JP2007202107A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】色再現性のよいカラー画像を得ることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置100は、撮像素子10において可視光と赤外線の両方を受光する第1の画素と、赤外線を受光する第2の画素とを備えており、前記第1の画素が受光した光の分光特性と前記第2の画素が受光した光の分光特性とに基づいて、前記第2の画素より出力された信号から前記第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分の大きさを予測する赤外線成分予測部16と、前記第1の画素より出力された信号から前記予測された赤外線成分を減算する減算部14と、を具備する。
【選択図】図1
【解決手段】撮像装置100は、撮像素子10において可視光と赤外線の両方を受光する第1の画素と、赤外線を受光する第2の画素とを備えており、前記第1の画素が受光した光の分光特性と前記第2の画素が受光した光の分光特性とに基づいて、前記第2の画素より出力された信号から前記第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分の大きさを予測する赤外線成分予測部16と、前記第1の画素より出力された信号から前記予測された赤外線成分を減算する減算部14と、を具備する。
【選択図】図1
Description
本発明は、可視光及び赤外線領域に感度を有する撮像素子を備えた撮像装置に関する。
CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementally Metal Oxide Semiconductor)センサといった撮像素子は、一般的に可視光だけでなく赤外線にも感度を持つ。
このような撮像素子を用いて暗い環境下で撮像した場合、この赤外線成分を利用して輝度成分を得ることにより、高感度なモノクロ画像を実現することができる。一方、良好な色再現性を実現したカラー画像を得るためには、赤外線成分を除去する必要がある。
このような撮像素子を用いて暗い環境下で撮像した場合、この赤外線成分を利用して輝度成分を得ることにより、高感度なモノクロ画像を実現することができる。一方、良好な色再現性を実現したカラー画像を得るためには、赤外線成分を除去する必要がある。
特許文献1には、撮像素子と赤外線受光素子とを備え、撮像素子の出力信号(可視光成分と赤外線成分の和)から赤外線受光素子の出力信号(赤外線成分)を減算する方法が開示されている。
特開平6−105319号公報
しかしながら、特許文献1に開示された方法によれば、撮像素子に設けられた可視光フィルタと赤外線受光素子に設けられた赤外線フィルタの赤外線領域における分光特性が一致していない場合、撮像素子の出力信号から十分に赤外線成分を除去することができず、良好な色再現性を得られない、といった問題があった。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、色再現性のよいカラー画像を得ることが可能な撮像装置を提供することである。
本発明のある態様は、撮像装置に関する。この装置は、可視光と赤外線の両方を受光する第1の画素と、赤外線を受光する第2の画素と、前記第1の画素が受光した光の分光特性と前記第2の画素が受光した光の分光特性とに基づいて、前記第2の画素より出力された信号から前記第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分の大きさを予測する予測部と、前記第1の画素より出力された信号から前記予測された赤外線成分を減算する減算部と、を具備する。
この態様によれば、可視光と赤外線の両方を受光する第1の画素で受光した光の分光特性と、赤外線を受光する第2の撮像素子が受光した光の分光特性とが異なっている場合でも、それぞれの分光特性に基づいて、第2の画素より出力された信号から第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分をほぼ正確に予測することができるので、第1の撮像素子より出力された信号から赤外線成分を十分に除去することができる。これにより、この撮像装置によって、色再現性のよいカラー画像を得ることが可能となる。
なお、第1及び第2の画素で受光した光の分光特性は、例えば、それぞれの画素に備えられた色フィルタの分光特性や、それぞれの画素に備えられた光電変換素子の分光特性によって決定されてもよい。これにより、色フィルタの分光特性や光電変換素子の分光特性が第1の画素と第2の画素で異なる場合であっても、第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分をほぼ正確に予測することができる。
また、第1及び第2の画素で受光した光の分光特性は、それぞれの画素に入射された光
の分光特性によって決定されてもよい。これにより、光源や被写体が変化した場合であっても、第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分をほぼ正確に予測することができる。
の分光特性によって決定されてもよい。これにより、光源や被写体が変化した場合であっても、第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分をほぼ正確に予測することができる。
この態様において、前記第1の画素と前記第2の画素は、同一の撮像素子に形成されていてもよい。これにより、撮像素子を1つ備えればよく、また赤外線成分を取り出すための光学素子も不要になることから、撮像装置の小型化をはかることができる。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、色再現性のよいカラー画像を得ることが可能な撮像装置を得ることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る撮像装置100の構成を示した図である。この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
撮像装置100は、撮像素子10、アナログ/デジタル変換部12、減算部14、赤外線成分予測部16、信号処理部18を備えている。被写体からの光は撮像素子10に入射される。
撮像素子10は、例えばCCD(Charge Coupled Devices)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどによって構成されたもので、マトリクス状に配置されたフォトダイオードを備えており、各々のフォトダイオードによって画素が構成される。
また、撮像素子10は画素毎に異なる色のフィルタを備えており、この色フィルタによって色分解を行う。撮像素子10に備えられた色フィルタは可視光及び赤外線を透過する可視光フィルタと、主として赤外線を透過する赤外線フィルタとを含む。さらに、可視光フィルタは、透過する色に対応して、赤色フィルタ、緑色フィルタ、及び青色フィルタに分類される。
図2は、撮像素子10が備えた色フィルタの配列を示した図である。撮像素子10の画素20には緑色光を透過する緑色フィルタが、画素22には赤色光を透過する赤色フィルタが、画素24には青色光を透過する青色フィルタが配置されている。これら緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタは、赤外線も透過する特性を持っている。また、画素26には主として赤外線を透過する赤外線フィルタが配置されている。そして、これら緑色フィルタ、赤色フィルタ、青色フィルタ、及び赤外線フィルタは、縦2画素、横2画素単位で繰り返し配列されている。
撮像素子10は、画素毎に対応した色フィルタを透過した光をその強度に応じた電気信号に変換し、これを画像信号として1画素ずつ順番に出力する。すなわち、画素20から出力される画像信号は緑色光及び赤外線の成分を合わせた大きさとなり、画素22から出力された画像信号は赤色光及び赤外線の成分を合わせた大きさとなる。また、画素24から出力された画像信号は青色光及び赤外線の成分を合わせた大きさとなる。一方、画素26から出力された画像信号は、赤外線の成分に応じた大きさとなる。
アナログ/デジタル変換部12は、撮像素子10から出力された画像信号を、例えば10ビットのデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、減算部14及び赤外線成分予測部16に入力される。
減算部14は、撮像素子10の画素20、22、及び24より出力された画像信号、すなわち緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、青色光成分+赤外線成分(B+IR)から、画素26より出力され画像信号である赤外線成分IRを除去する。このとき、画素26より出力された赤外線成分IRをそのまま減算するのではなく、緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤外線成分予測部16で赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、及び青色光成分+赤外線成分(B+IR)毎に、それぞれ別個に赤外線成分IRを補正したうえで減算を行う。
赤外線成分予測部16は、撮像素子10の各画素で受光した光の分光特性に基づき画素26より出力された赤外線成分IRを補正することによって、各色成分G+IR、R+IR、B+IRに重畳されている赤外線成分を予測する。例えば、画素20で受光した光の赤外線領域と画素26で受光した光の分光特性の比を求め、この比を画素26の出力画像信号である赤外線成分IRに乗ずることにより、色成分G+IRに重畳されている赤外線成分を予測する。
同様に、赤外線成分予測部16は、画素22で受光した光の赤外線領域と画素26で受光した光、及び、画素24で受光した光の赤外線領域と画素26で受光した光の分光特性の比を求め、この比を赤外線成分IRに乗ずることにより、色成分R+IR及びB+IRに重畳されている赤外線成分を予測する。
それぞれの画素で受光した光の分光特性は、それぞれの画素に備えられた色フィルタの分光特性や、フォトダイオードの分光特性、及びそれぞれの画素に入射された光の分光特性などによって決定する。色フィルタの分光特性やフォトダイオードの分光特性は撮像素子10の各画素の形状やプロセスによって定まり、赤外線成分予測部16は、それぞれの画素の色フィルタ及びフォトダイオードの分光特性を記憶している。一方、それぞれの画素の入射された光の分光特性は、赤外線成分予測部16で、撮像素子10から出力された画像信号を積分することによって求める。なお、受光した光の分光特性を、図示しない制御装置によって決定するようにしてもよい。
赤外線成分予測部16は、予測された赤外線成分の大きさを減算部14に伝達する。減算部14は、赤外線成分予測部16から伝達された色成分毎に補正された赤外線成分を用いて、各色成分G+IR、R+IR、B+IRから赤外線成分を除去する。
減算部14から出力された信号は、信号処理部18で輝度信号及び色信号の抽出や、様々な画像処理が施され、信号処理部18で得られた信号は、図示しない表示装置や画像圧縮装置などに送られる。
斯かる構成に基づき、図1に示した撮像装置100の動作を以下に説明する。
撮像素子10に入力された光は、図2に示した色フィルタによって画素毎に緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、青色光成分+赤外線成分(B+IR)、及び赤外線成分IRに色分解され、電気信号に変換される。この電気信号は、撮像素子10から1画素ずつ画像信号として出力され、アナログ/デジタル変換部12によってデジタル信号に変換される。
撮像素子10に入力された光は、図2に示した色フィルタによって画素毎に緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、青色光成分+赤外線成分(B+IR)、及び赤外線成分IRに色分解され、電気信号に変換される。この電気信号は、撮像素子10から1画素ずつ画像信号として出力され、アナログ/デジタル変換部12によってデジタル信号に変換される。
アナログ/デジタル変換部12でデジタル信号に変換された画像信号は、減算部14と赤外線成分予測部16に入力される。赤外線成分予測部16は、緑色フィルタ、赤色フィルタ及び青色フィルタを備えた画素がそれぞれ受光した光の赤外線領域の分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性の比を、赤外線フィルタを備えた画素から出力された赤外線成分IRに乗ずることにより、緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、及び青色光成分+赤外線成分(B+IR)に含まれる赤外線成分の大きさをそれぞれ別個に予測する。
赤外線成分予測部16で予測された各色成分に重畳された赤外線成分の大きさは、減算部14に伝達される。そして、減算部14によって、緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、及び青色光成分+赤外線成分(B+IR)から、それぞれ別個に予測された赤外線成分を減算される。
以下、これらの処理をより具体的に説明する。
赤外線成分予測部16は、色フィルタを備える画素と赤外線フィルタを備える画素間の分光特性の違いを調整するための係数(LR, LG, LB)の値を決定し、減算部14に伝達する。減算部14は、撮像素子10の画素20、22、及び24より出力された画像信号、すなわち緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、青色光成分+赤外線成分(B+IR)から、画素26より出力され画像信号である赤外線成分IRを除去する。このとき、画素26より出力された赤外線成分IRをそのまま減算するのではなく、係数(LR, LG, LB)を乗じた値を減算する。すなわち、減算部14は、赤色光成分R、緑色光成分G、及び青色光成分Bを以下の式(1)〜(3)によって算出する。
R = R+IR−LR・IR ・・・(1)
G = G+IR−LG・IR ・・・(2)
B = B+IR−LB・IR ・・・(3)
赤外線成分予測部16は、色フィルタを備える画素と赤外線フィルタを備える画素間の分光特性の違いを調整するための係数(LR, LG, LB)の値を決定し、減算部14に伝達する。減算部14は、撮像素子10の画素20、22、及び24より出力された画像信号、すなわち緑色光成分+赤外線成分(G+IR)、赤色光成分+赤外線成分(R+IR)、青色光成分+赤外線成分(B+IR)から、画素26より出力され画像信号である赤外線成分IRを除去する。このとき、画素26より出力された赤外線成分IRをそのまま減算するのではなく、係数(LR, LG, LB)を乗じた値を減算する。すなわち、減算部14は、赤色光成分R、緑色光成分G、及び青色光成分Bを以下の式(1)〜(3)によって算出する。
R = R+IR−LR・IR ・・・(1)
G = G+IR−LG・IR ・・・(2)
B = B+IR−LB・IR ・・・(3)
図3は、赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタ及び赤外線フィルタを備える各画素の分光特性の一例を示す図である。図3は、横軸に波長、縦軸に感度をとる。境界線aより高い波長の領域は、赤外線領域を示し、境界線aより低い波長の領域は、可視光領域を示す。
赤色フィルタを備える画素の赤外線波長領域における感度は、赤外線フィルタを備える画素の感度よりかなり大きくなる。図3の特性例では、赤外線フィルタを備える画素は、赤外線波長領域にて、赤色フィルタを備える画素の1.5倍程度の感度を持つ。よって、赤色フィルタを備える画素の係数LRの値を1.5に設定する。赤外線フィルタを備える画素から出力された赤外線成分IRをそのまま減算しただけでは、赤色フィルタを備える画素の出力信号から赤外線成分を除去しきれない。この点、赤外線フィルタを備える画素から出力された赤外線成分IRに係数LRを乗じて補正することにより、赤色フィルタを備える画素の出力信号に含まれる赤外線成分を完全に除去することができる。
青色フィルタを備える画素の赤外線波長領域における感度は、赤外線フィルタを備える画素の感度と同程度となる。緑色フィルタを備える画素の赤外線波長領域における感度は、赤外線フィルタを備える画素の感度より1割程度、小さくなる。そこで、青色フィルタを備える画素の係数LRの値を1に設定し、緑色フィルタを備える画素の係数LRの値を0.9に設定する。よって、図3の特性例を持つ撮像素子10における係数(LR, LG, LB)の値は、(1.5,0.9,1.0)程度となる。
上述した分光特性は、フィルタの分光特性やフォトダイオードの分光特性だけでなく、光源の分光特性や被写体の分光特性にも影響を受ける。これらの特性は、光源や撮影対象によって様々であり、感度が一致しない波長の光の強度が強いこともあれば弱いこともある。よって、係数(LR, LG, LB)の値も、光源や被写体ごとに切り替えることが望ましい。
赤外線成分予測部16は、光源の種類ごとに予め算出された係数(LR, LG, LB)の値を保持していてもよい。例えば、太陽光向け、蛍光灯向け、白熱灯向けごとに異なる係数(LR, LG, LB)の値を保持する。これらの値は、設計者により実験やシミュレーションにより求められる。赤外線成分予測部16は、ユーザにより光源のモードが選択されると、選択されたモードに対応する係数(LR, LG, LB)を使用する。
また、赤外線成分予測部16は、被写体の種類ごとに予め算出された係数(LR, LG, LB)の値を保持していてもよい。例えば、人間向け、植物向け、建造物向けごとに異なる係数(LR, LG, LB)の値を保持する。ユーザにより撮影対象のモードが選択されると、赤外線成分予測部16は、選択されたモードに対応する係数(LR, LG, LB)を使用する。また、光源と被写体の組合せごとに異なる係数(LR, LG, LB)の値を保持していてもよい。
また、光源や被写体の分光特性に対応した係数(LR, LG, LB)を赤外線成分予測部16に予め登録しておくのではなく、撮影ごとに係数(LR, LG, LB)を適宜、算出してもよい。例えば、赤外線成分予測部16は、各画素に入射された光の分光特性を、撮像素子10から出力された画像信号を積分することによって、撮影時に求めてもよい。また、撮像装置300に分光特性センサを設け、撮影時の分光特性を測定し、係数(LR, LG, LB)を決定してもよい。
信号処理部18は、減算部14の出力信号に基づき、各種画像処理を施して、外部に出力する。
以上、本実施の形態に係る撮像装置によれば、可視光フィルタを備えた画素より出力された赤外線成分を含む色成分から赤外線成分を減算するときに、可視光フィルタを備えた画素で受光した光の赤外線領域の分光特性と赤外線フィルタを備えた画素で受光した光の分光特性の比を、赤外線フィルタを備えた画素より出力された赤外線成分に乗ずることによって、可視光フィルタを備えた画素より出力された色成分に含まれる赤外線成分を予測する。これにより、可視光フィルタを備えた画素が受光した光の赤外線領域の分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性とが異なっている場合でも、可視光フィルタを備えた画素より出力された色成分に含まれる赤外線成分をほぼ正確に予測することができ、この色成分から赤外線成分を十分に除去することができる。したがって、この撮像装置によって、色再現性のよいカラー画像を得ることが可能となる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、上記実施の形態において、赤外線成分予測部16は、可視光フィルタを備えた画素が受光した光の赤外線領域の分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性との比を、赤外線フィルタを備えた画素から出力された赤外線成分IRに乗ずることにより、赤外線成分を補正する例を示したが、可視光フィルタを備えた画素が受光した光の赤外線領域の分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性の差をオフセット量とみなし、赤外線フィルタを備えた画素から出力された赤外線成分IRにこのオフセット量を加算することにより、赤外線成分を予測してもよい。この方法は、フィルタの特性が重畳される赤外線成分がオフセット量としてあらわれる場合に有効である。
また、上記の実施の形態において、赤外線成分予測部16は、可視光フィルタを備えた画素が受光した光の赤外線領域の分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性とに基づいて、可視光フィルタを備えた画素から出力された信号に含まれる赤外線成分を予測したが、可視光フィルタを備えた画素が受光した光の赤外線領域だけでなく、他の波長の光の一部も含めた分光特性と、赤外線フィルタを備えた画素が受光した光の分光特性とに基づいて、可視光フィルタを備えた画素から出力された信号に含まれる赤外線成分を予測してもよい。この方法は、赤外線フィルタが可視光の一部を透過するような特性を持っている場合に有効である。
また、上記実施の形態において、撮像素子10が可視光と赤外線の両方を透過する可視光フィルタを備えた画素と、主として赤外線を透過する赤外線フィルタを備えた画素を具備している例を示したが、これに限るものではなく、可視光フィルタを備えた撮像素子と、赤外線フィルタを備えた撮像素子の2つを具備して、それぞれから出力された画像信号を用いても、本発明の撮像装置に含まれる。
また、上記実施の形態において、3原色フィルタと赤外線フィルタを用いた撮像素子10について説明した。この点、本実施の形態は、補色フィルタと赤外線フィルタを用いた撮像素子10に適用可能である。補色フィルタは、イエローYe、シアンCyおよびマゼンダMgに色分解する。または、イエローYe、シアンCyおよびグリーンGrに、もしくはイエローYe、シアンCy、マゼンダMgおよびグリーンGrに色分解する。それぞれの色成分を透過するフィルタは、上述した3原色フィルタと同様に、赤外線成分も透過する。
10 撮像素子
14 減算部
16 赤外線成分予測部
100 撮像装置
14 減算部
16 赤外線成分予測部
100 撮像装置
Claims (2)
- 可視光と赤外線の両方を受光する第1の画素と、
赤外線を受光する第2の画素と、
前記第1の画素が受光した光の分光特性と前記第2の画素が受光した光の分光特性とに基づいて、前記第2の画素より出力された信号から前記第1の画素より出力された信号に含まれる赤外線成分の大きさを予測する予測部と、
前記第1の画素より出力された信号から前記予測された赤外線成分を減算する減算部と、
を具備することを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の画素と前記第2の画素は、同一の撮像素子に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
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