JP2002271804A - カラー画像撮像装置 - Google Patents

カラー画像撮像装置

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JP2002271804A
JP2002271804A JP2001066234A JP2001066234A JP2002271804A JP 2002271804 A JP2002271804 A JP 2002271804A JP 2001066234 A JP2001066234 A JP 2001066234A JP 2001066234 A JP2001066234 A JP 2001066234A JP 2002271804 A JP2002271804 A JP 2002271804A
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spectral
color
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image sensor
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JP2001066234A
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Takashi Noguchi
高史 野口
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Fujifilm Holdings Corp
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Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】R、GおよびBの分光感度曲線の他に第4の分
光感度曲線を設定することによって、被写体の色味を忠
実に再現することができるカラー画像撮像装置を提供す
る。 【解決手段】カラー画像撮像装置は、490nm以下の
分光波長帯域で分光感度が最大となる第1の撮像素子
と、490nmより大きく585nm以下の分光波長帯
域で分光感度が最大となる第2の撮像素子と、585n
mより大きい分光波長帯域で分光感度が最大となる第3
の撮像素子と、第2の撮像素子の分光感度が最大となる
ピーク波長と第3の撮像素子の分光感度が最大となるピ
ーク波長に挟まれた分光波長帯域で分光感度が最大とな
る第4の撮像素子を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、撮像素子を用いて
カラー画像を撮影するカラー画像撮像装置、特に、CC
D等の撮像素子を用いたデジタルスチルカメラやビデオ
カメラに関する。
【0002】
【従来の技術】今日、CCD撮像素子を用いたデジタル
スチルカメラは、広く普及し、気軽にデジタルカラー画
像を撮影して、パーソナルコンピュータ等を介して個人
的にプリント印刷することが可能となっている。このよ
うなデジタルスチルカメラは、CCD撮像素子は、3色
の色フィルタ、例えば、R(赤)、G(緑)およびB
(青)の3原色フィルタ、あるいは、Y(黄) 、M(マ
ゼンタ)およびC(シアン)の3つの補色フィルタを用
いて、所定の分光感度特性、すなわち、R、GおよびB
の分光感度曲線や、C、MおよびYの分光感度曲線を持
つように構成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、CCD撮像
素子の大規模高集積化によってデジタルカラー画像を撮
影してシャープなカラー画像を得ることが近年可能とな
ってきたが、現状において鮮明かつ忠実な色再現は十分
に得られていない。デジタルカラー画像を取り込んだコ
ンピュータ内で色補正を行って、所望の色再現が可能で
あるものの、実際の撮影被写体の色味を忠実に色再現す
ることはできない。一方、フィルム等の感光材の分野に
おいて、赤、緑および青の3層の感光層の他に第4の感
光層としてシアン感光層を設け、色再現性を向上させた
感光材が普及している。デジタルカメラやビデオカメラ
等のカラー撮像装置の分野でも、撮影被写体の色味を忠
実に色再現するために、3原色フィルタや3つの補色フ
ィルタの他に第4の色フィルタを用いて色再現性を向上
させることもできるが、色フィルタをどのように設定し
て、撮像素子に第4の分光感度曲線を与えればよいか、
明らかでないのが現状である。
【0004】そこで、本発明は、R、GおよびBの分光
感度曲線の他に第4の分光感度曲線を設定することによ
って、被写体の色味を忠実に再現することができるカラ
ー撮像装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、青色光を感光する第1の撮像素子と、緑
色光を感光する第2の撮像素子と、赤色光を感光する第
3の撮像素子と、さらに、黄色光を感光する第4の撮像
素子とを有することを特徴とするカラー画像撮像装置を
提供するものである。
【0006】ここで、前記第1の撮像素子は、分光感度
が490nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度
曲線を有し、前記第2の撮像素子は、分光感度が490
nmより大きく585nm以下の分光波長帯域で最大と
なる分光感度曲線を有し、第3の撮像素子は、分光感度
が585nmより大きい分光波長帯域で最大となる分光
感度曲線を有し、第4の撮像素子は、前記第2の撮像素
子の分光感度曲線の分光感度が最大となるピーク波長と
前記第3の撮像素子の分光感度曲線の分光感度が最大と
なるピーク波長とに挟まれた分光波長帯域で分光感度が
最大となる分光感度曲線を有するのがよい。
【0007】あるいは、前記第1の撮像素子は、分光感
度が490nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感
度曲線を有し、前記第2の撮像素子は、分光感度が49
0nmより大きく560nm以下の分光波長帯域で最大
となる分光感度曲線を有し、前記第3の撮像素子は、分
光感度が600nmより大きい分光波長帯域で最大とな
る分光感度曲線を有し、前記第4の撮像素子は、分光感
度が560nmより大きく600nm以下の分光波長帯
域で最大となる分光感度曲線を有するものであってもよ
い。
【0008】さらに、前記第1の撮像素子は受光面の前
面に青色フィルタを有し、前記第2の撮像素子は受光面
の前面に緑色フィルタを有し、前記第3の撮像素子は受
光面の前面に赤色フィルタを有し、前記第4の撮像素子
は受光面の前面に黄色フィルタを有するのが好ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明のカラー画像撮像装
置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳
細に説明する。図1に示されるデジタルスチルカメラ1
0は、本発明のカラー画像撮像装置の好適実施例であっ
て、撮像レンズ12、色フィルタアレイ14を有するC
CD撮像素子16、および電子回路18を主に有し、
R、GおよびB信号が出力される単板同時式カラー撮像
装置である。
【0010】撮像レンズ12は、被写体の光学像をCC
D撮像素子16の受光面16Aに結像させるレンズであ
って、F値や焦点距離・ズーム比、解像度、分光透過率
等が考慮された公知のものが用いられる。
【0011】色フィルタアレイ14は、4つの色フィル
タが所定の配列でCCD撮像素子16の各素子に1対1
で対応して受光面の前面(撮像レンズ12側)に配置さ
れている。ここで、4つの色フィルタは、490nm以
下の分光波長帯域に分光透過率が最大となるピーク波長
を有する分光透過率分布の色フィルタ、490nmより
大きく560nm以下の分光波長帯域に分光透過率が最
大となるピーク波長を有する分光透過率分布の色フィル
タ、600nmより大きい分光波長帯域に分光透過率が
最大となるピーク波長を有する分光透過率分布の色フィ
ルタ、それに、560nmより大きく600nm以下の
分光波長帯域に分光透過率が最大となるピーク波長を有
する分光透過率分布の色フィルタである。
【0012】一方、スペクトル光の色の見えをR
(赤)、G(緑)、B(青)、およびY(黄)の中から
選択させるBoynton 等の実験によると(「色彩光学の基
礎」池田光男著、169頁、朝倉書店) 、490nm以
下の分光波長帯域のスペクトル光はB(青)と視認し、
490nmより大きく560nm以下のスペクトル光は
G(緑)と視認し、560nmより大きく600nm以
下のスペクトル光はY(黄)と視認し、600nmより
大きいスペクトル光はR(赤)と視認することから、そ
れぞれ、ピーク波長の低い順番にB(青)色フィルタ、
G(緑)色フィルタ、Y(黄)色フィルタおよびR
(赤)フィルタとなっている。このような色フィルタ
は、所望の分光透過率分布を有するR、G、BおよびY
の4色に樹脂膜を染色することによってCCD撮像素子
16の前面に作製される。
【0013】CCD撮像素子16は、半導体基板上に絶
縁膜を介して多数の電極を配列して構成され、結像され
た被写体の光学像を受光して、撮像信号を得る公知のも
ので、数百万の素子を有する。CCD撮像素子16は、
CCD撮像素子16の受光面16Aの前面に自らが有す
るR、G、BおよびYの4色の色フィルタアレイ14に
対応して各素子が設けられているので、ある素子は、R
の色フィルタを通過した赤色光を常に受光して感光し、
ある素子はGの色フィルタを通過した緑色光を常に受光
して感光し、ある素子はBの色フィルタを通過した青色
光を常に受光して感光し、また、ある素子はYの色フィ
ルタを通過した黄色光を常に受光して感光する。
【0014】すなわち、CCD撮像素子16は、各色フ
ィルタの分光透過率分布によって分解された被写体の像
を、各素子の受光面で受光するように構成されるので、
CCD撮像素子16は、490nm以下の分光波長帯
域、すなわち、青と視認する分光波長帯域に分光感度が
最大となるピーク波長を有する分光感度曲線を持った撮
像素子、すなわち、青色光を感光する撮像素子と、49
0nmより大きく560nm以下の分光波長帯域、すな
わち、緑と視認する分光波長帯域に分光感度が最大とな
るピーク波長を有する分光感度曲線を持った撮像素子、
すなわち、緑色光を感光する撮像素子と、600nmよ
り大きい分光波長帯域、すなわち、赤と視認する分光波
長帯域に分光感度が最大となるピーク波長を有する分光
感度曲線を持った撮像素子、すなわち、赤色光を感光す
る撮像素子と、560nmより大きく600nm以下の
分光波長帯域、すなわち、黄と視認する分光波長帯域に
分光感度が最大となるピーク波長を有する分光感度曲線
を持った撮像素子、すなわち、すなわち、黄色光を感光
する撮像素子とを有する。このような分光感度曲線の一
例を図3に示している。上記4つの分光感度曲線は、ピ
ーク波長が青(B)、緑(G)、黄(Y)および赤
(R)のそれぞれの分光波長帯域にピーク波長を有する
ので、以降では、それぞれ、B分光感度曲線、G分光感
度曲線、Y分光感度曲線、およびR分光感度曲線とい
う。
【0015】なお、本発明において撮像素子はCCD撮
像素子に限定されず、MOS型撮像素子等いずれの固体
撮像素子であってもよい。また、本実施例は、B、G、
YおよびRの色フィルタによって、B分光感度曲線、G
分光感度曲線、Y分光感度曲線、およびR分光感度曲線
が設定されるが、本発明においては、B、G、Yおよび
Rの色フィルタに制限されず、マゼンタやシアン等の色
フィルタを各種組み合わせて上記分光感度曲線を有する
ように設定してもよい。
【0016】電子回路18は、CCD撮像素子16から
出力された画像信号をAD変換するAD変換回路や画像
信号中の雑音を抑制する雑音抑圧回路や傷欠陥を補正す
る傷欠陥補正回路や暗示補正回路やγ補正回路や色補正
回路や色信号変換回路や画像信号圧縮処理回路等、公知
の各種回路を有し、規格ITU(International Teleco
municatiion Union )−R BT. 709で規定される
BT709色信号、すなわち、R、GおよびB信号に色
変換されて出力する。
【0017】ここで、CCD撮像素子16で生成され、
AD変換回路、暗示補正回路、雑音抑圧回路、傷欠陥補
正回路、γ補正回路さらには色補正回路等を通過して得
られた画像信号は、上記R分光感度曲線、G分光感度曲
線、B分光感度曲線、およびY分光感度曲線に対応した
値、すなわち、値[r],[g],[b],[y]を表
す4つの画像信号であるので、BT709色信号として
出力するために、値[r],[g],[b],[y]を
表す4つの画像信号から、BT709色信号に対応した
[R]、[G]および[B]の画像信号に変換される。
ここで、BT709色信号の変換は、図2に示されるよ
うに、変換マトリックスM1 を用いて等色関数x
(λ),y(λ)およびz(λ)に対応した3刺激値
[X]、[Y]および[Z]に変換する。さらに、刺激
値[X]、[Y]および[Z]を、変換マトリックスM
2 を用いてBT709色信号、すなわち、[R]、
[G]および[B]の刺激値に変換することによって、
R、GおよびB信号に変換する。なお、変換マトリクス
2 は、BT709色信号のR、GおよびB分光感度曲
線と等色関数x(λ),y(λ)およびz(λ)が共に
既知であるのでこれらの曲線および関数から一意的に求
められるものである。
【0018】このようにデジタルカメラ10は、R、
G、BおよびYの4つ分光感度曲線を有するCCD撮像
素子を有するが、本発明において分光感度曲線は、49
0nm以下の分光波長帯域に分光感度が最大となるピー
ク波長を有する分光感度曲線と、490nmより大きく
585nm以下の分光波長帯域に分光感度が最大となる
ピーク波長を有する分光感度曲線と、585nmより大
きい分光波長帯域に分光感度が最大となるピーク波長を
有する分光感度曲線と、490nmより大きく585n
m以下の分光波長帯域にピーク波長を有する上記分光感
度曲線のピーク波長と、585nmより大きい分光波長
帯域にピーク波長を有する上記分光感度曲線のピーク波
長との間の波長帯域に、分光感度が最大となるピーク波
長を有する分光感度曲線とから構成されるものであれば
よい。
【0019】すなわち、スペクトル光の色の見えをR
(赤)、G(緑)、B(青)の中から選択させるBoynto
n 等の実験によると、490nm以下の分光波長帯域の
スペクトル光はB(青)と視認され、490nmより大
きく585nm以下のスペクトル光はG(緑)と視認さ
れ、585nmより大きいスペクトル光はR(赤)と視
認されることから、上記4つの分光感度曲線は、それぞ
れ、青と視認する分光波長帯域に分光感度が最大となる
ピーク波長を有するB(青)分光感度曲線、緑と視認す
る分光波長帯域に分光感度が最大となるピーク波長を有
するG(緑)分光感度曲線、赤と視認する分光波長帯域
に分光感度が最大となるピーク波長を有するR(赤)分
光感度曲線、および、G(緑)分光感度曲線とR(赤)
分光感度曲線の中間に位置する中間の分光感度曲線とい
うことができる。このように、本発明は、B(青)分光
感度曲線、G(緑)分光感度曲線、R(赤)分光感度曲
線の他に、第4の分光感度曲線として、黄と視認する分
光波長帯域にピーク波長を有することを特徴とする。
【0020】デジタルスチルカメラ10は、以上のよう
に構成される。なお、本実施例は、静止画像を撮影する
デジタルスチルカメラを例としたが、本発明において
は、動画を撮影するビデオカメラであってもよく、ま
た、カラー画像撮像装置は、CCD撮像素子16を1つ
有し、色フィルタアレイがこのCCD撮像素子の前面に
設けられた単板同時式カラー撮像装置に限定されず、C
CD撮像素子の前面に4色に塗り分けられた色フィルタ
を順次取り替え、CCD撮像素子が受光する被写体像を
R、G、BおよびYの各色フィルタを介して時分割で得
る面順次方式であってもよい。さらには、被写体像を担
持する光をダイクロイックプリズム等の色分解プリズム
を用いて4色の光に分解し、分解された光をそれぞれ別
の受光面に結像させて受光する4つの撮像素子を有する
多板式のカラー撮像装置であってもよい。
【0021】このようなデジタルスチルカメラ10で
は、撮影レンズを通過した被写体の像が、色フィルタア
レイ14を通過して、R、G、BおよびYの4色の色フ
ィルタを介して分解され、CCD撮像素子16で受光さ
れ、画像信号が作成され、電子回路18に送られる。電
子回路18では、AD変換回路、暗示補正回路、雑音抑
圧回路、傷欠陥補正回路、γ補正回路さらには色補正回
路等を通過して、R分光感度曲線、G分光感度曲4色の
色フィルタに対応した刺激値[r],[g],[b],
[y]からなる画像信号が得られ、さらに、変換マトリ
クスM1 や変換マトリクスM2 を用いて変換されて、B
T709色信号に対応した[R]、[G]および[B]
刺激値が算出され、出力信号が生成される。出力信号
は、デジタルスチルカメラ10の図示されないメモリや
スマートメディア等の記録媒体に記録される。
【0022】このように撮像素子が第4の分光感度曲線
としてY分光感度曲線を持つカラー画像撮像装置は、
R、GおよびBの3原色の色フィルタを有し、R、Gお
よびBの3つの分光感度曲線を有する既存のカラー画像
撮像装置の分光感度曲線から、容易に作成することがで
きる。例えば、既存のカラー画像撮像装置のG分光感度
曲線の形状と同一の形状を成した分光感度曲線を分光波
長帯域上でシフトさせ、この分光感度曲線のピーク波長
がG分光感度曲線のピーク波長とR分光感度曲線のピー
ク波長の間に来るように、あるいは、この分光感度曲線
のピーク波長が560nmより大きく600nm以下の
分光波長帯域に来るように設定することによって容易に
Y分光感度曲線を作成することができる。
【0023】例えば、市販されるデジタルスチルカメラ
のR、GおよびB分光感度曲線の場合、G分光感度曲線
と同一の形状の分光感度曲線Aを、ピーク波長が560
nmより大きく600nm以下となるように、例えば5
85nmに設定すればよい。こうして得られた4つの分
光感度曲線が、図3に示された分光感度曲線である。
【0024】このような分光感度曲線を持った撮像素子
が、この分光感度曲線に基づいて撮影被写体の色味をど
の程度感知するか、撮像素子の分光感度の評価結果を示
したのが図4に示すFOMのグラフである。FOMとは
Sharma-Trussell によって提案された分光感度評価指標
で(IEEE Trans.Image.Processing,6(7),p990-1001(199
7))、下記式(1)で与えられる。
【数1】 ここで、eは、任意の等色関数、Dj (j=1〜N:自
然数)はカラー画像撮像装置の分光感度曲線をいい、
( ,)は下記式(2)に示す内積を表す。
【数2】
【0025】Sharma-Trussell によれば、Dj (j=1
〜N:自然数)の分光感度曲線を持つはカラー画像撮像
装置において、撮影された画像中の被写体の均等色空間
のCIEL* * * 空間におけるL* 、a* 値および
* 値が実際の被写体のL*、a* 値およびb* 値とど
の程度差があるか、すなわち、ΔL* 、Δa* およびΔ
* の期待値E[ΔL* ]、E[Δa* ]およびE[Δ
* ]を、下記式(3)〜(5)のように上記FOMと
関連付けることができる。
【0026】
【数3】
【数4】
【数5】
【0027】すなわち、期待値E[ΔL* ]は等色関数
y(λ)を用いたFOM(y)に反比例することから、
FOM(y)が大きいほど期待値E[ΔL* ]が小さ
く、撮影された画像中の被写体のL* 値と実際の被写体
のL* 値との差が小さいことが期待される。同様に、F
OM(x−y)が大きいほど期待値E[Δa* ]が小さ
く、画像中の被写体のa* 値と実際の被写体のa* 値と
の差が小さいことが期待される。さらに、FOM(y−
z)が大きいほど期待値E[Δb* ]が小さく、画像中
の被写体のb* 値と実際の被写体のb* 値との差が小さ
いことが期待される。従って、FOM(y)、FOM
(x−y)およびFOM(y−z)が大きいほど実際の
被写体の色再現をより適切に行うことができる。
【0028】このようなFOMについて、G分光感度曲
線の形状と同一の形状を成した、ピーク波長をλp とす
る分光感度曲線を分光波長帯域上でシフトさせ、R、G
およびB分光感度曲線とともに用いて算出されるFOM
(y)、FOM(x−y)、FOM(y−z)を、ピー
ク波長λp を横軸にとってグラフ化したものが図4に示
されている。これによると、分光感度曲線のピーク波長
λp を560nm〜600nm、好ましくは、585
(nm)にすることで、FOM(y)、FOM(x−
y)およびFOM(y−z)をいずれも大きくすること
ができ、被写体の色再現を最適に行う第4の分光感度曲
線であるY分光感度曲線を得ることができる。
【0029】以上より、R、GおよびB分光感度曲線に
対して、ピーク波長λp を560nm〜600nmとす
る第4の分光感度曲線(Y分光感度曲線)を持たせるこ
とで、あるいは、G分光感度曲線のピーク波長とR分光
感度曲線のピーク波長とに挟まれた分光波長帯域にピー
ク波長λp を設定した第4の分光感度曲線(Y分光感度
曲線)を持たせることで、FOM(y)、FOM(x−
y)およびFOM(y−z)は大きくなり、すなわち、
* 値やa* 値と実際の被写体のL* 値やa*値との差
が小さくなり、被写体の色味を忠実に再現する最適な色
再現が可能となる。
【0030】なお、図3に示すR、GおよびB分光感度
曲線とピーク波長λp を585nmとした第4の分光感
度曲線とから得られる図2に示す変換マトリックスM1
は、下記に示すように設定される。ここで、図3に示す
R分光感度曲線のピーク波長は615nm、G分光感度
曲線のピーク波長は530nm、およびB分光感度曲線
のピーク波長は465nmである。
【数6】
【0031】なお、上記例では、Y分光感度曲線を、G
分光感度曲線の形状を維持したまま分光波長上でシフト
させて、第4の分光感度曲線を作成するため、Y分光感
度曲線の形状は、G分光感度曲線の形状と同一となって
いるが、本発明では、第4の分光感度曲線の形状は、G
分光感度曲線の形状と同一である必要はなく、また、他
の2つの分光感度曲線のうちの1つの形状と同一である
必要もなく、第4の分光感度曲線の形状はどのようなも
のであってもよい。
【0032】以上、本発明のカラー画像撮像装置につい
て詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされ
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改
良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【0033】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、カラー画
像撮像装置において、R、GおよびB分光感度曲線の他
に、ピーク波長が黄と視認する分光波長帯域、例えば、
560nm〜600nmの領域にある第4の分光感度曲
線を設定することによって、被写体の色味を忠実に再現
する最適な色再現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のカラー画像撮像装置の一例であるデ
ジタルスチルカメラの概略の構成を示す構成図である。
【図2】 図1に示すデジタルスチルカメラの電子回路
で処理される処理の一例を説明する説明図である。
【図3】 図1に示すデジタルスチルカメラが持つ分光
感度曲線の一例を示す図である。
【図4】 第4の分光感度曲線を用いた際の色見の忠実
な再現に関する効果の一例を示す図である。
【符号の説明】
10 デジタルスチルカメラ 12 撮像レンズ 14 色フィルタアレイ 16 CCD撮像素子 18 電子回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】青色光を感光する第1の撮像素子と、緑色
    光を感光する第2の撮像素子と、赤色光を感光する第3
    の撮像素子と、さらに、黄色光を感光する第4の撮像素
    子とを有することを特徴とするカラー画像撮像装置。
  2. 【請求項2】前記第1の撮像素子は、分光感度が490
    nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度曲線を有
    し、 前記第2の撮像素子は、分光感度が490nmより大き
    く585nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度
    曲線を有し、 第3の撮像素子は、分光感度が585nmより大きい分
    光波長帯域で最大となる分光感度曲線を有し、 第4の撮像素子は、前記第2の撮像素子の分光感度曲線
    の分光感度が最大となるピーク波長と前記第3の撮像素
    子の分光感度曲線の分光感度が最大となるピーク波長と
    に挟まれた分光波長帯域で分光感度が最大となる分光感
    度曲線を有することを特徴とする請求項1に記載のカラ
    ー画像撮像装置。
  3. 【請求項3】前記第1の撮像素子は、分光感度が490
    nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度曲線を有
    し、 前記第2の撮像素子は、分光感度が490nmより大き
    く560nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度
    曲線を有し、 前記第3の撮像素子は、分光感度が600nmより大き
    い分光波長帯域で最大となる分光感度曲線を有し、 前記第4の撮像素子は、分光感度が560nmより大き
    く600nm以下の分光波長帯域で最大となる分光感度
    曲線を有することを特徴とする請求項1に記載のカラー
    画像撮像装置。
  4. 【請求項4】前記第1の撮像素子は受光面の前面に青色
    フィルタを有し、前記第2の撮像素子は受光面の前面に
    緑色フィルタを有し、前記第3の撮像素子は受光面の前
    面に赤色フィルタを有し、前記第4の撮像素子は受光面
    の前面に黄色フィルタを有することを特徴とする請求項
    2または3に記載のカラー画像撮像装置。
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