JP2007271567A - カラーフィルタの色差安定波長特定方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができる色差安定波長特定方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】予め定めた理想の分光感度特性に対して所定の誤差を与えた分光感度特性に対応する色変換マトリクスを作成し（ステップ１００、１０２）、前記所定の誤差を与えた分光感度特性と、予め定めた光源の分光強度分布と、予め定めた標準物体色の分光反射率を定めた分光データベースと、に基づいて、前記分光データベースで定められた分光反射率に対する色差を波長毎に前記色変換マトリクスを用いて求め（ステップ１０４）、求めた波長毎の色差に基づいて、色差が安定する波長範囲を求めて出力する（ステップ１０６、１０８）。
【選択図】図２

Description

本発明は、カラーフィルタの色差安定波長特定方法及びプログラムに係り、特に、撮像装置等に使用されるカラーフィルタの色差安定波長特定方法及びプログラムに関する。

従来から色再現域の広い受像装置が開発されている。こうした受像装置に従来の撮像装置の出力値を直接入力しても、撮像装置の出力値が従来の色再現域の狭い受像装置の再現範囲内の値であるために、広がった色再現域を十分に生かすことはできない。従来の撮像装置は対象とする受像装置に対応する分光感度が持つ負の領域をカットしているため、本質的にルータ条件を満たすことができず、正確な色情報の取得ができない。

このため、従来から忠実に色再現することができる撮像装置が求められており、これを実現するために種々の撮像装置やカラーフィルタが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１８９９４１号公報

しかしながら、忠実な色再現が可能な分光感度を設計してカラーフィルタを作成しても、実際の感度を設計した分光感度にするのは困難であり誤差が生じてしまう。ただし、設計通りの分光感度を有するカラーフィルタを作成するのが困難であっても、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができれば、その波長の分光感度の誤差はある程度許容し、それ以外の波長、すなわち色差が大きい分光感度の誤差が少なくなるようにカラーフィルタを製造すること等が可能となる。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができる色差安定波長特定方法及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明のカラーフィルタの色差安定波長特定方法は、予め定めた理想の分光感度特性に対して所定の誤差を与えた分光感度特性に対応する色変換マトリクスを作成するステップと、前記所定の誤差を与えた分光感度特性と、予め定めた光源の分光強度分布と、予め定めた標準物体色の分光反射率を定めた分光データベースと、に基づいて、前記分光データベースで定められた分光反射率に対する色差を波長毎に前記色変換マトリクスを用いて求めるステップと、求めた波長毎の色差に基づいて、色差が安定する波長範囲を求めるステップと、を含むことを特徴とする。

この発明によれば、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができるので、例えばカラーフィルタを製造する際に、色差の安定した波長範囲の検査基準を緩く設定すること等により検査を簡略化することができ、カラーフィルタの製造コストを低減することが可能となる。

なお、請求項２に記載したように、前記理想の分光感度特性は、ルータ条件を満たす分光感度特性であることが好ましい。

また、請求項３に記載したように、前記予め定めた光源の分光強度分布は、複数種類の光源の分光強度分布を含み、光源毎に前記波長毎の色差を求めることが好ましい。

請求項４記載の発明のカラーフィルタの色差安定波長特定プログラムは、予め定めた理想の分光感度特性に対して所定の誤差を与えた分光感度特性に対応する色変換マトリクスを作成するステップと、前記所定の誤差を与えた分光感度特性と、予め定めた光源の分光強度分布と、予め定めた標準物体色の分光反射率を定めた分光データベースと、に基づいて、前記分光データベースで定められた分光反射率に対する色差を波長毎に前記色変換マトリクスを用いて求めるステップと、求めた波長毎の色差に基づいて、色差が安定する波長範囲を求めるステップと、を含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。

この発明によれば、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができるので、例えばカラーフィルタを製造する際に、色差の安定した波長範囲の検査基準を緩く設定すること等により検査を簡略化することができ、カラーフィルタの製造コストを低減することが可能となる。

本発明によれば、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長を特定することができる、という効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、色差安定波長特定装置１０の概略ブロック図を示した。色差安定波長特定装置１０は、演算部１２、メモリ１４、及びディスプレイやプリンタ等の出力装置１６を含んで構成されている。

メモリ１４には、後述する各種光源の分光強度分布データ１８、予め設計した理想の分光感度特性の分光感度特性データ２０、ＳＯＣＳデータベース（色再現評価用標準色分光データベース：ＪＩＳ ＴＲ Ｘ００１２）２２、後述する色差安定波長特定処理の処理プログラム２４等が記憶されている。

次に、演算部１２で実行される色差安定波長特定処理について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップ１００では、予め設計した理想の分光感度特性を表す分光感度特性データ２０を読み込む。

まず、理想の分光感度特性について説明する。前述したように、従来の撮像装置は対象とする受像装置に対応する分光感度が持つ負の領域をカットしているため、本質的にルータ条件を満たすことができず、正確な色情報の取得ができない。広い色再現領域を持つ受像装置は、従来のものより彩度の高い原色を３つあるいは４つ以上用いることで色再現領域を広げている。しかし、可視領域内のどの原色を用いても、３つの原色で可視領域の色すべてを再現することはできない。等色実験からわかるように、このような色再現領域外の部分が、等色関数に負の領域を持たせることになる。４つ以上の原色を用いた場合でも同様に可視領域全てを再現することは非常に困難である。

そこで、本実施形態では、特定の受像装置を対象とせず、デバイス非依存の色空間での色情報取得を行う。ここでは、その色空間にＸＹＺ表色系を用いる。正確にＸＹＺ三刺激値を取得する方法には以下のようなものがあるが、本実施形態では、下記（１）の方法で分光感度を求める。

（１）ルータ条件を満たす分光感度を用いる方法
（２）ルータ条件を満たす分光感度のうち、あるバンドを２つ以上のバンドに分け、その信号値を合成する方法
（３）マルチバンドカメラを用いて分光画像を推定し、その画像からＸＹＺ三刺激値を求める方法
（４）マルチバンドカメラの分光感度とＸＹＺ表色系の等色関数との対応関係を求める方法
ＨＤＴＶなどの受像装置に対応する理想的な分光感度や、ＲＧＢ、ＸＹＺ表色系の等色関数には、負の領域が存在する、ピークが２つ以上あるなどの理由から３バンドでは実現できない。

そこで、３バンドでルータ条件を満たす分光感度について、分光感度に負を持たないこと、単独のピークを持つこと、分光感度同士の重なりが最小であること、の３つの条件を満たす分光感度を求める。

さらに、単板同時式の撮像方式での撮像を考え、各バンドの分光感度の最大値が一致するという条件の下で、分光感度の設計を行う。なお、単板でなく３板でもよい。このようにして求めた理想の分光感度の一例を図３に示した。図３に示すような分光感度を理想的な分光感度特性として、その分光感度特性データ２０をメモリ１４に予め記憶しておく。また、ＸＹＺ表色系との対応式を次式に示す。

このような分光感度を持つ撮像装置を用いれば、撮像装置の出力値を上記（１）式の変換マトリクスを用いた一次変換により、正確なＸＹＺ三刺激値の取得が可能となる。

上記のように設計した忠実色再現が可能な３バンドの分光感度について、１つの受光装置に対し３つのフィルタを用いる単板同時式を用いて本発明者らが実際に作成した結果、図４のような分光感度を持つ撮像装置になった。同図において、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が設計した分光感度、Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’が実際に作成した撮像装置の分光感度である。

同図に示すように、設計した分光感度に対し形状が明らかに一致していないのが判る。作成された感度が、設計値の単純に等倍されたものに等しければ変換マトリクスの各要素にその倍率に対応した係数をかけてやることで出力値のＸＹＺ三刺激値への変換が可能になる。同図のような明らかにずれた分光感度に対しては、新しく変換マトリクスを用意する必要がある。

そこで、ステップ１０２では、設計値の分光感度（図３に示す理想の分光感度）に対して狭い波長域に誤差を与え、この誤差が与えられた分光感度特性に対応する変換マトリクスを作成する。誤差の与え方は、一例として誤差を持たせる波長間隔を１０ｎｍとし、その部分を各バンドの分光感度のピーク値の３％、６％、９％だけ増加させる。その一例を図５に示す。なお、誤差の与え方はこれに限られるものではない。

ＸＹＺ表色系の等色関数と撮像装置の分光感度の対応関係は、撮像装置の分光感度をＳ_i（λ） (ｉ＝１、２、３)、ＸＹＺ表色系の等色関数をｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）、ＸＹＺ表色系の等色関数と撮像装置の分光感度の対応関係を表すマトリクスの各要素をｇ_ij (ｉ＝１、２、３、ｊ＝１、２、３)とすると、次式で表すことができる。ここで、ε_i (ｉ＝１、２、３)は各波長における誤差を表す。

ＸＹＺ表色系の等色関数と撮像装置の分光感度の対応関係は、次式で表される誤差ｅ(ｉ=１、２、３)が最小になる係数ｇ_ij (ｉ=１、２、３、ｊ=１、２、３)を求めることで比較的正確に表すことができる。

本実施形態では、最小二乗法を用いてこの係数を求める。まず、ｇ₁₁〜ｇ₁₃を求める。上記（２）式から次式が成り立つ。

ここで、上記（４）式をεについて整理し、両辺を二乗すると、次式が導き出される。

そして、最小二乗法の条件より次式が成り立つ。

上記（５）、（６）式より、次式が成り立つ。

ここで、Ａ１１，Ａ２２，Ａ３３，Ａ１２，Ａ１３，Ａ２３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を次式で表す。

この場合、上記（７）式は次式で表すことができる。

したがって、ｇ₁₁〜ｇ₁₃は次式で求めることができる。

同様にして、ｇ₂₁〜ｇ₂₃、ｇ₃₁〜ｇ₃₃を求めることができる。このようにして求めた変換マトリクスを用いることにより、理想の分光感度特性に対応した変換マトリクスを用いて出力値をＸＹＺ三刺激値へ変換した場合より、真値に近づけることができる。

図４に示すように、実際に作成された撮像装置の分光感度Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’を見ると、ピーク位置付近においては短い波長範囲での凹凸にずれる局所的な誤差が見られ、感度の高い部分から低い部分へと広がっていく部分においては一様にずれる大域的な誤差が見られる。

そして、ステップ１０４では、局所的な誤差を与えた分光感度特性における色差を波長毎に求めるシミュレーションを行う。シミュレーションは、一例として、以下の表に示す光源の分光強度分布データ１８及びＳＯＣＳデータベース２２の分光反射率を用いて、ＳＯＣＳデータベース２２の分光反射率全色に対する平均色差を求めることによって行う。

シミュレーションに用いる光源の分光強度分布の一例を図６に示した。同図において、波長の範囲が４００ｎｍ〜７００ｎｍとなっているのはＳＯＣＳデータベース２２の分光反射率が４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲しか用意されていないためである。この波長外の光源の分光強度、撮像装置の分光感度が利用できないため、このシミュレーションでは光源、分光感度とも波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲のみを用いる。

色差を求める際に、次式で示す撮像装置の出力値をＸＹＺ三刺激値へ変換する変換マトリクスには、誤差を持った分光感度（一例として図５に示すような分光感度）について、前述した最小二乗法を用いて求めた変換マトリクスを用いる。

各光源（Ａ，ｃｏｏｌｗｈｉｔｅ，Ｄ６５，ｈｏｒｉｚｏｎ，ｔｌ８４ｕ３０）について平均色差を求めたシミュレーションの結果の一例を図７（ａ）〜（ｄ）に示す。図７は、出力値をＸＹＺ三刺激値へ変換する変換マトリクスに、与えた誤差を考慮し、重回帰分析によって求められた変換マトリクス（前述した最小二乗法を用いて求めた変換マトリクス）を用いた場合の各光源下での誤差による色差の結果である。また、図８には、図７の色差を光源の分光強度で波長ごとに割り、最大値を１に規格化したものを示した。さらに、図９には、比較のため、出力値をＸＹＺ三刺激値へ変換する変換マトリクスに、設計値に対応した変換マトリクスを用いた場合の各光源下での誤差による色差の結果を示し、図１０には、図９の色差を光源の分光強度で波長ごとに割り、最大値を１に規格化したものを示した。

なお、図７〜図１０において、ｓ３の誤差による色差が５６０ｎｍ以降について示していない。これは、設計した分光感度においてこの波長域に感度が存在しないため、実装の際に５６０ｎｍ以降の光をカットするフィルタを装着することで、この波長域を誤差を持たないように作ることが可能なため、誤差について検討する必要がないからである。

図９に示すように、光源を変えることにより、色差に大きく影響する波長域が変化しているように見えるが、図１０より、光源の分光的な偏りを取り除くとどの光源についても同様の傾向があることがわかる。このグラフの形状は、ＳＯＣＳデータベースの平均分光反射率とほぼ一致する（図１１）。すなわち、誤差を持つ分光感度に対し、分光感度に生じた誤差について考慮した変換を行わない場合には、撮影対象の色刺激の分光分布が色差にそのまま影響することがわかる。しかしながら、図７を見ると、図９の結果とは異なり、４７０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍ付近で誤差に対する色差が小さくなっていることがわかる。このことから、局所的な誤差が存在する場合、その波長域によって分光感度に誤差がある場合でも、補正を行うことで色差への影響が抑えられることがわかる。また、図７より、光源が変わると色差への影響が大きい感度も変わることが見て取れる。

ステップ１０６では、分光感度の誤差に拘わらず色差の小さい波長範囲を特定する。すなわち、図７に示すような各光源について求めた各波長の色差に基づいて、色差が予め定めた所定閾値以下となる波長範囲を求める。ここで、所定閾値は、色差がこの値以下であれば分光感度の誤差に拘わらず色差が安定していると判断できる値に設定される。

なお、予め定めた光源（例えばＤ６５）について求めた各波長の色差に基づいて、色差が予め定めた所定閾値以下となる波長範囲を求めても良いし、複数の光源について求めた各波長の色差の平均値を求め、これが予め定めた所定閾値以下となる波長範囲を求めるようにしてもよい。図７の例では、予め定めた所定閾値以下となる波長範囲は、４７０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍ付近の範囲となる。

ステップ１０８では、特定した色差の小さい波長範囲を出力装置１６により出力させる。

このように、分光感度の誤差に拘わらず色差の安定した波長範囲を特定することができるので、その波長範囲の分光感度の誤差はある程度許容し、それ以外の波長、すなわち色差が大きい分光感度の誤差が少なくなるようにカラーフィルタを製造すること等が可能となる。従って、例えばカラーフィルタを製造する際に、色差の安定した波長範囲の検査基準を緩く設定すること等により検査を簡略化することができ、カラーフィルタの製造コストを低減することが可能となる。

色差安定波長特定装置の概略ブロック図である。 色差安定波長特定装置で実行される処理ルーチンのフローチャートである。 理想的な分光感度特性を示す線図である。 理想的な分光感度特性及び実際の撮像装置の誤差のある分光感度特性を示す線図である。 理想的な分光感度特性に局所的な誤差を与えた分光感度特性の一例を示す線図である。 各光源の分光強度分布を示すグラフである。 局所的な誤差を与えた分光感度特性における色差と波長との関係を、誤差を考慮した変換マトリクスを用いて光源毎にシミュレーションした結果を示す線図である。 図７を正規化した線図である。 局所的な誤差を与えた分光感度特性における色差と波長との関係を、設計値に対応した変換マトリクスを用いて光源毎にシミュレーションした結果を示す線図である。 図９を正規化した線図である。 ＳＯＣＳデータベースの平均分光反射率を示す線図である。

符号の説明

１０ 色差安定波長特定装置
１２ 演算部
１４ メモリ
１６ 出力装置
１８ 分光強度分布データ
２０ 分光感度特性データ
２２ ＳＯＣＳデータベース
２４ 処理プログラム

Claims (4)

1. 予め定めた理想の分光感度特性に対して所定の誤差を与えた分光感度特性に対応する色変換マトリクスを作成するステップと、
   前記所定の誤差を与えた分光感度特性と、予め定めた光源の分光強度分布と、予め定めた標準物体色の分光反射率を定めた分光データベースと、に基づいて、前記分光データベースで定められた分光反射率に対する色差を波長毎に前記色変換マトリクスを用いて求めるステップと、
   求めた波長毎の色差に基づいて、色差が安定する波長範囲を求めるステップと、
   を含むカラーフィルタの色差安定波長特定方法。
2. 前記理想の分光感度特性は、ルータ条件を満たす分光感度特性であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタの色差安定波長特定方法。
3. 前記予め定めた光源の分光強度分布は、複数種類の光源の分光強度分布を含み、光源毎に前記波長毎の色差を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のカラーフィルタの色差安定波長特定方法。
4. 予め定めた理想の分光感度特性に対して所定の誤差を与えた分光感度特性に対応する色変換マトリクスを作成するステップと、
   前記所定の誤差を与えた分光感度特性と、予め定めた光源の分光強度分布と、予め定めた標準物体色の分光反射率を定めた分光データベースと、に基づいて、前記分光データベースで定められた分光反射率に対する色差を波長毎に前記色変換マトリクスを用いて求めるステップと、
   求めた波長毎の色差に基づいて、色差が安定する波長範囲を求めるステップと、
   を含む処理をコンピュータに実行させるためのカラーフィルタの色差安定波長特定プログラム。