JP2014175731A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色周りを抑えた高画質の画像データを得ること。
【解決手段】撮像装置は、被写体からの光を第１の光と第２の光とに分岐する光分岐手段１１と、第２の光のうち所定の波長帯域の光のみ透過させる光学フィルタ部材１４と、第１の光による被写体像を撮像する第１撮像素子１２と、光学フィルタ部材１４を透過した光による被写体像を撮像する第２撮像素子１３と、第１撮像素子１２で撮像された第１画像信号、および第２撮像素子１３で撮像された第２画像信号に基づく画像データを記録媒体１８に記録する記録手段１９と、を備え、光分岐手段は、第１画像信号の信号レベルと第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

多くの撮像装置は、ＲＧＢ３色のカラーフィルタが設けられた撮像素子で光電変換することにより、ＲＧＢ３色で構成される画像信号を得ている。撮像装置では、得られた画像信号に対して色補間、ホワイトバランス変換、マトリックス変換、γ変換などの処理を施し、ディスプレイ等による観賞に適した画像データに変換する。変換された画像データは、例えばJPEG形式の画像としてファイル記録される。

上記のような撮像装置で被写体色に忠実な色再現を行うためには、カラーフィルタを含めた撮像素子の分光感度が等色関数と等しいことが望ましい（ルータ条件）。しかしながら、ルータ条件を満たさない場合には、画像信号のＲＧＢ３色が等色関数の応答であるXYZ値に近づくように、式（１）のような３×３マトリックスを適用して処理される。

ここで、マトリックスパラメータa1〜a9は、撮像素子の分光感度特性から最適化するなどの方法で、あらかじめ求められる。

上記マトリックスを適用する方法では、十分な色再現性を得ることが困難であり、特に、高彩度の被写体においてXYZ値とのずれが大きくなる。そこで、色再現性を高めることを目的に、通常のＲＧＢ３チャンネルより多い６チャンネルで画像を取得する技術が知られている（特許文献１参照）。

従来技術では、被写体からの光を２つに分岐し、第１方向へ分岐した被写体光を通常のＲＧＢ３チャンネルの分光感度特性を有する撮像素子で撮影する。一方、第２方向へ分岐した被写体光を、通常の撮像素子の分光感度より狭帯域の透過特性を有するバンドパスフィルタを介して、通常の撮像素子で撮影する。ここで、第１方向への分岐と第２方向への分岐比率は３：１である。

特開２００１−１５４３９号公報

従来技術では、第１方向へ分岐した被写体光を光電変換した画像信号レベルは、第２方向へ分岐した被写体光を光電変換した画像信号レベルに比べて高い。この理由は、第１方向への分岐比率が第２方向への分岐比率より高いことに加えて、第２方向へ分岐された被写体光は狭帯域のバンドパスフィルタによってさらに制限されるからである。

このように、第１方向へ分岐後に取得された第１画像データのレベルが第２方向へ分岐後に取得された第２画像データのレベルより高いと、被写体が明るい場合に第１画像データが第２画像データに比べて飽和が生じやすくなるという問題がある。画像信号が飽和してしまうと、色周りなどを引き起こして画質低下の一因となる。

本発明による撮像装置は、被写体からの光を第１の光と第２の光とに分岐する光分岐手段と、第２の光のうち所定の波長帯域の光のみ透過させる光学フィルタ部材と、第１の光による被写体像を撮像する第１撮像素子と、光学フィルタ部材を透過した光による被写体像を撮像する第２撮像素子と、第１撮像素子で撮像された第１画像信号、および第２撮像素子で撮像された第２画像信号に基づく画像データを記録媒体に記録する記録手段と、を備え、光分岐手段は、第１画像信号の信号レベルと第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有することを特徴とする。

本発明による撮像装置では、色周りを抑えた高画質の画像データが得られる。

本発明の一実施の形態によるデジタルカメラの要部構成を示す図である。 撮像素子の分光感度特性を示す図である。 ハーフミラーの透過／反射特性を示す図である。 バンドパスフィルタの分光透過特性を示す図である。 総合的な分光感度特性を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本実施形態では、被写体からの光を２つに分岐し、一方の被写体光を通常のＲＧＢ３チャンネルの分光感度特性を有する撮像素子で撮影し、他方の被写体光を通常のＲＧＢ３チャンネルに比べて狭帯域のｒｇｂ３チャンネルの分光感度特性を有する撮像素子で撮影するデジタルカメラにおいて、双方の画像信号レベルを揃えるように構成する。

図１は、本発明の一実施の形態によるデジタルカメラの要部構成を例示する図である。図１において、撮影レンズ１０を透過した被写体からの光は、ハーフミラー１１によって透過光と反射光とに分割される。ハーフミラー１１を透過する光は第１撮像素子１２に向かって進み、ハーフミラー１１を反射する光はバンドパスフィルタ１４に向かって進む。

ハーフミラー１１を透過した光の像は、第１撮像素子１２で光電変換される。光電変換後の画像信号はデジタル化され、第１画像記憶部１５に一時記憶される。ハーフミラー１１を反射した光は、バンドパスフィルタ１４によって透過波長帯域が制限される。帯域制限後の透過光の像は、第２撮像素子１３で光電変換される。光電変換後の画像信号はデジタル化され、第２画像記憶部１６に一時記憶される。

第１撮像素子１２および第２撮像素子１３は、それぞれ画素サイズが同じであって、かつ同画素数の撮像素子で構成され、同じ分光透過特性を有するカラーフィルタが設けられる。図２は、カラーフィルタ（ＲＧＢ３チャンネル）を含めた第１撮像素子１２および第２撮像素子１３の分光感度特性を例示する図である。図２において、横軸は波長を表し、縦軸は感度を表す。バンドパスフィルタ１４を介さずに撮像する第１撮像素子１２で取得される画像は、ＲＧＢ３色で構成される。

図３は、ハーフミラー１１の透過／反射特性を例示する図である。図３において、横軸は波長を表し、縦軸は透過率および反射率を表す。本実施形態では、ハーフミラー１１の透過／反射特性は波長に依存せず一定に構成し、バンドパスフィルタ１４側へ反射する反射率が、第１撮像素子１２側へ透過する透過率よりも高い。

図４は、バンドパスフィルタ１４の分光透過特性を例示する図である。図４において、横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。本実施形態によるバンドパスフィルタ１４の分光透過特性は、第２撮像素子１３のＲＧＢそれぞれのチャンネルにおいて短波長側、あるいは透過帯域の長波長側を遮断する。

図４における破線は、図２に例示した第１撮像素子１２（第２撮像素子１３）の分光感度特性を重ねたものである。図４によれば、Ｂチャンネルの「山」波形のうち短波長側がバンドパスフィルタ１４によって遮断される。Ｂチャンネルの「山」波形のうち長波長側はバンドパスフィルタ１４を透過する。本説明では、Ｂチャンネルのうちバンドパスフィルタ１４を透過する成分をｂチャンネルと呼ぶことにする。

また、Ｇチャンネルの「山」波形のうち長波長側がバンドパスフィルタ１４によって遮断される。Ｇチャンネルの「山」波形のうち短波長側はバンドパスフィルタ１４を透過する。Ｇチャンネルのうちバンドパスフィルタ１４を透過する成分をｇチャンネルと呼ぶことにする。

さらに、Ｒチャンネルの「山」波形のうち短波長側がバンドパスフィルタ１４によって遮断される。Ｒチャンネルの「山」波形のうち長波長側はバンドパスフィルタ１４を透過する。Ｒチャンネルのうちバンドパスフィルタ１４を透過する成分をｒチャンネルと呼ぶことにする。

図５は、図２に例示した分光感度特性と、バンドパスフィルタ１４の分光透過特性とを合わせた総合的な分光感度特性を示す図である。図５において、横軸は波長を表し、縦軸は感度を表す。図５の分光感度特性は、バンドパスフィルタ１４を含めた第２撮像素子１３の分光感度特性に相当する。すなわち、第２撮像素子１３で取得される画像はｒｇｂ３色で構成される。

図５の分光感度特性と、図２の分光感度特性とを比較すると、図５の方が図２よりも感度を有する波長帯域が狭いことから、図５による分光感度の方が図２による分光感度より相対的に低くなる。このため、例えばハーフミラー１１の透過と反射の比率を５０：５０にした場合でも、第１撮像素子１２で撮影される画像信号レベルの方が第２撮像素子１３で撮影される画像信号レベルよりも大きな値となり、被写体が明るい場合には、第１撮像素子１２による画像信号の方が第２撮像素子１３による画像信号よりも飽和を起こしやすくなる。

そこで、本実施形態によるデジタルカメラは、透過光の割合が反射光の割合よりも少なくなるように、あらかじめハーフミラー１１の透過／反射特性を決めておく。これにより、第１撮像素子１２による画像信号の飽和を回避しやすくなる。

ハーフミラー１１の透過／反射特性は、以下に述べるように解析的に求めることができる。例えば、昼光に対する応答からハーフミラー１１の透過／反射特性を決定する場合を説明する。ハーフミラー１１の透過率(波長に依存せず一定)をｎとすると、第１撮像素子１２で取得されるＧチャンネルの信号Ｇ１、第２撮像素子１３で取得されるｇチャンネルの信号Ｇ２は、次式（２）で表される。

ただし、Ｄ(λ)は昼光の放射特性、Ｇ(λ)は図２の分光感度（Ｇチャンネル）、(１−ｎ)はハーフミラー１１の反射率、Ｆ(λ)はバンドパスフィルタ１４の透過率である。

ここで、第１撮像素子１２で撮影される画像信号レベルと第２撮像素子１３で撮像される画像信号レベルを等しくすべく、Ｇ１＝Ｇ２とおくと、透過率ｎが次式（３）により求まる。

透過率が上記ｎのハーフミラー１１を使用すれば、昼光に対するＧチャンネルの応答が第１撮像素子１２と第２撮像素子１３との間で等しくなり、画像信号レベルの飽和現象を避けやすくなる。

画像合成部１７は、第１撮像素子１２で取得されるＲＧＢ３色分の画像データ（第１画像記憶部１５に一時記憶されている）、および第２撮像素子１３で取得されるｒｇｂ３色分の画像データ（第２画像記憶部１６に一時記憶されている）による計６色分の画像データを、３色の画像データに合成する。ここで、第１撮像素子１２および第２撮像素子１３におけるカラーフィルタの配列がベイヤ配列の場合には、画像合成部１７は、各々の撮像素子で取得された画像データに対してそれぞれ公知のベイヤ補間処理を行い、各画素位置につき６色の画像データを得る。そして、画像合成部１７は、次式（４）の６チャンネルから３チャンネルへの変換マトリックスを適用して画像合成を行う。

ここで、変換マトリックスのパラメータm1〜m18は、図２の分光感度特性、ハーフミラー１１の透過／反射特性、バンドパスフィルタ１４の分光透過特性から最適化するなどの方法で、あらかじめ求められる。

６チャンネルから３チャンネルへの変換は、上記のように三刺激値XYZ値を求めることによって行う。変換後の画像データは、記録制御部１９がメモリーカードのなどの記録媒体１８に記録する。なお、ｓＲＧＢなどのディスプレイ用の色空間に適したマトリックスを適用して、γ変換した後にＲＧＢ（ｓＲＧＢ）データを記録してもよい。

具体的には、三刺激値XYZを次式（５）によってディスプレイ信号(DispR_lin, DispG_lin, DispB_lin)に変換し、さらに式（６）〜（８）により、ディスプレイのガンマ特性を考慮したγ変換( y=Gamma(x) )を行って、ディスプレイ機器で表示するために最適な画像信号(DispR_Gam, DispG_Gam, DispB_Gam)に変換する。

DispR_Gam = Gamma(DispR_lin) …………（６）
DispG_Gam = Gamma(DispG_lin) …………（７）
DispB_Gam = Gamma(DispB_lin) …………（８）

第１撮像素子１２と第２撮像素子１３とで得られた計６色分の画像データは、デジタルカメラ内で合成せずに、そのまま６色分の画像データとして記録媒体１８へ記録するように構成してもよい。すなわち、記録制御部１９が第１記憶部１５に一時記憶されている画像データと、第２記憶部１６に一時記憶されている画像データとを、そのまま記録媒体１８に記録する。この場合は、記録媒体１８に記録された６色分の画像データに対し、後からパーソナルコンピュータなどの外部機器を用いて画像処理を行うことにより、例えば、ディスプレイ用の色空間の画像データに変換する。このような構成にすることにより、あらかじめ決められたマトリックスの適用に限られず、例えば特定の色に重点を置いた画像処理を行ったり、６色データから被写体の分光特性を推定する処理を行ったりするなど、多様な処理を行うことが可能である。

６色分の画像データを、デジタルカメラ内で画像処理せずにそのまま記録媒体１８に記録しておき、後からパーソナルコンピュータなどを用いて画像処理を行う場合は、図２の分光感度特性、図３のハーフミラーの透過／反射特性、図４のバンドパスフィルタ１４の分光透過特性などの情報が処理を行う上で重要である。そのために記録制御部１９は、これらの情報を画像データの付加的な情報として、画像ファイルのメタデータとして記録媒体１８に記録しておく。後から処理を行うパーソナルコンピュータは、画像データの読み出しと同時にこれらのメタデータの読み出しを行い、画像処理の実行の際に使用する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）デジタルカメラは、被写体からの光を第１の光と第２の光とに分岐するハーフミラー１１と、第２の光のうち所定の波長帯域の光のみ透過させるバンドパスフィルタ１４と、第１の光による被写体像を撮像する第１撮像素子１２と、バンドパスフィルタ１４を透過した光による被写体像を撮像する第２撮像素子１３と、第１撮像素子１２で撮像された第１画像信号、および第２撮像素子１３で撮像された第２画像信号に基づく画像データを記録媒体１８に記録する記録制御部１９と、を備え、ハーフミラー１１は、第１画像信号の信号レベルと第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有するようにした。これにより、画像信号の飽和を回避することにより、色周りを抑えた高画質の画像データが得られる。

（２）上記（１）のデジタルカメラにおいて、第１撮像素子１２および第２撮像素子１３はともに、第１の分光感度Ｒと第２の分光感度Ｇと第３の分光感度Ｂとを有し、バンドパスフィルタ１４は、第１の分光感度Ｒより狭帯域の第１の透過特性ｒと、第２の分光感度Ｇより狭帯域の第２の透過特性ｇと、第３の分光感度Ｂより狭帯域の第３の透過特性ｂとを有する。第１撮像素子１２および第２撮像素子１３の分光感度を共通にしたので、両撮像素子のカラーフィルタとして同じ部材を用いてコストを低減できる。

（３）上記（２）のデジタルカメラにおいて、ハーフミラー１１は、昼光のもとで第１画像信号の信号レベルと第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有するので、昼光撮影において高画質の画像が得られる。

（４）上記（３）のデジタルカメラにおいて、第１撮像素子１２で撮像された第１画像信号に基づく画像データ、および第２撮像素子１３で撮像された第２画像信号に基づく画像データを合成する画像合成部１７をさらに備え、記録制御部１９は、画像合成部１７による合成後の画像データを記録媒体１８に記録する。これにより、ＲＧＢ３チャンネルおよびｒｇｂ３チャンネルからなる６色のデータに基づく高精細な色再現が可能となる。

（５）上記（３）のデジタルカメラにおいて、記録制御部１９は、第１撮像素子１２で撮像された第１画像信号に基づく画像データ、および第２撮像素子１３で撮像された第２画像信号に基づく画像データをそのまま記録媒体１８に記録する。これにより、６色のデータに基づく色再現を後から外部装置が行うことが可能となり、色再現の自由度を高めることができる。

（６）上記（２）〜（５）のデジタルカメラにおいて、記録制御部１９はさらに、第１の分光感度Ｒと、第２の分光感度Ｇと、第３の分光感度Ｂと、第１の透過特性ｒと、第２の透過特性ｇと、第３の透過特性ｂと、分岐比とを記録媒体１８に記録するので、色再現を後から外部装置が行う場合に必要な情報を保存できる。

（変形例１）
第１撮像素子１２および第２撮像素子１３に設けられるカラーフィルタの配列は、上述したベイヤ配列に限られない。

（変形例２）
上述した実施形態では、ハーフミラー１１の反射側にバンドパスフィルタ１４を設けたが、ハーフミラー１１の透過側にバンドパスフィルタ１４を設けてもよい。この場合には、バンドパスフィルタ１４側へ透過するハーフミラー１１の透過率を、バンドパスフィルタ１４が存在しない方向へ反射するハーフミラー１１の反射率よりも高くする。

（変形例３）
被写体光を分岐させるためにハーフミラー１１を用いたが、ハーフミラー以外の分岐部材を用いても構わない。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１０…撮影レンズ
１１…ハーフミラー
１２…第１撮像素子
１３…第２撮像素子
１４…バンドバスフィルタ
１５…第１画像記憶部
１６…第２画像記憶部
１７…画像合成部
１８…記録媒体
１９…記録制御部

Claims (6)

1. 被写体からの光を第１の光と第２の光とに分岐する光分岐手段と、
   前記第２の光のうち所定の波長帯域の光のみ透過させる光学フィルタ部材と、
   前記第１の光による被写体像を撮像する第１撮像素子と、
   前記光学フィルタ部材を透過した光による被写体像を撮像する第２撮像素子と、
   前記第１撮像素子で撮像された第１画像信号、および前記第２撮像素子で撮像された第２画像信号に基づく画像データを記録媒体に記録する記録手段と、
   を備え、
   前記光分岐手段は、前記第１画像信号の信号レベルと前記第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有することを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記第１撮像素子および前記第２撮像素子はともに、第１の分光感度と第２の分光感度と第３の分光感度とを有し、
   前記光学フィルタ部材は、前記第１の分光感度より狭帯域の第１の透過特性と、前記第２の分光感度より狭帯域の第２の透過特性と、前記第３の分光感度より狭帯域の第３の透過特性とを有することを特徴とする撮像装置。
3. 請求項２に記載の撮像装置において、
   前記光分岐手段は、昼光のもとで前記第１画像信号の信号レベルと前記第２画像信号の信号レベルとを略等しくする分岐比を有することを特徴とする撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記第１撮像素子で撮像された第１画像信号に基づく画像データ、および前記第２撮像素子で撮像された第２画像信号に基づく画像データを合成する画像合成手段をさらに備え、
   前記記録手段は、前記画像合成手段による合成後の画像データを前記記録媒体に記録することを特徴とする撮像装置。
5. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記記録手段は、前記第１撮像素子で撮像された第１画像信号に基づく画像データ、および前記第２撮像素子で撮像された第２画像信号に基づく画像データをそのまま前記記録媒体に記録することを特徴とする撮像装置。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記記録手段はさらに、前記第１の分光感度と、前記第２の分光感度と、前記第３の分光感度と、前記第１の透過特性と、前記第２の透過特性と、前記第３の透過特性と、前記分岐比と、を前記記録媒体に記録することを特徴とする撮像装置。
   

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