JP2005198295A - カメラおよび撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラ、光学系、撮像方法、および光学フィルタ構成方法を提供する。
【解決手段】一実施形態によれば、カメラ１０は、被写体の光を受け取り該光から被写体の画像表現を提供するよう構成された画像装置３０（ここで、画像表現は、被写体の可視画像を生成するよう使用可能である）と、画像装置３０に光学的に結合し、光を画像装置３０に送るよう構成されたレンズ系であって、画像装置３０は、画像表現を生成するよう構成される一方、第１の波長の光に対して第１の感度を有し、第２の波長の光に対して、第１の感度とは異なる第２の感度を有している、前記レンズ系と、該レンズ系に光学的に結合し画像装置３０に対応するフィルタ６２であって、被写体についての第１の波長の光を有する第１の量の光子と、被写体についての第２の波長の光を有する第２の量の光子とを通すよう構成されたフィルタ６２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に撮像分野に関し、特に、カメラ、光学系、撮像方法、および光学フィルタ構成方法に関する。

カメラおよびその他の画像装置は、ここ数十年にわたって普及している装置である。自動焦点調節等の特徴と、光学部品の改善とによって、ますます多くのユーザにとって写真撮影が比較的簡単になった。より最近には、メモリおよび電気的検知デバイスが進歩したことによって、静止画およびビデオの撮像動作にデジタルカメラの人気が高まった。このような装置については、解像度向上および処理速度向上を含む非常に多くの改善が行われている。デジタルカメラによってユーザは、ネットワーク、メモリ装置、等を通じて画像を効率的に伝達することができる。このようなデジタルカメラを用いる用途は増加し続けており、このような装置の人気は、装置の性能が向上しコストが下がるにつれて、高まっていくと予想される。

デジタルカメラの構成には、ある波長の光に対する感度（量子効率）が比較的低いものがある。例えばデジタルカメラには、シリコンセンサ装置を利用して画像を生成するものがある。このようなデジタルカメラは、波長の短い光（例えば、青色光）に対する感度が低いことがある。この理由は、シリコンの吸収係数は短波長について比較的高く、その結果深度の浅いところで正孔／電子の対が生成されるからである。

いくつかの手法においては、カメラは、より大口径のレンズ（小さなＦナンバー、および／または大きな絞り（aperture））、より長い露出、青色光に対して向上した電子利得、または青色光に対して広範囲に調整されるカラーフィルタを用いて、青色光に対する低感度を補償することができる。このような手法は、より大口径のレンズを用いることによって費用が増大することまたは低品質の画像になること、より長い露出時間を用いることによって動きによるボケが増大することまたは他のチャネルのウェルキャパシティが飽和すること、ＳＮ比が増大しない場合に利得を増大することにより雑音が増大すること、または、色補正マトリクスにおける高い非対角要素を利用することが、広範囲に調整されるフィルタとともに雑音を増幅する可能性があること、を含む、さらなる画像の問題を引き起こす可能性がある。

本開示のうちの少なくともいくつかの態様は、改善した撮像システムおよび方法を提供する。

例示的実施形態により、カメラ、光学系、撮像方法および光学フィルタ構成方法を記述する。

一実施形態によれば、カメラは、被写体の光を受け取り該光から被写体の画像表現を提供するよう構成された画像装置（ここで、画像表現は、被写体の可視画像を生成するよう使用可能である）と、画像装置に光学的に結合し、光を画像装置に送るよう構成されたレンズ系であって、画像装置は、画像表現を生成するよう構成され、第１の波長の光に対して第１の感度を有し、第２の波長の光に対して、第１の感度とは異なる第２の感度を有している、前記レンズ系と、該レンズ系に光学的に結合し画像装置に対応するフィルタであって、被写体についての第１の波長の光を有する第１の量の光子と、被写体についての第２の波長の光を有する第２の量の光子とを通すよう構成された前記フィルタと、を備える。

別の実施形態によれば、撮像方法は、複数の波長の光を受け取ること、波長のうちの１つを有する光に対し、第１の感度で第１の検知を行うこと、波長のうちの他の１つを有する光に対し、第１の感度よりも高い第２の感度で第２の検知を行うこと、第１および第２の検知を行うことに応答し、１つおよび他の１つの波長を有する検知した光の量に対応する、複数の電気信号を生成すること、および、第１のおよび第２の検知を行うことの前に、１つおよび他の１つの波長を有する光の光子を通すことを含む、光をフィルタリングすることであって、通すことは、所与の被写体について１つの波長を有する光の光子を、この被写体について他の１つの波長を有する光の光子の数よりも多い数だけ通すことを含む、フィルタリングすることを含む。

以下の説明から明白なように、その他の実施形態を説明する。

本開示のうちの少なくともいくつかの態様は、異なる波長の光に対して異なる感度を有する撮像装置に対応する。例示的撮像装置は、デジタルカメラだけでなくフィルムを用いるカメラも含む。少なくとも一実施形態は、異なる色の光に対して異なる絞りを有するフィルタを利用する。一例において、青色光については比較的大きな絞りを設け、非青色光については１つまたは複数のより小さい絞りを設ける。青色光用の大きな絞りは、その他の色の光子よりも多くの数の青色の光子を集め、その結果青色チャネルについてはＳＮ比が高くなり、これは、青色光に対する感度が低い撮像装置において用いるのに適している。以下にさらに説明するように、その他の実施形態も可能である。

図１を参照して、カメラ１０として構成された撮像装置の例示的一実施形態を示す。カメラ１０の装置はデジタルカメラとして構成されているが、上述のようにフィルムを用いるカメラを含むその他の構成も可能である。デジタルカメラは、静止画またはビデオの用途において用いるよう構成することができる。図示の実施形態において、例示的カメラ１０は、処理回路２０、記憶回路２２、ユーザインターフェース２４、撮像システム２６（一実施形態において光学系２８と画像装置３０とを含む）、および通信インターフェース３２を含む。

例示的構成において、処理回路２０はマイクロコントローラとして実施される。処理回路２０は、カメラ１０の動作および画像データの生成を制御する命令を実行するよう構成されている。または、処理回路２０は完全にハードウェアにおいて実施することができる。さらに処理回路２０は、ユーザインターフェース２４を用いて情報の表示を制御することおよびユーザインターフェース２４を通じて受け取った入力データを処理することを含む、ユーザインターフェース２４の動作の制御を行うことができる。

記憶回路２２は、デジタル情報および実行可能命令を記憶するようになっている。記憶回路２２は、撮像システム２６から生のラスタ画像データを受け取りそのようなデータを処理用に記憶するよう構成された、バッファを含むことができる。例示的実施形態において、記憶回路２２はまた、処理回路２０が実行する命令またはいかなるその他の所望のデータを記憶することもできる。したがって一実施形態において、記憶回路２２はプロセッサが使用可能な媒体を含むことができる。プロセッサが使用可能な媒体は、例示的実施形態における処理回路を含む命令実行システムによってまたはそのようなシステムとともに用いられるプログラミングを含む、記憶する、または維持することができる、いかなる製品も含む。例えば、例示的なプロセッサが使用可能な媒体は、電子、磁気、光、電磁、赤外線、または半導体の媒体等、物理的媒体のうちの任意の１つを含むことができる。プロセッサが使用可能な媒体の、より具体的ないくつかの例は、磁気コンピュータディスケット（例えばフロッピー（登録商標）ディスケット、ジップディスク、ハードディスク）、ランダムアクセスメモリ、リードオンリメモリ、フラッシュメモリ、消去可能プログラム可能リードオンリメモリ、コンパクトディスク、あるいはプログラミング、データ、またはその他のデジタル情報を記憶することができるその他の構成、を含むがこれに限定するものではない。

ユーザインターフェース２４は、ユーザからの入力を受け取るようになっており（例えば触知（tactile）入力用ボタン）、また、カメラ１０に関する情報をユーザに表示するようにもなっている（例えばＬＣＤディスプレイ）。その他の構成も可能である。

撮像システム２６は、被写体の光を、可視画像の生成に使用可能な画像表現（例えば、写真、電子表示、等）に変換するようになっている。例示的光学系２８は、光を受け取り光を画像装置３０に送るよう構成されたレンズ系およびフィルタを備えることができる。光学系２８の例示的構成に関するさらなる詳細は、後述する。

画像装置３０は、被写体の光を（例えば光学系２８から）受け取ってその被写体の画像表現を提供するよう構成されている。この画像表現は、被写体の可視画像を生成するのに用いることができる。以下でさらに説明するように、画像装置３０は、異なる波長の光に対して異なる感度を有することができる。

カメラ１０のデジタルの一実施形態において、画像装置３０は、光学系２８から受け取った光に応答して電気（的）データまたは信号から成る画像表現を生成するよう構成された、電気（的）センサを備える。例示的な電気データとしては、複数の画素についてのデジタルデータが含まれる。カメラ１０のフィルムを用いる一実施形態において、画像装置３０は、受け取った光によって露光して画像表現を提供するフィルムを備えることができる。

例示的なデジタルの実施形態を再び参照して、電気センサは、感光性素子のアレイを有する電荷結合素子を備えることができる。他の実施形態において、電気センサは、Ｆｏｖｅｏｎ社から入手可能なＦｏｖｅｏｎ Ｘ３の技術を用いるセンサで構成することができる。このＦｏｖｅｏｎ Ｘ３という画像センサ技術は、補間することなく複数の画素位置におけるフルカラー（例えばＲＧＢ）データを提供する、フルカラーセンサを備える。電気センサのこのような例示的装置は、波長がより短い光（例えば青色）に関する吸収係数が、波長がより長い光（例えば赤色または緑色）の吸収係数よりも大きい、シリコン等の半導体材料で構成されている。したがって、および以下でさらに説明するように、電気センサは、ある１つの波長の光（例えば青色）に対する感度が他の波長の光（例えば、非青色光）よりも低い場合がある。その他の電気センサ装置を利用して、光を電気データに変換することができる。フィルムを用いる実施態様においては、所与のフィルムはまた、異なる波長の光に対して異なる感度を有することもできる。

通信インターフェース３２は、カメラ１０の外部にある装置に対して、画像およびその他のデータの通信を実施するよう構成されている。いくつかの装置においては、画像データは、記憶回路２２を用いて画像データを内部記憶した状態で通信することができ、あるいは、内部記憶しない状態で通信することができる。画像データは、受信器（図示せず）等の外部装置に伝達することができる。例示的構成において、通信インターフェース３２は、有線のおよび／または無線の双方向通信を実施することができる。

図２を参照して、光学系２８および画像装置３０を含む撮像システム２６の例示的構成を示す。その他の実施形態も可能である。

図示の実施形態において例示的光学系２８は、光軸４０を中心とする３枚レンズ系として配置されている。光学系２８は、受け取った光を画像装置３０に送るようになっている。３枚レンズ系は、光軸４０に対して整列した、前部の両凸レンズ４２、中間の両凹レンズ４３、および後部の両凸レンズ４４を含む。主光線４６を、開口絞りと呼んでもよい位置４８において光軸４０に交差して示す。一実施形態において、光軸４０に沿って位置４８にフィルタを配置することができる。フィルタの例示的詳細については、図３および図４に示す可能な一実施形態に関して以下で説明する。

図２の構成において、画像装置３０は光軸４０に対して整列している。図２の配置において、画像装置３０は、フィルタ５２に光学的に結合した電気センサ５０として実施される。図示の実施形態において、フィルタ５２は、光学系２８から受け取る光のうちのいくらかを除去するよう構成されている。例えば、一実施形態において、フィルタ５２はＲＧＢモザイクパターンを提供するよう構成されており、個々の画素に対応する電気センサ５０の個々の光検知素子は、フィルタ５２によって規定される赤色、緑色、または青色という１色の光のみを受け取る。したがって、一実施形態において、画像装置３０は、異なる画素についての異なる波長の光のモザイクに対応する電気データを提供し、個々の画素は、個々の色または波長の光（例えば、赤色、緑色、または青色）についての電気データを有する。データを補間して、個々の画素についての赤色、緑色、および青色のデータを提供する色情報を完全にポピュレートする（populate：入れる）処理を実施することができる（例えば処理回路２０を用いて）。その他の装置も可能である。例えば、Ｆｏｖｅｏｎの技術を用いる電気センサ５０が用いられて個々の画素位置におけるフルカラーデータを提供する用途については、フィルタ５２を省くことができる。

図３および図４を参照して、撮像システム２６のさらなる例示的詳細を示す。特に図３は、図示の実施形態において位置４８に整列したフィルタ６２に隣接して配置されるアイリス絞り６０を示す。アイリス絞り６０は、図示の実施形態における半径が可変の光学系２８の制限開口を画定する不透明体であることができる。アイリス絞り６０は、他の実施形態においては省略することができる。

次に図４を参照して、一実施形態においてカメラ１０で利用される画像装置３０の構成に従って、フィルタ６２が構成される。例えばフィルタ６２は、一実施形態において、個々のカラーチャネル全体にわたってデータを略均質にしようとして、異なる波長の光に対して異なる感度を有する画像装置３０の影響を打ち消すよう構成することができる。図４の例示的フィルタ６２は、光軸４０の位置４８において異なる波長の光に対する複数の開口絞り７１〜７４を提供するよう構成されたさまざまな半径の複数の同心の円環を有するブルズアイ構成を有する。開口絞り７１〜７４は、互いに異なる大きさ（例えば、説明する例においては互いに異なる半径）を有し、説明する実施形態においてそれぞれの波長の光に対応している。

例えばフィルタ６２は、青色光用の開口絞り７１を画定する、不透明な（例えば黒色の）リング７６を含む。青色通過段フィルタ（blue-pass step filter）のリング７７を設けて、赤色および緑色の光を絞り込み、青色光については絞りを開いて通す、開口絞り７２を画定する。シアンフィルタのリング７８が設けられて、赤色光用の開口絞り７３を画定し緑色および青色の光を通す。赤外線フィルタのリング７９を設けて、赤外線光を絞り込みかつ赤色、緑色、および青色の光を通す開口絞り７４を画定することができる。いくつかの電気センサ５０は赤外線光に対する感度が非常に高く、赤外線フィルタのリング７９を設けることによって、依然として高品質の画像が提供されつつ、赤外線範囲の絞りがさらに制限される。さらに、赤外線フィルタのリング７９を利用することによって、スペクトルの赤外線端におけるレンズ性能の要求事項が低減する。図示の実施形態においては、フィルタ６２の略透明な部分８０もまた設けられ、ここでは光のフィルタリングは行われない。

したがって、図示の実施形態において、フィルタ６２は青色光については大きく開いた絞りを、緑色光については中間の絞りを、そして赤色光については小さな絞りを設けて、画像装置３０の異なる感度に対応する。例示的構成は、被写界深度を改善し収差を低減するためにできるだけ小さくした個々の絞りを利用しながら、それぞれの色に必要な露出のバランスをとる。これよりも多いまたは少ないリング、他の幾何学的形状、他の色のフィルタリング、または他の所望の構成を含むフィルタ６２のその他の実施形態が、他の装置において可能である。

一態様によれば、フィルタ６２は、利用している画像装置３０に従って構成することができる。異なる波長の光に対する画像装置３０の感度は、複数のそれぞれの関係において決定し規定することができる。その後フィルタ６２を、画像装置３０の感度が低い波長の光についてはより大きな絞りを通してより多くの光を通過させ、画像装置３０の感度が高い波長の光についてはより小さな絞りを通してより少ない光を通過させるよう、構成することができる。その他の構成の実施態様も可能である。

再び図３および図４を参照して、上部縁（top marginal）青色光線９０、下部縁（bottom marginal）青色光線９１、上部縁シアン光線９２、下部縁シアン光線９３、上部縁白色光線９４、下部縁白色光線９５、上部縁赤外線光線９６、および下部縁赤外線光線９７を含む、複数の光線に関して、フィルタ６２の例示的フィルタリングの態様を説明する。

説明する実施形態において、透明な部分８０を通過する光線はすべてフィルタリングされない。赤外線フィルタのリング７９は、赤外線光をフィルタリングするが、上部縁および下部縁の赤外線光線９６、９７に対応するその他の光を略すべて通す。シアンフィルタのリング７８は、上部縁および下部縁の赤色光線９４、９５で示す赤色光は絞り込むが、緑色および青色の光は通すよう、動作する。環状の青色通過段フィルタ７７は、上部縁および下部縁のシアン光線９２、９３で示すシアン光は絞り込むが、青色光は通すよう、動作する。黒色のリング７６は、上部縁および下部縁の青色光線９０、９１で示す青色光を絞り込むよう動作する。一実施形態において、異なるフィルタ７７〜７９は、撮像中の所与の被写体の光の異なる数の光子を通す（例えばフィルタ６２は、波長がより長く光線９６、９７に対応する赤外線光子よりも、波長がより短く光線９０、９１に対応する青色の光子のほうを、より多くの数だけ通す）。

フィルタ６２を利用することによって、異なる色の光について異なる絞りを有するカメラ１０が提供される。説明する例示的実施形態において、青色光については大きな（例えば半径の大きい）絞りが設けられ、非青色光については１つまたは複数のより小さい絞りを有する。青色光用の大きな絞りは、青色の光子をその他の色の光子よりも多くの数だけ集め、その結果青色チャネルについてはＳＮ比が高くなる。

図３の光軸４０に沿った例示的焦点１００で示すように、青色画像は、他の非青色画像よりもピントボケおよびその他の画像収差を多量に受ける可能性がある。しかし、ボケが画像の青色チャネルに制限される限りにおいて、そのような歪みは目には見えない。すなわち、例示的な説明するフィルタ６２によれば、この画像は、赤色および緑色のチャネルにおける被写界深度は改善され、青色については、より多くの数の光子を通す一方、被写界深度は比較的浅い。前述のように、電気センサ５０は、赤色および緑色の光よりも青色光に対する感度が低い場合があり、露出時間の設定を容易にする。赤色および緑色の光について絞りを比較的小さくすることによって、赤色チャネルおよび緑色チャネルにおいてそのような色が最も目立つ収差が最小になり、青色チャネルにおけるいかなるボケまたは収差の増大も、結果として生じる画像において好ましくないものにはならないはずである。

青色光の量が増大することによって、青色チャネルの雑音特性および画質（例えば画像の青空）が改善され、その結果全体の品質が改善された画像が生じる。さらに、少なくとも一実施形態においては、レンズ系は絞り全域にわたって非常に良好な性能を有する必要がないので、より安価なレンズ系を利用して高品質の画像を提供することができる。

求める保護は、例としてのみ提供した開示する実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されなければならない。

一実施形態によるカメラの機能ブロック図である。 一実施形態による光学系の説明図である。 一実施形態による光学系の説明図である。 一実施形態による例示的光学フィルタの説明図である。

符号の説明

１０：カメラ
２０：処理回路
２２：記憶回路
２４：ユーザインターフェース
２６：撮像システム
２８：光学系
３０：画像装置
３２：通信インターフェース

Claims (10)

1. 被写体の光を受け取り該光から前記被写体の画像表現を提供するよう構成された画像装置であって、前記画像表現は、前記被写体の可視画像を生成するよう使用可能であり、前記画像装置は、第１の波長の光に対して第１の感度を有し、第２の波長の光に対して、前記第１の感度とは異なる第２の感度を有しつつ、前記画像表現を生成するよう構成されている、前記画像装置と、
   前記画像装置に光学的に結合され、前記光を前記画像装置に送るよう構成されたレンズ系と、
   前記レンズ系に光学的に結合され前記画像装置に対応するフィルタであって、前記被写体についての前記第１の波長の光を有する第１の量の光子と、前記被写体についての前記第２の波長の光を有する第２の量の光子とを通すよう構成された、フィルタと、
   を備えているカメラ。
2. 前記画像装置が、電気データの形式で前記画像表現を提供するよう構成された電気センサを備えている、請求項１に記載のカメラ。
3. 前記電気センサが複数の画素を備え、該電気センサは、前記複数の画素に対する、前記第１および第２の波長を含む異なる波長のモザイク、に対応する前記電気データを提供するよう構成されている、請求項２に記載のカメラ。
4. 前記フィルタが、大きさが互いに異なる複数の開口絞りを備え、該開口絞りのうちの第１のものは前記第１の波長の光を通すよう構成され、前記開口絞りのうちの第２のものは前記第２の波長の光を通すよう構成され、前記開口絞りのうちの前記第１のものは、前記開口絞りのうちの前記第２のものよりも半径が大きい、請求項１、２、または３に記載のカメラ。
5. 前記第１の波長を有する光が青色光を含み、前記第２の波長を有する光が非青色光を含む、請求項１、２、３、または４に記載のカメラ。
6. 複数の波長の光を受け取るステップと、
   前記波長のうちの１つを有する光を、第１の感度で第１の検知を行うステップと、
   前記波長のうちの他の１つを有する光を、前記第１の感度よりも高い第２の感度で第２の検知を行うステップと、
   前記第１および第２の検知に応答し、前記１つおよび前記他の１つの波長を有する検知した光の量に対応する複数の電気信号を生成するステップと、
   前記第１および第２の検知の前に、前記１つおよび前記他の１つの波長を有する前記光の光子を通すステップを含む、前記光をフィルタリングするステップであって、前記通すステップは、所与の被写体について前記１つの波長を有する前記光の光子を、前記被写体について前記他の１つの波長を有する前記光の光子の数よりも多い数だけ通すステップを含む、フィルタリングするステップと、
   を含む撮像方法。
7. 前記波長のうちの１つを有する光を検知するステップが青色光を検知するステップを含み、前記波長のうちの他の１つを有する光を検知するステップが、非青色光を検知するステップを含む、請求項６に記載の撮像方法。
8. 前記フィルタリングするステップが、大きさが互いに異なる複数の開口絞りを有するフィルタを用いてフィルタリングするステップを含み、前記開口絞りのうちの第１のものは前記第１の波長の光を通すよう構成され、前記開口絞りのうちの第２のものは前記第２の波長の光を通すよう構成されている、請求項６または７に記載の撮像方法。
9. 前記第１の検知を行うステップが、前記１つの波長に対応する複数の第１の画素において検知するステップを含み、前記第２の検知を行うステップが、前記他の１つの波長に対応する複数の第２の画素において検知するステップを含む、請求項６、７、または８に記載の撮像方法。
10. 赤外線光をフィルタリングして、前記所与の被写体について、赤外線光の光子を前記他の１つの波長の光よりも少ない数だけ提供するステップをさらに含む、請求項６、７、８、または９に記載の撮像方法。
    

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