CN103686102A - 摄像装置以及摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于取得物体分光信息的摄像装置以及具备该摄像装置的摄像系统，其目的在于提供一种能够用来解决设置精度提高引起成本上升以及光量和分辨率下降问题的摄像装置，该摄像装置可同时取得多种分光信息，而不需要增加滤光片的分割数量。本发明的摄像装置(12)具有主透镜(24)、设于主透镜光圈附近的第一滤光器(26)、微透镜阵列(3)、以及彩色传感器(6)。第一滤光器(26)和彩色传感器(6)分别以具有不同分光特性的多片滤光片构成，来自物体的分光信息被分配到第一滤光器的各滤光片和彩色传感器的各滤光片中，各片滤光片组合构成多种带通滤光片，用来同时获得多种分光信息。

Description

摄像装置以及摄像系统
技术领域
本发明涉及用于取得物体分光信息的摄像装置以及具备该摄像装置的摄像系统。
背景技术
评估物体的光谱可以用来了解物体固有的分光反射率特性以及状态。对此，通常用棱镜、光栅、或者利用液晶可调谐滤光器等分光器来作为测定光谱的装置。
现有的分光器虽然能够瞬时测定点或线的光谱，但是无法一次性测定面的光谱。为此，目前在测定面的光谱时，通常用线测定分光器来扫描测定面的光谱。但是，该测定方法在在测定细胞等的光谱时，由于被射体本身移动，因而无法获得与被射体对应的正确光谱。
对此，专利文献1(JP特开2001-99710号公报)公开了一种以测定二维分光反射率特性为目的的方法，该方法利用波长可变滤光片，转换波长区域不同的多个频域，根据拍摄的多带域图像来推算被摄体的光谱。
具体为一边用波长可变滤光片转换频域，一边取得用摄影装置拍摄同一个被摄体得到的多张原图像构成的多带域图像，根据该多帶域图像推算该被摄体的光谱。此时，波长可变滤光器的频域数量为10个频域以上。
但是，专利文献1公开的方法由于需要用波长可变滤光片来转换频域，逐个获得帶域图像，为此无法同时地瞬间测定多个频域的分光图像。换言之，该方式需要进行十次以上转换波长可变滤光片的频域才能获得各帶域的分光图像的动作，因而无法回避需要花费一定的测定时间的问题。
由于测定需要时间，为此，专利文献1的方式未能解消无法正确地测定非静止被摄体所对应的光谱的问题。
专利文献2(US7433042B1)中的图11公开了一种结构，其中，入射物镜(以下称为主透镜)的光通过位于该主镜的光圈附近且以分光特性不同的帶通滤光片构成的滤光器，并用微镜阵列(以下也称为MLA)将通过滤光器的光束分割成多束，而后入射传感器。
如果用彩色传感器，则传感器一方也存在多个滤光片，因而会发生信息重叠，无法得到需要的特性。为此，专利文献2需要使用黑白传感器。
按照专利文献2公开的方式，能够同时获得多种分光信息，拍摄后按照每个光谱重新排列，便能够得到图像。
一般认为，若要以良好的精度测定自然界的光谱，至少需要六个带域以上的带通滤光片。而以专利文献2的方式来获得六种以上分光信息，需要在主透镜的光圈附近设置六片以上分光特性不同的带通滤光片。
然而，在直径十分小的光圈区域中同时设置六片以上分光特性不同的滤光片，对滤光片设置精度要求相当高。而提高精度必然会带来成本上升。而且，滤光片间隙部分即滤光片与滤光片之间的交界部分会挡住来自物体的光，因而增加滤光片数量还会引起光量减少的问题。
专利文献2还描述了在MLA和传感器之间设置滤光器(参见图6.3)。此时，因在布置上不受主透镜的光圈直径的影响，因而，虽然对滤光片的设置精度没有要求，但是滤光片数量增加引起的光量减少问的题依然得不到解决。
进而，滤光片分割数量增多会带来分辨率下降的问题。
图9显示用这类摄像装置拍摄的图像。该图像为对应于主透镜的光圈形状，呈现多个小圆点排列的状态。在此称各个小圆点为微型像素。
汇集所有的微型像素便形成一幅图像。而如果滤光片的分割数量增多，则对应于分割数量的一个微型像素中所能容纳的光信息、且对位于传感器一方的一片滤光片来说像素所能够取得的光信息量将减小。若要解决该问题，需要使得微型像素趋向于增大，而这样做又必然会引起分辨率下降。
发明内容
本发明是考虑到上述问题提出的技术方案，其目的在于提供一种能够用来解决设置精度提高引起成本上升以及光量和分辨率下降问题的摄像装置，该摄像装置可同时取得多种分光信息，而不需要增加滤光片的分割数量。
为了达到上述目的，本发明提出以下技术方案，即使用彩色传感器作为传感器，位于彩色传感器一方的滤光器的多个分光特性与位于光学系统(主透镜)一方的滤光器的多个分光特性不同，通过组合双方的滤光器获得多种组合形态，使得带通滤波器数量在形式上有所增加，从而抑制主透镜一方的滤光器数量。
本发明具体构成如下。一种摄像装置，用于取得物体分光信息，其中具备光学系统、以及将经过该光学系统会聚后的光信息转换为电子信息的传感器，该摄像装置的特征在于，在所述光学系统的光圈附近设置第一滤光器，该第一滤光器包括多片滤光片或多个区域，具有多种分光特性，所述传感器具备第二滤光器和受光元件，该第二滤光器具有多种分光特性，在所述光学系统与所述传感器之间设置透镜阵列，该透镜阵列的多个透镜被排列成与所述传感器的二维平面平行，所述第一滤光器与所述第二滤光器分别具有不同的分光特性。
本发明效果如下，通过第一滤光器的多个分光特性和第二滤光器的多个分光特性的组合，增加来自物体的分光信息，从而能够同时取得多种分光信息，而不再需要增加光学系统中设于光圈附近的滤光器数量。
附图说明
图1是用于说明涉及本发明的摄像装置的原理的示意图。。
图2A和图2B是涉及本发明一项本实施方式的摄像系统的结构示意图，其中图2A是正视图，图2B是侧视图。
图3是彩色传感器的部分放大截面图。
图4显示普通的彩色传感器的滤光片的分光特性图。
图5是第一滤光器中各滤光片设置结构的正视图。
图6是构成第一滤光器的各滤光片的分光特性图。
图7是构成彩色传感器中的彩色滤光器的各滤光片的分光特性图。
图8A～图8F是构成第一滤光器的各滤光片的分光特性与构成第二滤光器的各滤光片的分光特性组合得到的分光形态的示意图。
图9是一例用数字重新聚焦方式相机拍摄的图像的示意图。
具体实施方式
以下参考附图说明本发明的实施方式。在说明本实施方式涉及的摄像装置以及摄像系统的具体结构之前，首先利用图1说明本发明的原理。为了便于说明功能原理，将光学系统2简化为单一透镜，并设定光学系统2的光圈位置S为该单一透镜的中心。
单一透镜2的中心位置上排设滤光片f1(R:红色)、滤光片f2(G:绿色)、滤光片f3(B:蓝色)，构成第一滤光器。但在实际中，不会在透镜内部设置滤光器。
在单一透镜2的聚光位置近旁设有微镜阵列3，该微镜阵列3的微型透镜被排列成平行于下述的传感器5的二维平面。图中的成像区域4中设有传感器5。在此，为了便于理解，设传感器5为黑白传感器。
物体1上的一点发散的光在单一透镜2上不同位置入射，通过在不同位置上呈不同分光特性的滤光片f1～f3。光通过滤光器后，先在微透镜整列3附近成像，而后，通过该微镜阵列3入射到各传感器5的位置。这样，来自一点但具有不同分光特性的光入射到传感器5上的不同位置，从而一次性地将多个分光信息投射到传感器5上。
在物体1上，位于与上述一点不同位置的分光信息也与上述相同，入射到传感器5的不同位置上，最后用图像处理来重新安排每个分光特性，从而一次性地获得每个分光特性的二维图像。基于上述原理，在单一透镜2的光圈附近设置多个带通滤光片，便能够瞬间测定物体的二维光谱。在此，“光圈附近”表示从各种视角入射的光线均能通过的部位，其中包含光圈位置。
如上所述，测定自然界中的光谱通常需要六片以上的带通滤光片。然而由于光圈直径小，若要增加分光特性信息的种类，则需要在上述光圈区域中同时设置六个以上的分光特性不同的滤光片。而这必将造成摄像装置制造成本上升。
组合多个滤光片可构成一个滤光片组件，但滤光片与滤光片之间的交界部份将遮挡来自物体的光线，因而，增加滤光片数量会增加交界部分，光量将随着交界部分的增加而下降。
对此，本实施方式用三色彩色传感器，并且在光圈附近设置三种不同的滤光片，用以减少光圈附近设置的滤光片数量，同时，获得六种以上分光信息。
图2是本实施方式涉及的摄像系统的结构示意图。摄像系统10具备光谱推算部16以及用于取得来自物体的分光信息并基于该分光信息生成多种分光图像的摄像装置12。在摄像装置12中，用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)14作为分光图像生成部。光谱推算部16具有CPU、ROM、RAM等元件，根据生成的分光图像计算每个像素的分光反射率，推算光谱。
摄像装置12具备透镜模块18和相机部20。相机部20内藏FPGA14，FPGA14也可以设于摄像装置12以外。透镜模块18中具备镜筒22、设于该镜筒22中作为光学系统的主透镜24、位于该主透镜24的光圈附近的第一滤光器26、以及透镜28。
相机部20内部具备作为透镜阵列的MLA3、彩色传感器6以及FPGA14。MLA3的多个微型透镜被设置在与主透镜24的光轴正交的方向上。镜筒22的前端周向以等间距设有多个作为光源的LED30。用LED30作为光源，不管摄影环境条件如何，均能稳定地获得分光信息。
图3是彩色传感器6的截面图。关于普通彩色传感器的结构例如可参考网页“http://material.toppan.co.jp/semicon/onchip/”中关于“CCD/CMOS传感器用芯片彩色滤光片”的介绍。与MLA3不同，彩色传感器6上安装微型透镜32，各个微型透镜32分别对应像素。微型透镜32的集合体为传感器一方的透镜阵列。
彩色滤光器34是本实施方式的第二滤光器，至少具有两中不同的分光特性。在此，彩色滤光器34由分光特性不同的三片滤光片f4、f5、f6构成。普通的彩色传感器用拜耳排列对每个像素配备RGB的彩色滤光片。
在图3中标记36、38、40、42、44分别表示平坦层、遮光膜、电极、受光元件、硅基板。
图4显示普通的彩色传感器的滤光片的分光特性。B(蓝色)光谱在470nm附近、G(绿色)光谱在540nm附近、R(红色)光谱在620nm附近分别出现峰值。呈山峰形的R、B、G各分光特性中的山脚部分交叠。
具体为，R和G在580～650nmnm以及650～1100nm附近、G和B在400～580nm以及770～1100nm附近交叠。
在位于彩色传感器6前方MLA3的微型透镜与安装在彩色传感器6中的微型透镜32之间，双方的直径的比率约为30∶1～10∶1。
图5是第一滤光器26的正视图。在一片玻璃板上制膜，一体加工形成分光特性不同的三片滤光片f1、f2、f3。本实施方式采用多层膜蒸镀方法，用一片滤光片来实现三种不同的分光特性。除此之外，也可以在光轴方向上重叠三片不同的玻璃板滤光片。以主透镜24中心C附近为分界线分割成三片滤光片。换言之，分光特性围绕主透镜24的光轴轴心变化。
图6是构成第一滤光器(单元)26的各滤光片的分光特性图。图7是构成彩色传感器6中的彩色滤光器34的各滤光片f4、f5、f6的分光特性图。在第一滤光器26的三种滤光片中，滤光片f1和f2是在可视范围(400nm～700nm)中存在峰值的带通滤光片。滤光片f3是可通过整个可视范围的滤光片，在此称为全通滤光片。两片带通滤光片f1和f2的峰值波长分别为500nm和600nm，在构成彩色传感器6中彩色滤光器34的滤光片f4～f6的峰值波长之间均具有最大感度。
构成第一滤光器26的各滤光片f1、f2、f3均与构成彩色传感器6的第二滤光器34的各滤光片f4、f5、f6的分光特性不同。光线通过构成第一滤光器26的各滤光片和构成彩色传感器6中第二滤光器34的各滤光片，可获得与同时通过3×3＝9种带通滤光片相同的分光特性。
也就是说，本实施方式中，第一滤光器26的各滤光片与彩色传感器6中第二滤光器34的各滤光片组合，得到(f1-f5)、(f1-f6)、(f1-f4)、(f2-f5)、(f2-f6)、(f2-f4)、(f3-f5)、(f3-f6)、(f3-f4)九种形态，因而能够获得与在第一滤光器位置上设置九种带通滤光片时相同的分光功能。但是，严格来讲，各滤光片中只有分光投射区域的部分可以让光透射，因此，实际上本实施方式仅取得如图8所示的六种分光特性。
即全通滤光片f3与第二滤光器34组合时，获得图8A～图8C所示的三种分光信息。而带通滤光片f1与第二滤光器34组合时，仅获得图8D一种分光信息。同样，带通滤光片f2与第二滤光器组合时，获得图8E和图8F两种分光信息。
安装于相机部20内部的FPGA14用于重新安排上述摄影图像的每个分光特性，生成六种分光图像。而后，位于后方的软件16用六种分光图像计算每个像素的光谱。在根据六种带通滤光片的输出结果推算光谱时，通常采用的方法是用样条(Spline)插值或拉格朗吉(Lagrangian)插值在光谱分布的波长之间进行非线性补偿。
上述结构不需要增加设于主透镜光圈附近的滤光片数量，便能够获得六种以上分光信息。由此不再需要提高第一滤光器的各滤光片的设置精度，同时，能够以廉价的结构来提高多带域二维测定的精度。简而言之，通过把来自物体的分光信息分配到设于相机一方的滤光器以及安装在传感器中的滤光器，能够同时获得多种分光特性，而且分光特性的种类将多于安装在传感器上的滤光片数量。
通常，透过主透镜的带通滤光片和传感器上的彩色带通滤光片的光量少于透射整个可视域的光量。而本实施方式在同一个传感器上检测六种分光信息，用同一个曝光条件来同时检测光量较多的分光图像和光量较少的分光图像，这就难以避免致使S/N变差。
对此，本实施方式如图5所示，将带通滤光器f1、f2的有效区域设为大于全通滤光片f3的有效区域。
这样，光量较多的分光区域较小、而光量较少的分光区域较大，从而在整体上提高了S/N大小。本实施方式如图5所示，在第一滤光器26的有效光透射面中，全通滤光片f3的光透射面积为该有效光透射面积的1/4。而两片带通滤光片中，f2的光透射面积约为有效光透射面积的1/4，f1的光透射面积约为有效光透射面积的1/2。

Claims (8)

1.一种摄像装置，用于取得物体分光信息，其中具备光学系统、以及将经过该光学系统会聚后的光信息转换为电子信息的传感器，该摄像装置的特征在于，
在所述光学系统的光圈附近设置第一滤光器，该第一滤光器包括多片滤光片或多个区域，具有多种分光特性，
所述传感器具备第二滤光器和受光元件，该第二滤光器具有多种分光特性，
在所述光学系统与所述传感器之间设置透镜阵列，该透镜阵列的多个透镜被排列成与所述传感器的二维平面平行，
所述第一滤光器与所述第二滤光器分别具有不同的分光特性。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，第二滤光器具有三种不同的分光特性。
3.根据权利要求1或2所述的摄像装置，其特征在于，在所述第一滤光器的所述多个滤光片或多个区域中至少有一片滤光片或一个区域的分光特性的峰值位于所述第二滤光器的分光特性的峰值之间。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，在所述第一滤光器的多片滤光片或多个区域中至少有一片滤光片或一个区域的分光特性包含所述第二滤光器的所有分光透射域。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的摄像装置，其特征在于，所述第一滤光器以多片滤光片组合构成一个单元，该第一滤光器的分光特性围绕所述光学系统的光轴轴芯发生变化。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的摄像装置，其特征在于，第一滤光器以一片玻璃板构成，其中形成多个分光特性不同的区域，该分光特性围绕所述光学系统的光轴轴心发生变化。
7.根据权利要求5或6所述的摄像装置，其特征在于，在所述第一滤光器的多个滤光片或多个区域中，包含所述第二滤光器的所有分光透射域的滤光片或区域的光透射面积小于分光特性峰值位于所述第二滤光器的分光特性峰值之间的滤光片或区域的光透射面积。
8.一种摄像系统，其中具备摄像装置和光谱推算部，该摄像装置用于取得来自物体的分光信息，并基于该分光信息生成多种分光图像，该光谱推算部根据生成的分光图像推算每个像素的光谱，其特征在于，所述摄像装置为权利要求1～7中任意一项所述的摄像装置。
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