JP2010127739A - 分光感度特性測定装置および分光感度特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルカメラ等撮像機器の分光感度特性の測定を、１回の画像撮像で実施するための装置および方法を提供する。
【解決手段】分光感度特性測定を行う波長域全てにわたって十分なエネルギーを有する白色光を射出する線光源と、光源の光を分光し、スペクトルを射出する手段と、スペクトルを投影するためのスクリーンと、スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定する手段と、スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する手段と、スクリーンを測定対象である撮像装置で撮像して得た画像データの各画素における画素値と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長と、スクリーン上の各位置における分光放射輝度との関係から、撮像装置の分光感度を算出する手段とを有する分光感度特性測定装置および方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルカメラ等撮像装置の分光感度特性を、画像撮像により簡易に測定する装置、および上記を実現するための方法に関する。

デジタルカメラ等撮像装置では、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子に付随する、例えばＲＧＢ３色のカラーフィルタによって色分解を行い、色チャンネル毎にデジタル信号を得てデータを保存している。各色チャンネルのデジタル信号値（画素値）はこのカラーフィルタを含めた撮像素子の分光感度特性に依存する。そのため、撮像装置の分光感度特性を把握することは、画像の色再現設計を行う際に有用である。

従来、撮像装置の分光感度特性を測定する方法としては特許文献１や特許文献２に記載されるような方法があった。

これは、モノクロメータから照射された単色光を白色板に照射し、これを測定対象となる撮像装置で撮像を行い、得られた画像の画素値と、単色光の分光エネルギーとの比率からその波長における撮像装置の分光感度を求める方法である。

モノクロメータにより生成する単色光の波長を変化させ、これに応じて撮像装置の撮像を繰り返すことにより、任意の波長における撮像装置の分光感度を測定する。

特許文献は以下の通り。
特許第３６６３９４１号 特開２００７−０１７３４４

以上述べた分光感度特性の測定方法は、モノクロメータによって生成した単色光の数に応じた回数だけ撮像を行うため、取得する画像データの総量が大きくなり、また、測定に時間がかかるという問題があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度測定を、１回の撮像操作で実施するための装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために提供する本発明の第１の発明は、
カメラ等撮像装置の分光感度特性測定装置であって、
分光感度特性測定を行う波長域全てにわたって十分なエネルギーを有する白色光を射出する光源と、
光源の光を分光し、スペクトルを射出する手段と、
スペクトルを投影するためのスクリーンと、
スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定する手段と、
スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する手段と、
スクリーンを測定対象である撮像装置で撮像して得た画像データの各画素における画素値と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長と、スクリーン上の各位置における分光放射輝度との関係から、撮像装置の分光感度を算出する手段と、
を有する分光感度特性測定装置である。

また、本発明の第２の発明は、
カメラ等撮像装置の分光感度特性測定装置であって、
スペクトルが投影されているスクリーンを、分光感度特性が既知である撮像装置によって撮像し、これにより得た画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性から、スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定する手段と、
画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長から、スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する手段と、
を有する本発明の第１の発明である分光感度特性測定装置である。

また、本発明の第３の発明は、
カメラ等撮像装置の分光感度特性測定方法であって、
分光感度特性測定を行う波長域全てにわたって十分なエネルギーを有する白色光を空間的に分散したスペクトルが投影されているスクリーンを、測定対象である撮像装置によって撮像し、画像データを得るステップと、
スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定するステップと、
スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する方法と、
画像データの各画素における画素値と、各画素に結像したスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長と、スクリーン上の各位置における分光放射輝度との関係から、撮像装置の分光感度を算出するステップと、
を有する分光感度特性測定方法である。

また、本発明の第４の発明は、
カメラ等撮像装置の分光感度特性測定方法であって、
スペクトルが投影されているスクリーンを、分光感度特性が既知である撮像装置によって撮像し、画像データを得るステップと、
画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性から、スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定するステップと、
画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長から、スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定するステップと、
を有する本発明の第３の発明である分光感度特性測定方法である。

本発明によれば、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度の測定を１回の画像撮像のみで効率よく実施することが可能となる。

以下、添付の図面に基づき、実施のための形態を詳細に説明する。

（装置の構成）
図１は本発明の実施例に係る、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度特性を測定する装置の構成を示す模式図である。

分光感度特性測定装置１０は、光源１１、プリズム１２、スクリーン１３、コンピュータ１４からなる装置である。

光源１１を点灯させて生成された白色光は、プリズム１２を透過させることで分光を行
い、射出されたスペクトルをスクリーン１３に照射する。コンピュータ１４はデータを処理して、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度特性を算出する。

ここで、光源１１は測定対象とする波長域全体（例えば、可視光域内であれば３８０ｎｍ−７８０ｎｍ）に渡って十分エネルギーを有する白色光（例えば、可視光域内であればハロゲン光源やキセノン光源）で、プリズム１２の長手方向に対して十分細い線光源であることが必要である。

また、スクリーン１３は測定対象とする波長域全体にわたって分光反射率の高い白色物体で、かつ面全体において平坦であることが望ましい。

また、分光感度測定装置１０を使用した分光感度測定は暗室下で実施するか、あるいは分光感度測定装置１０全体が暗箱で覆われたような装置の形状とし、他の光源からの影響を受けないようにすることが望ましい。

以下、説明を簡単にするため、測定対象であるデジタルカメラ１５は、ＲＧＢ３色の色チャンネルを有するものとする。また、デジタルカメラ１５に内蔵するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子は入射光量に対して線形な応答特性を有し、また、画素位置によってその分光感度に差がないものとする。

（感度測定の手順）
図２に本発明の実施形態に係る、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度特性を取得するまでの動作をフローチャートに示す。以下、図２に沿って説明する。

まず、光源１１、プリズム１２、スクリーン１３、測定対象であるデジタルカメラ１５を適切な位置に設置する（Ｓ２）。

適切な位置とは、光源１１を点灯した際に、プリズム１２を通して射出された光が連続スペクトルとなり、スペクトルがスクリーン１３上の各位置で感度測定に十分なエネルギーをもって照射されている状態となるような位置とする。

次に、光源１１を点灯する（Ｓ３）。

これにより、スクリーン１３上には、波長が連続的に変化するスペクトルが照射されている状態となっている。

次に、デジタルカメラ１５でスクリーン１３を撮影し、１個の画像を得る（Ｓ４）。

次に、ステップＳ４により得た画像を、接続しているコンピュータ１４に転送する（Ｓ５）。

次に、コンピュータ１４は画像データを読み取り、画像上の各位置における画素値を抽出する（Ｓ６）。

次に、ステップＳ６で抽出した画素値を解析し、当該画素位置に対応するスクリーン上に投影されたスペクトルの波長と、スクリーン上の分光放射輝度の対応をとり、デジタルカメラ１５の分光感度を算出する（Ｓ７）。

分光感度の算出は下記の通り行う。

ある画素の座標（ｉ，ｊ）上に結像するスクリーン上に照射されたスペクトルの波長λは、あらかじめ行われているキャリブレーション処理（後述）により、スクリーン１３上に明示したスケール３３より、画像認識等により求めることができる。

また、波長λにおけるスクリーン上のスペクトルの相対分光放射輝度Ｅ（λ）は、あらかじめ行われているキャリブレーション処理（後述）によりコンピュータ１４に格納されている。
そのため、デジタルカメラ１５の各チャンネルにおける相対分光感度をＳｒ（λ）、Ｓｇ（λ）、Ｓｂ（λ）とすると、これらはＳｒ（λ）＝Ｉｒ（ｉ，ｊ）／Ｅ（λ）、Ｓｇ（λ）＝Ｉｇ（ｉ，ｊ）／Ｅ（λ）、Ｓｂ（λ）＝Ｉｂ（ｉ，ｊ）／Ｅ（λ）により求めることができる。

次に、コンピュータ１４が上記ステップＳ７により求めたデジタルカメラ１５の相対分光感度を出力し（S８）、測定を終了する（Ｓ９）。

（キャリブレーション処理）
以上の感度測定の手順において、スクリーン１３上の各点において照射されるスペクトルの波長、およびスクリーン上のスペクトルの分光放射輝度を既知のものとしたが、これらを同定するためのキャリブレーション処理が実際には必要である。図３に本発明の実施形態に係る、キャリブレーション処理の手順をフローチャートにて示す。以下、図３に従ってキャリブレーション処理内容を説明する。

まず、光源１１、プリズム１２、スクリーン１３、および分光感度が既知であるデジタルカメラを適切な位置に設置する（Ｔ２）
ここで適切な位置とは、スクリーン１３全体を撮像時に画像として捉えることの出来る位置であり、分光感度が既知であるデジタルカメラの設置位置はステップＳ２において設置する測定対象のデジタルカメラ１５と同一である。

次に、光源１１を点灯する（Ｔ３）。

次に、分光感度が既知であるデジタルカメラでスクリーン１３を撮影し、１個の画像を得る（Ｔ４）。

次に、分光感度が既知であるデジタルカメラにより撮像して得た画像データを、接続しているコンピュータ１４に転送する（Ｔ５）。

次に、コンピュータ１４は上記画像データを読み取り、画像上の各位置における画素値を抽出する（Ｔ６）。

次に、コンピュータ１４は上記抽出した画素値、および分光感度が既知であるデジタルカメラの分光感度から、スクリーン１３の各点に投影されているスペクトルの波長、およびその相対分光放射輝度を算出する（Ｔ７）。
算出方法は以下の通りである。

ある画素の座標（ｉ，ｊ）における画素値をＲＧＢの各チャンネルそれぞれにおいてＩｒ（ｉ，ｊ）、Ｉｇ（ｉ，ｊ）、Ｉｂ（ｉ，ｊ）とし、デジタルカメラの分光感度をＲＧＢの各チャンネルそれぞれにおいてＳ’ｒ（λ）、Ｓ’ｇ（λ）、Ｓ’ｂ（λ）とする。ここで、λは波長である。

このとき、各座標（ｉ，ｊ）それぞれにおいて、画素値の比が分光感度の比と等しくな
る、すなわちＩｒ（ｉ，ｊ）：Ｉｇ（ｉ，ｊ）：Ｉｂ（ｉ，ｊ）＝Ｓ’ｒ（λ）：Ｓ’ｇ（λ）：Ｓ’ｂ（λ）が成立するときの波長λを探索する。上記により求めた、座標（ｉ，ｊ）に対応する波長λを、座標（ｉ，ｊ）に結像されたスクリーンの位置に投影されているスペクトルの波長とする。

また、スペクトルのスクリーンの各位置における相対分光放射輝度は、画像中の各位置（ｉ，ｊ）における画素値と、対応するスペクトルの波長λにおける相対分光感度との比、すなわちＥ（λ）＝Ｉｒ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｒ（λ）（＝Ｉｇ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｇ（λ）＝Ｉｂ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｂ（λ））におけるＥ（λ）の計算により算出できる。

次に、上記ステップＴ７において求めたスクリーン１３上に投影されたスペクトルの各位置における波長およびその相対分光放射輝度をコンピュータ１４に保存する（Ｔ８）。

次に、スクリーン１３上の各位置と、投影されたスペクトルの波長とスクリーン１３上での位置の対応関係をスクリーン１３上に明示する（Ｔ９）。上記対応関係の明示は、図４に示すように、スクリーン１３上に、スクリーン上の各位置に対応したスペクトルの波長をスケール３３で表示するものとする。

次に、分光感度が既知であるデジタルカメラを取り外し、キャリブレーション処理を終了する（Ｔ１０）。

ここで、上記のキャリブレーション処理に用いた分光感度が既知であるデジタルカメラの分光感度として、測定対象とする波長帯の各波長において、少なくとも２チャンネル以上が分光感度を有し、かつ各チャンネル間の分光感度の比率が各波長においてユニークであることが必要である。

すなわち、Ｅ（λ）＝Ｉｒ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｒ（λ）（＝Ｉｇ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｇ（λ）＝Ｉｂ（ｉ，ｊ）／Ｓ’ｂ（λ））における分光感度の比Ｓ’ｒ（λ）：Ｓ’ｇ（λ）：Ｓ’ｂ（λ）は、測定対象とする波長帯における全ての波長λそれぞれについて異なっていることが必要である。

そのため、図５にデジタルカメラの各チャンネルの分光感度の例を示したが、この場合、上記条件を満たす図５中のλ１からλ２までが同定可能な波長帯となる。

これはステップＴ７における、当該デジタルカメラを用いてスクリーンに照射されている各点におけるスペクトルの波長を一意に決定するために必須である。

光源１１、プリズム１２、白色板１３、デジタルカメラ１５間の位置関係、および光源１１の分光強度特性を固定すれば、被測定対象となるデジタルカメラ１５を変えても繰り返し分光感度測定を行うことができる。

その際、初期化処理であるステップＳ２からステップＳ３、およびキャリブレーション処理であるステップＴ１からステップＴ１０は一度のみ実施すれば良い。これにより、複数のデジタルカメラの分光感度測定をより効率的に実施することができる。

上記実施形態は本発明の一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更または改変を行なっても良い。

例えば、上記方法ではキャリブレーション処理として白色板１３の各位置に照射された
単色光の中心波長との対応関係、および分光強度の関係を求める際に、分光感度が既知のデジタルカメラから求めたが、これに限定されることはなく、例えばデジタルカメラと同じ位置に分光放射輝度計を設置し、その点から白色板に照射された光の分光放射輝度を測定し、それに従って白色板と中心波長との対応関係、および分光強度との関係を事前に求めておくことも可能である。

また、説明を簡単にするため、被撮像対象であるデジタルカメラ１５は、３チャンネルを有しているとしたが、３チャンネル以上のいわゆるマルチバンドカメラであっても同様の分光感度測定を行うことができる。また、デジタルカメラ１５に内蔵するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子は入射光量に対して線形な応答特性を有するとしたが、必要とあれば、撮像素子が入射光量に対して非線形な応答特性を有していても、あらかじめ測定しておいた撮像素子の応答特性をコンピュータ１４に記録しておき、ステップＳ１５における画素値抽出の際に、画素値に撮像素子の応答特性の逆関数を掛けて補正することで同様の測定を行うことが可能である。

また、ステップＳ６におけるスクリーンを撮像した際の画素値の抽出は、各画素での画素値を求める処理ではなく、図４に示すように、スクリーン１３中に投影されたスペクトル中で同一の波長となる領域２１が分かれば、領域２１中の画素値の平均値を求めてやる処理に代えても良い。

また、ステップＳ５およびステップT５における、取得した画像データのコンピュータへの転送は、デジタルカメラをＵＳＢ等の外部接続インタフェースによりコンピュータ１４に接続し、転送を行っても良いし、カメラ内のＣＦカード等のストレージに保存し、上記ストレージをコンピュータ１４に移動し、データコピーを行うことで転送処理に代えても差し支えない。

また、白色光を空間的に分散させる手段として、プリズムの代わりに回折格子などの、連続スペクトル光を空間的に分散させて射出することの出来る機構があればよい。

本発明の実施形態に係る、デジタルカメラ等撮像装置の分光感度測定の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施する際の分光感度測定を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施する際のキャリブレーション処理を説明するためのフローチャートである。 本発明における、白色板撮影時のスケールおよび画素値抽出領域を説明するための模式図である。 撮像装置の分光感度と、これを用いてキャリブレーション可能な波長帯を示すための模式図である。

符号の説明

１０ 分光感度特性測定装置
１１ 光源
１２ プリズム
１３ 白色板
１４ コンピュータ
１５ 被測定対象となるデジタルカメラ
Ｓ１ 分光感度測定開始
Ｓ２ 光源、プリズム、白色板、デジタルカメラの設置
Ｓ３ 光源の点灯
Ｓ４ 撮像
Ｓ５ 画像データ転送
Ｓ６ 画素値抽出
Ｓ７ 画素位置と波長の対応付け処理
Ｓ８ 分光感度特性出力
Ｓ９ 分光感度測定終了
Ｔ１ キャリブレーション処理開始
Ｔ２ 光源、プリズム、白色板、分光感度が既知であるデジタルカメラの設置
Ｔ３ 光源の点灯
Ｔ４ 撮像
Ｔ５ 画像データ転送
Ｔ６ 画素値抽出
Ｔ７ 光源の相対分光強度算出
Ｔ８ 白色板へのスケール割り振り
Ｔ９ キャリブレーション処理終了

Claims (4)

1. カメラ等撮像装置の分光感度特性測定装置であって、
   分光感度特性測定を行う波長域全てにわたって十分なエネルギーを有する白色光を射出する線光源と、
   光源の光を分光し、スペクトルを射出する手段と、
   スペクトルを投影するためのスクリーンと、
   スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定する手段と、
   スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する手段と、
   スクリーンを測定対象である撮像装置で撮像して得た画像データの各画素における画素値と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長と、スクリーン上の各位置における分光放射輝度との関係から、撮像装置の分光感度を算出する手段と、
   を有する分光感度特性測定装置。
2. カメラ等撮像装置の分光感度特性測定装置であって、
   スペクトルが投影されているスクリーンを、分光感度特性が既知である撮像装置によって撮像し、これにより得た画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性から、スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定する手段と、
   画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長から、スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する手段と、
   を有する請求項1に記載の分光感度特性測定装置。
3. カメラ等撮像装置の分光感度特性測定方法であって、
   分光感度特性測定を行う波長域全てにわたって十分なエネルギーを有する白色光を空間的に分散したスペクトルが投影されているスクリーンを、測定対象である撮像装置によって撮像し、画像データを得るステップと、
   スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定するステップと、
   スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定する方法と、
   画像データの各画素における画素値と、各画素に結像したスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長と、スクリーン上の各位置における分光放射輝度との関係から、撮像装置の分光感度を算出するステップと、
   を有する分光感度特性測定方法。
4. カメラ等撮像装置の分光感度特性測定方法であって、
   スペクトルが投影されているスクリーンを、分光感度特性が既知である撮像装置によって撮像し、画像データを得るステップと、
   画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性から、スクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長を決定するステップと、
   画像データの各画素の画素値と、撮像装置の分光感度特性と、各画素に結像されたスクリーンの各位置に投影されているスペクトルの波長から、スクリーンの各位置における分光放射輝度を決定するステップと、
   を有する請求項３に記載の分光感度特性測定方法。