JP6692749B2 - マルチスペクトルカメラ - Google Patents
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Description
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。
(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]
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (22)
- 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。 - 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、請求項1に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項1または2に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項1から3のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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)であり、
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)、第i(iは1以上でN以下の整数)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、請求項2に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項5に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項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。
- 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、請求項7に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項7または8に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項1から9のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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。 - 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、請求項11に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項11または12に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項11から13のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 前記信号処理回路は、前記無フィルタ光感知セル群の光電変換信号をE(0)、第i(iは1以上でN以下の整数)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、請求項14に記載のマルチスペクトルカメラ。 - 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、請求項15に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項11から16のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 前記複眼光学系は、複数の凸レンズを含む、請求項11から17のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 前記複数の凸レンズは、偏心のある凸レンズを含む、請求項18に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項11から17のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
- 前記複数の凹レンズは、偏心のある凹レンズを含む、請求項20に記載のマルチスペクトルカメラ。
- 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、請求項11から21のいずれかに記載のマルチスペクトルカメラ。
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