(57)【要約】      （修正有）【課題】光学システムはアジャイルスペクトル画像形成を実施する。【解決手段】システムは、光源からの光を合焦する第１のレンズを備える。合焦された光は複数の波長のスペクトルにわたって分散される。第２のレンズは、分散された光をマスク上に合焦する。マスクは、光源のスペクトルの波長を、光の行き先の像平面上に選択的に減衰させる。光源および光の行き先の配置に応じて、システムは２として動作することができる。光源はシーンであり、光の行き先はセンサであり、装置はアジャイルスペクトルカメラ、ビューワ、スペクトルプロジェクタ、または光源として動作する装置。この配置を組み合わせて立体視覚システムを提供することもできる。【選択図】図１Ａ
2009265618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アジャイルスペクトル画像形成のための装置であって、
第１のレンズと、
光を複数の波長のスペクトルにわたって分散させる手段と、
第２のレンズと、
マスクと、を備え、
これらは全て、光源と光の行き先との間に整列して光軸上に配列され、前記マスクは、前記光源の前記スペクトルの前記波長を前記光の行き先の像平面上に選択的に減衰させる、アジャイルスペクトル画像形成装置。
【請求項２】
前記光源はシーンであり、前記光の行き先はセンサであり、前記装置はアジャイルスペクトルカメラとして動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光源はシーンであり、前記光の行き先は眼であり、前記装置はアジャイルスペクトルビューワとして動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光源はプロジェクタであり、前記光の行き先は表示画面であり、前記装置はアジャイルスペクトルプロジェクタとして動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光源はプロジェクタであり、前記光の行き先はシーンであり、前記装置はアジャイルスペクトル光源として動作する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第１のアジャイルスペクトルプロジェクタであって、前記光源は該第１のプロジェクタである、第１のアジャイルスペクトルプロジェクタと、
第２のアジャイルスペクトルプロジェクタであって、前記光源は該第２のプロジェクタである、第２のアジャイルスペクトルプロジェクタと、
第１のアジャイルスペクトルビューワであって、前記光源は前記表示画面であり、前記光の行き先は人間の視覚系の第１の眼である、第１のアジャイルスペクトルビューワと、
第２のアジャイルスペクトルビューワであって、前記光源は前記表示画面であり、前記光の行き先は前記人間の視覚系の第２の眼である、第２のアジャイルスペクトルビューワと、をさらに備え、
前記第１のアジャイルスペクトルプロジェクタおよび前記第２のアジャイルスペクトルプロジェクタは、表示画面上に画像を投影し、
前記第１のアジャイルスペクトルプロジェクタおよび前記第２のアジャイルスペクトルプロジェクタ、並びに前記第１のアジャイルスペクトルビューワおよび前記第２のアジャイルスペクトルビューワは、相補的な重ならないスペクトルプロファイルを有し、
それによって、それぞれが前記人間の視覚系の赤、緑、および青の色相に一致するスペクトル波長における帯域を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記分散させる手段は、透過回折格子または反射回折格子である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記分散させる手段はプリズムである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記マスクは、ステッパモータによって、前記光軸に対して接線方向の平面を移動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記マスクは、透明基板上に印刷されるグレイスケールマスクである、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記マスクは液晶ディスプレイである、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記マスクはデジタルマイクロデバイスを使用する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１のレンズはピンホールである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のレンズは有限開口レンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記光軸は屈折しており、前記第２のレンズおよび前記マスクは前記回折格子に対して或る角度を成している、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記マスクは、選択される任意の色のみを通過させる、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１のレンズは相対的に長い焦点距離および相対的に小さな開口を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記相対的に長い焦点距離は８０ｍｍであり、前記相対的に小さな開口はｆ／１６である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記カメラは前記マスクの異なる複数の位置で複数の画像を取得し、該複数の画像は多数の方法で合成されて、アジャイルスペクトル出力画像が得られる、請求項２に記載の装置。
【請求項２０】
前記ビューワはメタマー検出のためのハンドヘルド装置である、請求項３に記載の装置。
【請求項２１】
前記カメラはスペクトル的に変化する露出を使用して高ダイナミックレンジ画像を取得する、請求項２に記載の装置。
【請求項２２】
前記シーンは明るい光源を含み、前記カメラは前記マスクの平面において色を変調することによってグレアを除去する、請求項２に記載の装置。
【請求項２３】
前記対物レンズの開口は前記分散させる手段までの距離よりもはるかに小さい、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記マスクを、任意の色が選択されるように移動させるように構成されるステッパモータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
アジャイルスペクトル画像形成のための方法であって、
第１の、光源からの光を分散させる手段上に合焦するステップと、
前記合焦された光を複数の波長のスペクトルにわたって分散させるステップと、
第２の、前記分散された光を色選択マスク上に合焦するステップと、
前記合焦された分散光を光の行き先の像平面上に選択的に減衰させるステップと、
を含む、アジャイルスペクトル画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的には画像形成に関し、より詳細には、スペクトル選択的画像形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの従来の画像形成装置、たとえば、カメラ、プロジェクタ、プリンタ、テレビ、および他の表示装置は、人間の視覚の安定した三色の反応に依存している。或るシーン内のスペクトル変化によって生じる色の知覚のいかなる小さな変化も、画像形成装置のスペクトルを調整する必要なく再現することができる。
【０００３】
固定スペクトル画像形成は、微妙だが視覚的に有用なスペクトル差を検出または表現する人間の能力を無駄にするかまたは制限する。日常的なメタメリズムの現象において、物体の観察、撮影、またはレンダリングに使用される利用可能な照明のスペクトルは、顕著に異なる反射率スペクトルを有する物質が、それらが人間の眼、カメラ、またはディスプレイにおいて同じ量の固定原色（ｃｏｌｏｒ  ｐｒｉｍａｒｉｅｓ）に一致するため、同じ色を有するように見えるようにすることができる。
【０００４】
固定スペクトルの原色の使用は常に、人間が正確に取得および再現することができる色の全領域に対して制限を課す。通常の人間の視覚のＣＩＥ色度マップ６０１において実証されているように、カメラ、プリンタ、およびディスプレイにおける各組の固定原色がハル６０２を画定し、ハルの内部の色のみが正確に再現可能である。図６を参照されたい。
【０００５】
多くの写真用光源が、フィルム感光乳剤のために確立された３２００Ｋ（タングステン）の基準から６５００Ｋ（日光）の基準までの黒体放射体の滑らかなスペクトル曲線を模倣する。デジタルカメラでは、固定受動ＲＧＢフィルタのバイエル格子がピクセル検出器またはセンサ上に被せられて原色が固定される。ＬＣＤディスプレイにおいて、類似の受動的なピクセルごとのフィルタが蛍光バックライトと組み合されて原色を固定する。
【０００６】
いくつかの最近の小型プロジェクタの原色は狭帯域ＬＥＤまたは固体レーザの放射スペクトルによって固定されており、ほとんどのＤＭＤプロジェクタまたはＬＣＤプロジェクタは、受動ＲＧＢフィルタセグメントを保持する回転ホイールを通過させられるより従来的な広帯域光源を使用する。これらのフィルタは、広い全領域を提供する狭いスペクトルと、最大のオンスクリーン輝度を提供する広いスペクトルとの間で譲歩しなければならない。
【０００７】
しかしながら、各原色のスペクトルが「アジャイル（ａｇｉｌｅ）」、すなわち、すべての像（ｐｉｃｔｕｒｅ）に対して変化可能且つコンピュータによって指定されるとすると、最良の捕捉および外観のレンダリングに対して画像ごとに最良の原色を選択することができる。
【０００８】
コンピュータ制御によるスペクトルの調整は困難である。従来のスペクトル調整メカニズムは、波長可変レーザと、ＬＣＤ干渉フィルタと、電動式回折格子とを含む。それらにはサイズ、費用、効率、および柔軟性の間にトレードオフがある。これらの問題にもかかわらず、専用の「マルチスペクトル」カメラまたは「ハイパースペクトル」カメラおよび光源の光は、光強度または反射率を、スペクトルが狭い多くの帯域に分割する。
【０００９】
分光法を使用して光を分散させてさまざまな光成分を変調するという発想は確かに新しくはない。しかしながら、分光法は、主として点サンプルのスペクトルの解析に対応する。画像分光法またはマルチスペクトル写真の概念は比較的新しい。
【００１０】
液晶同調フィルタ（ＬＣＴＦ）、音響光学同調フィルタ（ＡＯＴＦ）、および干渉計が、現在、画像分光法に利用可能である。これらのフィルタのうちの１つをカメラの正面に配置することで、制御可能な波長の光を通過させることができる。一連の画像を取得することによってマルチスペクトル画像を生成することができる。
【００１１】
遺憾ながら、これらのフィルタはかなり高価であり、通常、ノッチパスを使用して単一波長の光しか通過させることができない。たとえば、画像分光器は、光線を成分波長に分散させる。次いで、別の回折格子を使用して波長を合成することができる。
【００１２】
回折格子および白色光源を使用してスペクトル調整可能光源を生成する分光器の概念は既知である。この概念は、完全に制御可能なスペクトルプロジェクタを生成するように拡張されている。いくつかの狭帯域ＬＥＤを使用して物体を照明すると共にマルチスペクトル画像を取得することができる。これはプロジェクタ内に４つ以上のＬＥＤを有してより良好な色の表現を得ることに類似している。
【００１３】
調整可能光源は、ＤＬＰプロジェクタにも使用することができる。ＤＬＰプロジェクタによって提供される空間変調と共に光源から放射される波長を制御することによって、表示される色を選択することができる。
【００１４】
回折格子を使用して、光をその複数の波長に分散させ、１つの走査線内のピクセルごとに異なって変調し、次いで、走査ミラー装置を使用して一度に単一の走査線を投影して画像を形成することができる。
【００１５】
色はグラフィックスの技術分野において重要な部分である。任意のインク色素を使用してプリントアウトにおいて正しい色を再現することができる。二方向性反射率分布関数（ＢＲＤＦ）モデルを拡散蛍光面に使用することができる。画像は紫外線照明下でのみ見ることができる蛍光インクを用いて印刷することもできる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
これまで述べられていない、メタマー検出、グレア除去、高ダイナミックレンジ画像形成の領域における色変調の方法および装置を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明の実施の形態は、光源、カメラ、およびプロジェクタにおける色スペクトルを動的に調整する方法および装置を提供する。この発明は、機械的または電子的な色スペクトル制御を可能にする光学システムを提供する。この発明は、回折格子またはプリズムを使用して光線をさまざまな色、すなわち複数の波長のスペクトルに分散させる。分散された光の中に配置されるマスクが、スペクトルの波長を選択的に減衰させる。
【００１８】
アジャイルスペクトル装置および方法を、適応原色、メタマー検出、シーンコントラスト向上、蛍光物体の撮影、スペクトル的に高ダイナミックレンジの写真のような用途に対して、カメラ、プロジェクタ、および光源において使用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明は、コンピュータ写真のあらゆる段階における光スペクトルの高分解能の制御を提供する、アジャイルスペクトル画像形成装置および方法を提供する。単純な光リレーによって、幾何学的にパターン化されたグレイスケールマスクによる直接の波長操作が可能になる。この設計は、選択的な光吸収による２Ｄ画像の従来のフィルタリングではなく、多素子レンズ系内の分散されている素子に対する４Ｄ光線空間解析を適用する。
【００２０】
スペクトル制御は波長選択的フィルタ材料を必要としない。この発明者らが知る限り、これは、ピンホール開口を有せず光損失のない見込まれる装置に対して純粋に機械的なマスクを使用して波長スペクトルを制御する唯一の構成である。
【００２１】
この発明による解析は、光線が収束する理想的な「虹平面」マスクを決定し、それによって、波長が光線位置ｘを決定し、画像位置（ｘ，ｙ）が光線方向ｑを決定する。従来の２Ｄ画像形成の４Ｄ光線モデルは、画像センサにおける収束ｘ、およびレンズ開口θを示すが、「虹平面」の収束した波長は、波長を位置にマッピングする。この平面から離れて、光リレーは波長選択性と入口開口サイズとの間の正常なトレードオフを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】この発明の実施の形態１によるスペクトルアジャイル画像形成装置の概略図である。
【図１Ｂ】この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトルカメラの概略図である。
【図１Ｃ】この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトルビューワの概略図である。
【図１Ｄ】この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトルプロジェクタの概略図である。
【図１Ｅ】この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトル光源の概略図である。
【図１Ｆ】この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトル立体視覚システムの概略図である。
【図１Ｇ】この発明の実施の形態１によるスペクトルアジャイル画像形成方法の概略図である。
【図２】ピンホール対物レンズを有する図１Ａの装置の光学系の概略図である。
【図３】屈折した光軸を有する図１Ａの装置の光学系の概略図である。
【図４】有限開口対物レンズを有する図１Ａの装置の光学系の概略図である。
【図５】ピクセル位置の関数としての波長のグラフである。
【図６】従来の色の全領域である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１Ａは、この発明の実施の形態１によるアジャイルスペクトル画像形成装置１００を示す。当該装置は、第１のレンズＬ１１０１と、分散させる手段１０２と、第２のレンズＬ２１０３と、マスク１０４とを備え、これらは全て、光源１１０と光の行き先１２０との間に整列して光軸１０５上に配列される。マスクは、光源の或るスペクトルの波長を光の行き先の像平面上に選択的に減衰させる。選択の１つの方法は、コントローラ１０８およびマスク関数１０７を使用することである。
【００２４】
図１Ｂ〜図１Ｅは、図１Ａの装置１００を使用することができる様態のさまざまな用途を示す。図１Ｂにおいて、光源１１０はシーンであり、光の行き先１２０はＣＣＤまたはフィルムセンサであり、装置はアジャイルスペクトルカメラとして動作する。図１Ｃにおいて、光源はシーンであり、光の行き先は眼であり、装置はアジャイルスペクトルビューワまたはカメラのファインダとして動作する。図１Ｄにおいて、光源はプロジェクタであり、光の行き先は表示画面であり、装置はアジャイルスペクトルプロジェクタとして動作する。図１Ｅにおいて、光源はプロジェクタであり、光の行き先はシーンであり、装置はアジャイルスペクトル光源として動作する。
【００２５】
立体視覚システム
図１Ｆは、上述した２つのプロジェクタおよび２つのビューワを示し、これらを組み合わせて立体視覚システムを形成することができる。１つの応用形態において、この発明者らは、この発明のアジャイルスペクトルプロジェクタ、およびこの発明のアジャイルスペクトル直視型装置またはカメラの動作を組み合わせた。たとえば、時間多重化とは対照的に波長多重化を実施して、立体表示を生成する。
【００２６】
２つのプロジェクタ１１１および１１２は、相補的な重ならないスペクトルプロファイルを有し、それによって、それぞれが人間の視覚系の赤、緑、および青の色相に一致するスペクトル波長における帯域を有する。各プロジェクタは、同じスペクトルプロファイルを有する、対応する直視型装置１１３および１１４（１つが観察者の各眼に対応する）と対にされる。これによって、各眼が見るフルカラー画像に対する直接制御が与えられる。時間多重化立体構成とは異なり、波長多重化は、高速カメラに対しても同様に機能する。プロジェクタは画像を表示画面１３０上に投影することができ、それによって複数のユーザ１２０が画像を見ることができる。
【００２７】
波長多重化は、高速カメラにおいてアーチファクトをもたらす時間多重化とは異なり、ＲＧＢカメラに対してトランスペアレントであるため、より良好である。このような対の構成は、下記でより詳細に説明するような、蛍光体の完全な二方向性反射率分布関数（ＢＲＤＦ）を得るのにも有用である。
【００２８】
図１Ｇは、アジャイルスペクトル画像形成の方法を示す。光源からの光が分散させる手段上に合焦される（１０１）。合焦された光は、次いで分散されて（１０２）色選択マスク上に合焦される（１０３）。合焦された分散光は、次いで光の行き先１２０に対してマスクされる（１０４）。
【００２９】
この発明の実施の形態１では、第１のレンズＬ１は８０ｍｍの焦点距離を有することができる。分散させる手段は、１ｍｍ当たり６００の溝を有するブレーズド透過または反射回折格子とすることができる。代替的に、プリズムを使用することができる。第２のレンズＬ２は５０ｍｍの焦点距離を有する。
【００３０】
マスクは、ステッパモータによって、光軸に対して接線方向の平面内で移動することができる。マスクは、マスク関数１０７に従ってさまざまな波長を選択的に遮断、変調、または他の方法で減衰させるグレイスケールマスクとすることができる。マスクは、ステッパモータを使用して前後に駆動される透明基板（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｉｅｓ）上に印刷される。代替的に、マスクは下記でより詳細に説明されるＬＣＤまたはＤＭＤの形態とすることもできる。レンズ、マスクは用途に応じて他のパラメータに従うことができることに留意されたい。
【００３１】
光学素子１０１〜１０４の配置によって、マスク１０４において平面Ｒ１０６が生成され、ここで、特定の波長の光源の全ての光線が一点に集まる。したがって、光線の波長と、平面内の空間位置との間に一対一のマッピングが得られる。図１Ａに示されるように、マスク１０４は平面１２０と同一の空間を占める。その結果、光線は第２のレンズによって光の行き先１２０に再び合焦し、画像内の全ての点のスペクトルはマスク関数に従って変調されている。
【００３２】
図２は、第１の対物レンズＬ１１０１の代わりにピンホールを有する、この発明の光学装置１００の単純化した光路図を示す。ピンホールは、分散させる手段１０２における平面Ｐ上にシーンを結像する。シーン１１０内の点Ｘからの光線は点Ｘｐに結像され、シーン１１０内の点Ｙからの光線は点Ｙｐに結像される。したがって、回折格子１０２またはプリズムを平面Ｐ内に配置する。
【００３３】
分散させる手段は光の波の性質に対して作用する。回折格子に入射する光線は、図示されるように、以下の回折格子の式によって与えられる、さまざまな方向における複数の分散出射光線を効率的に生成する。
【００３４】
【数１】
2009265618.tif 000003
【００３５】
式中、ｄは格子定数、すなわち連続する溝の間の距離であり、φｍは光線入射角であり、φｉは整数次数ｍの光線出射角であり、λは光線の波長である。
【００３６】
次数０は、直接の伝播によってそれずに回折格子を通じて進行する分散光線に対応する。回折格子の式から分かるように、分散角は、次数０を除く全ての次数の波長の関数である。これによって、入射光線のスペクトル分散が生じる。次数が高くなるほど、ますますエネルギーは低くなるため、この発明の構成では次数１を使用する。
【００３７】
図２に示されるように、平面Ｐの後ろの全ての光学素子は、次数１に適用される。次数１は、入射光線に対して実際は「屈折」しているが、ここでは回折格子を通って直進する緑成分（λ＝５５０ｎｍ）を示す。赤成分（λ＝７００ｎｍ）および青成分（λ＝４００ｎｍ）は反対方向に分散される。図を単純化するためにこのようにしている。
【００３８】
この発明では一次の分散で作業するため、光軸１０５は、図３に示されるように事実上「屈折」している。第２のレンズ、マスク、およびセンサまたはスクリーンを、回折格子に対して平行に配置する代わりに、回折格子または原点Ｏ３０１に対して或る角度で配置することによって、これを補償する。
【００３９】
レンズＬ２は、光を平面Ｐの後ろでセンサまたはスクリーン平面Ｓ上に合焦する。換言すれば、平面Ｓは平面Ｐと共役である。回折格子上の点Ｘｐから発する全てのスペクトル分散光線は、平面Ｓ上のＸｓにおいて収束する。したがって、センサ、眼、またはスクリーン（包括的には光の行き先）上の画像は、色アーチファクトが一切なく、ピンホールを通じて分散平面状に形成される画像と正確に同じである。
【００４０】
第２のレンズＬ２がケラレを一切生じないことを確実にしておく。従来のケラレのアーチファクトの結果、通常、画像の隅が暗くなるが、これは後処理において或る程度まで較正および修正することができる。しかしながら、この発明の場合では、隅の画像点の或るスペクトル成分がセンサまたはスクリーンに全く届かないおそれがあるため、ケラレは深刻な情報の損失をもたらす。視覚的には、ケラレは平面Ｓにおいて望ましくない視覚的な色アーチファクトを生じる。
【００４１】
図２において、分散色光線をピンホールレンズの平面へと逆にたどると、全ての赤光線が点ＣＲから発しているように見え、すべての緑光線が点ＣＢから発しているように見え、他も同様であることが分かる。第２のレンズＬ２は第２の目的を果たす。第２のレンズＬ２はピンホールの平面をＲ平面に合焦する。Ｒ平面は、第２のレンズＬ２をはさんでピンホールの平面と共役である。
【００４２】
この平面内にスクリーンを配置すれば、虹のように赤から青にわたる色を有する細い線が見えるであろう。したがって、この平面をＲ平面、すなわち虹平面と名付ける。シーン内の全ての点からの特定の波長の全ての分散光線は、Ｒ平面上の同じ点に到達する。これは、この平面内に特定の波長に対応するマスクを置くことによって、平面Ｓにおいて形成されている画像全体からその色を完全に除去することができるため、有用である。任意のマスクまたはＬＣＤをこの平面内に配置することによって、その他の様態ではカメラまたはプロジェクタの正面に配置されるあらゆる任意のカラーフィルタを装置の内部でシミュレートすることができる。
【００４３】
解析を容易にするために、全ての光線が近軸であると仮定する。これは、全ての光線が光軸１０６に対して小さな角度を成し、光軸１０６に近接した状態を維持することを意味する。
【００４４】
点Ｘから光線をたどると、以下のようになる。
【００４５】
【数２】
2009265618.tif 000004
【００４６】
式中、ｓはＲ平面とＳ平面との間の距離であり、α’は点ＸＳにおける平面Ｓ上に収束する光線が成す円錐の角である。
【００４７】
また、以下のようになる。
【００４８】
【数３】
2009265618.tif 000005
【００４９】
式中、ｐは回折格子と第２のレンズＬ２との間の距離であり、αは回折格子の分散角である。図２を参照されたい。これによって、以下が得られる。
【００５０】
【数４】
2009265618.tif 000006
【００５１】
レンズ方程式から、以下のようになる。
【００５２】
【数５】
2009265618.tif 000007
【００５３】
および
【００５４】
【数６】
2009265618.tif 000008
【００５５】
各項を再整理すると、以下が得られる。
【００５６】
【数７】
2009265618.tif 000009
【００５７】
上記で、光源１１０を分散させる手段１０２上に合焦するためにピンホールが使用されると仮定している。これは理解および解析が容易であるが、非常に少量の光しか通過させないため、あまり実際的ではない。
【００５８】
図４は、ピンホールの代わりに有限サイズの第１のレンズＬ１１０１を有するこの発明の装置１００の光学配置を示す。レンズＬ１は、シーン点Ｘを分散平面Ｐ上に正確に合焦する。焦点が合っているシーン点ごとに、回折格子Ｘｐ上の画像において入射する光線の、円錐角ｑを有する円錐がある。
【００５９】
回折格子は、これらの光線のそれぞれをその成分波長に分散させる。シーン点ごとの入射する光線の円錐における光線ごとに、それぞれ色が異なる出射光線の円錐が得られる。ピンホールの場合と同様に、分散角はαである。
【００６０】
平面Ｓは回折格子平面Ｐと共役であるため、シーン点は平面Ｓ上の位置ＸＳにおいて結像する。この点は焦点が絞り込まれているだけでなく、色も正確であり、色のぼけはない。
【００６１】
しかしながら、Ｒ平面はピンホールレンズの場合とは異なる。各点がシーン内の波長に対応する線を生成する代わりに、各シーン点の各波長がサイズＲｑにブラーリングされる。
【００６２】
式３と同じ論考に従って、以下が得られる。
【００６３】
【数８】
2009265618.tif 000010
【００６４】
円錐角θは以下の通りである。
【００６５】
【数９】
2009265618.tif 000011
【００６６】
式中、ａ１は第１のレンズＬ１の開口である。
【００６７】
式３および４から、以下が得られる。
【００６８】
【数１０】
2009265618.tif 000012
【００６９】
ピンホールの場合では、Ｒθ＝０であった。有限開口の場合では、Ｒθ＜＜Ｒａとなるようにしたい。使用される回折格子に依存する分散角αが固定であるとすると、以下のようにする必要がある。
【００７０】
【数１１】
2009265618.tif 000013
【００７１】
これは、比較的長い焦点距離、たとえば８０ｍｍおよび小さな開口を有するレンズを使用することによって達成される。焦点距離および開口はこの発明の光学素子の特有の配置に起因するものであり、図示される配置を有しない従来技術のカメラおよびプロジェクタから求めることはできないことに留意されたい。大きな開口によって光をより多くすることができるが、Ｒ平面内のＲθブラーが増大することによって、この発明のシステムのスペクトル選択性は事実上低下する。
【００７２】
平面Ｓにおいて形成される画像は開口サイズに関係なく完全に合焦されたままである。開口サイズまたは光量とＲ平面における所望のスペクトル選択性との間にはトレードオフが存在する。開口サイズが大きいと、図５に示すように、選択される波長（垂直軸）は、センサ１１０における画像内のピクセル位置（水平軸）と共に変化する。
【００７３】
図１Ｂのカメラ用途の場合では、Ｒ平面におけるマスクのスリットのさまざまな位置によって複数の画像を捕捉することによってマルチスペクトルデータセットを取得する。各スリット位置によって波長の小さなサブセットが通過することが可能になり、したがって大部分の光が遮断される。単一のスリットの代わりにアダマール符号化マスクを使用することによってより良好な信号対雑音比を達成することができる。次いで、複数の画像を多数の方法で合成して、リアルタイムでさまざまな視覚的効果のためにさまざまなアジャイルスペクトル出力画像を得ることができる。
【００７４】
図１Ｂのカメラ構成に密接に関連しているのが、図１Ｃに示される直視型装置である。この装置を用いて、ユーザはシーンを見て、マスクを動かすことによってその色スペクトルを機械的に変更する。これによって、任意の波長変更が可能になり、これは、通常は単一の波長しか通過させることができない液晶同調フィルタ（ＬＣＴＦ）または音響光学同調フィルタ（ＡＯＴＦ）よりも強力である。このようにして、この発明の装置をカメラのファインダとして使用することができる。小型ハンドヘルド装置として実施される場合、装置はメタマー検出のような用途に使用されて、色覚異常を有するユーザを補助することができる。
【００７５】
これまで、アジャイルスペクトルカメラの光学設計を説明してきた。同じ設計が、図１Ｄに示されるプロジェクタにおいてもちょうど同様に機能する。この場合、第１のレンズＬ１が、その他の点では従来のプロジェクタであるプロジェクタの投影レンズに対応する。投影画像を回折格子上に合焦し、上述のようにスクリーンをＳ平面内に配置する。
【００７６】
プロジェクタは通常、長い屈折した光路を有する。したがって、式５の条件は実際には、カメラの場合よりも容易に達成される。アジャイルスペクトルプロジェクタは、図１Ｅに示される制御可能スペクトル光源としても有用である。この場合、プロジェクタはシーンを覆う白色光を投影し、マスクはシーン内で任意の所望のスペクトル効果を達成するように操作される。
【００７７】
多数の興味深い用途がこの発明のアジャイルスペクトル装置によって可能となる。
【００７８】
スペクトル制御可能光源
図１Ｅのようなスペクトル制御可能光源は、単純に機械的マスクを摺動させるか、またはＲ平面内のＬＣＤを変調することによって、ユーザが異なる色の照明でシーンまたは物体を見ることを可能にする。これによって、シーン内のメタマーを容易に識別することができる。メタマーとは、人間の眼（またはカメラ）には非常に類似して見えるが、実際にはかなり異なるスペクトルを有する色のことである。これは、眼の錐体細胞またはカメラセンサのバイエルフィルタが比較的広いスペクトル反応を有し、時として、大幅に異なるスペクトルが眼によって感知されるかまたはカメラによって記録されると、正確に同じＲＧＢ値を有する結果になるために生じる。
【００７９】
たとえば、シーンは、緑色の葉を有する植物と赤い花とを含む。シーンが白色光で照明されると、第二色覚異常と呼ばれる１つの種類の色覚異常を有する人には、赤および緑の色相は非常に類似して見える。緑波長を選択的に遮断することによって照明の色を変更して、葉を暗くして赤い花と明らかに異なるようにすることができる。
【００８０】
スペクトル的に高ダイナミックレンジの写真およびグレア除去
図１Ｂのアジャイルスペクトルカメラを使用して高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）画像を取得することができる。空間的に変化する露出を使用する代わりに、Ｒ平面における色を適切に変調することによってスペクトル的に変化する露出を使用することができる。たとえば、シーンは、カメラに向けられている非常に明るい緑色光源、たとえば緑色ＬＥＤを含む。従来のカメラによってシーンから取得される画像では、ＬＥＤは明るすぎる。画像が飽和するだけでなく、光はシーンの一部を見分けにくくするグレアも引き起こす。露出を低減することは、シーンの残りの部分を暗くしすぎるため有用ではない。代わりに、適切なマスクをＲ平面内で使用することによって緑波長を遮断する。したがって、シーン内の赤色光成分は影響を受けず、ＬＥＤの強度およびグレアが大きく低減される。
【００８１】
従来のＨＤＲで使用される空間減衰とは異なり、画像全体を通じて緑色が均一に減衰される。結果として、シーンの色がピンク色がかる。これによってグレアがほぼ完全に除去され、それによって画像が以前よりもはるかに多くの細部を有する。
【００８２】
従来のグレア低減の手法と異なり、カメラの外部には一切変更を加えない。不快な明るい表示の色が分かれば、必要なのは単一の画像のみである。また、波長変調は任意とすることができるため、従来の色フィルタを使用しては不可能な、異なる色の複数のグレアを容易に除去することができる。従来の技法が全ての細部を捕捉することができない複雑なシーンには、閉ループスペクトルＨＤＲ捕捉システムが有用であり得る。
【００８３】
色の表現の改善
ほとんどの表示装置は、ＣＩＥ−ｘｙ色空間色度図によって定義されている全領域と比較して非常に制限された色空間を有する。図６を参照されたい。特に、ほとんどの装置は全領域６０１の左部および上部の青−緑の領域において極めて制限されている。純粋なシアン色を再現することがあらゆるＲＧＢベースのプロジェクタ／カメラに対する課題と考えられている。具体的には、投影されるシアン色は実際は青と緑との混色であり、純粋な色ではないことが示唆されており、シアン色は「漏れている（ｌｅａｋ）」ように見える可能性がある。この発明のアジャイルスペクトルプロジェクタを用いて、シアンを、青と緑とを混色して得られる色とはかなり異なって見えるようにすることができる。事実、その色は、単純に従来の青と緑との混色によって得ることは出来ない飽和した純粋なシアンである。
【００８４】
適応原色
従来のカメラおよびプロジェクタは、標準的なＲＧＢ原色を使用する。これらの原色は、眼の錐体細胞の反応に一致するように選択される。これらはいくつかのシーンに対しては適度に良好に機能するが、他のシーンではメタマーおよびコントラストの損失のような深刻なアーチファクトを生じる。近年、プロジェクタ製造業者は、より良好に色を再現するために、６色以上の原色を用いる実験を開始している。
【００８５】
代わりに、この発明では、原色を投影または取得されるシーンに適合させることができる。マスク１０４の代わりにＬＣＤ、およびデジタルマイクロデバイス（ＤＭＤ）を使用することができる。
【００８６】
ＬＣＤが空間投影ＤＭＤに同期される場合、実際、プロジェクタ内のカラーホイールを取り外して、波長変調を使用して任意のカラーホイールをシミュレートすることができる。任意の適応原色は、より良好な色の表現、より少ないメタマー、より明るい画像、および向上したコントラストをもたらす。
【００８７】
従来のＲＧＢプロジェクタは、所定の時間の３分の１にわたって画像の赤成分を投影し、次の３分の１にわたって青を、最後の３分の１にわたって緑を投影する。
【００８８】
従来のプロジェクタの黄ピクセルを考える。このピクセルは、光路内に赤フィルタおよび緑フィルタが配置されると「オン」にされる。赤フィルタ、緑フィルタ、および青フィルタのそれぞれが可視光の３分の１を透過させると仮定すると、黄ピクセルの強度は、以下の光強度になる。
【００８９】
【数１２】
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【００９０】
青ピクセルは１／９の光強度しかない。適応原色では、２色しか必要なく、それぞれを所定の時間の２分の１にわたって表示することができる。青ピクセルの強度は１／６にまで増大し、黄ピクセルは１／３の光強度まで増大する。また、光が低減することと引き換えに、対応するフィルタを狭くすることによって黄色をより飽和させるという、さらなる柔軟性が得られる。
【００９１】
この発明のアジャイルスペクトル装置では、対物レンズの開口は、回折格子までの距離よりもはるかに小さい（式５）。大きな開口によって、センサ平面における、空間的に変化する望ましくない波長ブラーが生じるおそれがある。しかしながら、この発明では、ｆ／１６以下の有限サイズの開口で適度な波長分解能を得る。ほとんどの用途ではこの制限は深刻な問題ではない。
【００９２】
従来のプロジェクタと同様に、この発明のアジャイルスペクトルプロジェクタは、特定の平面において焦点が合っている画像を生成する。しかし従来のプロジェクタとは異なり、任意の他の平面が、通常の空間ブラーに加えて色アーチファクトを有する可能性がある。これは、カメラの場合では、回折格子、レンズＬ２、およびセンサの位置が固定であり、センサおよび回折格子は常に互いに共役であるため問題ではない。対物レンズＬ１の焦点の平面の外部の点は、予測どおりに振る舞う。その点は色アーチファクトを一切有せずにセンサから焦点を外され、Ｒ平面内のマスクはその色をちょうど焦点内の点のように変調する。
【００９３】
ほとんどの現代のデジタルカメラは、メモリおよびマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを備える。同様に、この発明のカメラは、従来のマルチスペクトルカメラ、単色光分光器、および他の従来の狭帯域分光学的機器のように波長の減衰に対する制御を提供するコントローラ１０８を備えることができる。
【００９４】
この発明の設計によるＤＬＰプロジェクタでは、色を選択するのに、カラーホイールの代わりに高速ＬＣＤが用いられる。色較正は、回折格子および屈折した光軸の非線形性を考慮することができる。
【００９５】
この発明を特定の好ましい実施の形態を参照して説明してきたが、この発明の精神および範囲内でさまざまな他の適合および変更を行うことができることは理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に入る全てのこのような変形および変更を包含することである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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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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【外国語明細書】
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