JP4935261B2 - 測光装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、被写体光を複数の色成分毎に分解して測光を行う光検出装置、測光装置、および、その測光装置を備えたカメラに関する。

従来より、複数の色フィルタが設けられた２次元イメージセンサを用いて被写体光を受光し、複数の色成分毎に測光および測色を行う測光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。２次元イメージセンサの各画素にはそれぞれ対応する色フィルタが設けられており、フィルタを透過する色成分のみが画素によって検出される。

特許第３３２１９３２号公報

しかしながら、従来の装置では、点光源などの小さな物体であって、センサ上に結像される物体像の大きさが画素の大きさ程度であった場合、その物体像がどの色フィルタが設けられた画素上に結像されるかによって、測光される物体の色が異なる偽色が発生してしまい、正しい測光値や測色値が得られないという問題があった。

請求項１の発明による測光装置は、同一色の色フィルタから成る帯状フィルタを所定の配色パターンで前記帯状フィルタの延在方向と直交する方向に配列させたストライプタイプのフィルタを有し、該フィルタを介して入射する光の信号を出力する受光素子を、各色毎に複数備えた測光用イメージセンサと、前記測光用イメージセンサに入射する光を回折し、異なる色フィルタに対応する波長の光が前記帯状フィルタの配列方向に分離され、かつ特定次数の回折光の回折効率が高くなるように設定されたブレーズド回折格子と、前記受光素子と同一色の色フィルタを備えた複数の受光素子からの出力信号に基づいて、前記信号に含まれる、前記特定次数の回折光とは異なる回折光成分により生ずるフレア成分を算出するフレア演算部と、前記信号から前記演算部により算出された前記フレア成分を減算する補正手段と、前記補正手段で補正された出力信号に基づいて、前記イメージセンサに入射する光に対する測光演算を行う測光演算部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の測光装置において、前記回折格子は、前記帯状フィルタの配列方向における間隔に応じた分光特性を有することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の測光装置において、前記イメージセンサ上における前記受光素子の配列間隔を、前記回折格子の分光特性に応じて設定することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の測光装置において、前記イメージセンサへ光を導く光学系に、前記回折格子を一体に設けたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の測光装置と、前記測光演算の演算結果に基づいて露出制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、イメージセンサに入射する光を回折する回折格子を設けたことにより、偽色の発生を抑制し、精度の高い測光測色演算が可能となる。また、補正手段の補正により、次数の異なる回折光成分による影響を低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による測光装置が組み込まれたカメラの一実施の形態を示す概略構成図である。不図示の被写体からの光は、撮影レンズ１を通過した後に、一部が反射ミラー２によって反射されてフォーカシングスクリーン３上に結像される。フォーカシングスクリーン３上に結像された被写体像は、ペンタプリズム４および接眼レンズ５を経て撮影者に観察される。

また、接眼光学系の光軸から外れた位置には測光素子８が設けられており、フォーカシングスクリーン３上の被写体像は、測光用再結像レンズ７により測光素子８上に再結像される。測光用再結像レンズ７の前方近傍には分光素子として回折格子６が配設されており、後述するように分光された被写体光が測光素子８上に結像される。

測光素子８には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサが用いられる。被写体の輝度分布は測光素子８により光電変換され、その情報はＣＰＵ等で構成される制御部１１に転送される。制御部１１は、測光素子８からの測光情報に基づいて最適な露光量を演算し、その演算結果に基づいてシャッタ９および絞り１２を制御して撮像素子１０による撮像を行わせる。撮像素子１０としては、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサや銀塩フィルムが用いられる。

図２は、測光素子８に用いられる２次元イメージセンサを模式的に示した図であり、矩形状の画素８１が縦６列横２４列のマトリクス状に並んでいる。各画素８１は、光電変換素子である受光素子と、オンチップフィルタとして形成された赤、緑、青の色フィルタとを備えている。本実施の形態では、同一種類の色フィルタが縦一列に設けられた、ストライプタイプのオンチップフィルタが用いられている。

左端の縦１列の各画素８１には青色の色フィルタ（以下ではＢフィルタと称する）が設けられており、その右側の縦一列の各画素８１には緑色の色フィルタ（以下ではＧフィルタと称する）が設けられており、さらに右側の縦一列の各画素８１には赤色の色フィルタ（以下ではＲフィルタと称する）が設けられている。このように、測光素子８には、図示左右方向にＢ，Ｇ，Ｒ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，…のようにＲ，Ｇ，Ｂフィルタが周期的に設けられている。

図３は、測光素子８の各画素８１の分光感度を示す図であり、縦軸は感度、横軸は波長である。Ｂ，Ｇ，Ｒで示す各曲線はＢフィルタ，Ｇフィルタ，Ｒフィルタが設けられた画素８１の感度を示しており、それぞれ波長450nm、550nm、650nmに感度のピークがある。ところで、図２の円８２で示すようにある程度の大きさを有する被写体像の場合には、その被写体像領域８２内にＢフィルタ，ＧフィルタおよびＲフィルタを有する画素８１が多数含まれる。そのため、被写体光に含まれるＢ光成分，Ｇ光成分およびＲ光成分のレベル検出を精度良く行うことができる。以下では、Ｂフィルタが設けられている画素８１をＢ画素８１Ｂと表し、同様に、Ｇフィルタが設けられている画素８１をＧ画素８１Ｇ、Ｒフィルタが設けられている画素８１をＲ画素８１Ｒと表すことにする。

一方、入射光束が円８３で示すような点光源の場合には、円８３内の光束はほとんどＲフィルタを有する１つの画素８１Ｒにしか入射しない。そのため、光源光が白色光であってもＲ光成分しか検出されず、赤色の光源であると誤って認識してしまう偽色が発生することになる。本実施の形態では、このような偽色の発生を防止するために、図１に示すように回折格子６を設けた。

《回折格子６の説明》
次に、回折格子６の作用について詳細に説明する。図１に示す実施形態では、回折格子６としてブレーズド回折格子を用いている。なお、回折格子６のブレーズドの角度は、測光に最も寄与する波長λｇ＝550nmで回折効率が高くなるように設定すれば良い。図４は、本実施の形態における回折格子６による回折を説明する図である。回折格子６の溝は、紙面に垂直な方向に形成されている。一方、測光素子８においても、Ｒ，Ｇ，Ｂフィルタの各ラインは紙面に垂直な方向に延在するように形成されており、図示上下方向にＢ，Ｇ，Ｒ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，…と各ラインが並んでいる。

光線Ｗｃはフォーカシングスクリーン３の中央部分から出射された光を示し、光線Ｗｕはフォーカシングスクリーン３の周辺部から出射された光を示している。回折格子６は、光線Ｗｃの入射角がα＝０となるように配置されている。各光線Ｗｃ，Ｗｕは、回折の式（１）に従ってそれぞれ回折される。式（１）において、αは入射角であり、βは回折角である。また、λは光の波長、ｄは回折格子６の溝間隔、ｍは回折の次数である。
ｄ・（sinα±sinβ）＝ｍλ …（１）

回折角βは波長λと入射角αに依存し、光線ＷｃおよびＷｕのＧ光成分Ｇｃ，Ｇｕ、Ｂ光成分Ｂｃ，Ｂｕ、Ｒ光成分Ｒｃ，Ｒｕは、図４に示すように回折される。測光素子８は、光線Ｗｃの回折光Ｂｃ，Ｇｃ，Ｒｃが撮像面左右方向の中央部分にほぼ垂直に入射するように配置されている。なお、レンズ７は、光軸と回折光Ｇｃとが同一となるように配設されている。

回折光Ｂｃ，Ｇｃ，Ｒｃのピーク波長λｂ，λｇ，λｒはそれぞれλｂ＝450nm、λｇ＝550nm、λｒ＝650nmであるため、対応する回折角βｂ，βｇ，βｒの間にはβｂ＜βｇ＜βｒなる関係が成立している。入射角α≠０であるＷｕの場合の回折光Ｂｕ，Ｇｕ，Ｒｕにも、同様の関係がある。本実施形態ではＲＧＢの画素のピーク波長が１００ｎｍの等間隔としたので、回折角もほぼ等間隔となり、画素の配置も等間隔としている。画素の間隔は、使用するＲＧＢフィルタの各ピーク波長の回折角に応じて最適に設定するのが望ましい。

図５は、溝間隔ｄの設定方法を説明する図である。ここでは、光線Ｗｃの回折光Ｇｃが中央部に設けられたＧ画素81Gに入射するように測光素子８を配置する。すなわち、回折光Ｇｃの回折角βｇはｄ・sinβｇ＝λｇが成り立っているので（ただし、ｍ＝１）、測光素子８の法線は回折格子６の法線に対して角度βｇだけ傾けて配置される。レンズ７の主点と結像位置までの距離はＬである。さらに、回折光Ｇｃは測光素子８の中央部に入射するので、測光素子８は、その中央部が光線Ｗｃの延長線上から図示下方にｘ１＝Ｌ・sinβｇ≒Ｌ・λｇ／ｄだけずらして配置される。なお、βは小さいのでsinβ≒tanβとした。同様に、Ｒ成分の回折光の入射位置はｘ２＝Lsinβｒ≒Ｌ・λｒ／ｄとなる。

Ｇ画素81GとＲ画素81Rとの画素間隔をＰとすると、Ｐ＝ｘ２−ｘ１≒Ｌ（λｒ−λｇ）／ｄとなる。従って、溝間隔ｄはｄ＝Ｌ（λｒ−λｇ）／Ｐとなる。画素81Gと画素81Bに関しても同様である。本実施形態ではλｒ−λｇとλｇ−λｂは同じなので画素間隔は等間隔でよい。

ところで、式（１）に示すように、回折角βは波長λだけでなく入射角αにも依存するので、Ｇ光成分に対するＲ光成分およびＢ光成分の分離角度は、測光素子８の中央付近と周辺部とでは異なることになる。本実施形態では画素の配列は等間隔としているが、より高精度に偽色を補正する場合には、入射角αに応じてＧ画素81Gに対するＲ画素81RおよびＢ画素81Bの間隔を設定するのが好ましい。なお、このような入射角αの影響を小さく抑えるためには、回折格子６に入射する光の角度がなるべく小さくなるように光学系を設計するのが好ましい。

このように、回折格子６を設けて、回折光Ｂｃ，Ｂｕを画素81Bに、回折光Ｇｃ，Ｇｕを画素81Gに、回折光Ｒｃ，Ｒｕを画素81Rに入射させるようにしたので、点光源のように画素程度の大きさの被写体であっても、偽色の発生を防止することができる。図２の円84B，84G，84Rは一つの点光源の回折光を示しており、回折光84GがＧ画素81Gに入射している場合、回折光84RはＲ画素81Rに入射し、回折光84BはＢ画素81Bに入射する。

図６は、点光源白色光を回折格子６を介して観察した場合の、ＢＧＲ各色ごとの結像状態を示したものである。縦軸は光の強度で横軸は回折角度を表している。ここでは、回折格子６は、波長λ＝550nmにおいて１次光に１００％の光が集まり、多の０次光や２次光の成分はほぼゼロとなるように設計されている。そのため、波長の異なるＲ光成分やＢ光成分に関しては、１次以外の次数の回折光の発生は全くゼロとはいえず、図６（ａ），（ｃ）に示すように若干生じてしまう。

また、Ｇ光成分に関しても、Ｇフィルタの感度が波長550nmを中心として幅を有しているため、図６（ｂ）に示すように０次光や２次光が若干発生することになる。０次光は波長による分散がないので線状になっている。一方、１次光や２次光は波長により回折角が異なるので、受光面上においてある程度の幅を有している。このような、０次光や２次光の発生がフレアの原因となり、像のコントラストを下げるという弊害が生じる。

《出力信号補正の説明》
図７は、０次光および２次光の影響の除去方法を説明する模式図である。ここではＧ光成分を例に説明する。Ｇ光成分G1〜G3は回折格子６で回折され、回折格子６からは図６の特性に応じて０次光、１次光、２次光が出射される。Ｇ光成分G2の１次光G2(1)は中央のＧ画素81Gに入射し、Ｇ光成分G1の１次光G1(1)は左側のＧ画素81G'に入射し、Ｇ光成分G3の各１次光G3(1)は右側のＧ画素81G''に入射する。その結果、中央の画素81Gから出力される信号には、一次光G2(1)の寄与だけでなく、０次光G1(0)および２次光G3(2)の寄与も含まれている。Ｇ光成分G1〜G3は被写体上の異なる部分から出射されたものなので、０次光G1(0)および２次光G3(2)はフレアの原因となる。

そこで、制御部１１に設けられた演算部１１０において、左側の画素81G'の出力信号S1から、中央の画素81Gの出力信号S2に含まれる２次光G3(2)の寄与分ΔS1を算出し、右側の画素81G''の出力信号S3から０次光G1(0)の寄与分ΔS3を算出する。そして、中央の画素81Gから出力された信号S2から寄与分ΔS1，ΔS3をそれぞれ差し引くことにより、出力信号S2の内の１次光S2(1)だけに関わる部分を求めることができる。

図８はＢＧＲの各１画素のスクリーン３上での感度分布を示す図であり、（ａ）はＢ光成分の感度分布、（ｂ）はＧ光成分の感度分布、（ｃ）はＲ光成分の感度分布である。回折格子の０次光、２次光の影響で３つの山の感度が生じている。同色の画素は所定の間隔を空けて配置されているので、画素と画素との間はその画素で検出される色の光に関して不感帯となっている。そのため、画素間にこのような感度のない領域が存在しないように、再結像レンズ７による結像位置を受光面の前後にずらすことにより、画素の実際の大きさよりも広い感度分布を持たせるようにしている。

例えば、点光源の像が、図２の左右方向に並んだ３つの画素81B，81G，81Rを含む程度の大きさになるようにする。そのため、図８（ａ）〜（ｃ）の各感度分布は、図６（ａ）〜（ｃ）の対応する分布に比べて左右方向に大きく広がっている。

なお、図８はスクリーン３上での感度分布を示したものであり、例えば、図８（ｂ）に示すＧ光成分の場合、中央の画素81Gに入射する０次光および２次光の影響を表している。０次光の感度分布Dg0および２次光の感度分布Dg2の影響について、図９を参照して説明する。図７に示した画素81G'、81G、81G''をスクリーン３上に投影すると、図９に示すように左側から画素81G''、81G、81G'の順に並んで見えることになる。

上述したように、Ｇ光成分G1はG1(0)，G1(1)，G1(2)のように分光され、０次光G1(0)は画素81Gに入射し、１次光G1(1)は画素81G'に入射する。一方、光線G3の２次光G3(2)は画素81Gに入射し、１次光G3(1)は画素81G''に入射する。そして、画素81Gにおける０次光G1(0)の影響は、右側の画素81G'に入射する１次光G1(1)の信号から算出でき、２次光G3(2)の影響は、左側の画素81G''に入射する１次光G3(1)の信号から算出できる。そのため、図８（ｂ）では、０次光G1(0)の感度分布Dg0を１次光G1(1)の位置に示し、２次光G3(2)の感度分布Dg2を１次光G3(1)の位置に示した。図８（ａ），（ｃ）のＢ光成分の感度分布Db0，Db1，Db2およびＲ光成分の感度分布Dr0，Dr1，Dr2についても同様である。

図７に示した例では、回折光G1(0)，G1(1)，G1(2)の分離幅がＧ画素81G''、81G、81G'の間隔と等しいとして、隣接の画素81G''、81G'の出力信号を用いて補正した。しかし、実際には、Ｂ、Ｇ，Ｒの全てに関して間隔と分離幅とは正確に一致しているわけではなく、また、図８に示したように焦点ずれにより感度分布も大きく広がっている。そのため、補正する場合には、回折光６の分光特性や測光素子８の画素配列に応じ、より離れた位置のＧ画素81Gの出力を用いたり、３つ以上の画素81Gの出力信号を用いたりする。

例えば、補正対象画素を含めて５つの画素の信号を用いて補正を行う場合、補正式は次式（２）〜（４）のように表される。式（２）〜（４）において、画素81B，81G，81Rからの出力をB[h，v]、G[h，v]、R[h，v]とし、補正後の値をBf[h，v]、Gf[h，v]、Rf[h，v]とする。また、Fb[i]，Fg[i]，Fr[i]は補正係数である。なお、h，v，iは画素の位置を表しており、０は補正対象となっている画素の位置で、±１はその画素の両隣の同色画素の位置を、±２はさらに外側の同色画素の位置を表している。

図１０は、補正係数Fb[i]，Fg[i]，Fr[i]の一例を示したものである。Ｂ光成分に関しては、両隣のＢ画素81Bの出力信号を用いて補正を行っており、補正後の出力Bf[h，v]は次式（５）のようになる。すなわち、両隣の画素81Bの出力値を0.1倍した出力値に相当する他次数（１次光以外の回折光）のＢ光成分が対象画素に入射しているので、その影響を除去するために0.1×B[h±1，i]を差し引いている。
Bf[h，v]＝−0.1×B[h−1，i]＋0.8×B[h，i]−0.1×B[h＋1，i] …（５）

Ｒ光成分の場合、より離れた位置（i＝±2）にあるＲ画素81Rの出力値を用いて補正している。また、Ｇ光成分の場合には、左右２つずつのＧ画素81Gの出力値を用いて補正を行っている。すなわち、位置（h，v）のＧ画素81Gに入射している他次数（１次光以外の回折光）のＧ光成分に関連する１次光は、位置（h＋1，v）のＧ画素81Gだけでなく位置（h＋２，v）のＧ画素81Gにも入射していることになる。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に示した感度分布に対する補正係数を図示したもので、上側がプラスで、下側がマイナスである。このような補正係数を用いて図８（ａ）〜（ｃ）の各感度分布を補正すると図１２（ａ）〜（ｃ）に示すような感度分布となり、２次光の影響はほぼ除去され、０次光に関しても低減される。

［変形例］
なお、上述した実施の形態では回折格子６を測光光学系に追加するような構成としたが、図１３に示す変形例のように、測光光学系を構成する光学素子に回折格子を一体に形成しても良い。図１３（ａ）は図１と同様の構成図であるが、ペンタプリズム４からの光束を直角プリズム６２を用いてカメラ上方に反射して、水平に配置された測光素子８に入射させるような構成としている。

図１３（ｂ）は、直角プリズム６２、レンズ７および測光素子８をカメラ前方から見た図である。直角プリズム６２の出射面には回折格子６と同様の回折格子６００が形成されており、上述した回折格子６と同様の光学的機能を有している。そのため、図１に示したカメラの場合と同様に、偽色の発生を防止することができる。

上述した実施の形態は、以下のような作用効果を奏する。
（１）複数色の色フィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のいずれかを有する受光素子を、各色毎に複数備えたイメージセンサ（測光素子８）と、イメージセンサ８に入射する光を回折する回折格子６とを備えたことにより、偽色の発生を抑制することができる。さらに、補正手段（演算部１１０）により、受光素子の出力信号を、受光素子に入射する次数の異なる回折光成分による影響を除去するように補正することで、フレアの影響を低減することができる。また、回折格子６をブレーズド回折格子とすることにより、次数の異なる回折光成分の発生を低減することができる。
（２）また、回折格子６００を光学系（直角プリズム６２）に一体に設けることにより、回折格子を設けたことによる光学系の大型化を防止できる。
（３）色フィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の配置間隔を、回折格子６の分光特性に応じて設定するこことにより、例えば、各色光が対応する色フィルタにより精度良く入射するように不等間隔に配置することで、偽色抑制の効果を向上させることができる。
（４）補正手段１１０で補正された出力信号に基づいて、イメージセンサ８に入射する光に対する測光演算を行う測光装置を備え、測光演算の演算結果に基づいて制御部１１により露出制御やホワイトバランス制御を行うことで、安定した濃度で色再現性に優れた画像を得ることが可能なカメラを提供することができる。

また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、ブレーズド回折格子以外の回折格子を用いても良い。また、本発明の測光装置は、カメラに限らず種々の撮影装置に適用することができる。

本発明による測光装置が組み込まれたカメラの一実施の形態を示す概略構成図である。 測光素子８に用いられる２次元イメージセンサの模式図である。 測光素子８の各画素８１の分光感度を示す図である。 本実施の形態における回折格子６による回折を説明する図である。 溝間隔ｄの設定方法を説明する図である。 点光源白色光を回折格子６を介して観察した場合の、ＢＧＲ各色ごとの結像状態を示す図である。 ０次光および２次光の影響の除去方法を説明する模式図である。 ＢＧＲの各１画素のスクリーン３上での感度分布を示す図であり、（ａ）はＢ光成分の感度分布、（ｂ）はＧ光成分の感度分布、（ｃ）はＲ光成分の感度分布である。 ０次光の感度分布Dg0および２次光の感度分布Dg2の影響を説明する図である。 補正係数Fb[i]，Fg[i]，Fr[i]の一例を示す図である。 補正係数を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は図８（ａ）〜（ｃ）の各感度分布に対する補正係数を示している。 補正後の感度分布を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は図８（ａ）〜（ｃ）の各感度分布に対応している。 変形例を示す図であり、（ａ）はカメラの構成を示す図、（ｂ）は直角プリズム６２、レンズ７および測光素子８をカメラ前方から見た図である。

符号の説明

１：撮影レンズ、３：フォーカシングスクリーン、４：ペンタプリズム、６，６００：回折格子、７：測光用再結像レンズ、８：測光素子、１０：撮像素子、１１：制御部、６２：直角プリズム、１１０：演算部

Claims (5)

1. 同一色の色フィルタから成る帯状フィルタを所定の配色パターンで前記帯状フィルタの延在方向と直交する方向に配列させたストライプタイプのフィルタを有し、該フィルタを介して入射する光の信号を出力する受光素子を、各色毎に複数備えた測光用イメージセンサと、
   前記測光用イメージセンサに入射する光を回折し、異なる色フィルタに対応する波長の光が前記帯状フィルタの配列方向に分離され、かつ特定次数の回折光の回折効率が高くなるように設定されたブレーズド回折格子と、
   前記受光素子と同一色の色フィルタを備えた複数の受光素子からの出力信号に基づいて、前記信号に含まれる、前記特定次数の回折光とは異なる回折光成分により生ずるフレア成分を算出するフレア演算部と、
   前記信号から前記演算部により算出された前記フレア成分を減算する補正手段と、
   前記補正手段で補正された出力信号に基づいて、前記イメージセンサに入射する光に対する測光演算を行う測光演算部と、
   を備えたことを特徴とする測光装置。
2. 請求項１に記載の測光装置において、
   前記回折格子は、前記帯状フィルタの配列方向における間隔に応じた分光特性を有することを特徴とする測光装置。
3. 請求項１に記載の測光装置において、
   前記イメージセンサ上における前記受光素子の配列間隔を、前記回折格子の分光特性に応じて設定することを特徴とする測光装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の測光装置において、
   前記イメージセンサへ光を導く光学系に、前記回折格子を一体に設けたことを特徴とする測光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の測光装置と、
   前記測光演算の演算結果に基づいて露出制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とするカメラ。
   

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