JP4391431B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮影レンズから出射した光について輝度と色とを分離し、高解像度で色再現精度の高い映像出力を形成できる撮像装置に関するものである。

従来の放送用ビデオカメラの構成を図１に示す。被写体の像を撮影する撮影レンズ１の後段に色分解プリズム２が配置され、撮像レンズから出射した光はＲＧＢの光に分解される。色分解プリズム２の各所定の位置に、ＲＧＢの光をそれぞれ受光してＲＧＢの色信号をそれぞれ出力する３つの撮像素子３Ｒ、３Ｇ及び３Ｂが配置される。３個の撮像素子から出力される色信号は映像信号処理回路４に供給され、輝度信号及び色差信号が作成される。この従来の撮像装置において、高解像度のＮ×Ｍ画素の画像を必要とする場合、ＲＧＢ用にＮ×Ｍ画素の３個の高解像度の撮像素子を用意し、これらの撮像素子を高精度に位置合わせして組み合わされている。

別の従来の撮像装置の構成を図２に示す。撮影レンズ１の出射側にベイヤ方式（Bayer方式）の色フィルタ５と、色フィルタからの出射光を受光してＲＧＢの色信号を出力する単一の撮像素子６とを有し、撮像素子６から出力されたＲＧＢの色信号を映像信号処理回路４に供給している。この既知の撮像装置は、Ｎ×Ｍ画素の単一の撮像素子と同一画素数の色フィルタとを用いてＲＧＢ共にＮ×Ｍ画素の画像を出力する利点がある。

図１に示す従来の撮像装置においては、高解像度の映像信号を得るためには、高解像度の３個の撮像素子を設ける必要があり、しかも３個の撮像素子を相互に高精度に組み込まなければならず、組み立て作業が煩雑になり、製造コストが高価になる欠点がある。
また、図２に示す従来の撮像装置は、偽色が発生し易く、特に細かな模様を含む被写体の画像を撮像する場合実際とは異なる色の模様が生じる欠点がある。さらに、高解像度の画像を得るためには、撮像素子及び色フィルタ自体を高解像度化する必要があるだけでなく、色フィルタと撮像素子とを貼り合わす際極めて高い位置決め精度が要求される欠点がある。このような欠点は、解像度を高くするにしたがって一層顕著になる。

本発明の目的は、上述した欠点を解消し、高い解像度及び色再現精度を維持しつつ、一層安価なコストで製造される撮像装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、解像度を高くしても偽色の発生が抑制された撮像装置を提供することにある。

本発明による撮像装置は、被写体を撮影する撮影レンズと、撮影レンズから出射した光を第１の光路を伝搬する光と第２の光路を伝搬する光とに分割するビームスプリッタと、前記第１の光路に配置され、高解像度輝度信号を出力する高解像度の第１の撮像手段と、前記第２の光路に配置され、前記輝度信号の解像度よりも低い解像度のＲＧＢ色信号を出力する低解像度の第２の撮像手段と、前記高解像度輝度信号及び低解像度のＲＧＢ色信号を受け取り、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度のＲ、Ｇ、及びＢの色信号を出力する映像信号処理回路とを具え、
前記映像信号処理回路は、前記低解像度のＲＧＢ色信号から低解像度の輝度信号を生成する手段と、前記低解像度輝度信号に対する低解像度のＲ、Ｇ、及びＢの色信号の比率をそれぞれ表す信号を形成する手段と、当該比率を表す各信号について内挿処理を実行し、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度の比率信号に変換する手段と、前記高解像度輝度信号に前記高解像度の比率信号を乗算する手段とを有することを特徴とする。

人間の視覚では、輝度成分に対して解像度が高いが、色の差に関しては輝度よりも低い解像度で十分である。そのため、撮像装置が高解像度の輝度と低解像度の色を撮影できるのであれば、視覚的に問題が生ずることはない。このような撮像装置が実現できれば、効率的で安価に製造することができる。しかし、従来の撮像装置はＲＧＢの色信号から色と輝度を再現するため、必要以上に高解像度の撮像素子と高精度な製造技術を必要としている。
本発明は、このような認識に立脚しており、輝度と色とを分離し、高解像度の第１の撮像手段により高解像度輝度信号を発生させ、低解像度の第２の撮像手段により低解像度色信号を発生させる。そして、映像信号処理回路において、高解像度輝度信号を用いて低解像度色信号を高解像度色信号に変換する。このように構成することにより、高解像度の撮像素子が１枚だけで済むため、高い解像度及び色再現性を維持しつつ、製造コストを一層安価にすることができる。特に、色信号を発生する撮像素子の解像度は、輝度信号を発生させる撮像素子の解像度の縦横共に１／４程度にすることが可能であるため、組み立て精度の要件が緩和されると共に製造コストが一層安価になる。しかも、偽色の発生を大幅に抑制することができる。

本発明による撮像装置の好適実施例は、第２の撮像手段を、Ｒ，Ｇ，Ｂの色信号を出力する単一の撮像素子で構成し、前記ビームスプリッタと前記単一の撮像素子との間に光学ローパスフィルタと色フィルタとを配置したことを特徴とする。

本発明による撮像装置の別の好適実施例は、第２の撮像手段は、前記ビームスプリッタから出射した光をＲ，Ｇ，Ｂの光に分解する色分解光学系と、色分解されたＲ，Ｇ，Ｂの光をそれぞれ受光して低解像度のＲ，Ｇ，Ｂの色信号をそれぞれ出力する３つの撮像素子とを有することを特徴とする。

本発明による別の撮像装置は、被写体を撮影する撮影レンズと、撮影レンズから出射した光を第１の光路を伝搬する光と第２の光路を伝搬する光とに分割するビームスプリッタと、前記第１の光路に配置され、高解像度輝度信号を出力する高解像度の第１の撮像手段と、前記第２の光路に配置され、前記輝度信号の解像度よりも低い解像度のＲＧＢ色信号を出力する低解像度の第２の撮像手段と、前記高解像度輝度信号及び低解像度のＲＧＢ色信号を受け取り、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度のＲ、Ｇ、及びＢの色信号を出力する映像信号処理回路を具え、
前記映像信号処理回路は、前記低解像度のＲＧＢ色信号から低解像度の輝度信号を生成する手段と、前記低解像度のＲＧＢ色信号及び低解像度輝度信号について内挿処理を実行し、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度の信号に変換する手段と、前記内挿処理された輝度信号に対する内挿処理されたＲ、Ｇ、及びＢの色信号の比率をそれぞれ表す高解像度の比率信号を形成する手段と、前記高解像度輝度信号に前記高解像度の比率信号を乗算する手段とを有することを特徴とする。

本発明による撮像装置の別の好適実施例は、低解像度色信号を発生する第２の撮像手段と前記映像信号処理回路との間に色補正手段を設け、色補正された低解像度色信号を前記映像信号処理回路に供給することを特徴とする。本例では、低解像度色信号について色補正するため、色補正回路の負荷を軽減することができる。

本発明では、被写体からの光を輝度と色とに分離し、高解像度の撮像素子から輝度信号を発生させ、低解像度の撮像素子から色信号を発生させ、映像信号処理回路において低解像度色信号を高解像度輝度信号と同一の解像度（同一の画素数）の高解像度色信号に変換しているので、高い解像度及び色再現性を維持しつつ製造コストを一層安価にすることができ、偽色の発生も抑制することができる。

図３は本発明による撮像装置の一例を示す線図である。被写体から発生した光は、撮影レンズ１０を介して、ビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１は、被写体からの光を第１の光路１２ａを伝搬する光と第２の光路１２ｂを伝搬する光とに分割する。第１の光路には高解像度輝度信号を発生させる第１の撮像手段を設け、第２の光路には低解像度のＲＧＢ色信号を発生させる第２の撮像手段を設ける。

第１の光路１２ａには、比視感度曲線にしたがったフィルタリング特性を有する輝度用のフィルタ１３及び第１の撮像素子１４を配置する。第１の撮像素子１４は高い解像度を有し、その出力信号は高解像度の輝度信号として映像信号処理回路１５に供給する。第２の光路１２ｂには、光学ローパスフィルタ（光学LPF）１６、色フィルタ１７及び第２の撮像素子１８を順次配置する。第２の撮像素子１８は、第１の撮像素子１４よりも低い解像度、例えば画素数が垂直方向及び水平に１／２の画素数を有する撮像素子とし、当該第２の撮像素子からＲＧＢの各チャンネルの低解像度ＲＧＢ色信号を発生して映像信号処理回路１５に供給する。光学LPF１６は、被写体からの光のうち高周波数成分を減衰させる作用を果たし、例えば第２の撮像素子１８の解像度の半分の解像度に対応する周波数以上の周波数成分を取り除く。また、色フィルタ１７は第２の撮像素子と同一の解像度を有し、例えばベイヤ方式の色フィルタとすることができる。

図４は映像信号処理回路の一例を示す線図である。高解像度の第１の撮像素子１４の画素数をＮ×Ｍとし、低解像度の第２の撮像素子１８の各ＲＧＢチャンネルに対応する画素数をｎ×ｍとする（Ｎ＞ｎ，Ｍ＞ｍ）。また、第１の撮像素子から出力される高解像度輝度信号をＹ_ＮＭとし、第２の撮像素子から出力される低解像度色信号をＲ_ｎｍ、Ｇ_ｎｍ及びＢ_ｎｍとする。

第２の撮影素子１８から出力される低解像度色信号Ｒ_ｎｍ、Ｇ_ｎｍ及びＢ_ｎｍ は輝度信号作成回路２０に入力する。輝度信号作成回路２０において、低解像度色信号Ｒ_ｎｍ、Ｇ_ｎｍ及びＢ_ｎｍ を用いて低解像度の輝度信号Ｙ_ｎｍ を作成する。ここで、輝度信号Ｙ_ｎｍとＲＧＢ色信号とは式（１）に示す関係にあり、輝度信号作成回路２０は、式（１）に基づいて変換を行う。尚、式（１）において、係数Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３は輝度信号を比視感度曲線に整合させるための重み付け因子であり、ＲＧＢ色信号の重み付け因子である。
Ｙ_ｎｍ＝Ｃ_１・Ｒ_ｎｍ ＋Ｃ_２・Ｇ_ｎｍ＋Ｃ_３・Ｂ_ｎｍ （１）

また、低解像度ＲＧＢ色信号は除算器２１ａ、２１ｂ及び２１ｃにも供給され、この除算器において、各低解像度ＲＧＢ色信号を低解像度輝度信号Ｙ_ｎｍで除算し、式（２）で表される値の信号、すなわち低解像度色信号の低解像度輝度信号に対する比をそれぞれ出力する。尚、輝度信号Ｙ_ｎｍが零の場合、値が不定になるため、式（２）ではＹ_ｎｍが零の場合零とする。ここで、式（２）により表される低解像度色信号の低解像度輝度信号に対する比を比率信号と称することにする。
Ｒ_ｎｍ／Ｙ_ｎｍ 、Ｇ_ｎｍ／Ｙ_ｎｍ 、Ｂ_ｎｍ／Ｙ_ｎｍ （２）
除算器２１ａ〜２１ｃから出力される低解像度の比率信号は、内挿回路２２ａ〜２２ｃに供給する。内挿回路２２ａ〜２２ｃは、第１及び第２の撮像素子１４及び１８の画素数に関する情報を用いて低解像度の比率信号について内挿処理を行い、ｎ×ｍ画素からＮ×Ｍ画素へ、すなわち第１の撮像素子１４の解像度と同一の解像度（同一の画素数）に変換する。ここで、内挿変換された高解像度の比率信号は、［Ｒ］_ＮＭ、［Ｇ］_ＮＭ及び［Ｂ］_ＮＭで表示する。

次に、乗算器２３ａ〜２３ｃを用いて、信号［Ｒ］_ＮＭ、［Ｇ］_ＮＭ及び［Ｂ］_ＮＭ について輝度信号Ｙ_ＮＭをそれぞれ乗算し、式（３）で示され第１の撮像素子の解像度と同一解像度（第１の撮影素子の画素数と等しい画素数）の色信号Ｒ_ＮＭ、Ｇ_ＮＭ及びＢ_ＮＭ をそれぞれ形成する。
Ｒ_ＮＭ＝［Ｒ］_ＮＭ×Ｙ_ＮＭ
Ｇ_ＮＭ＝［Ｇ］_ＮＭ×Ｙ_ＮＭ （３）
Ｂ_ＮＭ＝［Ｂ］_ＮＭ×Ｙ_ＮＭ

次に、本発明による映像信号処理回路の作用について説明する。説明に際し、図５に示す縦縞のパターンを撮影する場合を想定する。式（１）の係数Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３をそれぞれ0．3，0．7及び0．1とする。図4の各回路からの出力信号のレベルを図６に示す。図６（ａ）は第１の撮像素子１４から出力される高解像度輝度信号Ｙ_ＮＭのレベルを示す。第１の撮像素子に入射する光は輝度フィルタ１３によりフィルタリングされているため、ＲＧＢの光は、それぞれ信号レベル0．3、0．7及び0．1となる。

図６（ｂ）〜（ｄ）は低解像度の第２の撮像素子から出力される低解像度色信号Ｒ_ｎｍ、Ｇ_ｎｍ及びＢ_ｎｍ のレベルをそれぞれ示す。第２の撮像素子からの出力信号は光学LPF１６の影響により信号レベルの変化が緩やかである。

図６（ｅ）は、輝度信号作成回路２０から出力される低解像度の輝度信号Ｙ_ｎｍのレベルを示す。

図６（ｆ）〜（ｈ）は除算器２１ａ〜２１ｃから出力される低解像度の比率信号のレベルを示す。

図６（ｉ）〜（ｋ）は、乗算器２３ａ〜２３ｃで高解像度輝度信号が乗算された後の高解像度のＲＧＢ色信号Ｒ_ＮＭ、Ｇ_ＮＭ及びＢ_ＮＭ のレベルを示す。このように、本発明による映像信号処理回路から第１の撮像素子と同一解像度の高解像度色信号を出力することができ、すなわち、ＲＧＢ用の３個の高解像度の撮像素子を用いる撮像装置で得られる色信号と同一解像度の色信号を出力することができる。

尚、上述した実施例では、低解像度の撮像素子から出力される低解像度色信号を除算器で除算してから内挿処理を実行したが、内挿処理を実行してから除算処理を行ってもよい。また、高解像度の第１の撮像素子１４から出力される輝度信号をそのまま用いてモノクロカメラとして使用することも可能である。さらに、低解像度の第２の撮像素子１８から出力される低解像度色信号を用いて低解像度の色差信号を形成することも可能である。さらに、低解像度の第２の撮像素子からの出力信号をＲＧＢの３チャンネルの信号としたが、色再現の精度を上げるため、４色、６色等に設定することも可能である。

さらに、上述した実施例では、高解像度輝度信号を発生する第１の撮像素子の前面に輝度用のフィルタ１３を用いたが、必ずしも当該フィルタを用いなくても良い。輝度用のフィルタを用いない場合、ＲＧＢの重み付けは全て同等になるので、式（１）の係数は全て１とする。また、輝度用のフィルタの特性が輝度と異なっていてもＲＧＢの色信号を出力するのであれば、原理的に問題となることはない。

図７は本発明による撮像装置の変形例を示す線図である。本例では、低解像度のＲＧＢ色信号を発生させる第２の撮像手段として、色分解プリズム３０と、色分解プリズムの所定の位置に配置したＲＧＢ用の３個の低解像度の撮像素子３１ａ〜３１ｃを用いる。これら３個の撮像素子から低解像度のＲＧＢ色信号を映像信号処理回路１５に供給する。本例においても、ＲＧＢ色信号発生用の３個の撮像素子として、低解像度の撮像素子を用いることができ、組み立て作業が容易になると共に製造コストが一層安価になる。

図８は、本発明による撮像装置の別の変形例を示す線図である。本例では、低解像度のＲＧＢ色信号を発生する第２の撮像手段と映像信号処理回路との間に色補正回路４０を設ける。映像信号処理回路の前段に色補正回路を設けることにより、低解像度の色信号について色補正することができ、色補正回路の負荷を大幅に低減することができる。

従来の撮像装置の構成を示す線図である。 従来の撮像装置の構成を示す線図である。 本発明による撮像装置の一例を示す線図である。 映像信号処理回路の一例を示す線図である。 本発明による信号処理を説明するための被写体パターンを示す線図である。 映像信号処理回路の各部分での信号レベルを示す線図である。 本発明による撮像装置の変形例を示す線図である。 本発明による撮像装置の別の変形例を示す線図である。

符号の説明

１，１０ 撮影レンズ
２ 色分解プリズム
３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ
４，１５ 映像信号処理回路
１１ ビームスプリッタ
１２ａ，１２ｂ 第１及び第２の光路
１３ 輝度用フィルタ
１４ 第１の撮像素子
１６ 光学LPF
１７ 色フィルタ
１８ 第２の撮像素子
２０ 輝度信号作成回路
２１ａ〜２１ｃ 除算器
２２ａ〜２２ｃ 内挿回路
２３ａ〜２３ｃ 乗算器
３０ 色分解プリズム
３１ａ〜３１ｃ 低解像度撮像素子
４０ 色補正回路

Claims (5)

1. 被写体を撮影する撮影レンズと、撮影レンズから出射した光を第１の光路を伝搬する光と第２の光路を伝搬する光とに分割するビームスプリッタと、前記第１の光路に配置され、高解像度輝度信号を出力する高解像度の第１の撮像手段と、前記第２の光路に配置され、前記輝度信号の解像度よりも低い解像度のＲＧＢ色信号を出力する低解像度の第２の撮像手段と、前記高解像度輝度信号及び低解像度のＲＧＢ色信号を受け取り、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度のＲ、Ｇ、及びＢの各色信号を出力する映像信号処理回路とを具え、
   前記映像信号処理回路は、前記低解像度のＲＧＢ色信号から低解像度の輝度信号を生成する手段と、前記低解像度輝度信号に対する低解像度のＲ、Ｇ、及びＢの各色信号の比率をそれぞれ表す信号を形成する手段と、当該比率を表す各信号について内挿処理を実行し、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度の比率信号に変換する手段と、前記高解像度輝度信号に前記高解像度の比率信号を乗算する手段とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 被写体を撮影する撮影レンズと、撮影レンズから出射した光を第１の光路を伝搬する光と第２の光路を伝搬する光とに分割するビームスプリッタと、前記第１の光路に配置され、高解像度輝度信号を出力する高解像度の第１の撮像手段と、前記第２の光路に配置され、前記輝度信号の解像度よりも低い解像度のＲＧＢ色信号を出力する低解像度の第２の撮像手段と、前記高解像度輝度信号及び低解像度のＲＧＢ色信号を受け取り、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度のＲ、Ｇ、及びＢの各色信号を出力する映像信号処理回路を具え、
   前記映像信号処理回路は、前記低解像度のＲＧＢ色信号から低解像度の輝度信号を生成する手段と、前記低解像度のＲＧＢ色信号及び低解像度輝度信号について内挿処理を実行し、前記高解像度輝度信号の解像度に等しい高解像度の信号に変換する手段と、前記内挿処理された輝度信号に対する内挿処理されたＲ、Ｇ、及びＢの各色信号の比率をそれぞれ表す高解像度の比率信号を形成する手段と、前記高解像度輝度信号に前記高解像度の比率信号を乗算する手段とを有することを特徴とする撮像装置。
3. 前記第２の撮像手段を、低解像度のＲ，Ｇ，Ｂの色信号を出力する単一の撮像素子で構成し、前記ビームスプリッタと前記単一の撮像素子との間に光学ローパスフィルタと色フィルタとを配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記第２の撮像手段は、前記ビームスプリッタから出射した光をＲ，Ｇ，Ｂの光に分解する色分解光学系と、色分解されたＲ，Ｇ，Ｂの光をそれぞれ受光して低解像度のＲ，Ｇ，Ｂの色信号をそれぞれ出力する３つの撮像素子とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
5. 前記低解像度色信号を発生する第２の撮像手段と前記映像信号処理回路との間に色補正手段を設け、色補正された低解像度色信号を前記映像信号処理回路に供給することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の撮像装置。