１  赤外・紫外カットフィルタ
２２  撮像素子
２３  受光部
２４  カラーフィルタ
７２  Ａ／Ｄ変換器
７３、７３ｂ  デモザイク部
７４  信号処理部
７５、７５ｂ  記録インターフェース
７６  記録媒体
７７  簡易的画像作成部
【図１】
2009141905.tif 000003
【図２】
2009141905.tif 000004
【図３】
2009141905.tif 000005
【図４】
2009141905.tif 000006
【図５】
2009141905.tif 000007
【図６】
2009141905.tif 000008
【図７】
2009141905.tif 000009
【図８】
2009141905.tif 000010
【図９】
2009141905.tif 000011
【図１０】
2009141905.tif 000012