JP5475393B2 - 撮像システムおよび補正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像システムおよび補正方法に関する。
CCD型撮像素子やCMOS型撮像素子に代表される撮像素子は、人間の眼の分光感度特性(比視感度)と比較して赤外光に対する感度が高い。そのため、一般的には、撮像レンズと撮像素子の撮像面との間に赤外カットフィルタが配置されうる。赤外カットフィルタとしては、例えば、ダイクロイックフィルタが使用されうる。
撮像レンズを通過してダイクロイックフィルタの中心に入射する主光線はダイクロイックフィルタ面に対して垂直であるが、撮像素子の撮像面内の周辺部に入射する主光線はダイクロイックフィルタ面に対してある角度を持つ。撮像面の中心からの距離(つまり、像高)が大きいほど、また、撮像レンズの射出瞳距離が小さいほど、この入射角度が大きくなる。このように、ダイクロイックフィルタには入射角度依存性があり、ダイクロイックフィルタを通過して撮像素子に入射する光の強度が像高に応じて異なる。これにより、撮像された画像に色シェーディング(色ムラ)が発生する。
特許文献1に記載された装置では、色シェーディングを補正するために、蛍光灯フリッカを検出して蛍光灯光源とそれ以外の光源とが区別され、光源に応じて色シェーディング補正係数が調整される。
特開2008−153848号公報
しかし、特許文献1に記載された装置では、撮像素子からの情報を利用して光源を判定するので、赤外カットフィルタのカットオフ波長より外側の帯域の情報が考慮されないし、入射角度依存性の影響も受ける。そのため、被写体の平均輝度に対するカットオフ波長近傍の相対輝度を高い精度で検出することができず、過剰補正や補正残りが発生しうる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、被写体の平均輝度に対するカットオフ波長近傍の相対輝度を高い精度で検出し、色シェーディング補正の精度を高めることを目的とする。
本発明の1つの側面は、撮像システムに係り、前記撮像システムは、撮像面を有する撮像素子と、前記撮像面に被写体の像を形成する光学系と前記撮像面との間に配置されたフィルタと、前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を前記光学系を通して検出するセンサと、前記センサによって検出された相対輝度によって決定される色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像に色シェーディング補正を行う補正部と、を備え、前記センサは、前記光学系を通過した光のうち前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域の光を通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した光を検出する第1検出部と、前記光学系を通過した光のうち前記バンドパスフィルタよりも広い帯域の光を検出する第2検出部と、を含み、前記第2検出部を使って前記被写体の平均輝度を検出し、前記第1検出部を使って前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の輝度を検出することによって、前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を検出する。
本発明によれば、被写体の平均輝度に対するカットオフ波長近傍の相対輝度を高い精度で検出し、色シェーディングの精度を高めることができる。
本発明の撮像システムの1つの実施形態としてのデジタル一眼レフカメラの構成を示すブロック図である。 赤外カットフィルタにおけるカットオフ波長の入射角度依存性を例示する図である。 第1検出部および第2検出部が持つべき理想的な分光感度を例示する図である。 第1検出部のためのバンドパスフィルタの分光透過率を例示する図である。 水平方向における像高と赤色信号のための色シェーディング補正係数(列毎のゲイン補正)を例示する図である。 第1検出部のためのバンドパスフィルタの分光透過率を例示する図である。 第1検出部のためのバンドパスフィルタの分光透過率を例示する図である。 水平方向における像高と青色信号のための色シェーディング補正係数(列毎のゲイン補正)を例示する図である。
本発明の撮像システムは、例えば、デジタル一眼レフカメラ、デジタルコンパクトカメラ、デジタルムービーカメラ等のデジタルカメラに適用されうる。本発明の撮像システムにおいて、撮像素子の撮像面に被写体の像を形成する光学系は、交換式であってもよいし、固定式であってもよい。
図1を参照しながら本発明の撮像システムの1つの実施形態としてのデジタル一眼レフカメラ(以下、カメラ)100の構成および動作を説明する。カメラ100は、撮像面を有する撮像素子103と、該撮像面に被写体の像を形成する光学系101と該撮像面との間に配置された赤外カットフィルタ102とを備えている。カメラ100はまた、センサ113と補正部106とを備えている。センサ113は、被写体の平均輝度に対する赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域における該被写体の相対輝度を光学系101を通して検出する。補正部106は、センサ113によって検出された相対輝度が大きいほど大きい値を有する色シェーディング補正係数を使って、撮像素子103によって撮像された画像の赤色信号に色シェーディング補正を行う。ここで、撮像素子103によって撮像された画像は、撮像素子103から出力された後に処理された画像であってもよいし、撮像素子103から出力された後に処理されていない画像であってもよい。この実施形態では、撮像素子103からアナログ信号の形態で画像が出力され、その画像は、アナログ信号処理部104によって処理(例えば、ノイズ除去)される。その後、アナログ信号処理部104によって処理された画像は、A/D変換部105によってデジタル信号の形態の画像に変換され、補正部106によって色シェーディング補正がなされる。
撮像素子103の露光時以外は、被写体から光学系101を通過する光は、不図示の光学系を介して光学ファインダー(不図示)とセンサ113に入射する。この実施形態では、センサ113は、AF(Auto Focus)センサおよびAE(Auto Exposure)センサの少なくとも一方を含むセンサモジュール130に組み込まれうる。
光学系制御部108は、光学系101の焦点および絞りなどを制御する。撮像素子制御部109は、撮像素子103の駆動タイミングを制御する。システム制御部110は、カメラ(撮像システム)100の全体を制御する。画像処理部107は、色シェーディング補正された後の画像に対して現像処理(カラー処理等)を行う。内部メモリ111は、色シェーディング補正係数や、処理された画像を保存する。処理された画像は、液晶ディスプレイ等のディスプレイを含む画像出力部112に出力される。
次に、被写体の平均輝度に対する赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域における該被写体の相対輝度を検出するための構成を説明する。図2は、赤外カットフィルタ102におけるカットオフ波長の入射角度依存性を例示している。入射角度は、赤外カットフィルタ102の表面の法線に対する角度である。図2において、実線は、入射角度が0度の場合(この場合、赤外カットフィルタ102の表面に対して垂直に光が入射する。)における分光透過率を示す。図2において、点線は、入射角度が20度の場合における分光透過率を示す。図2により、入射角度が大きくなるとカットオフ波長が短波長側にシフトすることが分かる。これは、入射角度が大きくなると、赤外カット側では赤色の波長を通しにくくなり、紫外カット側では青色の波長を通しやすくなることを意味する。
センサ113は、この実施形態では、バンドパスフィルタ122と、第1検出部120と、第2検出部121とを含む。バンドパスフィルタ122は、光学系101を通過した光のうち赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域の光を通過させる。第1検出部120は、バンドパスフィルタ122を通過した光を検出する。第2検出部121は、光学系101を通過した光のうちバンドパスフィルタ122よりも広い帯域の光を検出する。バンドパスフィルタ122は、光学系101と第1検出部120との間に配置され、例えば、第1検出部120に接触するように配置されうる。第2検出部121と光学系101との間には、フィルタが配置されないか、バンドパスフィルタ122よりも広い帯域(典型的には、可視光帯域)の光を通過させるフィルタが配置されうる。センサ113は、第2検出部121を使って被写体の平均輝度を検出し、第1検出部120を使って赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域における被写体の輝度を検出する。これによって、センサ113は、被写体の平均輝度に対する赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域における被写体の相対輝度を検出する。第1検出部120および第2検出部121は、それぞれ、少なくとも1つの光電変換素子(或いは画素)を含む。
ここで、センサ113がAFセンサおよびAEセンサの少なくとも一方を含むセンサモジュール130に組み込まれる場合において、センサモジュール130は、複数の画素を有する撮像素子を含みうる。センサモジュール130のそのような撮像素子は、第1検出部120を構成する複数の画素からなる第1領域と、第2検出部121を構成する複数の画素からなる第2領域とを含みうる。第2領域は、AFセンサまたはAEセンサを構成する画素からなる領域と同一でありうる。或いは、第2領域の一部は、AFセンサまたはAEセンサを構成する画素からなる領域の少なくとも一部と共通しうる。AFセンサおよびAEセンサの少なくとも一方を構成する撮像素子の複数の画素の一部を第2検出部121を構成するための画素として利用することにより、部品点数の増加やコストアップを抑えることができる。また、AFセンサは、一般的に少なくとも画面の中心(つまり、像高が0の位置)における焦点を検出するように構成されるので、第1検出部120および第2検出部121を画面の中心付近(つまり、像高が0またはその近傍)に配置することは容易である。
上記の例では、第1検出部120によって検出する光の帯域をバンドパスフィルタ122によって制限している。これに代えて、バンドパスフィルタ122を設ける代わりに、当該帯域の選択的に光を検出するように、第1検出部120の光電変換素子の深さ(半導体基板の表面からの深さ)を設定してもよい。また、バンドパスフィルタ122は、一般的なカラーフィルタであってもよい。
図3は、第1検出部120および第2検出部121が持つべき理想的な分光感度を例示している。なお、分光感度は、分光透過率として示されている。透過率が100%であることは、光学系101を通過し第1検出部120または第2検出部121に入射すべき光がすべて第1検出部120または第2検出部121に入射することを意味する。図2に例示されるように、赤外カットフィルタ102は、620nm〜680nmの帯域においてカットオフ波長の入射角度依存性が顕著でありうる。そこで、この帯域の光を精度良く検出するための第1検出部120の分光感度としては、図3における斜線部の様な矩形の分光感度を有することが理想的である。また、第2検出部121は、第1検出部120よりも広い帯域における平均輝度を検出するために平坦な分光感度を有することが理想的である。
バンドパスフィルタ122は、例えば、2つのフィルタ(以下、第1フィルタ、第2フィルタ)を積層した構成を有してもよい。ここで、第1フィルタは、光学系101と撮像素子103との間に配置されている赤外カットフィルタ102と同じ特性を有しうる。第2フィルタは、撮像素子103に配列されているRed(赤)のカラーフィルタ(不図示)と同じ特性を有しうる。第1フィルタによってバンドパスフィルタ122の長波長側のカットオフ波長が規定され、第2フィルタによってバンドパスフィルタ122の短波長側のカットオフ波長が規定されうる。図4において、バンドパスフィルタ122の分光透過率が細い実線で囲まれた斜線部で例示されている。図4において、太い実線は第1フィルタの分光透過率を例示し、点線は第2フィルタの分光透過率を例示している。第1フィルタと第2フィルタの合成によってバンドパスフィルタ122の特性が決定される。
第1検出部120の光電変換素子および第2検出部121の光電変換素子は、光学系101の光軸(像高がゼロの位置)またはその近傍に配置されうる。よって、赤外カットフィルタ102のカットオフ波長近傍の帯域における第1検出部120および第2検出部121の出力値の低下は小さく、被写体の平均輝度と該被写体のカットオフ波長近傍の帯域における輝度とを高い精度で検出することができる。
次に、センサ113によって検出された相対輝度に応じて撮影条件ごとに色シェーディング補正係数を決定し、色シェーディング補正を行う方法を説明する。ここで、相対輝度は、被写体の平均輝度と該被写体のカットオフ波長近傍の帯域における輝度を意味する。また、相対輝度に応じて決定される色シェーディング補正係数は、赤色信号(R)、緑色信号(G)、青色信号(B)のうちカットオフ波長に近い色の信号、即ち、赤色信号を色シェーディング補正するために使用される。
撮影条件の決定時、例えば、撮影前におけるAEおよびAF時に、センサ13を用いて前述の方法によって相対輝度が検出されうる(検出ステップ)。この相対輝度は、色シェーディング補正部106に提供される。色シェーディング補正部106は、センサ122から提供された相対輝度が大きいほど大きい値を有する色シェーディング補正係数を使って、撮像素子103によって撮像された画像に色シェーディング補正を行う(補正ステップ)。ここで、相対輝度が大きいことは、撮像された画像が赤外カットフィルタ102の入射角度依存性の影響をより強く受けていることを意味する。そこで、相対輝度が大きいほど、補正部106は、赤色信号(R)の色シェーディング補正係数を大きくする。
図5は、水平方向における像高と色シェーディング補正係数(列毎のゲイン補正)を例示している。図5において、像高=0は、撮像素子102の撮像面の中心を示し、ここでの色シェーディング補正係数の値を1として規格化されている。この実施形態では、相対輝度がある値であるときの色シェーディング補正係数が標準条件における色シェーディング補正係数として内部メモリ111に格納されている。図5において、実線は、標準条件における色シェーディング補正係数の値を例示している。図5において、点線は、相対輝度が標準条件における相対輝度よりも大きい場合における色シェーディング補正係数の値を例示している。ここで、センサ13から提供される相対輝度をL、標準条件における相対輝度をLS、像高をH、相対輝度Lおよび像高Hにおける色シェーディング補正係数の値をC、相対輝度LSおよび像高Hにおける色シェーディング補正係数の値をCSとする。相対輝度Lおよび像高Hにおける色シェーディング補正係数の値Cは、(1)式で与えられる。補正部106は、(1)式に従って各像高Hにおける色シェーディング補正係数の値Cを決定して内部メモリ111に格納する(補正ステップにおける準備ステップ)。なお、相対輝度LSにおける複数の像高Hのそれぞれについての色シェーディング補正係数の値は、内部メモリ111にあらかじめ格納されている。ここで、k=L/LSである。
C=CS×L/LS=CS×k ・・・(1)式
撮影(被写体を撮像し、その画像を記録する動作)時には、光学系制御部108は、不図示のクイックリターンミラー等の光学部材を駆動し、光路を変更する。これにより、被写体からの光は、光学系101および赤外カットフィルタ102を通過して撮像素子103の撮像面に像を形成する。撮像素子103は、その撮像面に形成された像を撮像して、その画像を電気信号(ここでは、アナログ信号)として出力する素子である。撮像素子103は、例えば、CCD型撮像素子やCMOS型撮像素子でありうる。撮像素子103から出力されたアナログ信号は、アナログ信号処理部104で処理された後、A/D変換部105によってデジタル信号に変換される。
A/D変換部105からデジタル信号として出力された画像は、色シェーディング補正部106に提供される。色シェーディング補正部106は、上述した方法で決定され内部メモリ111に格納された各像高Hにおける色シェーディング補正係数の値Cを内部メモリ111から読み出す。そして、色シェーディング補正部106は、その色シェーディング補正係数の値Cを用いて、撮像素子103によって撮像された画像における赤色信号(R)に対して色シェーディング補正を行う(補正ステップにおける補正実行ステップ)。緑色信号(G)、青色信号(B)に対しては、内部メモリ111に標準の色シェーディング補正係数を格納されていて、これらを読み出すことで補正がなされる。色シェーディング補正後の画像は、画像処理部107で現像処理(カラー処理な)がなされた後に内部メモリ111に保存され、あるいは画像出力部112より出力される。
上記の説明の色シェーディング補正方法は列毎のゲイン補正によってなされるが、行方向も同時に行うことでより効果的な補正が実現できる。また、像高に応じて同心円状に補正を行うことも可能である。また、上記の説明では、色シェーディング補正係数を定数倍(k=L/LS)することによって個々の撮影条件における色シェーディング補正係数が決定される。画面を像高に応じて複数のブロックに分け、ブロック毎にkn(n=1,2,3,・・)倍する調整制御を行ってもよい。色シェーディング補正係数は、ルックアップテーブルを参照する方法や、多項式関数近似によって算出する方法等によって与えられてもよい。
通常は、AFセンサを構成する撮像素子の撮像領域の面積は、被写体を撮像する撮像素子103のそれよりも小さい。よって、センサ122をAFセンサを構成する撮像素子と共用する場合には、バンドパスフィルタ122を構成する第1フィルタとして赤外カットフィルタ102と同じ特性を有する赤外カットフィルタを使用しても、その入射角度依存性の影響は受けにくい。したがって、図4の斜線部のような分光透過率を有するバンドパスフィルタ122であっても充分に実用的である。しかし、より高精度にカットオフ波長近傍の相対強度を検出するためには、次のような第1フィルタおよび第2フィルタによってバンドパスフィルタ122を構成してもよい。即ち、光学系101と撮像素子103との間に配置されている赤外カットフィルタ102よりもやや長波長側で長波長カットを実現する分光透過率を有するフィルタを第1フィルタとして使用する。また、撮像素子102に形成されているRed(赤)のカラーフィルタよりもやや長波長側で短波長カットを実現する分光透過率を有するフィルタを第2フィルタとして使用する。その分光透過率の一例を図6に示す。より理想的な分光透過率(図3)に近づけることができる。
紫外側カットオフ波長の入射角度依存性に関しても、上記と同様の考え方で色シェーディング補正を行うことが可能である。図7に紫外側カットオフ波長近傍の輝度を検出する第1検出部のためのバンドパスフィルタの分光透過率の例を示す。ただし、図2における点線のように入射角度が大きくなるとカットオフ波長が短波長側にシフトして、紫外カット側では青色の波長を通しやすくなる。したがって、補正部106は、紫外側カットオフ波長近傍の相対強度が大きいほど青色信号(B)の色シェーディング補正係数の値を小さくする。図8に青色信号(B)の色シェーディング補正係数の一例を示す。つまり、本発明は、赤外カットフィルタ102に代えて、紫外カットフィルタを搭載した場合または赤外および紫外カットフィルタを搭載した場合にも適用することができる。

Claims (8)

  1. 撮像面を有する撮像素子と、
    前記撮像面に被写体の像を形成する光学系と前記撮像面との間に配置されたフィルタと、
    前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を前記光学系を通して検出するセンサと、
    前記センサによって検出された相対輝度によって決定される色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像に色シェーディング補正を行う補正部と、を備え
    前記センサは、
    前記光学系を通過した光のうち前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域の光を通過させるバンドパスフィルタと、
    前記バンドパスフィルタを通過した光を検出する第1検出部と、
    前記光学系を通過した光のうち前記バンドパスフィルタよりも広い帯域の光を検出する第2検出部と、を含み、
    前記第2検出部を使って前記被写体の平均輝度を検出し、前記第1検出部を使って前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の輝度を検出することによって、前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を検出する、
    ことを特徴とする撮像システム。
  2. 前記色シェーディング補正係数は、像高が大きい位置についてのものほど大きい値を有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。
  3. 前記フィルタは、赤外カットフィルタであり、前記補正部は、前記センサによって検出された相対輝度が大きいほど大きい値を有する色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像の赤色信号に対して色シェーディング補正を行う、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像システム。
  4. 前記フィルタは、紫外カットフィルタであり、前記補正部は、前記センサによって検出された相対輝度が大きいほど小さい値を有する色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像の青色信号に対して色シェーディング補正を行う、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像システム。
  5. 前記センサは、AFセンサおよびAEセンサの少なくとも一方を含むセンサモジュールに組み込まれている、
    ことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の撮像システム。
  6. 撮像面を有する撮像素子と、前記撮像面に被写体の像を形成する光学系と前記撮像面との間に配置されたフィルタとを有する撮像システムにおいて撮像された画像の色シェーディングを補正する補正方法であって、
    前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を前記光学系を通して検出する検出ステップと、
    前記検出ステップで検出された相対輝度によって決定される色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像に色シェーディング補正を行う補正ステップと、を含み、
    前記検出ステップは、
    前記光学系を通過した光のうち前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域の光を通過させるバンドパスフィルタを通過した光を検出することによって、前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の輝度を検出する第1ステップと、
    前記光学系を通過した光のうち前記バンドパスフィルタよりも広い帯域の光を検出することによって、前記被写体の平均輝度を検出する第2ステップと、
    前記第1ステップで検出した、前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の輝度と、前記第2ステップで検出した前記被写体の平均輝度とに基づいて、前記被写体の平均輝度に対する前記フィルタのカットオフ波長近傍の帯域における前記被写体の相対輝度を検出する第3ステップと、を含む、
    ことを特徴とする補正方法。
  7. 前記フィルタは、赤外カットフィルタであり、前記補正ステップでは、前記検出ステップで検出された相対輝度が大きいほど大きい値を有する色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像の赤色信号に対して色シェーディング補正を行う、
    ことを特徴とする請求項に記載の補正方法。
  8. 前記フィルタは、紫外カットフィルタであり、前記補正ステップでは、前記検出ステップで検出された相対輝度が大きいほど小さい値を有する色シェーディング補正係数を使って、前記撮像素子によって撮像された画像の青色信号に対して色シェーディング補正を行う、
    ことを特徴とする請求項に記載の補正方法。
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