JP5259381B2 - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents
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Description
そのため、撮像装置には、人間の目にあわせるために、一般的に赤外および近赤外領域の光線をカットする赤外線カットフィルタ(IRCF:Infrared Ray Cut Filter)を備える必要がある。
しかし、夜間など薄暗い場所で撮影を行う場合、近赤外領域および赤外領域が固体撮像素子の感度の強い領域であるため赤外線カットフィルタを外す必要がある。
そのため、一般的な撮像装置では、赤外線カットフィルタを着脱する機構を設ける必要があり、小型化、コスト面で問題を抱えていた。
このような問題から市場では、赤外線除去フィルタを光路上から抜き差しする切り替え機構を必要とせずに、夜間等の暗時での高感度撮影を可能とし、人間の視感度特性に合致するように昼間等の明時での色再現性を向上させることができる撮像装置が要求されている。
上記のように赤外線除去フィルタを着脱する機構を有しない技術として、たとえば赤外線除去フィルタを設けない手法が知られている。
しかし、赤外線除去フィルタを設けないと、夜間等の暗部での高感度撮影は可能であるが、昼間等の明時では、十分な色再現を行うことができないという問題点がある。
この撮像装置は、赤外線カットフィルタの代わりに、可視領域における長波長領域を減衰させ、かつ、赤外領域を通すフィルタを設けることにより、赤外線カットフィルタを着脱する機構を設けることなく高感度で良好な色再現を得ている。
撮像素子12は、カラーフィルタ群13の各カラーフィルタを透過した光に対応する色信号を生成して、たとえば生成したアナログの色信号をデジタルの色信号に変換して色処理部14に出力する。
カラーフィルタ群13は、可視領域において、少なくとも4色以上のカラーフィルタを有する。
本実施形態では、カラーフィルタ群13が、4色のカラーフィルタを有する場合を例に説明する。
そして、本実施形態では、撮像素子12の画素配列として、図2に示すような、2×2のマトリクス配列された4つの画素PXLを、一組の単位画素UPXLとした場合を例に説明する。
以下に、4色のカラーフィルタにより形成される単位フィルタUFLTの構成例を示す。
具体的には、単位フィルタUFLT1は、補色となるシアン(Cyan:Cy)フィルタCFLT、マゼンダ(Magenda:Mg)フィルタMFLT、イエロー(Yellow:Ye)フィルタYFLTを有する。
そして、単位フィルタUFLT1は、色の三原色となるレッド(赤、R)、グリーン(緑、G)、ブルー(青、B)うちの1色で形成される原色フィルタPCFLTにより形成される。
具体的には、単位フィルタUFLT2は、色の三原色であるレッド(赤、R)フィルタRFLT、グリーン(緑、G)フィルタGFLT、ブルー(青、B)フィルタBFLTを有する。
そして、単位フィルタUFLT2の残りの1色は、補色となるシアン(Cy)、マゼンダ(Mg)、イエロー(Ye)のうちの1色で形成される補色フィルタCCFLTにより形成される。
たとえば色処理部14は、第1の色の成分CC1と第2の色の成分CC2の差分(CC1−CC2あるいはCC2−CC1)または比率(CC1/CC2あるいはCC2/CC1)により、近赤外領域および赤外領域の入射光量(入射赤外量)を求める。
そして、色処理部14は、視感度領域もしくは可視領域において、第1の色の色信号と第2の色の色信号の値が略一致するようにゲインを調整する機能を有する。
本実施形態の撮像装置10は、上記したとおりゲイン調整された信号において、視感度領域外、もしくは可視領域外の信号を含むことで、算出される信号と単画素のフィルタを透過した出力値は異なる。
第2の色は、図3の単位フィルタUFLT1を用いた場合、シアンフィルタCFLT、マゼンダフィルタMFLT、イエローYFLTを透過した色信号のうち少なくとも2つの色信号を合成して形成される。
また、第2の色は、図4の単位フィルタUFLT2を用いた場合、レッドフィルタRFLT、グリーンフィルタGFLT、ブルーフィルタBFLTを透過した色信号のうち少なくとも2つの色信号を合成して形成される。
メモリ141は、色信号によって算出された赤外量に対応した色補正係数を記憶する。メモリ141は、この色補正係数を画像処理部143に供給する。
赤外光量推定部142は、第1の色の成分と第2の色の成分の差分または比率により、近赤外領域および赤外領域の入射光量を推定する。
赤外光量推定部142は、推定処理において、適正な色再現を実現するための赤外光量(補正量)を算出し、その結果を画像処理部143に出力する。
色処理部14は、赤外光量推定部142において、たとえば比較した信号の差が大きければ大きいほど、赤外線の量が多いと判断し、逆に差が小さければ、赤外線は影響があるほどには含まれていないと判断する。
色処理部14は、赤外光量推定部142の赤外光量の推定結果を、画像処理部143の画像の色補正処理系にフィードバックする。
推定された赤外光量を基に色補正へフィードバックをかけて、色再現性を向上させる。
図6は、例として原色のカラーフィルタ(レッド、ブルー、グリーン)を装着した固体撮像素子の分光感度特性を示す図である。
図5中、Aで示す曲線がシアンフィルタCFLTの分光感度特性を、Bで示す曲線がグリーンフィルタGFLTの分光感度特性を、Cで示す曲線がイエローフィルタYFLTの分光感度特性を、Dで示す曲線がマゼンダフィルタMFLTの分光感度特性をそれぞれ示している。
図6中、Aで示す曲線がレッドフィルタRFLTの分光感度特性を、Bで示す曲線がグリーンフィルタGFLTの分光感度特性を、Cで示す曲線がブルーフィルタBFLTの分光感度特性をそれぞれ示している。
図7中、Aで示す曲線がレッドフィルタRFLTの分光透過率特性を、Bで示す曲線がグリーンフィルタGFLTの分光透過率特性を、Cで示す曲線がブルーフィルタBFLTの分光透過率特性を、Dで示す曲線がIRCFの分光透過率特性をそれぞれ示している。
赤外線カットフィルタIRCFは、略700nm以上の波長領域で遮断効果を十分に発現する。
A光源は色温度2850度K前後で、家庭用の電球とほぼ同等の光であり、C光源は色温度6740度K前後で昼光に近い光である。また、D65光源は6500度K前後で、C光源よりもさらに自然光に近い光である。
図8中、Xで示す曲線がA光源の分光分布特性を、Yで示す曲線がD65光源の分光分布特性を、Zで示す曲線がC光源の分光分布特性をそれぞれ示している。
図9中、Aで示す曲線が自然の葉の反射率特性を、Bで示す曲線が人工の草の反射率特性をそれぞれ示している。
図9から、自然の葉が、人工の草より赤外光を反射していることが分かる。
図10中、Aで示す曲線が自然の葉の反射率特性を、Bで示す曲線が人工の草の反射率特性をそれぞれ示している。
図10に示すように、赤外線カットフィルタIRCFにより赤外成分がカットされているため、自然の葉も人工の草も同じ緑として写る。
これは、人間の視感度領域内で色が表現されているためである。
図11中、Aで示す曲線が自然の葉の反射率特性を、Bで示す曲線が人工の草の反射率特性をそれぞれ示している。
図11は、赤外線カットフィルタIRCFがないために、人間の視感度領域外となる赤外の反射まで撮像素子が受光していることを示す。
そのため、赤外線カットフィルタIRCFが無いと、人工の葉(草)と自然の葉では異なった色として出力されてしまう。
当然ながら、人間には、この赤外領域に感度を持たないために、両者は同じ色として写る。
図12(A)はA光源の光を通したときの分光特性を、図12(B)はD65光源の光を通したときの分光特性を、図12(C)はC光源の光を通したときの分光特性をそれぞれ示している。
図12(A)〜(C)に示すように、光源毎に赤外線を含む量が異なるが、赤外線カットフィルタIRCFによって、カットされているため、常に人間の見た目と同じようにして見ることができる。
図13(A)はA光源の光を通したときの分光特性を、図13(B)はD65光源の光を通したときの分光特性を、図13(C)はC光源の光を通したときの分光特性をそれぞれ示している。
図13(A)〜(C)に示すように、光源毎に赤外線を含む量が異なるため、光源によって、人工の葉と自然の葉が大分異なってくる。
図にある通り、色温度が低ければ、それだけ赤外線量が増えてくる傾向にある。色温度が高い、たとえば図13(B)、(C)のような環境下であれば問題がないが、色温度が低い、たとえば図13(A)のような環境下では、色味が変わってきてしまう。
ただし、Gはグリーン、Rはレッド、Bはブルー、Cyはシアン、Mgはマゼンダ、Yeはイエローを表している。
R=(Ye+Mg−Cy)/2 ・・・(2)
B=(Mg+Cy−Ye)/2 ・・・(3)
図14中、Aで示す曲線が第1の色としてのグリーンの感度特性を、Bで示す曲線が第2の色としてのグリーンの感度特性をそれぞれ示している。
すなわち、図15は、図14に対して、可視領域内で等しくなるようにゲインを調整した両者の比較を示す。
図15中、Aで示す曲線が第1の色としてのグリーンの感度特性を、Bで示す曲線が第2の色としてのグリーンの感度特性をそれぞれ示している。
ここから分かるのは、光源と物体の反射特性によって仮に人間の視感度領域に分光特性が収まった場合には、補色から算出されたグリーンとグリーンのカラーフィルタを透過したグリーンは同一の信号とならなければならない。
上記分光特性が赤外線を含む場合は、この算出されたグリーンと透過したグリーンの間に差があるため出力値が異なってくる。
差が大きければ大きいほど、赤外線を多く含んでいる事を意味する。信号の差分によって赤外線がどの程度、現状含まれているかを推定して、色補正を行う。
色補正を行う理由は、赤外線カットフィルタIRCFを含まないと視感度領域から外れた光を撮像素子が受光してしまうため、色がおかしくなってくるからである。
図16は、カラーフィルタ群を通して固体撮像素子に光が到達してから補正までのフローチャートを示す図である。
撮像装置10は、たとえば図3のカラーフィルタ群を採用している場合には、シアンフィルタCFLT、マゼンダフィルタMFLT、イエローフィルタYFLT、グリーンフィルタGFLT(補色フィルタCCFLT)によって分光され、各画素による色信号がデジタル信号として色処理部14に供給される(ST0、ST1)。
色処理部14の赤外光量推定部142において、補色フィルタであるシアンフィルタCFLT、マゼンダフィルタMFLT、イエローフィルタYFLTを透過して得られた色信号からRGB成分が算出される(ST2)。本例では、補色によって第2の色としてのグリーン信号が形成される。
また、赤外光量推定部142において、グリーンフィルタGFLTを透過したグリーン成分が第1の色として得られる(ST3)。
赤外光量推定部142においては、補色フィルタのうち、シアン(Cy)、マゼンダ(Mg)、イエロー(Ye)の色信号から算出されるグリーン成分(第2の色成分)とグリーンフィルタGFLTを透過したグリーン成分(第1の色成分)を比較することで、入射した光の赤外光量が推定される。
そして、画像処理部143において、推定された赤外光量を基にRGBの色補正が行われ(ST5)、補正画像が後段の信号処理系等に出力される(ST6)。
色処理部14は、赤外光量推定部142において、たとえば比較した信号の差が大きければ大きいほど、赤外線の量が多いと判断し、逆に差が小さければ、赤外線は影響があるほどには含まれていないと判断する。
色処理部14は、赤外光量推定部142の赤外光量の推定結果を、画像処理部143の画像の色補正にフィードバックする。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
複数の色を有するカラーフィルタにおいて、少なくとも1色を他の色から合成して表現できる色とする。この色において、単画素を透過した色信号と、複数の画素から算出される色信号を比較して求めた赤外光量を用いていることにより、赤外線カットフィルタを設けることなく、高感度で良好な色再現が可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、赤外線カットフィルタを光路上から抜き差しする切り替え機構を必要とせずに、夜間等の暗時での高感度撮影を可能とし、人間の視感度特性に合致するように、より正確な補正量を推定することができ、ひいては昼間等の明時での色再現性を向上することができる。
また、このようなプログラムは、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、フロッピー(登録商標)ディスク等の記録媒体、この記録媒体をセットしたコンピュータによりアクセスし上記プログラムを実行するように構成可能である。
Claims (4)
- 複数の色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ群と、
前記各カラーフィルタを透過した光に対応する色信号を出力する撮像素子と、
前記色信号を処理する色処理部と、を有し、
前記カラーフィルタは、
第1の色を含み、
前記色処理部は、
前記第1の色のカラーフィルタとは異なるカラーフィルタを透過した複数の色信号を合成して前記第1の色と可視領域において同等の分光感度特性を有する第2の色の色信号を取得し、可視領域において、前記第1の色の色信号と前記第2の色の色信号の値が略一致するようにゲインを調整し、前記第1の色の成分と前記第2の色の成分の差分または比率により、近赤外領域および赤外領域の入射光量を求める
撮像装置。 - 前記カラーフィルタ群は、
シアン、マゼンダ、イエローのカラーフィルタを含み、
前記第1の色のカラーフィルタがレッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタのいずれかである
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記カラーフィルタ群は、
レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタを含み、
前記第1の色のカラーフィルタがシアン、マゼンダ、イエローのカラーフィルタのいずれかである
請求項1に記載の撮像装置。 - 第1の色のカラーフィルタと当該第1の色のカラーフィルタと異なるカラーフィルタを透過した光を撮像素子で受光して当該光に対応する色信号を生成するステップと、
前記第1の色のカラーフィルタとは異なるカラーフィルタを透過した複数の色信号を合成して前記第1の色と可視領域において同等の分光感度特性を有する第2の色の色信号を取得するステップと、
可視領域において、前記第1の色の色信号と前記第2の色の色信号の値が略一致するようにゲインを調整するステップと、
前記第1の色の成分と前記第2の色の成分の差分または比率により、近赤外領域および赤外領域の入射光量を求めるステップと
を有する撮像方法。
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