JP4985061B2 - 分光装置および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、分光装置、および、その分光装置を備えた撮像装置に関する。
デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の電子撮像装置では、より正確な色再現が行われるように、周囲の光や照明を吟味して画像に一定の色彩的な処理を行う必要がある。そのような装置において、従来のRGBカラー画像では十分に表現できない色情報を再現するために、マルチスペクトル画像を取得する装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−309747号公報
ところで、被写体に照射されている照明光源は一種類である場合も、複数種類である場合もあり、それらの照明光源を特定するためには、光が入射する方向と、その分光特性を知って、これらの個別の光源がどのようなものであるかを判断する必要がある。しかしながら、上述した従来の装置では、被写体方向からの光束により形成された撮像画像に基づきスペクトル画像を生成する構成であるため、種々の方向に存在する複数の光源からの光に関して、入射方向や分光特性を認識することができなかった。
請求項1の発明による分光装置は、1次元的または2次元的に配列された複数の第1レンズと、複数の第1レンズに対応して夫々、それの焦点面近傍に、設けられた複数の絞り開口と、複数の絞り開口の各々を通過した光束をそれぞれ分光する分光手段と、複数の受光素子を有し、分光手段により分光された光を受光する受光部とを備え、分光手段は、絞り開口を通過した光束を略平行光束とする、絞り開口毎に設けられた第2レンズと、第2レンズからの光を波長に応じて回折させ、回折させた光を波長に応じて異なる受光素子に入射させる回折光学素子とを備え、複数の第1レンズの各々とそれに対応する絞り開口との組合せは、第1レンズの光軸に対する絞り開口の相対的位置関係が互いに異なることを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の分光装置において、相対的位置関係は、絞り開口の位置の光軸からのずれ量またはずれ方向を含むことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の分光装置において、第1レンズは2次元配列に従って配置され、第1レンズの光軸に対する絞り開口のずれ量は、該第1レンズが2次元配列の中央から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の分光装置において、分光手段で回折された光の内、0次回折光が前記受光部に入射するのを阻止する遮光手段を備えたものである。
請求項5の発明は、1次元的または2次元的に配列された複数の第1レンズと、複数の第1レンズに対応して夫々、それの焦点面近傍に、設けられた複数の絞り開口と、複数の絞り開口の各々を通過した光束をそれぞれ分光する分光手段と、複数の受光素子を有し、分光手段により分光された光を受光する受光部とを備え、分光手段は、絞り開口を通過した光束を略平行光束とする、絞り開口毎に設けられた第2レンズと、第2レンズからの光を波長に応じて分光させ、分光させた光を波長に応じて異なる受光素子に入射させる分光プリズムとを備え、複数の第1レンズの各々とそれに対応する絞り開口との組合せは、第1レンズの光軸に対する絞り開口の相対的位置関係が互いに異なることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項5に記載の分光装置において、相対的位置関係は、絞り開口の位置の光軸からのずれ量またはずれ方向を含むことを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項6に記載の分光装置において、第1レンズは2次元配列に従って配置され、第1レンズの光軸に対する絞り開口のずれ量は、該第1レンズが2次元配列の中央から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項1、2、5および6のいずれか一項に記載の分光装置において、分光手段と受光部との間に設けられて、分光手段と受光部とを所定間隔に維持するとともに受光素子に不要光が入射するのを阻止する部材を備えることを特徴とする。
請求項9の発明による撮像装置は、請求項1〜8のいずれか一項に記載の分光装置と、結像光学系で結像された像を撮像する撮像手段と、分光装置の分光結果から照明条件を求め、撮像手段により撮像された画像に対して照明条件に応じた色変換処理をする画像処理手段とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、多方向からの光を、別々にかつ同時に分光測定することができる。
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、本発明による分光装置が搭載されたデジタルカメラのブロック図である。図1に示したデジタルカメラは、撮影レンズ1と、撮像素子2と、A/D変換器3と、メモリ4と、画像処理回路5と、外部記憶媒体6と、コントロール回路7と、CPU8と、分光装置9とを備えている。CPU8には、AWB演算部10が設けられている。メモリカード等による外部記憶媒体6は、デジタルカメラに対して着脱可能に設けられている。
撮像素子2は2次元型の撮像デバイスであり、このような撮像デバイスにはCCD型、MOS型など様々な形態がある。撮影レンズ1を通過した被写体光は、撮像素子2の撮像面上に結像される。撮像素子2の撮像面上に被写体像が結像されると、被写体像の光の強弱に応じて画素毎に信号電荷が蓄積される。撮像素子2は、コントロール回路7からのシャッターゲートパルスによって、各画素に蓄積される電荷の蓄積時間(シャッタースピード)が制御される。これは、電子シャッターと呼ばれる機能である。
撮像素子2の各画素に蓄積された信号電荷は映像出力信号として順次読み出され、A/D変換器3によってデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された映像信号は、画像データとして一旦メモリ4に格納される。画像処理回路5は、γ補正回路や輝度信号生成回路や色差信号生成回路やデータ圧縮解凍回路などの信号処理回路を備えている。画像処理回路5はメモリ4から画像データを読み込んで各種信号処理を行った後に、所定の形式(例えば、JPEG形式)の画像データに変換し、その画像データをメモリ4または外部記憶媒体6に記憶させる。
CPU8はコントロール回路7や分光装置9やメモリ4などと接続され、所定のアルゴリズムに従って露出値やフォーカス状態等の各種演算を行うとともに、AE(自動露出)やAF(オートフォーカス)の制御やAWB(オートホワイトバランス)演算部10等の制御を総括的に管理している。AWB演算部10では、分光装置9による分光測定結果に基づいて照明条件を算出し、算出された照明条件に応じたホワイトバランス調整用のRゲインおよびBゲインを設定する。ホワイトバランス調整用のRゲインおよびBゲインは、照明条件(太陽光、白色電球、蛍光灯など)に応じて予めCPU8内に格納されている。
撮像素子2の各光電変換素子には色フィルタ(例えば、R,G,Bフィルタ)が所定の配列で形成されており、各光電変換素子からはR信号,G信号,B信号が出力される。画像処理回路5では、これらR,G,Bの各信号の内のR信号およびB信号に対して、上述したホワイトバランス調整用のRゲインとBゲインとがそれぞれかけ合わされる。その結果、最適なホワイトバランスの撮像信号(R信号、G信号、B信号)が得られる。その後、ホワイトバランス調整されたR信号,G信号およびB信号に対してガンマ補正処理が施される。さらに、ガンマ補正処理されたR信号,G信号およびB信号は、輝度信号(Y信号)および色差信号(Cr,Cb信号)に変換される。
[分光装置9の説明]
図2は分光装置9の概略構成を示す図である。分光装置9には、観察される光の入射側(図示上側)から順に第1レンズアレイ91,絞り92,第2レンズアレイ93,回折格子94,第3レンズアレイ95および受光部96が設けられている。以下では、第1レンズアレイ91から順に、それらの構造および機能について説明する。
第1レンズアレイ91には、複数のマイクロレンズ910が二次元的(図3参照)に形成されている。第1レンズアレイ91の裏面側は平面になっており、絞り92は第1レンズアレイ91の裏面に一体に形成されている。絞り92は、遮光部材に複数の微小な開口920を形成したものである。絞り92の各開口920は、第1レンズアレイ91の各マイクロレンズ910に対応して設けられており、それぞれマイクロレンズ910の焦点面上に形成されている。なお、図2では図示を省略したが、絞り92が形成された第1レンズアレイ91と第2レンズアレイ93との間には、それらの間隔を所定量に保つスペーサが設けられている。
図3はマイクロレンズ910および開口920の配列を示す図であり、絞り92が形成された第1レンズアレイ91を光入射方向から見た場合の平面図である。マイクロレンズ910も開口920も、格子状に配列されている。第1レンズアレイ91の中央に形成されたマイクロレンズ910Cに対応する開口920Cを除いて、各開口920は、マイクロレンズ910の焦点面上において、対応するマイクロレンズ910の光軸911から所定方向に所定量だけずれた位置に設けられている。図3に示す例では、各開口920は第1レンズアレイ91の中央方向にずれており、そのずれの量(以下では偏芯量と呼ぶ)は、中央から遠ざかるほど大きく設定されている。
図2に示す3つのマイクロレンズ910は、図4の中央のマイクロレンズ910Cとその左右に設けられたマイクロレンズ910A,910Bとを示したものである。開口920Cの場合と同様に、マイクロレンズ910A,910Bに対応する開口920を920A,920Cと表すことにする。上述したように、絞り92の各開口920はマイクロレンズ910の焦点面上に形成されているので、第1レンズアレイ91の各マイクロレンズ910に入射した光は、絞り91の平面上に結像する。
中央の開口920Cはマイクロレンズ910Cの光軸上に設けられているので、開口920C上には、矢印Cで示すようにマイクロレンズ910Cの光軸に平行に入射する光束が結像することになる。一方、開口920Aの場合にはマイクロレンズ910Aの光軸よりも右側にずらして設けられているため、開口920A上には、光軸に対してθaだけ左側に傾いたA方向からの光束が結像する。逆に、開口920Bの場合にはマイクロレンズ910Bの光軸よりも左側にずらして設けられているため、光軸に対してθbだけ右側に傾いたB方向からの光束が結像する。
図3に示すように、中央から遠ざかるほど開口920の偏芯量は大きくなっているので、中央から遠い開口920ほど、光軸からより大きく傾いた方向からの光束が結像されることになる。図4は光束A,B,Cの方向を立体的に示したものであり、図3のマイクロレンズ910A,910B,910Cは、第1レンズアレイ91上の直線L1に沿って設けられている。点Pは、光束A,B,Cの軸と半球Sとの交点を示している。図3に示す例では、偏芯量およびずれ方向の異なる49個の開口920が形成されているので、図4の半球S上には49個の点Pが描かれることになる。すなわち、各開口920を対応するマイクロレンズ910の光軸からずらして配置することで、入射角度がそれぞれ異なる光束を別々の開口920上に結像させることができる。
なお、本実施の形態では、上述したように開口920はマイクロレンズ910の焦点面上に形成されているとしたが、開口920の位置を焦点面の前後に多少ずらしてもかまわない。例えば、図5に示すように開口920の位置を焦点面の前側(図示上側)にずらした場合、破線で示すような所定立体角内からの光線が開口920に入射することになる。その結果、図4の斜線で示すような範囲の光束を一つのマイクロレンズ910で捉えることが可能となり、より広範囲の光束を観察することができる。なお、焦点面からのずらし量は偏芯量とマイクロレンズ910の焦点距離との関係から決定される。
絞り92の下方には、第2レンズアレイ93、回折格子94および第3レンズアレイ95が一体に設けられている。これらは、裏面が平面である第2レンズアレイ93と第3レンズアレイ95との裏面同士を、回折格子94を挟んで接合したものである。回折格子94には、透過型回折格子が用いられている。
図6は開口920,マイクロレンズ930およびマイクロレンズ950の配置を示す図であり、絞り92、第2レンズアレイ93および第3レンズアレイ95を第1レンズアレイ91側から見た平面図である。第2レンズアレイ93には複数のマイクロレンズ930が形成されており、図2に示すように各マイクロレンズ930は対応する開口920と上下方向に重なるように同一配列で配置されている。各マイクロレンズ930の光軸は対応する開口920の光軸と一致し、さらに、開口920はマイクロレンズ930の焦点位置に設けられている。そのため、各開口920からの光は、第2レンズアレイ93の各マイクロレンズ930によって平行光束とされる。
マイクロレンズ930で平行光束とされた光は回折格子94へ入射し、回折格子94により回折される。回折された光は、その光の波長に応じた回折角度で図2の下方に出射され、第3レンズアレイ95のマイクロレンズ950に入射する。本実施の形態では一次回折光を測定に用いているので、斜め左下方向に出射される一次回折光が第3レンズアレイ95の各マイクロレンズ950に入射するように、各マイクロレンズ950はマイクロレンズ930に対して図示左側にずらして配置されている。
回折格子94で回折された光は、マイクロレンズ950により受光部96の受光素子960上に結像される。受光部96の受光面と上述した絞り92とは光学的に共役な関係にあり、開口920の像が受光素子960上に結像されることになる。なお、このような位置関係となるように、第3レンズアレイ95と受光部96との間にも間隔を所定値に保つスペーサ(不図示)が設けられている。回折光の回折角度は波長によって異なるので、波長λ1の一次回折光は受光素子960aに結像され、波長λ2の一次回折光は別の受光素子960bに結像される。
図6に示す太線SPは、受光部96上に投影される一次回折光のスペクトルを示している。このように、複数の受光素子960上にスペクトルSPが投影される。一つの太線SPに関して、光の波長と受光素子960の出力との関係を求めることで、一つのマイクロレンズ910を介して観察される所定方向の光束の分光曲線が得られる。すなわち、その方向からどのような波長の光が来ているかを知ることができる。
上述したようにマイクロレンズ910は49個有るので、49方向からの光のスペクトルがそれぞれ得られる。図7はそれらの総和から得られる分光曲線の例を示したものである。波長λ11と波長λ12において高いピークが見られるように、この分光曲線からどのような光源が存在するかを、すなわち照明条件を認識することができる。
図8は上述した分光装置9の第1の変形例を示す図である。図2に示す分光装置9では、回折格子94から直進するように出射される0次光が、第3レンズアレイ95の非レンズ部951を通って受光部96に入射する。その結果、受光素子960の出力に0次光の分も含まれ、分光測定に影響する。また、第2レンズアレイ93の非レンズ部931に入射する光も不要光として分光測定に影響を与える。
そこで、図8に示す分光装置では、光吸収部材932,952を非レンズ部931,951に設けた。光吸収部材932,952には、黒クロム等が用いられる。すなわち、黒クロムを非レンズ部931,951の表面に蒸着させれば良い。光吸収部材932,952を形成することにより不要光の影響を低減し、分光精度を向上させることができる。なお、光吸収部材932,952を設けるとともに、図6に示すように、マイクロレンズ950とマイクロレンズ930とが上下方向に重ならないように回折角度を設定することにより、0次光がマイクロレンズ950に入射するのを防止することができる。
また、図9(a),(b)は分光装置9の第2の変形例である。前述したように、図2に示した分光装置9では、開口920がマイクロレンズ930の焦点位置となるように、第1レンズアレイ91および絞り92が形成された光学部材と第2レンズアレイ93,回折格子94および第3レンズアレイ95が形成された光学部材とを所定間隔に保つスペーサが設けられている。同様に、第3レンズアレイ95が形成された光学部材と受光部96との間にも間隔を所定値に保つスペーサが設けられている。
そこで、図9(a)に示す分光装置では、上述したスペーサと不要光を防止する部材とを兼ねる隔壁100,101をそれらのスペーサの代わりに設けた。絞り92と第2レンズアレイ93との間に設けられた隔壁100には、対になった開口920とマイクロレンズ930とを囲む円筒空間100aがそれぞれ形成されている。そのため、マイクロレンズ930には、開口920からの光のみが入射し、不要光の入射が防止される。また、第3レンズアレイ95と受光部96との間に設けられた隔壁101の場合には、マイクロレンズ950の周囲と、マイクロレンズ950からの光が入射する複数の受光素子とを囲むように円筒空間101aが形成されている。
一方、図9(b)に示す分光装置の場合、上述した隔壁101の代わりに隔壁102を設けた。隔壁102の円筒空間102aの形状は、図8(a)の円筒空間101aと異なっている。一次回折光は回折格子94から左斜め下方向に出射されるので、円筒空間102aの軸方向がその分光方向に一致するように、円筒空間102aは場合には斜めに傾いた円筒空間とした。それによって、回折光の投影領域が円筒空間102aによって妨げられないようにした。
上述した透過型の回折格子94としては、例えば、必要な一次回折光の角度から格子間隔を決定した通常の遮光型もしくは位相型直線格子タイプを用いることができる。その場合、エシャロン型の回折格子のように、必要な次数の回折光を効率良く回折するタイプのものが好ましい。それにより、計測に用いない回折光が受光素子960に入射するのを防止することができ、分光精度の向上が図れる。
また、通常の回折格子に代えて、厚みを有する位相変化型のホログラムを用いて分光を行っても良い。特に、体積型のホログラムの場合には0次光を理論的にゼロとすることができ、また、不要な多次回折光も抑制することができる。その結果、光の利用効率を高めることができ、より暗い光でも分光計測が可能となる。さらに、ホログラムを用いる場合、ホログラムに分光機能と第3レンズアレイ95の機能とを併せ持たせることができる。図10は、そのようなホログラム110を用いた場合の分光装置9の構成を示したものである。回折光は、ホログラム110によって受光素子960上に結像される。
また、回折格子94の代わりに、図11に示すようにプリズムアレイ97を用いても構わない。プリズムアレイ97に形成された複数のマイクロプリズム970は、第2レンズアレイ93の各マイクロレンズ930の光軸上に設けられている。プリズムアレイ97を用いる構成においては、第1レンズアレイ91,絞り92および第2レンズアレイ93が一体の光学部材として形成されている。また、それとは別に、プリズムアレイ97と第3レンズアレイ95とが、一体の光学部材として形成されている。
そして、第1レンズアレイ91,絞り92および第2レンズアレイ93から成る光学部材とプリズムアレイ97および第3レンズアレイ95から成る光学部材とが、不図示のスペーサによって所定間隔に保たれている。各マイクロレンズ930からの光は、それぞれマイクロプリズム970により波長に応じて分散される。その分散された光は、第3レンズアレイ95のマイクロレンズ950によって受光素子960上に結像する。
なお、上述した実施の形態では、絞り92の開口920を円形として説明したが、開口920の像が結像される受光素子960の形状に合わせるように開口920の形状を設定するようにしても良い。例えば、分光方向(図示左右方向)に垂直な方向(紙面に垂直な方向)に長い長方形としても良いし、同様に、垂直な方向に長い長円や楕円としても良い。また、円形の開口920に対して、第3レンズアレイ95のマイクロレンズ950を球面レンズではなく円筒もしくはトーリックレンズとすることで、開口像が分光方向と垂直方向に長くなるようにしても良い。
上述したように、本実施の形態における分光装置9では、多方向からの光を別々にかつ同時に分光測定することができる。そして、その分光計測結果を用いてAWB演算部10によりホワイトバランス処理を行うことにより、照明条件を適切に考慮された撮影画像を得ることができる。また、受光部6として、従来から有るモノクロのCCDセンサやCMOSセンサ等を用いることができ、低コストで小型の分光装置を提供することができる。そのため、カメラやビデオカメラなどのように静止画や動画を撮像する装置や、その他の光計測装置に容易に搭載することができる。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い。
本発明による分光装置が搭載されたデジタルカメラのブロック図である。 分光装置9の概略構成を示す図である。 レンズ910および開口920の配列を示す図である。 光束A,B,Cの方向を立体的に示したものである。 開口920の位置を焦点面の前側にずらした場合の光線を説明する図である。 開口920,レンズ930およびレンズ950の配置を示す図である。 分光曲線の一例を示す図である。 分光装置9の第1の変形例を示す図である。 分光装置9の第2の変形例を示す図であり、(a)には隔壁100,101が設けられ、(b)には隔壁100,102が設けられている。 ホログラム110を用いた場合の分光装置9の構成を示す図である。 プリズムアレイ97を用いた場合の分光装置9の構成を示す図である。
符号の説明
1:撮影レンズ1、2:撮像素子、3:A/D変換器、4:メモリ、5:画像処理回路、6:外部記憶媒体、7:コントロール回路、8:CPU、9:分光装置、10:AWB演算部、91:第1レンズアレイ、92:絞り、93:第2レンズアレイ、94:回折格子、95:第3レンズアレイ、96:受光部、100〜102:隔壁、101a,102a:円筒空間、910,910A〜910C,930,950:マイクロレンズ、920,920A〜920C:開口、932,952:光吸収部材、960:受光素子

Claims (9)

  1. 1次元的または2次元的に配列された複数の第1レンズと、
    前記複数の第1レンズに対応して夫々、それの焦点面近傍に、設けられた複数の絞り開口と、
    前記複数の絞り開口の各々を通過した光束をそれぞれ分光する分光手段と、
    複数の受光素子を有し、前記分光手段により分光された光を受光する受光部とを備え、
    前記分光手段は、前記絞り開口を通過した光束を略平行光束とする、前記絞り開口毎に設けられた第2レンズと、前記第2レンズからの光を波長に応じて回折させ、回折させた光を波長に応じて異なる前記受光素子に入射させる回折光学素子とを備え、
    前記複数の第1レンズの各々とそれに対応する前記絞り開口との組合せは、前記第1レンズの光軸に対する前記絞り開口の相対的位置関係が互いに異なることを特徴とする分光装置。
  2. 請求項1に記載の分光装置において、
    前記相対的位置関係は、前記絞り開口の位置の前記光軸からのずれ量またはずれ方向を含むことを特徴とする分光装置。
  3. 請求項2に記載の分光装置において、
    前記第1レンズは2次元配列に従って配置され、
    前記第1レンズの前記光軸に対する前記絞り開口の前記ずれ量は、該第1レンズが前記2次元配列の中央から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする分光装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の分光装置において、
    前記分光手段で回折された光の内、0次回折光が前記受光部に入射するのを阻止する遮光手段を備えることを特徴とする分光装置。
  5. 1次元的または2次元的に配列された複数の第1レンズと、
    前記複数の第1レンズに対応して夫々、それの焦点面近傍に、設けられた複数の絞り開口と、
    前記複数の絞り開口の各々を通過した光束をそれぞれ分光する分光手段と、
    複数の受光素子を有し、前記分光手段により分光された光を受光する受光部とを備え、
    前記分光手段は、前記絞り開口を通過した光束を略平行光束とする、前記絞り開口毎に設けられた第2レンズと、前記第2レンズからの光を波長に応じて分光させ、分光させた光を波長に応じて異なる前記受光素子に入射させる分光プリズムとを備え、
    前記複数の第1レンズの各々とそれに対応する前記絞り開口との組合せは、前記第1レンズの光軸に対する前記絞り開口の相対的位置関係が互いに異なることを特徴とする分光装置。
  6. 請求項5に記載の分光装置において、
    前記相対的位置関係は、前記絞り開口の位置の前記光軸からのずれ量またはずれ方向を含むことを特徴とする分光装置。
  7. 請求項6に記載の分光装置において、
    前記第1レンズは2次元配列に従って配置され、
    前記第1レンズの前記光軸に対する前記絞り開口の前記ずれ量は、該第1レンズが前記2次元配列の中央から遠ざかるほど大きくなることを特徴とする分光装置。
  8. 請求項1、2、5および6のいずれか一項に記載の分光装置において、
    前記分光手段と前記受光部との間に設けられて、前記分光手段と前記受光部とを所定間隔に維持するとともに前記受光素子に不要光が入射するのを阻止する部材を備えることを特徴とする分光装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の分光装置と、
    結像光学系で結像された像を撮像する撮像手段と、
    前記分光装置の分光結果から照明条件を求め、前記撮像手段により撮像された画像に対して前記照明条件に応じた色変換処理をする画像処理手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
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