JPWO2016031922A1 - Multispectral camera - Google Patents
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Abstract
マルチスペクトルカメラは、透過率のピーク数とアンダーピーク数を合わせた総ピーク数が異なる第1〜第N(Nは2以上の整数)の光学フィルタを有し、各光学フィルタは、波長λと各々の透過率Yとの関係において、前記波長λと関係付けた変数Zの変化に対して前記透過率Yが周期的に変化する特性を有する。The multispectral camera has first to Nth (N is an integer of 2 or more) optical filters having different total peak numbers including the peak number of transmittance and the number of underpeaks. In relation to each transmittance Y, the transmittance Y periodically changes with respect to a change in the variable Z related to the wavelength λ.
Description
本発明は、被写体を撮像することによって取得した画像から画素単位で被写体の反射分光特性を計測できるマルチスペクトル技術に関する。 The present invention relates to a multispectral technique capable of measuring reflection spectral characteristics of a subject in units of pixels from an image acquired by imaging the subject.
近年、CCDやCMOS等の撮像素子を用いたデジタルカメラの高機能化や高性能化には目を見張るものがある。特に、半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の多画素化および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の画質が大幅に改善されている。また、撮像素子の超小型化も実現されている。 In recent years, there has been a remarkable increase in functionality and performance of digital cameras using image sensors such as CCDs and CMOSs. In particular, due to rapid progress in semiconductor manufacturing technology, the pixel structure in an image sensor has been miniaturized. As a result, the number of pixels of the image sensor and the high integration of the drive circuit are improved, and the image quality of the image sensor is greatly improved. In addition, the miniaturization of the image sensor has been realized.
最近では、カラー画質の改善も著しい。通常の赤(R)、緑(G)、および青(B)の3原色フィルタを用いたカラー撮像以外に、多数の色フィルタを用いて撮像することにより、被写体のカラー画像の品質を向上させることが行われている。例えば、特許文献1の中で紹介されているマルチスペクトルカメラは、CCDの前に分光特性が異なる多数の光学フィルタを装備し、各光学フィルタを機械的に入れ替えながら撮像する。これにより、撮像によって取得した各画像から被写体の詳細な色情報やスペクトル情報を得ることができる。
Recently, color image quality has improved significantly. In addition to color imaging using the three primary color filters of normal red (R), green (G), and blue (B), imaging using a number of color filters improves the quality of the color image of the subject. Things have been done. For example, the multispectral camera introduced in
また、特許文献2は、光学フィルタを最適設計することにより、用いる光学フィルタの数を削減できるマルチスペクトルカメラを紹介している。
特許文献3は、1次元の撮像素子と、レンズを通して入射した光を分光するビームスプリッタと、任意の波長帯域の光を選択して透過させるチューナブルフィルタとを用いることにより、光学フィルタを入れ替える機構を用いずとも様々な波長帯域における画像が得られる技術を紹介している。
さらに特許文献4は、標準的なRGBの色フィルタとそれら以外の色フィルタとを備える単板式のカラー撮像素子を用いて品質の良いカラー画像を得る技術を紹介している。
Further,
特許文献1および特許文献2に開示されている従来技術では、複数の光学フィルタを入れ替える機械的な機構が必要である。そのため、撮像装置のサイズが大きくなり、また機械部分を定期的に保守しなければならないという課題がある。特許文献3に開示されている従来技術では、1次元の撮像素子を用いているため、2次元画像を得るには1次元の撮像素子を画素配列方向に対して垂直方向に移動(以下、スキャンとも呼ぶ)させる機械的な機構が必要である。さらに、被写体が静止していなければ、撮像結果がブレを有する2次元画像になるという課題がある。また、特許文献4に開示されている従来技術では、使用される標準的なRGBの色フィルタとそれら以外の色フィルタとが、各々特定の1つの(狭い)波長帯域の光のみを透過させるため、さらなる感度向上は期待できないという課題がある。
In the prior art disclosed in
本発明は、従来の技術とは異なるアプローチのマルチスペクトル技術を提供する。本発明のある実施形態は、機械的な機構が不要で、被写体の動きにも対応でき、感度も向上できるマルチスペクトルカメラを提供する。 The present invention provides a multi-spectral technique with a different approach than the prior art. An embodiment of the present invention provides a multispectral camera that does not require a mechanical mechanism, can cope with movement of a subject, and can improve sensitivity.
本発明の一態様に係るマルチスペクトルカメラは、複数の画素単位が撮像面に2次元的に配列された撮像素子であって、各画素単位は第1から第N(Nは2以上の整数)の光感知セルを含み、各光感知セルは受光量に応じた光電変換信号を出力する、撮像素子と、前記第1から第Nの光感知セルにそれぞれ対向して配置された第1から第Nの光学フィルタであって、各々が所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化する。前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セルからのN個の光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する。 A multispectral camera according to an aspect of the present invention is an imaging element in which a plurality of pixel units are two-dimensionally arranged on an imaging surface, and each pixel unit is from 1 to N (N is an integer of 2 or more). Each of the light sensing cells outputs a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of light received, and is arranged to face the imaging element and the first to Nth light sensing cells, respectively. N optical filters, each having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and the total number of peaks combined with the number of peaks and the number of underpeaks is different. 1 to Nth optical filter, and a signal processing circuit for processing photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells. The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters changes periodically with respect to the change of the variable Z associated with the wavelength λ in the predetermined wavelength band. The signal processing circuit includes N photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells, N types of periodic functions having the independent variable as the variable Z, and the variable for the minute change in the wavelength λ. The spectral characteristic of the captured image is calculated using the change value of Z.
本発明の他の態様に係るマルチスペクトルカメラは、N+1個(Nは2以上の整数)の光学系を含む複眼光学系と、所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、前記第1から第Nの光学フィルタにそれぞれ対向する第1から第Nの光感知セル群を有し、各光感知セルは受光量に応じた光電変換信号を出力する、撮像素子と、前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化し、前記第1から第Nの光学フィルタは、前記複眼光学系における前記N+1個の光学系のうちのN個の光学系にそれぞれ対向して配置され、前記撮像素子は、さらに前記第1から第Nの光学フィルタのいずれもが対向して配置されていない無フィルタ光感知セル群、または前記第1から第Nの光学フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有する光学フィルタが対向して配置された透過率平均化光感知セル群を有し、前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セル群からのN種類の光電変換信号と、前記無フィルタ光感知セル群からの光電変換信号または前記透過率平均化光感知セル群からの光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する。 A multispectral camera according to another aspect of the present invention includes a compound eye optical system including N + 1 (N is an integer of 2 or more) optical systems and one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band. In addition, the first to Nth optical filters having different total peak numbers including the number of the peaks and the number of the underpeaks, and the first to Nth optical filters facing the first to Nth optical filters, respectively. Each of the photosensitive cells outputs a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light, and processes the photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells. A signal processing circuit. The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters changes periodically with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ in the predetermined wavelength band, and the first to Nth optical filters The optical filter is disposed to face each of N optical systems of the N + 1 optical systems in the compound eye optical system, and the imaging element further includes any of the first to Nth optical filters. Non-filtered light-sensitive cell groups that are not arranged to face each other, or transmittance averaged light in which optical filters having transmittances between the peak and under peak in the first to Nth optical filters are arranged to face each other A sensing cell group, and the signal processing circuit includes N types of photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cell groups and a photoelectric conversion signal from the non-filtered photosensitive cell group or the transmittance. average Using the photoelectric conversion signal from the photosensitive cell group, N types of periodic functions having the variable Z as the variable Z, and the change value of the variable Z with respect to the minute change of the wavelength λ, spectral characteristics of the captured image are obtained. calculate.
本発明の一態様に係るマルチスペクトルカメラによれば、光学フィルタの入れ替えや撮像素子をスキャンさせる機械的な機構を不要にできるため、被写体の動きにも対応できる。また、撮像素子は、所定の波長帯域において透過率が複数のピークを有する光学フィルタを用いているため、従来のRGB等の色フィルタを用いた場合よりも感度を高くすることができる。加えて、各光感知セルからの信号が多数の色情報を含んでいるため、それらの信号を合成することにより、被写体の反射光スペクトルを概算できる。 According to the multispectral camera of one embodiment of the present invention, a mechanical mechanism that replaces the optical filter and scans the image sensor can be eliminated, and thus the movement of the subject can be dealt with. In addition, since the imaging element uses an optical filter having a plurality of peaks in transmittance in a predetermined wavelength band, the sensitivity can be made higher than when a conventional color filter such as RGB is used. In addition, since the signal from each photosensitive cell contains a large amount of color information, the reflected light spectrum of the subject can be approximated by combining these signals.
(実施形態1)
本発明の第1の実施形態におけるマルチスペクトルカメラは、N+1個(Nは2以上の整数)の光感知セルを画素の基本単位とする撮像素子を有し、その基本単位(以下、「画素単位」とも称する)の中のN個の光感知セルの各々は、1つの光学フィルタ(以下、「色フィルタ」と称することもある。)に対向する。すなわち、各基本単位の中のN個の光感知セルに対向してN個の光学フィルタがそれぞれ配置される。それらN個の光学フィルタの各々は、所定の波長帯域(例えば、380nm〜760nm)において透過率のピークあるいはアンダーピークを1つ以上有する。さらに、N個の光学フィルタは、透過率のピークの数とアンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる。すなわち、画素の基本単位は、光感知セル上に色フィルタが配置されたN個の画素と、色フィルタが配置されていない1つの画素とから構成される。(Embodiment 1)
The multispectral camera according to the first embodiment of the present invention has an image pickup device having N + 1 (N is an integer of 2 or more) photosensitive cells as a basic unit of pixel, and the basic unit (hereinafter referred to as “pixel unit”). Each of the N light-sensitive cells in the “opposite” is opposed to one optical filter (hereinafter also referred to as “color filter”). That is, N optical filters are respectively arranged to face N photosensitive cells in each basic unit. Each of the N optical filters has one or more transmittance peaks or under peaks in a predetermined wavelength band (for example, 380 nm to 760 nm). Further, the N optical filters differ in the total number of peaks obtained by combining the number of transmittance peaks and the number of under peaks. That is, the basic unit of the pixel is composed of N pixels in which a color filter is arranged on the photosensitive cell and one pixel in which no color filter is arranged.
本明細書において、「ピーク」とは、上記所定の波長帯域のうち、透過率がその波長帯域における平均値を超える1つの連続した部分帯域内(その中では透過率が平均値以下になることはない)で透過率が最大になる点を意味する。一方、「アンダーピーク」とは、透過率が上記平均値を下回る1つの連続した部分帯域内(その中では透過率が平均値以上になることはない)で透過率が最小になる点を意味する。 In this specification, “peak” refers to one continuous partial band whose transmittance exceeds the average value in the predetermined wavelength band (in which the transmittance is equal to or lower than the average value). No) means that the transmittance is maximized. On the other hand, “under peak” means that the transmittance is minimized within one continuous partial band in which the transmittance is below the above average value (in which the transmittance does not exceed the average value). To do.
全ての色フィルタは、例えば所定波長帯域の下限波長でピークを有し、所定波長帯域の上限波長でピークあるいはアンダーピークを有する。例えば、N個の色フィルタのうち、第1の色フィルタは所定波長帯域間でピークとアンダーピークを1つずつ有する総ピーク数2つの光学フィルタであり得る。第2の色フィルタは所定波長帯域間で2つのピークと1つのアンダーピークを有する総ピーク数3つの光学フィルタであり得る。第3の色フィルタは所定波長帯域間で2つのピークと2つのアンダーピークを有する総ピーク数4つの光学フィルタであり得る。以下、同様に、第i(iは1以上でN以下の整数)の光学フィルタは総ピーク数がi+1である。このように、N個の色フィルタは、その符番数の増加と共に総ピーク数が1つずつ増加する特徴がある。各色フィルタの光透過特性は、波長に対して変動性を有する。 All the color filters have, for example, a peak at the lower limit wavelength of the predetermined wavelength band and a peak or an under peak at the upper limit wavelength of the predetermined wavelength band. For example, among the N color filters, the first color filter may be an optical filter having a total peak number of two having one peak and one under peak between predetermined wavelength bands. The second color filter may be an optical filter having a total peak number of 3 having two peaks and one under peak between predetermined wavelength bands. The third color filter may be an optical filter having a total peak number of 4 having two peaks and two under peaks between predetermined wavelength bands. Similarly, the i-th (i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N) optical filter has a total peak number of i + 1. Thus, the N color filters have a feature that the total number of peaks increases by one as the number of codes increases. The light transmission characteristics of each color filter have variability with respect to the wavelength.
それら色フィルタを介して受光する各画素について、以下では、第1の色フィルタが配置された画素を第1の画素、第2の色フィルタが配置された画素を第2の画素というように、色フィルタの符番と画素の符番を一致させている。また、本明細書では画素を光感知セルと呼ぶこともある。 For each pixel that receives light through these color filters, in the following, a pixel in which the first color filter is arranged is referred to as a first pixel, and a pixel in which the second color filter is arranged is referred to as a second pixel. The code number of the color filter is matched with the code number of the pixel. In this specification, a pixel may be referred to as a photosensitive cell.
以上の画素構成から、画素信号に関して画素の基本単位毎に分析すると、色フィルタを配置していない画素は、所定波長帯域の全ての光を光電変換した信号を発生する。第1の画素は、所定波長帯域の全ての光成分のうちの1つの特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生し、第2の画素は、所定波長帯域の全ての光成分のうちの2つの特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生する。このように第iの画素は(iは1以上N以下の整数)、所定波長帯域の全ての光成分のうちのi個の特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生する。 From the above pixel configuration, when the pixel signal is analyzed for each basic unit of the pixel, the pixel not provided with the color filter generates a signal obtained by photoelectrically converting all the light in the predetermined wavelength band. The first pixel generates a signal obtained by photoelectrically converting light including a particularly large light component in one specific (relatively narrow) wavelength band among all the light components in a predetermined wavelength band, and the second pixel , A signal obtained by photoelectrically converting light including particularly a large amount of light components in two specific (relatively narrow) wavelength bands out of all the light components in a predetermined wavelength band is generated. In this way, the i-th pixel (i is an integer of 1 or more and N or less) is light that contains a particularly large amount of light components in i specific (relatively narrow) wavelength bands out of all light components in a predetermined wavelength band. To generate a photoelectrically converted signal.
波長を独立変数、被写体の光反射率を従属変数とした関数を考えた場合、所定波長帯域において、色フィルタを配置していない画素の信号は被写体の光反射率の直流成分を有すると考えられる。一方、第1〜第Nの画素の信号は、上記直流成分の一部と被写体の光反射率分布におけるN種類の交流成分を有すると考えられる。従って、それらの信号を用いると、被写体の光反射率を有限のフーリエ級数の形式で近似させることが可能である。この近似手法が本実施形態のアプローチである。 When considering a function with the wavelength as the independent variable and the subject's light reflectance as the dependent variable, the signal of the pixel without the color filter in the predetermined wavelength band is considered to have a direct current component of the subject's light reflectance. . On the other hand, the signals of the first to Nth pixels are considered to have a part of the DC component and N types of AC components in the light reflectance distribution of the subject. Therefore, using these signals, it is possible to approximate the light reflectance of the subject in the form of a finite Fourier series. This approximation method is the approach of this embodiment.
ここで、本実施形態の基本原理について説明する。被写体のある1点からの反射光エネルギーを表す波長の関数が、所定の波長帯域λ1〜λ2(但しλ2−λ1=W)で存在するとして、その関数を波長λ1からのシフト波長X(0≦X≦W)を用いてF(X)で表す。F(X)は、0≦X≦Wの範囲でのみ定義される関数であるが、以下の説明ではF(X)が偶関数であるものと仮定して、フーリエ余弦級数で展開することを考える。すると、F(X)は式1で示される有限のフーリエ余弦級数で近似できる。なお、シフト波長Xを、以下では単に波長Xと表現する場合がある。
但し、式1におけるa(i)は下記の式2で表され、iは0から予め設定された最大自然数Mまでの整数である。また、式2における積分範囲はX=0〜Wである。
式2で示すa(i)が撮像素子の画素信号から作り出すことができれば、被写体の反射分光特性を近似的に算出できる。しかしながら、そのためには撮像素子の各色フィルタが、波長の変化に対して余弦的に変化する分光特性を有する必要がある。そのような色フィルタはかなり特殊な光学フィルタと言える。本実施形態は、このような色フィルタの特殊性を緩和するものでもあり、用いる色フィルタの分光特性が波長の変化に対して必ずしも余弦的に変化するものでなくても良い。
If a (i) shown in
例えば、撮像素子の画素上に配置された色フィルタの1つが図1の実線で示される分光特性を有していたとして、その特性がG(X)で表されるとする。G(X)は、光透過率の最大値を1とした場合の透過比率(以下では透過率と呼ぶ場合もある)が平均的にKaであり、さらに波長によって透過率が変動し、その変動成分(交流成分とも言う)をその極大値と極小値との差PPを用いて(PP/2)×AC(X)で表されるとする。すなわち、G(X)=Ka+(PP/2)AC(X)で表現される。また、色フィルタを配置していない画素では、撮像素子の表面の光反射等で受光量が若干低下し、透過比率はKdであるとする。参考までに、図1ではその特性を破線で表している。 For example, it is assumed that one of the color filters arranged on the pixel of the image sensor has a spectral characteristic indicated by a solid line in FIG. 1, and the characteristic is represented by G (X). G (X) has an average transmission ratio Ka (hereinafter also referred to as transmittance) when the maximum value of the light transmittance is 1, and the transmittance varies depending on the wavelength. It is assumed that a component (also referred to as an AC component) is represented by (PP / 2) × AC (X) using a difference PP between the maximum value and the minimum value. That is, G (X) = Ka + (PP / 2) AC (X). In addition, in a pixel in which no color filter is arranged, the amount of received light is slightly reduced due to light reflection on the surface of the image sensor, and the transmission ratio is Kd. For reference, the characteristic is shown by a broken line in FIG.
被写体からの光が100%光電変換されるとすると、色フィルタを配置していない画素の信号Sdは以下の式3で表され、色フィルタを配置した画素の信号Saは式4で表される。
式3、式4から、式5が導かれる。被写体からの反射光が色フィルタの交流成分によって減衰した場合の光の強度が画素信号の演算で求められることがわかる。
いずれの色フィルタのAC(X)も余弦関数であれば、式2に示すフーリエ係数を求めることができ、その結果を用いて式1から被写体の反射分光特性F(X)を算出でき得る。しかし、各色フィルタの分光特性が図1のような変動性はあっても余弦関数でない交流成分を有している場合、式2及び式1を利用することは出来ない。
If AC (X) of any color filter is a cosine function, the Fourier coefficient shown in
本実施形態はこの問題を解決したものであり、ある条件を満たせば色フィルタの分光特性における変動が余弦関数で表されなくとも、被写体の反射分光特性を算出できる。そのある条件とは、いずれの色フィルタにおいても、分光特性の交流成分AC(X)が波長Xと関係付けられた変数Zの変化に対して、余弦関数に近くなるということである。もしこの条件が成立すれば、式5の左辺は、
式6は、(F(Z)/Z')のフーリエ係数を画素信号SaおよびSdを用いた演算で求められることを意味している。これにより、(F(Z)/Z')を有限のフーリエ級数に展開した結果が得られ、その展開結果にZ'を乗算し、さらにF(Z)をF(X)に変換することにより、被写体の反射分光特性を求めることができる。
以上が本実施形態の基本原理である。以下、その基本原理をもとに本実施形態の具体例を説明する。 The above is the basic principle of this embodiment. Hereinafter, a specific example of this embodiment will be described based on the basic principle.
まず本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの撮像素子について説明する。本実施形態では、撮像面に2次元的に配列された複数の画素単位を有する撮像素子が用いられる。画素単位は、撮像素子における画素の基本単位であり、複数の光感知セルを含む。 First, the image sensor of the multispectral camera in this embodiment will be described. In the present embodiment, an imaging device having a plurality of pixel units arranged two-dimensionally on the imaging surface is used. The pixel unit is a basic unit of pixels in the image sensor, and includes a plurality of photosensitive cells.
図2は、撮像素子の画素の基本単位を示している。図2(a)は画素の基本単位を示す平面図である。本実施形態では、水平方向に3画素、垂直方向に3画素の9画素を基本構成としている。その中心の画素上には色フィルタが配置されておらず、その他の画素の上には色フィルタが配置されている。図2(b)、(c)、(d)は、それぞれ、図2(a)におけるA−A’線断面図、B−B’線断面図、C−C’線断面図である。図2に示されているように、本実施形態のマルチスペクトルカメラは、3行3列に配列された9個の光感知セル2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2zと、8枚の色フィルタ1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1hとを備えている。色フィルタ1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1hは、それぞれ、光感知セル2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2hに対向している。本明細書では、このように対向した関係にあることを、「対応する」と表現することがある。光感知セル2zは、画素単位の中心に位置しており、その上には色フィルタが存在しない。各光感知セルは、受光量に応じた光電変換信号(画素信号ともいう)を出力するフォトダイオード等の受光素子を有している。これらの光感知セルは、シリコン基板3に形成され、シリコン酸化膜31を介して複数の色フィルタと対向している。
FIG. 2 shows a basic unit of pixels of the image sensor. FIG. 2A is a plan view showing a basic unit of a pixel. In this embodiment, the basic configuration is 9 pixels, 3 pixels in the horizontal direction and 3 pixels in the vertical direction. A color filter is not disposed on the central pixel, and a color filter is disposed on the other pixels. 2B, 2C, and 2D are a cross-sectional view taken along line A-A ', a cross-sectional view taken along line B-B', and a cross-sectional view taken along line C-C 'in FIG. As shown in FIG. 2, the multispectral camera of the present embodiment has nine
撮像素子への結像は、色フィルタを通して、あるいは直接光感知セルで光電変換される。各光感知セルからの光電変換信号は、図2では省略されているが、配線層を通して撮像素子から電気信号として読み出される。 Image formation on the image sensor is photoelectrically converted through a color filter or directly in a light-sensitive cell. Although the photoelectric conversion signal from each photosensitive cell is omitted in FIG. 2, it is read out from the image sensor as an electrical signal through the wiring layer.
ここで、色フィルタ1a〜1hについて説明する。色フィルタ1a〜1hは1層のチタン系酸化膜であるが、膜厚が互いに異なる。本実施形態では、被写体の計測波長帯域を380nm〜760nmとして、色フィルタ1a〜1hの膜厚を設計している。その設計条件は、色フィルタ1a〜1hに光が垂直に入射し、シリコン酸化膜31を通して光感知セル2a〜2h、2zで光電変換されるものとし、色フィルタ1a〜1hの上部は屈折率1.0の空気層で、各色フィルタは屈折率2.5のチタン系酸化膜で形成され、色フィルタ1a〜1hの下部は屈折率1.47のシリコン酸化膜3であるということである。このような設計条件で、色フィルタ1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1hの膜厚を、それぞれ76nm、152nm、228nm、304nm、380nm、456nm、532nm、608nmとしている。以上の膜厚は、基本膜厚76nmの整数倍である。その結果、波長帯域380nm〜760nmでは、全ての色フィルタの透過特性は380nmでピークを有し、760nmではピークあるいはアンダーピークを有する。
Here, the
図3(a)に色フィルタ1a〜1dの分光特性のシミュレーション結果を、図3(b)に色フィルタ1e〜1hの分光特性のシミュレーション結果を示す。これらの色フィルタは光透過率の最大値を1とした場合の透過比率において波長に対して変動性を有する。また、各色フィルタの分光特性におけるピークとアンダーピークを合わせた総数は、波長帯域380nm〜760nmにおいて、色フィルタ1aは2つ、色フィルタ1bは3つ、色フィルタ1cは4つ、色フィルタ1dは5つ、色フィルタ1eは6つ、色フィルタ1fは7つ、色フィルタ1gは8つ、色フィルタ1hは9つである。
FIG. 3A shows the simulation results of the spectral characteristics of the
各色フィルタの透過比率について、波長の増加と共にそれらは繰り返し変動するが、それらの周期は一定ではない。しかしながら、波長と関係付けた別な変数に対しては一定周期になり得る。本実施形態では、波長をλ、各色フィルタの透過率をYとし、例えば式7、式8で示すλの2次関数で表したZ(Zは波長380nmからのシフト波長とする)を独立変数とすると、透過率Yの変動成分は余弦関数で近似できる。
(式7)(Z+380)=λ−(65/19.6)×(λ−520)2+65 [380≦λ≦520nmの場合]
(式8)(Z+380)=λ−(65/57.6)×(λ−520)2+65 [520≦λ≦760nmの場合]For the transmission ratio of each color filter, they repeatedly vary with increasing wavelength, but their period is not constant. However, it can be a constant period for another variable related to wavelength. In this embodiment, the wavelength is λ, and the transmittance of each color filter is Y. For example, Z expressed by a quadratic function of λ shown in
(Formula 7) (Z + 380) = λ− (65 / 19.6) × (λ−520) 2 +65 [when 380 ≦ λ ≦ 520 nm]
(Formula 8) (Z + 380) = λ− (65 / 57.6) × (λ−520) 2 +65 [in the case of 520 ≦ λ ≦ 760 nm]
図4及び図5に、各色フィルタの透過率の変動成分だけを抽出した元データと、該変動成分に関して式7と式8を用いて変数変換したデータと、余弦関数(cos)のデータとを示す。図4(a)は色フィルタ1aのデータを、図4(b)は色フィルタ1bのデータを、図4(c)は色フィルタ1cのデータを、図4(d)は色フィルタ1dのデータを、図5(a)は色フィルタ1eのデータを、図5(b)は色フィルタ1fのデータを、図5(c)は色フィルタ1gのデータを、図5(d)は色フィルタ1hのデータを表している。いずれの図においても、実線が色フィルタの透過率変動成分の元データ、破線が当該変動成分に関して変数変換したデータ、1点鎖線が余弦関数(cos)データを示している。図4及び図5からわかるように、各色フィルタの透過率の変動成分は波長λと関係付けられた変数Zで表されることにより、概ね余弦関数で表される分布に近いことがわかる。このように、本明細書においては、近似的に周期関数のように変化することを「周期的に変化する」と表現する。本明細書における周期的な変化は、必ずしも厳密な意味での周期的変化を意味しない。
4 and 5, the original data obtained by extracting only the variation component of the transmittance of each color filter, the data obtained by variable conversion of the variation
次に撮像素子の画素信号について説明する。色フィルタ1a〜1hの順でそれらが配置された画素を第1〜第8の画素と称し、それらの画素信号をE(1)〜E(8)で表す。また、色フィルタが配置されていない画素を第9の画素と称し、その画素信号をE(0)で表す。
Next, pixel signals of the image sensor will be described. The pixels in which the
以下の説明において、各色フィルタの特性および色フィルタを配置していない画素の分光特性に関して、図1で記した記号をそのまま用いる。波長帯域380nm〜760nmにおいて、下限波長380nmからのシフト波長Xと被写体の反射分光特性を示す関数F(X)を用いて、画素信号E(0)、E(1)〜E(8)を表すと、以下の式9、式10で表される。
但し、AC(i,X)の入力変数について、iは色フィルタ1a〜1hの順に付番した数値(1〜8)で、Xは上記の波長である。すなわち、AC(1,X)〜AC(8,X)は、順に図4(a)〜図4(d)、図5(a)〜図5(d)の実線で示される特性の関数である。
However, regarding the input variable of AC (i, X), i is a numerical value (1 to 8) numbered in the order of the
式9及び式10から式11が得られる。
AC(i,X)は、図4及び図5に示されているように、余弦関数で近似できるとして、式11は式12で表すことができる。
Z'=dZ/dXとすると、式12は式13で表される。
F(Z)/Z'のフーリエ係数について、a(0)は(2/W)∫(F(Z)/Z')dZであるが、それは(2/W)∫F(X)dXと同じである。このため、a(0)は、式9を用いて式14で表される。一方、i≧1のa(i)は、式2をもとに式13を用いて式15で表される。
式14、式15で得られるフーリエ係数から、F(Z)/Z'は式16に示すフーリエ級数で近似的に展開できる。その結果にZ'の値を乗算すれば、F(Z(X))すなわちF(X)が求まる。
以上のように、撮像素子の画素信号を用いてフーリエ係数を算出し、それらを用いて、式1のフーリエ級数展開とZ'の乗算により被写体の反射分光特性を近似的に算出できる。
As described above, the Fourier coefficient is calculated using the pixel signal of the image sensor, and the reflection spectral characteristic of the subject can be approximately calculated by multiplying the Fourier series expansion of
次に本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの構成とカメラ内の信号処理について説明する。図6は本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの構成図である。このマルチスペクトルカメラは、結像レンズ11と、広帯域光学フィルタ12と、撮像素子13と、信号発生/受信部14と、画像処理部15と、画像メモリー16と、信号出力部17とを備えている。結像レンズ11は、図6では単一のレンズとして描かれているが、複数のレンズの組み合わせであってもよい。広帯域光学フィルタ12は、本実施形態では波長帯域380nm〜760nmの光のみ透過させるように設計されている。撮像素子13は本実施形態ではCMOS型の撮像素子であるが、CCDなどの他の種類のイメージセンサでもよい。信号発生/受信部14は、撮像素子13からの画像信号を受信すると共に撮像素子13を駆動するための信号を撮像素子13に送る。信号発生/受信部14は、例えばCMOSドライバなどのLSIから構成され得る。画像処理部15は信号発生/受信部14からの画像信号を画像メモリー16に送信すると共に画像メモリー16からの画像信号を読み出して処理する。画像処理部15は、例えば公知のデジタル信号処理プロセッサ(DSP)などの信号処理回路と、本実施形態における画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって実現され得る。あるいは、画像処理部15は、専用のハードウェアから構成されていてもよい。本実施形態における信号処理は、画像処理部15における信号処理回路によって実行される。画像メモリー16は、例えばDRAMやSRAMなどの公知の半導体メモリーによって構成され得る。信号出力部17は画像処理部15からの信号を外部に出力する。
Next, the configuration of the multispectral camera and signal processing in the camera according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a configuration diagram of the multispectral camera in the present embodiment. The multispectral camera includes an
被写体からの光のうち、結像レンズ11と広帯域光学フィルタ12により、波長帯域380nm〜760nmの光のみが透過し、撮像素子の撮像部(撮像面)に結像される。図7は被写体からの光が結像レンズ11、広帯域光学フィルタ12を透過して撮像素子13の撮像部(撮像面)13aに結像される様子を模式的に示した図である。結像された画像は撮像素子13で光電変換され電気信号になり、信号発生/受信部14、画像処理部15を介して画像メモリー16に記録される。
Of the light from the subject, only the light in the wavelength band of 380 nm to 760 nm is transmitted by the
画像処理部15は画像メモリー16に記録された画像情報を画素の基本単位ごとに読み出し、信号処理を行う。一例として、以下にX−Rite社製のマクベスカラーチェッカーNo13〜No18の色見本を撮像した場合の被写体の分光特性を算出する撮像及び信号処理シミュレーションを説明する。なお、上記色見本はNo13〜No18の順に青(B)、緑(G)、赤(R)、黄(Ye)、マゼンタ(Mg)、シアン(Cy)である。それらの反射分光特性を図8に示す。同図(a)はNo13〜No15の反射分光特性を示し、番号順に実線、破線、一点鎖線で表している。同図(b)はNo16〜No18の反射分光特性を示し、番号順に実線、破線、一点鎖線で表している。
The
撮像条件は以下のとおりである。光源は色温度5100Kのハロゲン灯を用いた。色フィルタを除く、光源、レンズを含む光学系と撮像素子の分光感度を合わせた分光特性を図9に示す。この特性を撮像光学分光特性と呼び、O(X)で表す。但し、Xは380nmからのシフト波長である。本実施形態では波長帯域380nm〜760nmの範囲を対象にしていることから、Xの取り得る値は0〜380nmである。また色フィルタを含む撮像素子に関する係数について、図3をもとにKa=0.79、PP=0.347とし、Kdは0.96とした。 The imaging conditions are as follows. A halogen lamp with a color temperature of 5100K was used as the light source. FIG. 9 shows the spectral characteristics of the optical system including the light source and lens, excluding the color filter, and the spectral sensitivity of the image sensor. This characteristic is called an imaging optical spectral characteristic and is represented by O (X). However, X is a shift wavelength from 380 nm. In this embodiment, since the wavelength band of 380 nm to 760 nm is targeted, the possible value of X is 0 to 380 nm. Further, with respect to the coefficients relating to the image sensor including the color filter, Ka = 0.79, PP = 0.347, and Kd were 0.96 based on FIG.
以下に、図10を参照しながら、シミュレーションの流れを説明する。但し、事前処理として式7及び式8を波長λで微分し、λ=380+XとしてZ’(=dZ/dX)を算出しておく。
Hereinafter, the flow of simulation will be described with reference to FIG. However, as a pre-process,
まず第1ステップとして、No13〜No18の各色見本を撮像したとして、それらの分光特性と、撮像光学分光特性O(X)と、各色フィルタの分光透過特性との離散的な積分演算を行い、各色見本に関して相対的な信号値E(0)〜E(8)を算出する(S1)。実際の計算では10nm毎の数値データを用いて離散的な積分を行い、1つの色見本につき9個の信号値を算出する。従って、総計6×9=54個の信号値を算出する。 First, as a first step, assuming that each of the color samples No. 13 to No. 18 has been imaged, a discrete integration operation of their spectral characteristics, imaging optical spectral characteristics O (X), and spectral transmission characteristics of each color filter is performed, and each color sample is obtained. Signal values E (0) to E (8) relative to the sample are calculated (S1). In actual calculation, discrete integration is performed using numerical data every 10 nm, and nine signal values are calculated for each color sample. Therefore, a total of 6 × 9 = 54 signal values are calculated.
次に第2のステップとして、算出した信号値E(0)〜E(8)に補正係数Kgを掛ける(S2)。これは図4、図5からわかるように各色フィルタの透過率と波長の関係において、波長λを変数Zに変数変換した場合の波形(図中の破線)が理想とする余弦関数の波形(図中の1点鎖線)より低いことに起因する誤差を補正するために行われる。波長λを変数Zに変数変換した場合の波形(図中の破線)が理想とする余弦関数の波形(図中の1点鎖線)より低いため、信号値E(0)〜E(8)は理想とする信号値より小さいと考えられる。そこで信号を若干増幅すべく補正係数Kgを各信号に掛ける。本実施形態ではその補正係数Kgを1.025とした。 Next, as a second step, the calculated signal values E (0) to E (8) are multiplied by the correction coefficient Kg (S2). As can be seen from FIG. 4 and FIG. 5, in the relationship between the transmittance and wavelength of each color filter, the waveform (dashed line in the figure) when the wavelength λ is converted into the variable Z (the broken line in the figure) is an ideal cosine function waveform (FIG. This is performed in order to correct an error caused by being lower than the middle one-dot chain line). Since the waveform (dashed line in the figure) when the wavelength λ is converted to the variable Z is lower than the ideal cosine function waveform (dashed line in the figure), the signal values E (0) to E (8) are It is considered to be smaller than the ideal signal value. Therefore, each signal is multiplied by a correction coefficient Kg to slightly amplify the signal. In this embodiment, the correction coefficient Kg is 1.025.
第3のステップとして、補正係数Kgを掛けた結果を新たに信号値E(0)〜E(8)とし、式14、式15を用いて各色見本のフーリエ係数a(0)〜a(8)を算出する(S3)。図11(a)に補正係数Kgを掛けた後の信号値E(0)〜E(8)を示し、図11(b)に算出したフーリエ係数a(0)〜a(8)を示す。但し、これらの数値は計算上の相対値である。
As a third step, the result of multiplying the correction coefficient Kg is newly set as signal values E (0) to E (8), and the Fourier coefficients a (0) to a (8) of each color
第4ステップとして、算出したフーリエ係数a(0)〜a(8)を用いて、F(Z)/Z’をフーリエ級数に展開する(S4)。第5ステップとして、展開されたフーリエ級数にZ’を掛けて、F(Z(X))すなわちF(X)を算出する(S5)。算出されたF(X)は撮像画像のスペクトルであるが、これには上記で説明した撮像光学分光特性を含んでいる。そこで、第6ステップでF(X)をさらにO(X)で除算し、被写体の分光特性を算出する(S6)。 As a fourth step, F (Z) / Z ′ is expanded into a Fourier series using the calculated Fourier coefficients a (0) to a (8) (S4). As a fifth step, F (Z (X)), that is, F (X) is calculated by multiplying the expanded Fourier series by Z '(S5). The calculated F (X) is the spectrum of the captured image, which includes the imaging optical spectral characteristics described above. Therefore, in the sixth step, F (X) is further divided by O (X) to calculate the spectral characteristics of the subject (S6).
算出した被写体の分光特性を図12(a)に示し、被写体であるカラーチェッカの実際の分光特性を図12(b)に示す。図12(a)および(b)の中で、太い実線は青(算出結果:Cal_No13、実際の特性:No13)、太い破線は緑(算出結果:Cal_No14、実際の特性:No14)、太い一点鎖線は赤(算出結果:Cal_No15、実際の特性:No15)、細い実線は黄(算出結果:Cal_No16、実際の特性:No16)、細い破線はマゼンタ(算出結果:Cal_No17、実際の特性:No17)、細い一点鎖線はシアン(算出結果:Cal_No18、実際の特性:No18)のカラーチェッカの分光特性を表している。図12において波長範囲は400nm〜700nmであるが、算出した被写体の分光特性はカラーチェッカの分光特性と概ね同じであることがわかる。 FIG. 12A shows the calculated spectral characteristics of the subject, and FIG. 12B shows the actual spectral characteristics of the color checker that is the subject. In FIGS. 12A and 12B, the thick solid line is blue (calculation result: Cal_No13, actual characteristic: No13), the thick broken line is green (calculation result: Cal_No14, actual characteristic: No14), and the thick one-dot chain line Is red (calculation result: Cal_No15, actual characteristic: No15), thin solid line is yellow (calculation result: Cal_No16, actual characteristic: No16), thin broken line is magenta (calculation result: Cal_No17, actual characteristic: No17), thin A one-dot chain line represents a spectral characteristic of a color checker of cyan (calculation result: Cal_No18, actual characteristic: No18). In FIG. 12, although the wavelength range is 400 nm to 700 nm, it can be seen that the calculated spectral characteristics of the subject are substantially the same as the spectral characteristics of the color checker.
最後に、算出した被写体の分光特性から、予め指定された波長における分光特性値を取り出し、それらのデータを画素信号とした特定波長画像と、画素の基本単位毎に画素信号の平均値を算出し、それらを画素信号とした白黒画像とを、信号出力部17から外部に出力する(S7)。このようにして、画像処理部15から信号出力部17を介して特定波長画像と白黒画像が出力される。指定波長を変えることにより、設定された計測波長帯域内の全ての画像を得ることができる。また、出力される白黒画像については、撮像素子13の画素には分光透過率のピークを複数有する色フィルタが多数配置されているため、分光透過率のピークを1つしか有していない従来のRGBフィルタを用いた場合よりも光利用率が高く、それ故、画像の明度が高い。
Finally, from the calculated spectral characteristics of the subject, spectral characteristic values at pre-specified wavelengths are extracted, and a specific wavelength image using these data as pixel signals and the average value of the pixel signals for each basic unit of the pixel are calculated. Then, a black and white image using these as pixel signals is output to the outside from the signal output unit 17 (S7). In this way, the specific wavelength image and the monochrome image are output from the
以上のように、本実施形態のマルチスペクトルカメラでは、N=8として、所定の波長帯域において透過率のピークあるいはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数を合わせた総ピーク数が異なる第1〜第8の光学フィルタが用いられる。前記第1〜第8のフィルタは、前記所定の波長帯域における波長λと各々の透過率Yとの関係において、前記波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して前記透過率Yが周期的に変化する。さらに、前記第1〜第8のフィルタ夫々が対応(対向)して配置された第1の光感知セル〜第8の光感知セルと、前記第1〜第8の光学フィルタのいずれも配置されていない無フィルタ光感知セルとを画素単位とする撮像素子が用いられる。前記無フィルタ光感知セル及び前記第1の光感知セル〜第8の光感知セルからの9個の光電変換信号E(0)〜E(8)と、独立変数を前記変数Zとする8種類の周期関数AC(1,X)〜AC(8,X)と、前記波長λの微小変化(シフト波長Xの微小変化と等価)に対する前記変数Zの変化値(Z’=dZ/dX)とを用いて、撮像画像の分光特性(すなわち、波長ごとの強度分布)を算出できる。さらに、算出した分光特性を撮像光学系の分光特性で除算することにより、被写体の反射分光特性を算出できる。また、透過率のピークを複数有する光学フィルタが用いられるため、カメラから得られる撮像画像の明度が高いという長所を有する。 As described above, in the multispectral camera of the present embodiment, N = 8, and there is at least one transmittance peak or under peak in a predetermined wavelength band, and the number of peaks and the number of under peaks are set as follows. First to eighth optical filters having different total peak numbers are used. In the first to eighth filters, in the relationship between the wavelength λ and the respective transmittance Y in the predetermined wavelength band, the transmittance Y is periodic with respect to the change of the variable Z associated with the wavelength λ. Changes. Further, any of the first photosensitive cell to the eighth photosensitive cell in which each of the first to eighth filters is arranged correspondingly (opposed) and the first to eighth optical filters are arranged. An image sensor is used in which the unfiltered light-sensitive cell that is not used is a pixel unit. Nine photoelectric conversion signals E (0) to E (8) from the non-filter photosensitive cell and the first photosensitive cell to the eighth photosensitive cell, and eight types with the independent variable as the variable Z And a change value (Z ′ = dZ / dX) of the variable Z with respect to a minute change of the wavelength λ (equivalent to a minute change of the shift wavelength X), and a periodic function AC (1, X) to AC (8, X) of Can be used to calculate the spectral characteristics of the captured image (that is, the intensity distribution for each wavelength). Further, the reflection spectral characteristic of the subject can be calculated by dividing the calculated spectral characteristic by the spectral characteristic of the imaging optical system. In addition, since an optical filter having a plurality of transmittance peaks is used, the captured image obtained from the camera has a high brightness.
本実施形態では、特に、第1から第Nの光学フィルタのうち、第i(iは1以上でN以下の整数)の光学フィルタは総ピーク数がi+1である。そして、演算に用いられるN種類の周期関数は、所定周波数の1倍からN倍までの整数倍の周波数のいずれかを有するN個の余弦関数cos(iZ)である。なお、前述の説明では、余弦関数cos(iπZ/W)という表現を用いたが、Zは波長λと関係づけられた変数であればよいため、前述のπZ/Wを改めてZと表すことができる。このように書き替えると、前述の余弦関数はcos(iZ)と表される。 In the present embodiment, among the first to Nth optical filters, the i-th (i is an integer not less than 1 and not more than N) optical filter has a total peak number of i + 1. The N types of periodic functions used in the calculation are N cosine functions cos (iZ) having a frequency that is an integral multiple of 1 to N times a predetermined frequency. In the above description, the expression cosine function cos (iπZ / W) is used. However, since Z may be a variable related to the wavelength λ, the above-described πZ / W may be expressed as Z again. it can. When rewritten in this way, the aforementioned cosine function is expressed as cos (iZ).
画像処理部15における信号処理回路は、無フィルタ光感知セルの光電変換信号をE(0)、前記第iの光感知セルの光電変換信号をE(i)として、E(0)に第1の定数k1(前述の例では、2/WKd)を乗算した結果a(0)と、E(i)に第2の定数k2(前述の例では2)を乗算した結果からE(0)に第3の定数を乗算した結果(前述の例では、2(Ka/Kd))を減算し、さらに第4の定数(PP)で除算した結果a(i)に前記余弦関数cos(iZ)を乗算したa(i)cos(iZ)と、を用いて、a(0)とa(1)cos(Z)〜a(N)cos(NZ)の全てとを加算した結果に、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値を乗算することにより、被写体の反射分光特性を算出する。
The signal processing circuit in the
信号処理回路は、図10のステップS2に示すように、前記第1から第Nの光感知セルからの光電変換信号に第5の定数(Kg)を乗算することによって、信号値を補正してもよい。 As shown in step S2 of FIG. 10, the signal processing circuit corrects the signal value by multiplying the photoelectric conversion signal from the first to Nth photosensitive cells by a fifth constant (Kg). Also good.
なお、本実施形態では画素の基本単位を3×3の9画素としたが、これに限定されるものではない。例えば、U×V(U、Vは、互いに異なる自然数)の整数画素を基本単位にしても問題ない。さらに、被写体の分光特性の波形(交流成分)だけを計測するのであれば、画素の基本単位に、分光特性の直流成分の算出に関係する、色フィルタが配置されない画素(無フィルタ光感知セル)を含まなくても良い。その場合、画素単位に含まれる光感知セルの数と、それらに対向する光学フィルタの数とは、一致する。また、上記無フィルタ光感知セルの代わりに、第1〜第Nの光学フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有する光学フィルタが対向して配置された透過率平均化光感知セルを含んでいても良い。高屈折率材料では、波長によって屈折率が大きく変化する。そのような材料では、ピークとアンダーピークの平均の透過率が長波長側で高くなる。その影響を除去するため、全ピークおよび全アンダーピークの平均の透過率を有するフィルタを設けてもよい。また、色フィルタについても単層膜に限らず、複数層の膜で構成してもよい。透過率において総ピーク数が異なる光学フィルタ群を有し、全ての光学フィルタが波長λと各々の透過率Yの関係において、波長λと関係付けた変数Zの変化に対して透過率Yが周期的に変化すれば、色フィルタの構成は任意である。加えて、変数Zと波長λの関係に関して、本実施形態では式7と式8で近似表現したが、これに限定するものではなく、スプライン関数等を用いた別な近似式を用いても問題はない。また、撮像素子の構造に関して、本実施形態では各画素にマイクロレンズを配置していないが、撮像素子の感度向上のためにマイクロレンズを配置してもよい。また、カメラ内の信号処理に関して、画素の基本単位毎に信号を処理したが、隣接する基本単位の画素信号も使い、偽色の防止を図っても構わない。このように、信号処理回路は、画素単位ごとに信号処理を行うとともに、隣接する画素単位からの光電変換信号を利用して補間情報を生成してもよい。さらに、本実施形態では、計測波長帯域を380nm〜760nmに設計したが、これに限るものではなく、さらに範囲の広い波長帯域であっても構わない。また上記説明では、暗黙に色フィルタ自体着色がなく、屈折率も波長に関係なく一定としたが、実際は微妙に着色し、屈折率が波長により若干変化することが原因で短波長側においてピークとアンダーピークの差が変化する、あるいは平均的な透過率が下がる等の問題がある。そこで上記処理の第6ステップ(S6)の後で、それらの問題に対応する補正係数を用いて、被写体の反射分光特性をさらに補正してもよい。そのような補正係数は、短波長の領域における光の透過率の減衰による影響と、透過率の振幅が波長によって異なることによる影響とを打ち消すように設定される。
In this embodiment, the basic unit of pixels is 9 × 3 × 3 pixels, but is not limited to this. For example, there is no problem even if an integer pixel of U × V (U and V are natural numbers different from each other) is used as a basic unit. Further, if only the spectral characteristic waveform (AC component) of the subject is to be measured, a pixel in which a color filter is not arranged (filter-free photosensitive cell) related to the calculation of the DC component of the spectral characteristic in the basic unit of the pixel. May not be included. In that case, the number of photosensitive cells included in the pixel unit and the number of optical filters opposed to them coincide. Further, in place of the non-filter photosensitive cell, a transmittance averaged photosensitive cell in which optical filters having transmittances between the peak and under peak in the first to Nth optical filters are arranged to face each other is included. You can leave. In a high refractive index material, the refractive index varies greatly depending on the wavelength. In such a material, the average transmittance of the peak and the under peak is increased on the long wavelength side. In order to remove the influence, a filter having an average transmittance of all peaks and all under peaks may be provided. Further, the color filter is not limited to a single layer film, and may be composed of a plurality of layers. There are optical filter groups having different total number of peaks in the transmittance, and in the relationship between the wavelength λ and the respective transmittance Y, all the optical filters have a cycle of the transmittance Y with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ. Therefore, the configuration of the color filter is arbitrary. In addition, regarding the relationship between the variable Z and the wavelength λ, in the present embodiment, the approximate expression is expressed by
(実施形態2)
次に本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態は、上記第1の実施形態と撮像素子やカメラの構成は同じであるが、画像処理部にカラー画像を作成するための3種類の色フィルタの分光特性データを有している。それら色フィルタの分光特性を図13に示す。同図において、点線がR(赤)フィルタの分光特性、破線がG(緑)フィルタの分光特性、1点鎖線がB(青)フィルタの分光特性である。(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment has the same image sensor and camera configuration as the first embodiment, but has spectral characteristic data of three types of color filters for creating a color image in the image processing unit. The spectral characteristics of these color filters are shown in FIG. In the figure, the dotted line is the spectral characteristic of the R (red) filter, the broken line is the spectral characteristic of the G (green) filter, and the dashed line is the spectral characteristic of the B (blue) filter.
本実施形態では、被写体の分光特性を算出する処理までは第1の実施形態と同じで、その後、被写体の分光特性に上記色フィルタの分光特性を掛け合わせ、R信号、G信号、B信号を算出する処理を有する。該処理の後、算出されたRGB信号からカラー画像を作り出し、信号出力部から外部に出力する。通常、カラー画像を出力するカラーカメラでは、赤外カットフィルタが必要であるが、本実施形態では、赤外カットフィルタを必要としないという特長がある。また、色フィルタについても、通常、透過率が負の値を取ることはできないが、本実施形態では、色フィルタの透過率において部分的に負の特性を有しており、その結果、視感度上好ましいカラー画像を作ることができる。但し、RGB信号として算出した結果、負信号になれば、強制的に信号値を0にする処理を入れる。 In this embodiment, the processing up to the calculation of the spectral characteristics of the subject is the same as in the first embodiment. Thereafter, the spectral characteristics of the subject are multiplied by the spectral characteristics of the color filter, and the R signal, G signal, and B signal are obtained. It has processing to calculate. After the processing, a color image is created from the calculated RGB signals and output from the signal output unit to the outside. Normally, a color camera that outputs a color image requires an infrared cut filter, but this embodiment has a feature that an infrared cut filter is not required. Also, the transmittance of the color filter usually cannot take a negative value, but in the present embodiment, the transmittance of the color filter has a partial negative characteristic. A preferable color image can be produced. However, if the result of calculation as an RGB signal is a negative signal, a process for forcibly setting the signal value to 0 is performed.
以上のように、本実施形態のマルチスペクトルカメラでは、内部に3種類の色フィルタの分光特性データを有し、算出した被写体の分光特性にそれらを掛け合わせることにより、カラー信号を作ることができる。すなわち、本実施形態における信号処理回路は、複数の色フィルタの分光特性を示すデータを用いて、算出した撮像画像の分光特性を示す関数と色フィルタの分光特性を示す関数とを積分演算することにより、カラー信号を算出する。赤外カットフィルタを用いることなくカラー画像を生成できるという利点がある。また、負の分光特性を有する色フィルタも計算上利用可能である。このため、これまでにない色再現の範囲が広いカラー画像を提供できるという効果も有する。 As described above, the multispectral camera according to the present embodiment has spectral characteristic data of three types of color filters inside, and a color signal can be generated by multiplying the calculated spectral characteristics of the subject. . That is, the signal processing circuit in the present embodiment uses the data indicating the spectral characteristics of the plurality of color filters to perform an integral operation on the calculated function indicating the spectral characteristics of the captured image and the function indicating the spectral characteristics of the color filter. Thus, a color signal is calculated. There is an advantage that a color image can be generated without using an infrared cut filter. Also, a color filter having negative spectral characteristics can be used for calculation. For this reason, there is an effect that it is possible to provide a color image with an unprecedented color reproduction range.
なお、本実施形態では、3種類の色フィルタの分光特性データをカメラ内部に保持したが、これに限るものではなく、4種類以上の色フィルタの分光特性データを保持しても構わない。各色フィルタの分光特性データは、カメラ内のメモリ等の記録媒体に格納され、信号処理回路がそのデータを読み出して上記処理が行われ得る。 In the present embodiment, the spectral characteristic data of three types of color filters are held in the camera. However, the present invention is not limited to this, and spectral characteristic data of four or more types of color filters may be held. The spectral characteristic data of each color filter is stored in a recording medium such as a memory in the camera, and the signal processing circuit can read the data and perform the above processing.
(実施形態3)
続いて、第3の実施形態を説明する。本実施形態におけるマルチスペクトルカメラは、撮像素子における撮像面が複数の撮像領域に分かれており、それらの撮像領域に対向して複数の光学系(例えばレンズ)が配置されている点で、実施形態1、2と異なる。各撮像領域は、多数の光感知セル(光感知セル群と称する。)を含む。撮像領域の数をN+1個とすると、そのうちのN個の撮像領域と、それらに対向するN個の光学系との間に、N個の光学フィルタがそれぞれ配置されている。それらのN個の光学フィルタは、実施形態1、2において説明したN個の光学フィルタ(色フィルタ)と同様の特性を有する。(Embodiment 3)
Subsequently, a third embodiment will be described. The multispectral camera according to the present embodiment is an embodiment in that the imaging surface of the imaging device is divided into a plurality of imaging regions, and a plurality of optical systems (for example, lenses) are arranged facing the imaging regions. Different from 1 and 2. Each imaging region includes a large number of photosensitive cells (referred to as photosensitive cell groups). Assuming that the number of imaging areas is N + 1, N optical filters are respectively arranged between N imaging areas of the imaging areas and N optical systems facing the imaging areas. These N optical filters have the same characteristics as the N optical filters (color filters) described in the first and second embodiments.
本実施形態におけるマルチスペクトルカメラは、1つの被写体を複数の光学系を用いて撮影する。各々の光学系を介してほぼ同一の撮影画像が得られることを前提として、N+1個の光学系が配列された複眼光学系と、N+1の光感知セル群(上記の撮像領域)を含む撮像素子と、少なくともN個の光学フィルタとが用いられる。それら光学フィルタは、複眼光学系に含まれる複数の光学系にそれぞれ対応して配置される。各光学フィルタは、実施形態1における光学フィルタと同様、所定の波長帯域(例えば、380nm〜760nm)において透過率のピークあるいはアンダーピークを1つ以上有する。第1〜第Nの光学フィルタ(色フィルタ)は、前記ピークの数と前記アンダーピークの数を合わせた総ピーク数が異なっている。すなわち、被写体を撮像した場合、N種類の色フィルタを介して撮像されたN個の画像と色フィルタを介さず撮影された1つの画像とが得られる。色フィルタによる減衰を考慮しなければ、それらは全て同一の画像であるものとする。但し、N種類の色フィルタの透過率は、波長が短くなるにつれて全体的に減衰する場合がある。そのような場合は、当該減衰特性と同様の減衰特性を有する光学フィルタ(以下、平均化フィルタと呼ぶ)を色フィルタが配置されていない光学系に対向して配置してもよい。その場合、平均化フィルタを介した画像も得られる。平均化フィルタは、第1〜第Nの色フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有するといえる。平均化フィルタを透過した光を受ける光感知セル群を、「透過率平均化光感知セル群」と称する。一方、平均化フィルタが配置されない場合、いずれのフィルタも介さずに入射する光を受ける光感知セル群を、「無フィルタ光感知セル群」と称する。 The multispectral camera in the present embodiment photographs one subject using a plurality of optical systems. An imaging device including a compound-eye optical system in which N + 1 optical systems are arranged and N + 1 photosensitive cell groups (the above-described imaging regions) on the premise that substantially the same captured image can be obtained through each optical system. And at least N optical filters. These optical filters are respectively arranged corresponding to a plurality of optical systems included in the compound-eye optical system. Each optical filter has one or more transmittance peaks or under peaks in a predetermined wavelength band (for example, 380 nm to 760 nm), similarly to the optical filter in the first embodiment. The first to Nth optical filters (color filters) differ in the total number of peaks, which is the sum of the number of peaks and the number of underpeaks. That is, when the subject is imaged, N images captured through N types of color filters and one image captured without passing through the color filters are obtained. If attenuation by the color filter is not considered, they are all assumed to be the same image. However, the transmittance of the N types of color filters may attenuate as a whole as the wavelength becomes shorter. In such a case, an optical filter having an attenuation characteristic similar to the attenuation characteristic (hereinafter referred to as an averaging filter) may be arranged to face the optical system in which no color filter is arranged. In that case, an image through an averaging filter is also obtained. It can be said that the averaging filter has a transmittance between the peak and the under peak in the first to Nth color filters. The photosensitive cell group that receives the light transmitted through the averaging filter is referred to as “transmittance averaged photosensitive cell group”. On the other hand, when the averaging filter is not disposed, a photosensitive cell group that receives incident light without passing through any filter is referred to as an “unfiltered photosensitive cell group”.
以下の説明において、第Nの画素という表現は第Nの画素群の総称である一方、画像内の同一位置の画素を指す場合もある。この場合、第1から第Nの画素は、それぞれの画像内の同一位置の画素である。ここで、画像内の同一位置の画素は、第1から第Nの画素と、色フィルタを配置していない画素群における同一位置の画素とを表す。 In the following description, the expression “Nth pixel” is a general term for the Nth pixel group, and may refer to a pixel at the same position in the image. In this case, the first to Nth pixels are pixels at the same position in each image. Here, the pixels at the same position in the image represent the first to Nth pixels and the pixels at the same position in the pixel group in which no color filter is arranged.
以下、本実施形態の詳細を説明する。 Details of this embodiment will be described below.
まず本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの撮像素子について説明する。本実施形態では9つの光学系から成る複眼光学系を有する2次元の撮像素子が用いられる。図14は、撮像素子13の構造を示している。図14(a)は複眼光学系を含む撮像素子13の平面図である。本実施形態の撮像素子は水平方向に3つ、垂直方向に3つの合計9つの結像レンズ20を有している。その内の8つの結像レンズ20の直下には色フィルタが配置されている。図14(a)におけるA−A’線断面を図14(b)に、B−B’線断面を図2(c)に、C−C’線断面を図14(d)に示す。図14に示すように、撮像素子13は、色フィルタ1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1hと、光感知セル群2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2zとを有する。撮像素子13の表面には複数の光感知セル群2a〜2zが2次元状に配列されている。なお、同図から分かるように光感知セル群2z上には色フィルタが無い。光感知セル群2zは結像レンズによる画像を直接光電変換する。
First, the image sensor of the multispectral camera in this embodiment will be described. In this embodiment, a two-dimensional image sensor having a compound eye optical system composed of nine optical systems is used. FIG. 14 shows the structure of the
撮像素子13への結像は、色フィルタ1a〜1hを通して、あるいは直接光感知セルで光電変換される。図14では省略されているが、光電変換信号は、配線層を通して撮像素子から電気信号として読み出される。なお、被写体は撮像素子13から十分離れており、9つの結像レンズ20による光感知セル群2a〜2zにおける画像は、光学フィルタ1a〜1hの透過特性の違いを無視すれば、ほぼ同一である。さらに光感知セル群2a〜2zは同じ画素数で同じサイズを有する。すなわち、それらの光感知セル群から読み出された画像もほぼ同一である。もし複眼光学系の個々の光学系に光学的な歪みがある場合は、それに起因する画像の歪を補正する処理を画像処理部(信号処理回路)が行ってもよい。本実施形態における色フィルタ1a〜1hは、実施形態1、2における色フィルタ1a〜1hとサイズは異なるが同じ特性を有する。
The image formation on the
次に撮像素子13の画素信号について説明する。ここでは、光感知セル群2a〜2hの順にそれら光感知セル群における同一場所の画素を第1〜第8の画素と称し、それらの画素信号をE(1)〜E(8)で表す。また、光感知セル群2zにおける上記同一場所の画素を第9の画素と称し、その画素信号をE(0)で表す。すると、実施形態1において説明した式9〜式15の処理がそのまま適用でき、被写体の反射分光特性を近似的に算出できる。
Next, pixel signals of the
次に、本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの構成とカメラ内の信号処理について説明する。図15は、本実施形態におけるマルチスペクトルカメラの構成図である。本実施形態のマルチスペクトルカメラは、撮像素子13に対向して9個の光学フィルタ1および9個の結像レンズ20が配置されている点を除き、実施形態1、2と同様の構成を有する。このため、重複する構成要素の説明は省略する。
Next, the configuration of the multispectral camera and signal processing in the camera according to the present embodiment will be described. FIG. 15 is a configuration diagram of the multispectral camera in the present embodiment. The multispectral camera of the present embodiment has the same configuration as that of the first and second embodiments except that nine
被写体からの光のうち、広帯域光学フィルタ12により、波長帯域380nm〜760nmの光のみが透過し、9つの結像レンズ20により撮像素子13の撮像部(撮像面)に結像される。図16は被写体からの光が広帯域光学フィルタ12、9つの結像レンズ20を透過して撮像素子13の撮像部13aに結像される様子を模式的に示した図である。なお、撮像部は9つの結像レンズ20に対応して、仮想的に9つの撮像領域(2a〜2hと2z)に分割される。結像された画像は撮像素子13で光電変換され電気信号になり、信号発生/受信部14、画像処理部15を介して画像メモリー16に記録される。
Of the light from the subject, only the light in the wavelength band of 380 nm to 760 nm is transmitted by the broadband
画像処理部15は画像メモリー16に記録された画像情報を画素の仮想的な9つの撮像領域毎に読み出し、信号処理を行う。この信号処理は、実施形態1において説明した処理と同じである。また、実施形態2において説明した処理を適用してもよい。
The
以上のように、本実施形態のマルチスペクトルカメラでは、9つの光学系から成る複眼光学系と、所定の波長帯域において透過率のピークあるいはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数を合わせた総ピーク数が異なる第1〜第8の光学フィルタとが用いられる。前記第1〜第8のフィルタは、前記所定の波長帯域における波長λと各々の透過率Yの関係において、前記波長λと関係付けた変数Zの単調増加に対して前記透過率Yが周期的に変化する。さらに、前記第1〜第8のフィルタ夫々が対応して配置された第1の光感知セル群〜第8の光感知セル群と、前記第1〜第8の光学フィルタのいずれも配置されていない無フィルタ光感知セル群とを有する撮像素子が用いられる。前記無フィルタ光感知セル及び前記第1の光感知セル〜第8の光感知セルからの9個の光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出できる。さらに、算出した分光特性を撮像光学系の分光特性で除算することにより、被写体の反射分光特性を算出できる。また、透過率のピークを複数有する光学フィルタが用いられるため、カメラから得られる撮像画像としても明度が高いという長所を有する。 As described above, the multispectral camera according to the present embodiment has a compound-eye optical system including nine optical systems, one or more transmittance peaks or under peaks in a predetermined wavelength band, and the number of the peaks. The first to eighth optical filters having different total peaks combined with the number of under peaks are used. In the first to eighth filters, in the relationship between the wavelength λ and the respective transmittance Y in the predetermined wavelength band, the transmittance Y is periodic with respect to the monotonous increase of the variable Z associated with the wavelength λ. To change. Further, any of the first photosensitive cell group to the eighth photosensitive cell group in which the first to eighth filters are respectively arranged correspondingly and the first to eighth optical filters are also disposed. An image sensor having no filter-free photosensitive cell group is used. Nine photoelectric conversion signals from the non-filter photosensitive cell and the first to eighth photosensitive cells, N types of periodic functions having the independent variable Z as the variable Z, and the wavelength λ Using the change value of the variable Z with respect to a minute change, the spectral characteristic of the captured image can be calculated. Further, the reflection spectral characteristic of the subject can be calculated by dividing the calculated spectral characteristic by the spectral characteristic of the imaging optical system. Further, since an optical filter having a plurality of transmittance peaks is used, the captured image obtained from the camera has an advantage of high brightness.
なお、本実施形態では3×3の9つのレンズを用いた複眼光学系と8つの色フィルタとを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、図17に示すように、通常の単眼白黒カメラ21の前面に、色フィルタが無い凹レンズと色フィルタ1a〜1hが各々装着された8つの凹レンズとを含む凹レンズアレイ22を配置した構成でも良い。凹レンズアレイ22は、偏心のある凹レンズを含んでいてもよい。但し、そのような構成において、画像の複数個所で凹レンズによる歪みが有る場合や画像位置がずれる場合、それらの画像補正を行う必要がある。このような構成では、図17に示すように、凹レンズアレイ22と撮像素子13との間に比較的大型の結像レンズ23が配置され得る。このような結像レンズ23は、各凹レンズによって広がった光を、その凹レンズに対応する撮像素子上の画素領域に集束させる。なお、凹レンズに偏心を持たせるのは、光学的に結像の位置をずらすことにより、その凹レンズに対応する撮像領域内に適切に像を形成するためである。その他の例として、通常の単眼白黒カメラの前面に、色フィルタが無い凸レンズと色フィルタ1a〜1hが各々装着された8つの凸レンズとを含む9つの凸レンズアレイを配置した構成でも良い。但し、その場合、画像の複数個所で凸レンズによる歪みが有る場合や画像位置がずれる場合、それらの画像補正を行う必要がある。この場合も、凸レンズに偏心を持たせるのは、光学的に結像の位置をずらすことにより、その凸レンズに対応する撮像領域内に適切に像を形成するためである。
In the present embodiment, a compound-eye optical system using nine 3 × 3 lenses and eight color filters are used, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 17, a configuration in which a
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のマルチスペクトルカメラを含む。 As described above, the present disclosure includes the multispectral cameras described in the following items.
[項目1]
複数の画素単位が撮像面に2次元的に配列された撮像素子であって、各画素単位は第1から第N(Nは2以上の整数)の光感知セルを含み、各光感知セルは受光量に応じた光電変換信号を出力する、撮像素子と、
前記第1から第Nの光感知セルにそれぞれ対向して配置された第1から第Nの光学フィルタであって、各々が所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、
前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化し、
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セルからのN個の光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する、
マルチスペクトルカメラ。[Item 1]
An imaging device in which a plurality of pixel units are two-dimensionally arranged on the imaging surface, each pixel unit including first to Nth (N is an integer of 2 or more) photosensitive cells, An image sensor that outputs a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light; and
1st to Nth optical filters disposed respectively facing the first to Nth photosensitive cells, each having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band And the first to Nth optical filters having different total peak numbers in which the number of peaks and the number of underpeaks are combined,
A signal processing circuit for processing photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells;
With
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters periodically changes with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ in the predetermined wavelength band,
The signal processing circuit includes N photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells, N types of periodic functions having the independent variable as the variable Z, and the variable for the minute change in the wavelength λ. Calculate the spectral characteristics of the captured image using the change value of Z.
Multispectral camera.
[項目2]
前記画素単位は、前記第1から第Nの光感知セルと、前記第1から第Nの光学フィルタのいずれにも対応して配置されていない無フィルタ光感知セルまたは前記第1から第Nの光学フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有する光学フィルタが配置された透過率平均化光感知セルとを含み、
前記信号処理回路は、前記無フィルタ光感知セルまたは前記透過率平均化光感知セルからの光電変換信号をさらに用いて、前記分光特性を算出する、項目1に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 2]
The pixel unit may be an unfiltered photosensitive cell that is not arranged corresponding to any of the first to Nth photosensitive cells and the first to Nth optical filters, or the first to Nth photosensitive cells. A transmittance averaged photosensitive cell in which an optical filter having a transmittance intermediate between the peak and the under peak in the optical filter is disposed;
The multispectral camera according to
[項目3]
所定の波長帯域の光のみ透過させる帯域透過フィルタをさらに備え、
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N個の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性を、前記第1から第Nの光学フィルタを除く撮像光学系の分光特性で除算することにより、前記撮像光学系の影響を除いた撮像画像の分光特性を算出する、項目1または2に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 3]
A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit captures spectral characteristics of a captured image calculated using the N photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band-pass filter, excluding the first to Nth optical filters.
[項目4]
前記第1から第Nの光学フィルタのうち、第i(iは1以上でN以下の整数)の光学フィルタは前記総ピーク数がi+1であって、前記N種類の周期関数は、所定周波数の1倍からN倍までの整数倍の周波数のいずれかを有するN個の余弦関数cos(iZ)である、項目1から3のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 4]
Of the first to N-th optical filters, the i-th (i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N) optical filter has a total peak number of i + 1, and the N types of periodic functions have a predetermined frequency.
[項目5]
前記信号処理回路は、前記無フィルタ光感知セルまたは前記透過率平均化光感知セルの光電変換信号をE(0)、前記第iの光感知セルの光電変換信号をE(i)として、
E(0)に第1の定数k1を乗算した結果a(0)と、E(i)に第2の定数k2を乗算した結果からE(0)に第3の定数を乗算した結果を減算し、さらに第4の定数を除算した結果a(i)に前記余弦関数cos(iZ)を乗算したa(i)cos(iZ)と、を用いて、
a(0)とa(1)cos(Z)〜a(N)cos(NZ)の全てとを加算した結果に前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値を乗算することにより、前記撮像画像の前記分光特性を算出する、項目2に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 5]
The signal processing circuit has E (0) as the photoelectric conversion signal of the non-filtered photosensitive cell or the transmittance averaged photosensitive cell, and E (i) as the photoelectric conversion signal of the i-th photosensitive cell.
The result a (0) obtained by multiplying E (0) by the first constant k1 and the result obtained by multiplying E (0) by the third constant are subtracted from the result obtained by multiplying E (i) by the second constant k2. And a (i) cos (iZ) obtained by multiplying the result a (i) obtained by dividing the fourth constant by the cosine function cos (iZ),
By multiplying the result of adding a (0) and all of a (1) cos (Z) to a (N) cos (NZ) by the change value of the variable Z with respect to the minute change of the wavelength λ,
[項目6]
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セルからの光電変換信号に第5の定数を乗算することにより、前記第1から第Nの光感知セルからの光電変換信号を補正する、項目5に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 6]
The signal processing circuit corrects photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells by multiplying photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells by a fifth constant.
[項目7]
各画素単位において、前記無フィルタ光感知セルまたは前記透過率平均化光感知セルを中心に、その周辺に前記第1から第Nの光感知セルが配置されている、項目2、5、または6のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 7]
[項目8]
前記信号処理回路は、前記画素単位ごとに信号処理を行うと共に、隣接する画素単位からの光電変換信号を利用して補間情報も生成する、項目7に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 8]
[項目9]
前記撮像素子は、前記画素単位ごとに配置された複数のマイクロレンズを有する、項目7または8に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 9]
[項目10]
前記信号処理回路は、複数の色フィルタの分光特性を示すデータを用いて、算出した前記撮像画像の前記分光特性を示す関数と前記色フィルタの分光特性を示す関数とを積分演算することにより、カラー信号を算出する、項目1から9のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 10]
The signal processing circuit uses data indicating spectral characteristics of a plurality of color filters to perform an integral operation on the calculated function indicating the spectral characteristics of the captured image and the function indicating the spectral characteristics of the color filter. The multispectral camera according to any one of
[項目11]
N+1個(Nは2以上の整数)の光学系を含む複眼光学系と、
所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、
前記第1から第Nの光学フィルタにそれぞれ対向する第1から第Nの光感知セル群を有し、各光感知セルは受光量に応じた光電変換信号を出力する、撮像素子と、
前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化し、
前記第1から第Nの光学フィルタは、前記複眼光学系における前記N+1個の光学系のうちのN個の光学系にそれぞれ対向して配置され、
前記撮像素子は、さらに前記第1から第Nの光学フィルタのいずれもが対向して配置されていない無フィルタ光感知セル群、または前記第1から第Nの光学フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有する光学フィルタが対向して配置された透過率平均化光感知セル群を有し、
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セル群からのN種類の光電変換信号と、前記無フィルタ光感知セル群からの光電変換信号または前記透過率平均化光感知セル群からの光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する、
マルチスペクトルカメラ。[Item 11]
A compound eye optical system including N + 1 (N is an integer of 2 or more) optical systems;
1st to Nth optical filters having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and having different total peaks combined with the number of peaks and the number of underpeaks;
An imaging device having first to Nth photosensitive cell groups opposed to the first to Nth optical filters, each of the photosensitive cells outputting a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light;
A signal processing circuit for processing photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells;
With
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters periodically changes with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ in the predetermined wavelength band,
The first to Nth optical filters are respectively arranged to face N optical systems of the N + 1 optical systems in the compound eye optical system,
The image pickup device further includes an unfiltered photosensitive cell group in which none of the first to Nth optical filters are arranged to face each other, or an intermediate between a peak and an under peak in the first to Nth optical filters. A transmittance averaged photosensitive cell group disposed oppositely with an optical filter having a transmittance of
The signal processing circuit includes N types of photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cell groups, a photoelectric conversion signal from the non-filter photosensitive cell group, or the transmittance averaged photosensitive cell group. A spectral characteristic of the captured image is calculated using a photoelectric conversion signal of N, a periodic function of N types having an independent variable as the variable Z, and a change value of the variable Z with respect to a minute change of the wavelength λ.
Multispectral camera.
[項目12]
所定の波長帯域の光のみ透過させる帯域透過フィルタをさらに備え、
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N種類の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性に対して、前記第1から第Nの光学フィルタの透過率のピークまたはアンダーピークが波長変化に対して減衰または増加する場合、前記減衰または増加を補正した撮像画像の分光特性を算出する、項目11に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 12]
A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit has the first to Nth optical filters for the spectral characteristics of the captured image calculated using the N types of photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band pass filter.
[項目13]
所定の波長帯域の光のみ透過させる帯域透過フィルタをさらに備え、
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N種類の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性を、前記第1から第Nの光学フィルタを除く撮像光学系の分光特性で除算することにより、前記撮像光学系の影響を除いた撮像画像の分光特性を算出する、項目11または12に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 13]
A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit captures spectral characteristics of a captured image calculated using the N types of photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band-pass filter, excluding the first to Nth optical filters.
[項目14]
前記第1から第Nの光学フィルタのうち、第i(iは1以上でN以下の整数)の光学フィルタは前記総ピーク数がi+1であって、前記N種類の周期関数は、所定周波数の1倍からN倍までの整数倍の周波数のいずれかを有するN個の余弦関数cos(iZ)である、項目1から3のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 14]
Of the first to N-th optical filters, the i-th (i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to N) optical filter has a total peak number of i + 1, and the N types of periodic functions have a predetermined frequency.
[項目15]
前記信号処理回路は、前記無フィルタ光感知セルの光電変換信号をE(0)、前記第iの光感知セルの光電変換信号をE(i)として、
E(0)に第1の定数k1を乗算した結果a(0)と、E(i)に第2の定数k2を乗算した結果からE(0)に第3の定数を乗算した結果を減算し、さらに第4の定数を除算した結果a(i)に前記余弦関数cos(iZ)を乗算したa(i)cos(iZ)と、を用いて、
a(0)とa(1)cos(Z)〜a(N)cos(NZ)の全てとを加算した結果に前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値を乗算することにより、前記撮像画像の前記分光特性を算出する、項目11または12に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 15]
The signal processing circuit has E (0) as the photoelectric conversion signal of the unfiltered photosensitive cell, and E (i) as the photoelectric conversion signal of the i-th photosensitive cell.
The result a (0) obtained by multiplying E (0) by the first constant k1 and the result obtained by multiplying E (0) by the third constant are subtracted from the result obtained by multiplying E (i) by the second constant k2. And a (i) cos (iZ) obtained by multiplying the result a (i) obtained by dividing the fourth constant by the cosine function cos (iZ),
By multiplying the result of adding a (0) and all of a (1) cos (Z) to a (N) cos (NZ) by the change value of the variable Z with respect to the minute change of the wavelength λ,
[項目16]
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セルからの光電変換信号に第5の定数を乗算することにより、前記第1から第Nの光感知セルからの光電変換信号を補正する、項目15に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 16]
The signal processing circuit corrects photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells by multiplying photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells by a fifth constant.
[項目17]
前記信号処理回路は、前記複眼光学系における各光学系によって形成される画像の歪みを補正した上で、前記撮像画像の分光特性を算出する、項目11から16のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 17]
The multispectral camera according to any one of
[項目18]
前記複眼光学系は、複数の凸レンズを含む、項目11から17のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 18]
The multispectral camera according to any one of
[項目19]
前記複数の凸レンズは、偏心のある凸レンズを含む、項目18に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 19]
[項目20]
前記複眼光学系は、複数の凹レンズと、1つの凸レンズとを含む、項目11から17のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 20]
18. The multispectral camera according to any one of
[項目21]
前記複数の凹レンズは、偏心のある凹レンズを含む、項目20に記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 21]
[項目22]
前記信号処理回路は、複数の色フィルタの分光特性を示すデータを用いて、算出した前記撮像画像の前記分光特性を示す関数と前記色フィルタの分光特性を示す関数とを積分演算することにより、カラー信号を算出する、項目11から21のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。[Item 22]
The signal processing circuit uses data indicating spectral characteristics of a plurality of color filters to perform an integral operation on the calculated function indicating the spectral characteristics of the captured image and the function indicating the spectral characteristics of the color filter.
本発明のマルチスペクトルカメラは、主に固体撮像素子を用いた固体カメラの全てに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の民生用カメラや産業用の監視カメラ等に利用可能である。 The multispectral camera of the present invention is effective for all solid-state cameras mainly using a solid-state imaging device. For example, it can be used for consumer cameras such as digital still cameras and digital video cameras, and industrial surveillance cameras.
1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h 色フィルタ
2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、2z 光感知セル
3 シリコン基板
11 結像レンズ
12 広帯域光学フィルタ
13 撮像素子
13a 撮像部(撮像面)
14 信号発生/受信部
15 画像処理部
16 画像メモリー
17 信号出力部
20 (複眼)結像レンズ
21 単眼白黒カメラ
22 凹レンズアレイ
23 結像レンズ
31 シリコン酸化膜1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g,
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記第1から第Nの光感知セルにそれぞれ対向して配置された第1から第Nの光学フィルタであって、各々が所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、
前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化し、
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セルからのN個の光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する、
マルチスペクトルカメラ。An imaging device in which a plurality of pixel units are two-dimensionally arranged on the imaging surface, each pixel unit including first to Nth (N is an integer of 2 or more) photosensitive cells, An image sensor that outputs a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light; and
1st to Nth optical filters disposed respectively facing the first to Nth photosensitive cells, each having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band And the first to Nth optical filters having different total peak numbers in which the number of peaks and the number of underpeaks are combined,
A signal processing circuit for processing photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells;
With
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters periodically changes with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ in the predetermined wavelength band,
The signal processing circuit includes N photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cells, N types of periodic functions having the independent variable as the variable Z, and the variable for the minute change in the wavelength λ. Calculate the spectral characteristics of the captured image using the change value of Z.
Multispectral camera.
前記信号処理回路は、前記無フィルタ光感知セルまたは前記透過率平均化光感知セルからの光電変換信号をさらに用いて、前記分光特性を算出する、請求項1に記載のマルチスペクトルカメラ。The pixel unit may be an unfiltered photosensitive cell that is not arranged corresponding to any of the first to Nth photosensitive cells and the first to Nth optical filters, or the first to Nth photosensitive cells. A transmittance averaged photosensitive cell in which an optical filter having a transmittance intermediate between the peak and the under peak in the optical filter is disposed;
2. The multispectral camera according to claim 1, wherein the signal processing circuit calculates the spectral characteristics by further using a photoelectric conversion signal from the non-filtered photosensitive cell or the transmittance averaged photosensitive cell. 3.
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N個の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性を、前記第1から第Nの光学フィルタを除く撮像光学系の分光特性で除算することにより、前記撮像光学系の影響を除いた撮像画像の分光特性を算出する、請求項1または2に記載のマルチスペクトルカメラ。A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit captures spectral characteristics of a captured image calculated using the N photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band-pass filter, excluding the first to Nth optical filters. The multispectral camera according to claim 1, wherein the spectral characteristic of the captured image excluding the influence of the imaging optical system is calculated by dividing by the spectral characteristic of the optical system.
E(0)に第1の定数k1を乗算した結果a(0)と、E(i)に第2の定数k2を乗算した結果からE(0)に第3の定数を乗算した結果を減算し、さらに第4の定数を除算した結果a(i)に前記余弦関数cos(iZ)を乗算したa(i)cos(iZ)と、を用いて、
a(0)とa(1)cos(Z)〜a(N)cos(NZ)の全てとを加算した結果に前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値を乗算することにより、前記撮像画像の前記分光特性を算出する、請求項2に記載のマルチスペクトルカメラ。The signal processing circuit has E (0) as the photoelectric conversion signal of the non-filtered photosensitive cell or the transmittance averaged photosensitive cell, and E (i) as the photoelectric conversion signal of the i-th photosensitive cell.
The result a (0) obtained by multiplying E (0) by the first constant k1 and the result obtained by multiplying E (0) by the third constant are subtracted from the result obtained by multiplying E (i) by the second constant k2. And a (i) cos (iZ) obtained by multiplying the result a (i) obtained by dividing the fourth constant by the cosine function cos (iZ),
By multiplying the result of adding a (0) and all of a (1) cos (Z) to a (N) cos (NZ) by the change value of the variable Z with respect to the minute change of the wavelength λ, The multispectral camera according to claim 2, wherein the spectral characteristic of the captured image is calculated.
所定の波長帯域において透過率のピークまたはアンダーピークを1つ以上有し、且つ前記ピークの数と前記アンダーピークの数とを合わせた総ピーク数が異なる第1から第Nの光学フィルタと、
前記第1から第Nの光学フィルタにそれぞれ対向する第1から第Nの光感知セル群を有し、各光感知セルは受光量に応じた光電変換信号を出力する、撮像素子と、
前記第1から第Nの光感知セルから出力された光電変換信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記第1から第Nの光学フィルタの各々の透過率Yは、前記所定の波長帯域における波長λと関係付けられた変数Zの変化に対して周期的に変化し、
前記第1から第Nの光学フィルタは、前記複眼光学系における前記N+1個の光学系のうちのN個の光学系にそれぞれ対向して配置され、
前記撮像素子は、さらに前記第1から第Nの光学フィルタのいずれもが対向して配置されていない無フィルタ光感知セル群、または前記第1から第Nの光学フィルタにおけるピークとアンダーピークの中間の透過率を有する光学フィルタが対向して配置された透過率平均化光感知セル群を有し、
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光感知セル群からのN種類の光電変換信号と、前記無フィルタ光感知セル群からの光電変換信号または前記透過率平均化光感知セル群からの光電変換信号と、独立変数を前記変数ZとするN種類の周期関数と、前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値とを用いて、撮像画像の分光特性を算出する、
マルチスペクトルカメラ。A compound eye optical system including N + 1 (N is an integer of 2 or more) optical systems;
1st to Nth optical filters having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and having different total peaks combined with the number of peaks and the number of underpeaks;
An imaging device having first to Nth photosensitive cell groups opposed to the first to Nth optical filters, each of the photosensitive cells outputting a photoelectric conversion signal corresponding to the amount of received light;
A signal processing circuit for processing photoelectric conversion signals output from the first to Nth photosensitive cells;
With
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters periodically changes with respect to the change of the variable Z related to the wavelength λ in the predetermined wavelength band,
The first to Nth optical filters are respectively arranged to face N optical systems of the N + 1 optical systems in the compound eye optical system,
The image pickup device further includes an unfiltered photosensitive cell group in which none of the first to Nth optical filters are arranged to face each other, or an intermediate between a peak and an under peak in the first to Nth optical filters. A transmittance averaged photosensitive cell group disposed oppositely with an optical filter having a transmittance of
The signal processing circuit includes N types of photoelectric conversion signals from the first to Nth photosensitive cell groups, a photoelectric conversion signal from the non-filter photosensitive cell group, or the transmittance averaged photosensitive cell group. A spectral characteristic of the captured image is calculated using a photoelectric conversion signal of N, a periodic function of N types having an independent variable as the variable Z, and a change value of the variable Z with respect to a minute change of the wavelength λ.
Multispectral camera.
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N種類の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性に対して、前記第1から第Nの光学フィルタの透過率のピークまたはアンダーピークが波長変化に対して減衰または増加する場合、前記減衰または増加を補正した撮像画像の分光特性を算出する、請求項11に記載のマルチスペクトルカメラ。A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit has the first to Nth optical filters for the spectral characteristics of the captured image calculated using the N types of photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band pass filter. The multispectral camera according to claim 11, wherein when a transmittance peak or under peak attenuates or increases with respect to a wavelength change, a spectral characteristic of a captured image in which the attenuation or increase is corrected is calculated.
前記信号処理回路は、前記帯域透過フィルタを介した撮像によって取得された前記N種類の光電変換信号を用いて算出された撮像画像の分光特性を、前記第1から第Nの光学フィルタを除く撮像光学系の分光特性で除算することにより、前記撮像光学系の影響を除いた撮像画像の分光特性を算出する、請求項11または12に記載のマルチスペクトルカメラ。A band transmission filter that transmits only light of a predetermined wavelength band;
The signal processing circuit captures spectral characteristics of a captured image calculated using the N types of photoelectric conversion signals acquired by imaging through the band-pass filter, excluding the first to Nth optical filters. The multispectral camera according to claim 11 or 12, wherein a spectral characteristic of a captured image excluding the influence of the imaging optical system is calculated by dividing by a spectral characteristic of the optical system.
E(0)に第1の定数k1を乗算した結果a(0)と、E(i)に第2の定数k2を乗算した結果からE(0)に第3の定数を乗算した結果を減算し、さらに第4の定数を除算した結果a(i)に前記余弦関数cos(iZ)を乗算したa(i)cos(iZ)と、を用いて、
a(0)とa(1)cos(Z)〜a(N)cos(NZ)の全てとを加算した結果に前記波長λの微小変化に対する前記変数Zの変化値を乗算することにより、前記撮像画像の前記分光特性を算出する、請求項11または12に記載のマルチスペクトルカメラ。The signal processing circuit has E (0) as the photoelectric conversion signal of the unfiltered photosensitive cell, and E (i) as the photoelectric conversion signal of the i-th photosensitive cell.
The result a (0) obtained by multiplying E (0) by the first constant k1 and the result obtained by multiplying E (0) by the third constant are subtracted from the result obtained by multiplying E (i) by the second constant k2. And a (i) cos (iZ) obtained by multiplying the result a (i) obtained by dividing the fourth constant by the cosine function cos (iZ),
By multiplying the result of adding a (0) and all of a (1) cos (Z) to a (N) cos (NZ) by the change value of the variable Z with respect to the minute change of the wavelength λ, The multispectral camera according to claim 11, wherein the spectral characteristic of the captured image is calculated.
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