JP2016144185A - Imaging apparatus and imaging system - Google Patents

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丸山 剛
Takeshi Maruyama
剛 丸山
憲介 増田
Kensuke Masuda
憲介 増田
祐治 山中
Yuji Yamanaka
祐治 山中
祥 永井
Sho Nagai
祥 永井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel imaging apparatus which acquires spectral information of an imaging object by disposing a band pass filter for color separation at a position of a diaphragm of an image formation lens.SOLUTION: The imaging apparatus comprises: an image formation lens system 10; a two-dimensional microlens array 20 that is disposed at an image side of the image formation lens system; a two-dimensional imaging element 30 which is disposed at an image side of the microlens array and performs photoelectric conversion in optical information that is incident via the microlens array; and a band pass filter FL that is disposed while being substantially matched with a diaphragm position of the image formation lens system 10. The band pass filter FL is formed by arraying two or more kinds of slave filters FR, FY, FG and FB of which the spectral transmission properties are separated mutually, in mutually orthogonal directions X and Y cyclically for two or more periods in such a manner that the slave filters of the same type are not neighboring to each other in the directions. An image of the band pass filter FL is substantially formed on a light-receiving surface of the imaging element 10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、撮像装置および撮像システムに関する。   The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging system.

プレノプティックカメラが実用化され、画像撮影や距離測定、分光計測等の種々の用途への適用が意図されている。   A plenoptic camera has been put into practical use and is intended to be applied to various uses such as image capturing, distance measurement, and spectroscopic measurement.

例えば、特許文献1や2には、プレノプティックカメラの構成を用い、結像レンズの絞りの位置にバンドパフィルタを配し、撮影対象の分光情報を取得する発明が開示されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 disclose an invention in which a plenoptic camera configuration is used, a band-pass filter is disposed at the aperture position of the imaging lens, and spectral information of a subject to be photographed is acquired.

この発明は、結像レンズの絞りの位置に、色分解用のバンドパスフィルタを配し、撮影対象の分光情報を取得する新規な撮像装置の実現を課題とする。   An object of the present invention is to realize a novel image pickup apparatus that obtains spectral information of a subject to be photographed by disposing a band-pass filter for color separation at the position of the stop of the imaging lens.

この発明の撮像装置は、結像レンズ系と、該結像レンズ系の像側に配された2次元のマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイの像側に配されて、マイクロレンズアレイを介して入射する光情報を光電変換する2次元の撮像素子と、前記結像レンズ系の絞り位置に略合致して配置されるバンドパスフィルタと、を有し、前記バンドパスフィルタは、分光透過特性が互いに分離した2種以上の子フィルタが、互いに直交する方向へ、該方向において、同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列してなり、前記バンドパスフィルタの像が、前記撮像素子の受光面上に略結像する。   An imaging device according to the present invention includes an imaging lens system, a two-dimensional microlens array disposed on the image side of the imaging lens system, an image side of the microlens array, and the microlens array via the microlens array. A two-dimensional image sensor that photoelectrically converts incident light information and a band-pass filter that is arranged substantially in accordance with the aperture position of the imaging lens system, the band-pass filter having spectral transmission characteristics Two or more types of child filters separated from each other are arranged in two or more cycles in a direction orthogonal to each other so that the same type of child filters are not adjacent to each other in the direction. The image is substantially formed on the light receiving surface of the image sensor.

この発明によれば、結像レンズの絞りの位置に、色分解用のバンドパスフィルタを配し、撮影対象の分光情報を取得する新規な撮像装置を実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a novel imaging apparatus that obtains spectral information of a subject to be photographed by disposing a bandpass filter for color separation at the aperture position of the imaging lens.

撮像システムの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of an imaging system. バンドパスフィルタの分光透過特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the spectral transmission characteristic of a band pass filter. バンドパスフィルタの1例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of a band pass filter. 図4のバンドパスフィルタを用いる場合の撮像素子の受光面上への結像の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the image formation on the light-receiving surface of an image pick-up element in the case of using the band pass filter of FIG. マイクロレンズMLijと、個々のマイクロレンズに属するマクロピクセルに結像したフィルタ像IMFLijを示す図である。It is a figure which shows the filter image IMFLij imaged on the macro lens which belongs to the micro lens MLij and each micro lens. 分光情報を得る工程を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process of obtaining spectral information. バンドパスフィルタの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of a band pass filter. バンドパスフィルタの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a band pass filter.

以下、実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments will be described.

図1は、この発明の撮像システムの実施の1形態を説明するための図である。
図1(a)において、符号10は「結像レンズ系」、符号20は「2次元のマイクロレンズアレイ」、符号30は「2次元の撮像素子」、符号40は「画像処理部」を、それぞれ示し、符号FLは「バンドパスフィルタ」を示す。
図1(a)は説明の簡単化のため、撮像システムを模式的に簡略化して描いている。
結像レンズ系10は、1枚のレンズとして簡略化して描いてある。結像レンズ10を1枚のレンズで構成することもできるが、一般には、複数枚のレンズにより構成される。
バンドパスフィルタFLは、結像レンズ系10の絞りの位置に配置される。図においては、バンドパスフィルタFLが、結像レンズ系10のレンズ内に位置するように描かれているが、これは図の簡略化のためである。結像レンズ10が2枚以上のレンズで構成される場合には、絞りの配置される位置は、レンズ間の位置である。
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of an imaging system of the present invention.
In FIG. 1A, reference numeral 10 denotes an “imaging lens system”, reference numeral 20 denotes a “two-dimensional microlens array”, reference numeral 30 denotes a “two-dimensional imaging device”, reference numeral 40 denotes an “image processing unit”, Each of them is shown, and symbol FL indicates a “bandpass filter”.
FIG. 1A schematically illustrates the imaging system for the sake of simplicity.
The imaging lens system 10 is depicted as a simple lens. The imaging lens 10 can be composed of a single lens, but is generally composed of a plurality of lenses.
The band pass filter FL is disposed at the position of the stop of the imaging lens system 10. In the drawing, the band pass filter FL is drawn so as to be located in the lens of the imaging lens system 10, but this is for the sake of simplification of the drawing. When the imaging lens 10 is composed of two or more lenses, the position where the diaphragm is arranged is the position between the lenses.

このように配置される絞りの開口部にバンドパスフィルタFLが配置される。
2次元のマイクロレンズアレイ20は、微小なレンズであるマイクロレンズを、2次元的にアレイ配列したものであり、配列されたマイクロレンズは同一形状である。
マイクロレンズアレイ20は、結像レンズ系10の像側の所定の位置、例えば像側焦点面に略合致するように配置される。
マイクロレンズアレイ20を、結像レンズ系10の像側焦点面位置に配置すると、ある程度大きい物体距離にある被写体の、結像レンズ系10による像は、マイクロレンズアレイ20のマイクロレンズ配列面近傍に結像する。
A band pass filter FL is arranged at the aperture of the diaphragm arranged in this way.
The two-dimensional microlens array 20 is a microlens that is a microlens arranged in a two-dimensional array, and the arranged microlenses have the same shape.
The microlens array 20 is disposed so as to substantially match a predetermined position on the image side of the imaging lens system 10, for example, an image side focal plane.
When the microlens array 20 is arranged at the image side focal plane position of the imaging lens system 10, an image of the subject at a certain object distance by the imaging lens system 10 is near the microlens array surface of the microlens array 20. Form an image.

2次元の撮像素子30は、微小な受光素子を2次元的にアレイ配列してなる所謂エリアセンサである。そして、マイクロレンズアレイ20を介して、結像レンズ系10と反対側において、マイクロレンズアレイ20に近接して配置されている。
撮像素子30は、バンドパスフィルタFLと実質的に共役な位置に受光面が位置するように配置される。なお、撮像素子30は「画素ごとのカラーフィルタが実装されていないモノクロセンサ」である。被写体が発する光のうち、結像レンズ系10に入射する光束が「分光エネルギ測定の対象」となる。
即ち、分光エネルギ測定のための色分解は、専らバンドパスフィルタにより行われる。
The two-dimensional image sensor 30 is a so-called area sensor in which minute light receiving elements are two-dimensionally arrayed. Then, the micro lens array 20 is disposed in the vicinity of the micro lens array 20 on the side opposite to the imaging lens system 10 via the micro lens array 20.
The image sensor 30 is arranged such that the light receiving surface is located at a position substantially conjugate with the band pass filter FL. The image sensor 30 is “a monochrome sensor in which a color filter for each pixel is not mounted”. Of the light emitted from the subject, the light beam incident on the imaging lens system 10 is the “spectral energy measurement target”.
That is, color separation for spectral energy measurement is performed exclusively by a band pass filter.

前述の如く、結像レンズ系10は、一般的には複数枚のレンズにより構成される。   As described above, the imaging lens system 10 is generally composed of a plurality of lenses.

従って、バンドパスフィルタFLの像は、これら複数枚のレンズのうち「バンドパスフィルタFLよりもマイクロレンズアレイ側にあるレンズ」とマイクロレンズとの作用により、実質的に上記受光面上に結像する。
この結像は、マイクロレンズごとに起こるので、撮像素子30の受光面上には、マイクロレンズごとの「バンドパスフィルタの像」が結像することになる。
Therefore, the image of the band pass filter FL is substantially formed on the light receiving surface by the action of the “lens closer to the micro lens array than the band pass filter FL” and the micro lens among the plurality of lenses. To do.
Since this image formation occurs for each microlens, a “bandpass filter image” for each microlens is formed on the light receiving surface of the image sensor 30.

撮像素子30の受光面に2次元的に配列された受光素子は、個々のマイクロレンズに複数の受光素子が対応する。例えば、1個のマイクロレンズに対して4個(2×2)あるいは9個(3×3)等、n(≧1)を自然数としてn個の受光素子の配列が対応する。
このように、1個のマイクロレンズに対応する複数の受光素子の2次元配列は「マクロピクセル」と呼ばれる。
任意の1つのマイクロレンズを考えると、このマイクロレンズに入射して「バンドパスフィルタの像を結像する光線」は、全て、該マイクロレンズに対応するマクロピクセルに入射する。
このとき、マクロピクセルを構成する個々の受光素子に入射する光線は、入射する方向が互いに異なる。従って、撮像素子30の出力には、被写体から受光素子に入射する光線の「強度と入射方向の情報」が含まれている。
The light receiving elements arranged two-dimensionally on the light receiving surface of the image sensor 30 correspond to a plurality of light receiving elements for each microlens. For example, an array of n 2 light receiving elements corresponds to a single microlens, where n (≧ 1) is a natural number, such as 4 (2 × 2) or 9 (3 × 3).
In this way, a two-dimensional array of a plurality of light receiving elements corresponding to one microlens is called a “macro pixel”.
Considering an arbitrary microlens, all the “light rays that form an image of a bandpass filter” incident on the microlens are incident on a macropixel corresponding to the microlens.
At this time, the incident directions of the light rays incident on the individual light receiving elements constituting the macro pixel are different from each other. Therefore, the output of the image sensor 30 includes “intensity and information on the incident direction” of light rays that enter the light receiving element from the subject.

マイクロレンズアレイにおける個々のマイクロレンズに対応するマクロピクセルの個々を「マイクロレンズに属するマクロピクセル」と呼ぶことにする。   Each macro pixel corresponding to each micro lens in the micro lens array will be referred to as a “macro pixel belonging to a micro lens”.

画像処理部40はコンピュータやCPU等として構成されている。
バンドパスフィルタFLは、一般に「分光透過特性が互いに分離した2種以上の子フィルタ」を、互いに直交する方向へ、該方向において「同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列」してなる。
The image processing unit 40 is configured as a computer, a CPU, or the like.
In general, the bandpass filter FL is configured such that “two or more types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other” are arranged in a direction orthogonal to each other and “two or more periods cyclically so that the same type of child filters are not adjacent to each other”. Array ".

子フィルタの個々は「所定の波長帯域の光」を透過させるが、透過させる帯域のすそ野の部分では、種類の異なる子フィルタ同志で互いに重なっていてもよい。   Each of the sub-filters transmits “light of a predetermined wavelength band”. However, at the base portion of the band to transmit, the sub-filters of different types may overlap each other.

図1に示す実施の形態では、バンドパスフィルタFLは、4種類の子フィルタFB、FG、FY、FRの組み合わせにより構成されている。   In the embodiment shown in FIG. 1, the band-pass filter FL is configured by a combination of four types of child filters FB, FG, FY, and FR.

子フィルタFB、FG、FY、FRが透過させる波長帯域は、互いに異なっておれば、適宜に選択することができる。   The wavelength bands transmitted by the child filters FB, FG, FY, and FR can be appropriately selected as long as they are different from each other.

以下では、説明の具体性のため、子フィルタFBは「主として青色(B)波長領域の光を透過させる分光透過特性」を持つとする。
また、子フィルタFG、FY、FRは、それぞれ「主として、緑色(G)波長領域、黄色(Y)波長領域、赤色(R)波長領域の光」を透過させる分光透過特性を持つとする。
In the following, it is assumed that the child filter FB has “spectral transmission characteristics that mainly transmit light in the blue (B) wavelength region” for the sake of description.
The sub-filters FG, FY, FR have spectral transmission characteristics that transmit “mainly light in the green (G) wavelength region, yellow (Y) wavelength region, and red (R) wavelength region”, respectively.

図2に、これら4種の分光透過特性TB、TG、TY、TRの例を説明図として模式的に示す。
図1に戻ると、バンドパスフィルタFLの子フィルタFB、FG、FY、FRは、図1(c)に示すように、互いに直交する2方向(X方向とY方向)に、該方向において「同一種の子フィルタが隣接しない」ようにサイクリックに3周期配列されている。
即ち、子フィルタの配列において、X、Y方向において相互に隣接する子フィルタは、互いに異なる種類である。そして、2種類の子フィルタの配列は、X方向とY方向とにおいて、サイクリック(周期的な繰り返し)となっている。
FIG. 2 schematically shows examples of these four types of spectral transmission characteristics TB, TG, TY, and TR as explanatory diagrams.
Returning to FIG. 1, the child filters FB, FG, FY, FR of the bandpass filter FL are arranged in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other as shown in FIG. Three cycles are arranged cyclically so that child filters of the same type are not adjacent.
That is, in the array of child filters, the child filters adjacent to each other in the X and Y directions are of different types. The arrangement of the two types of child filters is cyclic (periodic repetition) in the X direction and the Y direction.

即ち、図1に示す撮像システムの実施の形態において「撮像装置の部分」は、結像レンズ系10と、マイクロレンズアレイ20と、撮像素子30と、バンドパスフィルタFLを有している。
マイクロレンズアレイ20は、微小なマイクロレンズを2次元に配列したものであり、結像レンズ系10の像側に配設されている。
撮像素子30は、微小な受光素子を2次元に配列したものであり、マイクロレンズアレイ20の像側に配置されている。
That is, in the embodiment of the imaging system shown in FIG. 1, the “imaging device portion” includes the imaging lens system 10, the microlens array 20, the imaging element 30, and the band-pass filter FL.
The microlens array 20 is a microarray of microlenses arranged two-dimensionally, and is disposed on the image side of the imaging lens system 10.
The imaging element 30 is a two-dimensional array of minute light receiving elements, and is arranged on the image side of the microlens array 20.

バンドパスフィルタFLは、結像レンズ系10の「絞り位置に略合致」して配置されている。バンドパスフィルタFLは、分光透過特性が互いに分離した2種以上の子フィルタFB、FG、FY、FRを有する。
これらの子フィルタは、互いに直交するX、Y方向へ、該方向において、同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列してなる。
そして、バンドパスフィルタFLの像が、撮像素子30の受光面上に略結像する。
The band pass filter FL is arranged so as to “substantially match the aperture position” of the imaging lens system 10. The band-pass filter FL has two or more types of child filters FB, FG, FY, and FR whose spectral transmission characteristics are separated from each other.
These child filters are cyclically arranged in two or more periods in the X and Y directions orthogonal to each other so that the same type of child filters are not adjacent to each other in that direction.
Then, the image of the bandpass filter FL is substantially formed on the light receiving surface of the image sensor 30.

図3は、図1(c)に示したバンドパスフィルタFLを示している。
2次元に配列した「個々の子フィルタ」を、図の如き符号で区別する。
「B00〜B22」は2次元に配列した9個の子フィルタFBを示す。
「G01〜G23」は2次元に配列した9個の子フィルタFGを示す。
「Y10〜Y32」は2次元に配列した9個の子フィルタFYを示す。
FIG. 3 shows the bandpass filter FL shown in FIG.
“Individual child filters” arranged in a two-dimensional manner are distinguished by reference numerals as shown in the figure.
“B00 to B22” indicate nine child filters FB arranged two-dimensionally.
“G01 to G23” indicate nine child filters FG arranged in two dimensions.
“Y10 to Y32” indicate nine child filters FY arranged in two dimensions.

「R11〜R33」は2次元に配列した9個の子フィルタFRを示す。   “R11 to R33” indicate nine child filters FR arranged two-dimensionally.

前述の如く、撮像素子30の受光面上には、マイクロレンズごとに「バンドパスフィルタの像」が結像する。   As described above, a “bandpass filter image” is formed on the light receiving surface of the image sensor 30 for each microlens.

図4は、この結像を説明するための図である。バンドパスフィルタとしては、図3に即して説明したバンドパスフィルタFLを例にとる。
図4(a)において、符号MLはマイクロレンズアレイを構成する「マイクロレンズ」の1つを示し、符号IMFLは、マイクロレンズMLにより結像したバンドパスフィルタFLの像(以下「フィルタ像」という。)を示している。
このフィルタ像IMFLを受光する受光素子の2次元配列が前述の「マクロピクセル」である。
図4(a)に示すフィルタ像IMFLにおいて、図3に示したバンドパスフィルタFLの子フィルタに付された符号と「同じ符号を付した部分」は、同じ符号を付された子フィルタの像である。例えば、フィルタ像IMFLにおける「符号B00」で示す部分は、図3における子フィルタB00の像である。
FIG. 4 is a diagram for explaining this imaging. As the bandpass filter, the bandpass filter FL described with reference to FIG. 3 is taken as an example.
In FIG. 4A, reference numeral ML indicates one of “microlenses” constituting the microlens array, and reference numeral IMFL indicates an image (hereinafter referred to as “filter image”) of the bandpass filter FL formed by the microlens ML. .).
The two-dimensional array of light receiving elements that receive the filter image IMFL is the aforementioned “macro pixel”.
In the filter image IMFL shown in FIG. 4 (a), “the part given the same reference sign” as the reference sign given to the child filter of the bandpass filter FL shown in FIG. 3 is the image of the child filter given the same reference sign. It is. For example, the portion indicated by “reference B00” in the filter image IMFL is an image of the child filter B00 in FIG.

これら、個々の子フィルタに対応する像を、子フィルタ像と呼び、符号としては、例えば、子フィルタ像B00等とする。   These images corresponding to the individual child filters are called child filter images, and the code is, for example, the child filter image B00.

フィルタ像IMFLは、撮像素子の受光面上に略結像するが、フィルタ像IMFLの個々の子フィルタ像B00等には「受光面を構成する受光素子の1以上」が対応する。
この対応関係は、子フィルタ像と受光素子が1:1で対応してもよいし、子フィルタ像1つにN(複数)の受光素子が対応してもよい。
受光素子と子フィルタ像の対応関係が1:1である場合には、1つの子フィルタ像に対応する受光素子の出力値が、該子フィルタ像の分光エネルギ強度に対応する。
受光素子の出力値は「被写体から発した光のうち、子フィルタを透過してきた光線の光エネルギと受光素子の分光感度との積」に比例する。受光素子の分光感度は設計時に既知なので出力値を分光感度で除することで分光エネルギ強度を求めることができる。
The filter image IMFL is substantially imaged on the light receiving surface of the image sensor, and “one or more of the light receiving elements constituting the light receiving surface” corresponds to each child filter image B00 and the like of the filter image IMFL.
In this correspondence, the child filter image and the light receiving element may correspond 1: 1, or N (plurality) of light receiving elements may correspond to one child filter image.
When the correspondence between the light receiving element and the child filter image is 1: 1, the output value of the light receiving element corresponding to one child filter image corresponds to the spectral energy intensity of the child filter image.
The output value of the light receiving element is proportional to “the product of the light energy of the light beam transmitted through the child filter out of the light emitted from the subject and the spectral sensitivity of the light receiving element”. Since the spectral sensitivity of the light receiving element is known at the time of design, the spectral energy intensity can be obtained by dividing the output value by the spectral sensitivity.

個々のマクロピクセルにおいて「1個の子フィルタ像にN(≧1)個の受光素子」が対応している場合、N≠1であれば「N個の受光素子の出力値の平均値」を分光感度で除したものを「そのマクロピクセルにおける当該子フィルタ像の分光エネルギ強度」とすることができる。
あるいは、N個の受光素子の出力値のうちの1つを代表値とし、これを分光感度で除したものを「そのマクロピクセルにおける当該子フィルタ像の分光エネルギ強度」とすることができる。
勿論、N=1であれば個々の子フィルタ像に1個の受光素子が対応するから、この場合は、該受光素子の出力値を分光感度で除したものが「そのマクロピクセルにおける当該子フィルタ像の分光エネルギ強度」となる。
マイクロレンズのサイズ(レンズ径)と、撮像素子の受光素子(の受光面)のサイズ(受光面径)の比は、一般に、30:1〜2:1の範囲である。
例えば、図4の例で、マイクロレンズMLのレンズ径と、撮像素子の受光素子の受光面径の比が「30:1」である場合を考える。
この場合、子フィルタ像B00等の大きさが、マイクロレンズのレンズ系の1/6であるから、1個の子フィルタ像には5×5=25個の受光素子が対応してマクロピクセルを構成することになる。
When “N (≧ 1) light receiving elements correspond to one child filter image” corresponds to each macro pixel, if N ≠ 1, “average value of output values of N light receiving elements” is obtained. The value divided by the spectral sensitivity can be defined as “the spectral energy intensity of the child filter image in the macro pixel”.
Alternatively, a value obtained by dividing one of the output values of the N light receiving elements as a representative value and divided by the spectral sensitivity can be set as “the spectral energy intensity of the child filter image in the macro pixel”.
Of course, if N = 1, one light receiving element corresponds to each child filter image. In this case, the output value of the light receiving element divided by the spectral sensitivity is “the child filter in the macro pixel”. The spectral energy intensity of the image ".
The ratio between the size of the microlens (lens diameter) and the size of the light receiving element (light receiving surface) of the image sensor (light receiving surface diameter) is generally in the range of 30: 1 to 2: 1.
For example, in the example of FIG. 4, consider a case where the ratio of the lens diameter of the microlens ML to the light receiving surface diameter of the light receiving element of the imaging element is “30: 1”.
In this case, since the size of the child filter image B00 and the like is 1/6 of the lens system of the micro lens, 5 × 5 = 25 light-receiving elements correspond to one child filter image and a macro pixel is obtained. Will be composed.

図4(b)において、フィルタ像IMFLを構成する子フィルタ像B00〜R33のうち、図の「最上列及び最下列、最左列、最右列の子フィルタ像」は、マイクロレンズMLの結像領域の周辺部に結像する子フィルタ像であり、像の劣化が生じ易い。
また、これら周辺部の結像領域では「隣接するマイクロレンズの迷光」によるノイズも発生し易い。
それで、これらの子フィルタ像により得られる「受光出力」は無視し、図中「高濃度の図で示した4×4の子フィルタ像R11〜B22」により得られる出力値を「有効出力」として用いる。
In FIG. 4B, among the child filter images B00 to R33 constituting the filter image IMFL, “the child filter images in the uppermost row, the lowermost row, the leftmost row, and the rightmost row” in FIG. This is a child filter image formed on the periphery of the image area, and image degradation is likely to occur.
Further, noise due to “stray light of adjacent microlenses” is likely to be generated in the image forming regions in the peripheral portions.
Therefore, the “light reception output” obtained by these child filter images is ignored, and the output value obtained by the “4 × 4 child filter images R11 to B22 shown in the high density diagram” in the figure is regarded as “effective output”. Use.

以下、図1に示す撮像システムにおいて、画像処理部40により、撮像素子30の出力から「各種の子フィルタに対応する分光情報」を得る工程を説明する。   Hereinafter, in the imaging system illustrated in FIG. 1, a process of obtaining “spectral information corresponding to various child filters” from the output of the imaging element 30 by the image processing unit 40 will be described.

バンドパスフィルタFLとしては、上に説明したFB、FG、FY、FRの4種の子フィルタを「6×6配列」したものを想定する。
マクロピクセルにおいては、フィルタ像IMFLにおける「子フィルタ像の個々に1個の受光素子が対応する」ものとする。即ち、1つのマイクロピクセルは、6×6配列の受光素子で形成される。
「マクロピクセルの数」は、撮像素子の受光面サイズ、マイクロレンズアレイ20におけるマイクロレンズの数やサイズに応じて定まるが、ここでは「6個のマイクロレンズが2行3列に配列」している場合に簡単化して説明する。
As the band-pass filter FL, it is assumed that the above-described four types of child filters FB, FG, FY, and FR are “6 × 6 array”.
In the macro pixel, it is assumed that “one light receiving element corresponds to each child filter image” in the filter image IMFL. That is, one micropixel is formed of 6 × 6 light receiving elements.
The “number of macro pixels” is determined according to the size of the light receiving surface of the image sensor and the number and size of the micro lenses in the micro lens array 20, but here “six micro lenses are arranged in two rows and three columns”. A simplified explanation will be given.

図5は、これら6つのマイクロレンズMLij(i=1〜3,j=1〜2)と、個々のマイクロレンズMLijに属するマクロピクセルに結像したフィルタ像IMFLij(i=1〜3,j=1〜2)を示している。
説明中の例では上述の如く、フィルタ像IMFLにおける「子フィルタ像の個々に1個の受光素子が対応」するから、個々のマクロピクセルは、6行6列に配列した36個の受光素子で構成されている。
これら36個の受光素子の出力のうち、中央の「高濃度画像で示した4×4の子フィルタ像R11〜B22」に対応する16個の受光素子からの出力が有効出力である。
FIG. 5 shows these six microlenses MLij (i = 1 to 3, j = 1 to 2) and filter images IMLij (i = 1 to 3, j = images formed on macro pixels belonging to the individual microlenses MLij. 1-2).
In the example in the description, as described above, since “one light receiving element corresponds to each child filter image” in the filter image IMFL, each macro pixel is composed of 36 light receiving elements arranged in 6 rows and 6 columns. It is configured.
Out of the outputs of these 36 light receiving elements, the outputs from 16 light receiving elements corresponding to the central “4 × 4 child filter images R11 to B22 shown in the high density image” are effective outputs.

画像処理部40による分光情報の取得は、以下のように行われる。
子フィルタの色:R、G、B、Yのそれぞれに応じて「分光画像」を生成する。
図6は、これら4つの分光画像を示している。
図5におけるマイクロレンズMLij(i=1〜3,j=1〜2)に属するマクロピクセルを符号MPij(i=1〜3,j=1〜2)で表す。
Acquisition of spectral information by the image processing unit 40 is performed as follows.
A “spectral image” is generated in accordance with each of the child filter colors: R, G, B, and Y.
FIG. 6 shows these four spectral images.
The macro pixels belonging to the microlens MLij (i = 1 to 3, j = 1 to 2) in FIG. 5 are represented by reference symbols MPij (i = 1 to 3, j = 1 to 2).

マクロピクセルMPij(i=1〜3、j=1〜2)のうち、R色の子フィルタ像が結像した受光素子の有効出力による分光画像を符号MPijRで示す。
G色の子フィルタ像が結像した受光素子の有効出力による分光画像を符号MPijGで示す。
Among the macro pixels MPij (i = 1 to 3, j = 1 to 2), a spectral image by an effective output of the light receiving element on which an R color child filter image is formed is denoted by a symbol MPijR.
A spectral image based on the effective output of the light receiving element on which the G-color child filter image is formed is indicated by a symbol MPijG.

Y色の子フィルタ像が結像した受光素子の有効出力による分光画像を符号MPijYで示し、B色の子フィルタ像が結像した受光素子の有効出力による分光画像を符号MPijBで示す。
図6(a)は、R色の単色分光画像(6つのマクロピクセルMP11〜MP23による分光画像MP11R〜MP23Rにより構成されている。)を示している。
この図において、例えば「R11」とあるのは、子フィルタ像R11が結像した受光素子の出力を表す。
同様に、図6(b)〜(d)はそれぞれ、G色、Y色、B色の単色分光画像を示している。このようにしてR、G、Y、Bの4色の単色分光画像を「分光情報」として取得することができる。
これら4色の単色分光画像により、撮像された被写体の分光特性を知ることができる。
A spectral image based on the effective output of the light receiving element on which the Y-color child filter image is formed is indicated by a symbol MPijY, and a spectral image based on the effective output of the light receiving element on which the B-color child filter image is formed is indicated by a symbol MPijB.
FIG. 6A shows an R-color monochromatic spectral image (consisting of spectral images MP11R to MP23R of six macro pixels MP11 to MP23).
In this figure, for example, “R11” represents the output of the light receiving element on which the child filter image R11 is formed.
Similarly, FIGS. 6B to 6D show single color spectral images of G color, Y color, and B color, respectively. In this way, single-color spectral images of four colors R, G, Y, and B can be acquired as “spectral information”.
With these four color monochromatic spectral images, the spectral characteristics of the imaged subject can be known.

また、これら4色の単色分光画像を重畳して合成すれば、被写体のカラー画像を得ることができる。   Further, if these four color monochromatic spectral images are superimposed and synthesized, a color image of the subject can be obtained.

上には、赤(R)、黄色(Y)、緑(G)、青(B)の、4色の子フィルタFR、FY、FG、FBを持つバンドパスフィルタを説明した。   Above, a band-pass filter having four color child filters FR, FY, FG, and FB of red (R), yellow (Y), green (G), and blue (B) has been described.

しかし、バンドパスフィルタを構成するために組み合わせられる「複数種の子フィルタのバンドパス領域(透過波長領域)」は勿論、上の例に限らない。   However, the “bandpass region (transmission wavelength region) of a plurality of types of child filters” combined to form the bandpass filter is not limited to the above example.

分光透過特性が互いに分離した複数種の子フィルタを組み合わせることができる。   A plurality of types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other can be combined.

また、バンドパスフィルタを構成するために組み合わせる子フィルタの種類も4種に限らない、2種類もしくは3種類の子フィルタ、さらには5種類以上の子フィルタを組み合わせることもできる。   Also, the types of child filters to be combined to form the bandpass filter are not limited to four, and two or three types of child filters, or five or more types of child filters can be combined.

バンドパスフィルタを構成する複数種の子フィルタは、互いに直交する方向へ、該方向において、同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列してなり、バンドパスフィルタの像が、撮像素子の受光面上に略結像する。   The plurality of types of child filters constituting the bandpass filter are arranged in two or more cycles in a direction orthogonal to each other so that the same type of child filters are not adjacent to each other in the direction. The image is substantially formed on the light receiving surface of the image sensor.

従って、マイクロレンズアレイの「個々のマイクロレンズに属するマクロピクセル」には、少なくとも16個の子フィルタの像が結像する。
このため、マクロピクセルに結像する子フィルタの数が大きく、フィルタ像の周辺部の子フィルタ像により得られる「受光出力」を無視して「マクロピクセルの中央部に結像する子フィルタに対応する受光素子の出力値を有効出力」として用いることができる。
Accordingly, at least 16 child filter images are formed on “macropixels belonging to individual microlenses” of the microlens array.
For this reason, the number of child filters imaged on the macro pixel is large, and the “light reception output” obtained from the child filter image at the periphery of the filter image is ignored. The output value of the light receiving element to be used can be used as “effective output”.

また、マクロピクセルに結像する子フィルタの数が大きいことは、結像する個々の子フィルタ像が小さいことを意味するから、各マクロピクセルにおける解像度が高くなり、解像度の高い分光情報を得ることができる。   In addition, the fact that the number of child filters imaged on the macro pixel is large means that the individual child filter images to be imaged are small, so that the resolution at each macro pixel becomes high and spectral information with high resolution can be obtained. Can do.

図7および図8に、バンドパスフィルタの別の例を2例示す。
図7に示すバンドパスフィルタFL2は、図7(a)に示す如き2種の子フィルタFSとFT(これらの分光透過特性は互いに分離している。)を、図7(b)に示すように、X方向、Y方向へ交互にサイクリックに3周期分配置したものである。
7 and 8 show two examples of other bandpass filters.
The band-pass filter FL2 shown in FIG. 7 has two types of child filters FS and FT (these spectral transmission characteristics are separated from each other) as shown in FIG. 7A, as shown in FIG. 7B. In addition, three cycles are alternately arranged in the X direction and the Y direction.

このようなバンドパスフィルタFL2を用いれば、子フィルタFS、FTの分光透過特性に応じた「被写体の分光情報」を得ることができる。   By using such a bandpass filter FL2, it is possible to obtain “subject spectral information” corresponding to the spectral transmission characteristics of the child filters FS and FT.

図8に示すバンドパスフィルタFL3は、図8(a)に示す如き3種の子フィルタFV、FW、FZ(これらの分光透過特性は互いに分離している。)を、図8(b)に示すように、X方向、Y方向へ交互にサイクリックに3周期分配置したものである。   The band-pass filter FL3 shown in FIG. 8 has three types of child filters FV, FW, and FZ (these spectral transmission characteristics are separated from each other) as shown in FIG. As shown, three cycles are alternately arranged in the X direction and the Y direction.

このようなバンドパスフィルタFL3を用いれば、子フィルタFV、FW、FZの分光透過特性に応じた「被写体の分光情報」を得ることができる。   By using such a band-pass filter FL3, “subject spectral information” corresponding to the spectral transmission characteristics of the child filters FV, FW, and FZ can be obtained.

勿論、これらの例において、子フィルタのサイクリックな配列は、3周期分に限らないことは言うまでもない。   Of course, in these examples, it goes without saying that the cyclic arrangement of the child filters is not limited to three periods.

バンドパスフィルタは、以下の方法で製造できる。   The bandpass filter can be manufactured by the following method.

例えば、バンドパスフィルタを構成する子フィルタの分光透過特性を周知の「誘電体多層膜」として実現する方法である。   For example, this is a method of realizing the spectral transmission characteristics of the child filters constituting the band-pass filter as a well-known “dielectric multilayer film”.

別例としては、ガラスやプラスチック等の透明体に、色素を保持させて子フィルタを形成する方法である。   Another example is a method of forming a child filter by holding a pigment in a transparent body such as glass or plastic.

バンドパスフィルタは、分光透過特性が入射角に依存しないものが好ましい、この観点からすると、ガラスやプラスチック等の透明体に、色素を保持させて子フィルタを形成したバンドパスフィルタは、分光透過特性が入射角に殆ど依存しないので好ましい。   The bandpass filter preferably has a spectral transmission characteristic that does not depend on the incident angle. From this point of view, a bandpass filter in which a child filter is formed by holding a pigment in a transparent material such as glass or plastic has a spectral transmission characteristic. Is preferable because it hardly depends on the incident angle.

誘電体多層膜により子フィルタの分光透過特性を実現したものは、多層膜内部の反射による回折現象で、若干の入射角依存性が生じるが、このような入射角依存性は、実用上問題とならない程度に抑制することが可能である。   The one that realizes the spectral transmission characteristics of the child filter by the dielectric multilayer film is a diffraction phenomenon due to reflection inside the multilayer film, and some incident angle dependence occurs. However, such incident angle dependence is a problem in practical use. It is possible to suppress to such an extent that it does not become.

以上のように、この発明によれば、以下の如き撮像装置と撮像システムを実現できる。   As described above, according to the present invention, the following imaging device and imaging system can be realized.

[1]
結像レンズ系10と、該結像レンズ系の像側に配された2次元のマイクロレンズアレイ20と、該マイクロレンズアレイの像側に配されて、マイクロレンズアレイ20を介して入射する光情報を光電変換する2次元の撮像素子30と、前記結像レンズ系10の絞り位置に略合致して配置されるバンドパスフィルタFLと、を有し、前記バンドパスフィルタFLは、分光透過特性が互いに分離した2種以上の子フィルタが、互いに直交するX、Y方向へ、該方向において、同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列してなり、前記バンドパスフィルタFLの像が、前記撮像素子30の受光面上に略結像する、撮像装置。
[1]
Imaging lens system 10, two-dimensional microlens array 20 disposed on the image side of the imaging lens system, and light disposed on the image side of the microlens array and incident via the microlens array 20 A two-dimensional image sensor 30 for photoelectrically converting information; and a band-pass filter FL arranged substantially in accordance with the aperture position of the imaging lens system 10, wherein the band-pass filter FL has a spectral transmission characteristic. Two or more types of child filters separated from each other are arranged in two or more cycles cyclically in the X and Y directions orthogonal to each other so that the same type of child filters are not adjacent to each other in the directions. An image pickup apparatus in which an image of FL is substantially formed on the light receiving surface of the image pickup device 30.

[2]
[1]記載の撮像装置であって、バンドパスフィルタFL2が、分光透過特性が互いに分離した2種類の子フィルタFS、FTを有する撮像装置。
[2]
[1] The imaging apparatus according to [1], wherein the band-pass filter FL2 includes two types of child filters FS and FT whose spectral transmission characteristics are separated from each other.

[3]
[1]記載の撮像装置であって、バンドパスフィルタFL3が、分光透過特性が互いに分離した3種類の子フィルタFV、FW、FZを有する撮像装置。
[3]
[1] The imaging apparatus according to [1], wherein the bandpass filter FL3 includes three types of child filters FV, FW, and FZ whose spectral transmission characteristics are separated from each other.

[4]
[1]記載の撮像装置であって、バンドパスフィルタFLが、分光透過特性が互いに分離した4種類の子フィルタFB、FG、FY、FRを有する撮像装置。
[4]
[1] The imaging apparatus according to [1], wherein the band-pass filter FL includes four types of child filters FB, FG, FY, and FR whose spectral transmission characteristics are separated from each other.

[5]
[1]〜[4]の何れか1に記載の撮像装置であって、バンドパスフィルタが、異なる色の色素を子フィルタの配列に応じて保持する板状透明体である撮像装置。
[5]
The imaging device according to any one of [1] to [4], wherein the bandpass filter is a plate-like transparent body that holds pigments of different colors according to the arrangement of the child filters.

[6]
[1]〜[5]の何れか1に記載の撮像装置であって、受光素子の受光面上に略結像する個々の子フィルタ像に、n(≧1)を自然数として、n個の受光素子の配列が対応する撮像装置。
[6]
In the imaging device according to any one of [1] to [5], n (≧ 1) is a natural number and n 2 pieces of individual child filter images that are substantially imaged on the light receiving surface of the light receiving element. An imaging device corresponding to the arrangement of the light receiving elements.

[7]
[1]〜[5]の何れか1に記載の撮像装置と、画像処理部40とを有する撮像システムであって、前記画像処理部40が、撮像装置の撮像素子30の出力から、各種の子フィルタに対応する分光情報を得る撮像システム。
[7]
An imaging system including the imaging device according to any one of [1] to [5] and an image processing unit 40, wherein the image processing unit 40 receives various kinds of signals from an output of the imaging device 30 of the imaging device. An imaging system for obtaining spectral information corresponding to a child filter.

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the invention described in the claims unless otherwise specified in the above description. Various modifications and changes are possible within the scope of the above.
The effects described in the embodiments of the present invention are merely a list of suitable effects resulting from the invention, and the effects of the present invention are not limited to those described in the embodiments.

10 結像光学系
20 2次元のマイクロレンズアレイ
30 2次元の撮像素子
FL バンドパスフィルタ
FB、FG、FY、FR 子フィルタ
40 画像処理部
10 Imaging optical system
20 Two-dimensional microlens array
30 Two-dimensional image sensor
FL bandpass filter
FB, FG, FY, FR child filter
40 Image processing unit

特開2014−75780号公報JP 2014-75780 A 特開2004−89075号公報JP 2004-89075 A

Claims (7)

結像レンズ系と、
該結像レンズ系の像側に配された2次元のマイクロレンズアレイと、
該マイクロレンズアレイの像側に配されて、マイクロレンズアレイを介して入射する光情報を光電変換する2次元の撮像素子と、
前記結像レンズ系の絞り位置に略合致して配置されるバンドパスフィルタと、を有し、
前記バンドパスフィルタは、分光透過特性が互いに分離した2種以上の子フィルタが、互いに直交する方向へ、該方向において、同一種の子フィルタが隣接しないようにサイクリックに2周期以上配列してなり、
前記バンドパスフィルタの像が、前記撮像素子の受光面上に略結像する、撮像装置。
An imaging lens system;
A two-dimensional microlens array disposed on the image side of the imaging lens system;
A two-dimensional image sensor that is arranged on the image side of the microlens array and photoelectrically converts light information incident through the microlens array;
A band-pass filter disposed substantially coincident with the aperture position of the imaging lens system,
The bandpass filter is formed by arranging two or more types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other in a direction orthogonal to each other in two or more cycles so that the same type of child filters are not adjacent to each other in the direction. Become
An imaging apparatus in which an image of the bandpass filter is substantially formed on a light receiving surface of the imaging element.
請求項1記載の撮像装置であって、
バンドパスフィルタが、分光透過特性が互いに分離した2種類の子フィルタを有する撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
An imaging apparatus in which the bandpass filter has two types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other.
請求項1記載の撮像装置であって、
バンドパスフィルタが、分光透過特性が互いに分離した3種類の子フィルタを有する撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
An imaging apparatus in which the bandpass filter has three types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other.
請求項1記載の撮像装置であって、
バンドパスフィルタが、分光透過特性が互いに分離した4種類の子フィルタを有する撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
An imaging apparatus in which the bandpass filter has four types of child filters whose spectral transmission characteristics are separated from each other.
請求項1ないし4の何れか1項に記載の撮像装置であって、
バンドパスフィルタが、異なる色の色素を子フィルタの配列に応じて保持する板状透明体である撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein
An imaging device in which the bandpass filter is a plate-like transparent body that holds pigments of different colors according to the arrangement of the child filters.
請求項1ないし5の何れか1項に記載の撮像装置であって、
受光素子の受光面上に略結像する個々の子フィルタ像に、n(≧1)を自然数として、n個の受光素子の配列が対応する撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5,
An imaging device in which an array of n 2 light receiving elements corresponds to each child filter image substantially formed on the light receiving surface of the light receiving element, where n (≧ 1) is a natural number.
請求項1ないし6の何れか1項に記載の撮像装置と、画像処理部とを有する撮像システムであって、
前記画像処理部が、撮像装置の撮像素子の出力から、各種の子フィルタに対応する分光情報を得る撮像システム。
An imaging system comprising the imaging device according to any one of claims 1 to 6 and an image processing unit,
An imaging system in which the image processing unit obtains spectral information corresponding to various child filters from an output of an imaging element of an imaging device.
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