JPH1198518A - カラー撮像装置及びカラー撮像方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】入射光の利用効率及び撮像デバイスの光電変換
素子の使用効率を高めることができるカラー撮像方法、
及びこれらと同様のことができ、しかも安価且つ小型の
カラー撮像装置を提供する。 【解決手段】光を電気信号に変換する１つの単板撮像デ
バイス１０と、入射された光を分光することにより得ら
れた３つの原色光Ｒ、Ｇ及びＢを単板撮像デバイスの受
光面に形成される３つの受光領域にそれぞれ照射するダ
イクロイックプリズム２３と、このダイクロイックプリ
ズムに入射される光を生成するレンズ系２１と、を備
え、単板撮像デバイス１０の受光面は矩形状を有し、該
単板撮像デバイス１０の受光面に形成される３つの受光
領域のそれぞれは、単板撮像デバイス１０の長手方向を
短手方向にしたアスペクト比が略１：２の矩形状に形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラー画像を得る
ためのカラー撮像装置及びカラー撮像方法に関し、特に
単板式でカラー画像を得る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、主なカラー撮像方式として３板式
と単板式とが知られている。最も基本的なカラー撮像方
式の１つである３板式のカラー撮像装置では、例えば特
開平５−３４１１１１号公報に示されるように、フィル
タ、屈折板、３色分解プリズム等といった光学系と３個
の撮像デバイスが用いられる。入射光は、フィルタ、屈
折板等の後段に設けられた３色分解プリズムによって赤
（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）といった３つの原色光に
分離され、それぞれＲ、Ｇ及びＢ用の撮像デバイスに導
かれる。各撮像デバイスは二次元に配列された光電変換
素子を有し、これらの光電変換素子は、入射された原色
光を、その明暗に応じた電気信号に変換する。この変換
により得られた電気信号は、各原色光のイメージ信号と
して外部に出力される。

【０００３】一方、単板式のカラー撮像装置では、１個
の撮像デバイスと色フィルタアレイが用いられる。各撮
像デバイスは二次元に配列された光電変換素子を有し、
色フィルタアレイは、各光電変換素子に対応するＲ、Ｇ
及びＢ用の色フィルタで構成されている。入射光は、
Ｒ、Ｇ及びＢ用の色フィルタを経由して撮像デバイスの
各光電変換素子に導かれる。色フィルタの配列は種々考
案されており、例えば図７（Ａ）に示すような「ベイヤ
方式」、図７（Ｂ）に示すような「ＧストライプＲＢ市
松方式」等の配列が知られている。そして、Ｒ、Ｇ及び
Ｂに対応する光電変換素子によって１つの画素が形成さ
れる。撮像デバイスの各光電変換素子からは、フィルタ
の種類に応じてＲ、Ｇ又はＢといった原色光のイメージ
信号が出力される。

【０００４】この単板式のカラー撮像装置としては、例
えば特開平８−１８２００６号公報に記載された単板式
カラー固体撮像装置が知られている。この単板式カラー
固体撮像装置は、空間画素と呼ばれる小区画にＲ、Ｇ及
びＢ用の光電変換素子を備えている。そして、入射光の
一部がプリズムでＲ、Ｇ及びＢに色分解されて上記各光
線変換素子上に導かれる。これにより、色フィルタを使
用する従来の単板式カラー撮像装置に比べ、入射光の利
用効率が高くなるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した３板式のカラ
ー撮像装置は、入射光が基本的にロスなく利用できるの
でＳＮ比が大きいという利点があるが、その反面、次の
ような欠点がある。即ち、撮像デバイスを３個用い、し
かも色分解光学系が必要なので装置が高価になる。ま
た、Ｒ、Ｇ及びＢ用といった３つの撮像デバイスの各画
素（光電変換素子）位置をミクロンオーダーで正確に合
わせなければならないので精密加工が必要である。更
に、バックフォーカスの長い撮像レンズが必要であるの
で、カメラが大きく且つ重くなる。

【０００６】これに対し、単板式のカラー撮像装置は、
撮像デバイスは１個でよく、色分解光学系も不要である
ので、３板式に比べて廉価且つ小型であるという特徴が
ある。しかしながら、各原色光の画素密度は３板式の三
分の一であるので３板式に比べて画質が劣る。また、
Ｒ、Ｇ及びＢの各光電変換素子が例えば図７に示すよう
に混ざり合って配列されているので、３板式に比べると
間引かれた情報しか得られない。従って、肉眼で見る場
合は画質の劣化が問題になることはないが、画像処理す
る場合に情報量が不足するという問題がある。

【０００７】なお、単板式の場合は、実際は、隣接する
画素の相関関係に基づいて各色毎に補完処理されたイメ
ージデータがカラー撮像装置から出力される。しかし、
この場合であっても元になる情報量が不足するので、画
像処理する際にエッジの強調処理等が必要であるという
問題がある。更に、光電変換素子の配列が複雑なため
に、撮像デバイスを走査するための回路が複雑になった
り、或るいは得られたイメージデータの処理が複雑にな
るという問題がある。

【０００８】また、上記特開平８−１８２００６号公報
に記載された単板式カラー固体撮像装置では、入射光の
利用効率は上がるが、Ｒ、Ｇ及びＢといった３つの光電
変換素子で１つの空間画素が形成され、この空間画素が
複数配列されて撮像デバイスが形成されるので、上述し
た画素密度の低下、画像処理する際の情報量不足及び光
電変換素子の配列の複雑さといった単板式固有の問題は
解消されていない。

【０００９】更に、従来の単板式カラー撮像装置の内部
には、一般に、３：４のアスペクト比（画面の縦と横と
の比）を有する撮像デバイスが、例えば図８に示すよう
に、横長に配置されている。ところが、カラー撮像装置
の用途によっては、上記撮像デバイスから得られるイメ
ージデータの全てを使用するとは限らない。

【００１０】例えば映像を利用した車両の自動運転シス
テムでは、上記撮像デバイスから得られるイメージデー
タの一部のみが外界情報として必要である。即ち、撮像
デバイスから得られた画像のうち上部（例えば空）の画
像は不必要である。従って、画面のアスペクト比は
「１：２」程度であれば十分であり、従来のアスペクト
比３：４の撮像デバイスを横長にして使用するカラー撮
像装置では、使用されない光電変換素子が多くなる。

【００１１】本発明の第１の目的は、上述した従来のカ
ラー撮像装置の諸欠点を解消するためになされたもので
あり、入射光の利用効率及び撮像デバイスの光電変換素
子使用効率を高めることができ、しかも安価且つ小型の
カラー撮像装置を提供することにある。

【００１２】また、本発明の第２の目的は、入射光の利
用効率及び撮像デバイスの光電変換素子の使用効率を高
めることができるカラー撮像方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明のカラー撮像装置は、光を電気信号に
変換する単板撮像デバイスと、入射された光を分光する
ことにより得られた３つの原色光を前記単板撮像デバイ
スの受光面に形成される３つの受光領域にそれぞれ照射
する分光手段、とを備えている。

【００１４】このカラー撮像装置によれば、分光された
Ｒ、Ｇ及びＢといった３つの原色光は、単板撮像デバイ
ス上の３つの領域にそれぞれ照射される。この構成は原
理的に３板式と同じであるので、３板式と同様に入射光
がロスなく利用できるという利点を有する。また、３板
式と異なり撮像デバイスは１つだけ設ければよいので、
装置が高価になるという欠点を解消できる。

【００１５】このカラー撮像装置は、前記分光手段に入
射される光を生成する光学系を更に備えて構成すること
ができる。この光学系には、例えばレンズ、ミラー、光
学フィルタ、絞り機構等といった被写体の映像を分光手
段に導く各種部材が含まれる。

【００１６】前記単板撮像デバイスの受光面は矩形状を
有し、該単板撮像デバイスの受光面に形成される前記３
つの受光領域のそれぞれは、前記単板撮像デバイスの長
手方向を短手方向にした矩形状に形成することができ
る。この場合、前記単板撮像デバイスの受光面に形成さ
れる各受光領域のアスペクト比を１：２にすることがで
きる。

【００１７】この構成によれば、従来のアスペクト比
３：４の撮像デバイスを１個だけ用いてカラー撮像装置
を構成することができ、しかも、例えば車両の自動運転
システムにおける外界情報収集等に用いられる横長のカ
ラー画像（例えばアスペクト比１：２）を得るような用
途の場合に、撮像デバイスを形成する光電変換素子の利
用効率を高めることができる。

【００１８】また、前記分光手段はダイクロイックプリ
ズム又はダイクロイックミラーで構成することができ
る。更に、本発明のカラー撮像装置は、前記単板撮像デ
バイスから得られるイメージデータを、前記３つの原色
光のそれぞれに対応するイメージデータに分類して出力
するための制御手段を更に備えて構成することができ
る。

【００１９】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明のカラー撮像方法は、入射された光を３つの原色
光に分光し、分光された各原色光を単板撮像デバイスの
受光面に形成される３つの受光領域にそれぞれ照射する
ように構成されている。

【００２０】この場合、前記受光面は矩形状を有し、該
受光面に形成される前記３つの受光領域のそれぞれは、
前記受光面の長手方向を短手方向にした矩形状に形成さ
れるように構成できる。また、前記受光面に形成される
各受光領域のアスペクト比は１：２になるように構成で
きる。

【００２１】また、本発明のカラー撮像方法は、前記単
板撮像デバイスから得られるイメージデータを、前記３
つの原色光のそれぞれに対応するイメージデータに分類
して出力するステップを更に有するように構成できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
るカラー撮像装置の構成を示す。このカラー撮像装置
は、被写体の映像を検出するための撮像デバイス１０
と、この撮像デバイス１０の受光面に被写体の映像を結
像させるための光学系２０と、撮像デバイス１０から得
られるアナログイメージ信号に基づいてデジタルイメー
ジ信号を得るための信号処理部３０とから構成されてい
る。

【００２３】光学系２０は、レンズ系２１とダイクロイ
ックプリズム２３とで構成されている。レンズ系２１
は、被写体の映像をダイクロイックプリズム２３を介し
て撮像デバイス１０上に結像させるために使用される。
このレンズ系２１には絞り機構２２が設けられており、
入射光量を制御できるようになっている。

【００２４】ダイクロイックプリズム２３は、本発明の
分光手段に対応し、入射された可視光をプリズムによっ
て三原色光に分光する。このダイクロイックプリズム２
３は、図１に示すように、第１プリズム２３１、第２プ
リズム２３２及び第３プリズム２３３で構成されてい
る。第１プリズム２３１の所定面（図１参照）には青色
光を反射するための第１ダイクロイック膜２３１ａがコ
ーティングされており、第２プリズムの所定面（図１参
照）には赤色光を反射するための第２ダイクロイック膜
２３２ａがコーティングされている。

【００２５】レンズ系２１から射出された光はダイクロ
イックプリズム２３の第１プリズム２３１に入射し、第
１ダイクロイック膜２３１ａで青色光が反射される。残
余の光は第１ダイクロイック膜２３１ａを透過して第２
プリズム２３２に入射する。そして、第２ダイクロイッ
ク膜２３２ａで赤色光が反射される。残余の光、つまり
緑色光（Ｇ）は第２ダイクロイック膜２３２ａを透過し
て第３プリズム２３３に入射し、この第３プリズム２３
３を透過して第３射出面２３３ｂから射出される。

【００２６】ダイクロイック膜２３１ａで反射された青
色光（Ｂ）は、第１プリズム２３１内で全反射されて第
１射出面２３１ｂから射出される。また、第２ダイクロ
イック膜２３２ａで反射された赤色光（Ｒ）は第２プリ
ズム２３２内で全反射されて射出面２３２ｂから射出さ
れる。このようにして各射出面２３１ｂ、２３２ｂ及び
２３３ｂから射出された青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）及
び緑色光（Ｇ）は、平行に撮像デバイス１０に導かれ
る。これら３つの原色光によって形成される映像の像姿
勢は同一である。なお、各射出面２３１ｂ、２３２ｂ及
び２３３ｂには、色分解をより完全なものにするため
に、トリミングフィルタを設けてもよい。

【００２７】本発明の分光手段としては、ダイクロイッ
クプリズム２３の代わりにダイクロイックミラーを用い
ることができる。ダイクロイックミラーは、特定の波長
の光を透過又は反射するミラーを組み合わせることによ
り可視光を三原色光に分光する。ダイクロイックミラー
を用いた場合の光学系２０の構成を図２に示す。図２に
おいて、ミラーＡは赤色光のみを反射し、その他の光を
透過する。また、ミラーＢは青色光のみを反射し、その
他の光を透過する。ミラーＣ及びミラーＤは全ての光を
反射する全反射ミラーである。

【００２８】レンズ系２１から射出された光はミラーＡ
に入射し、このミラーＡで赤色光が反射され、残余の光
はミラーＡを透過してミラーＢに入射する。そして、こ
のミラーＢで青色光が反射され、残余の光、つまり緑色
光（Ｇ）はミラーＢを透過し、この光学系２０から射出
される。ミラーＡで反射された赤色光は、更にミラーＣ
で全反射されてこの光学系２０から射出される。また、
ミラーＢで反射された青色光は更にミラーＤで全反射さ
れてこの光学系２０から射出される。このようにして光
学系２０から射出された青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）及
び緑色光（Ｇ）は、平行に撮像デバイス１０に導かれ
る。なお、上記ダイクロイックプリズム２３の場合と同
様に、この光学系２０からの射出される各原色光を、色
分解をより完全なものにするために、トリミングフィル
タによってフィルタリングするように構成してもよい。

【００２９】次に、撮像デバイス１０について説明す
る。本発明の撮像デバイスとしては、２次元に光電変換
素子が配列されたイメージセンサ、例えばＣＣＤ型デバ
イス、ＭＯＳ型デバイス、積層型デバイス、内部増幅型
デバイス等といった固体撮像デバイス、或いは撮像管を
用いることができる。なお、上記積層型デバイスは、イ
ンタライン形ＣＣＤやＭＯＳ形デバイスを走査回路とし
て用い、この素子の上面に光導電膜を堆積したデバイス
である。また、内部増幅型デバイスには、ＡＭＩ（ampl
ified MOS intelligent imager）、ＳＩＴ（static ind
uced tranjistor）、ＣＭＤ（charge modulation devic
e）、ＦＧＡ（floating gate array）等が含まれる。

【００３０】この撮像デバイス１０は、図３に示すよう
に、縦長に配置される。そして、撮像デバイス１０の、
略３等分された受光面の各領域に、ダイクロイックプリ
ズム２３によって分光された赤色光（Ｒ）、緑色光
（Ｇ）及び青色光（Ｂ）が照射される。従って、撮像デ
バイス１０の受光面には、例えば図４に示すような像姿
勢が揃った３つの映像が結像する。３：４のアスペクト
比を有する撮像デバイスの全受光面を使用する場合、各
原色光に対応する受光領域のアスペクト比は４：９とい
う横長の映像となる。

【００３１】上述したように、車両の自動運転システム
で使用される画像のアスペクト比は「１：２」程度で十
分であるので、上述した構成により得られる各原色光の
画像のアスペクト比は、これを満足する。なお、上記の
ような横長のイメージデータを得ることのできる本発明
に係るカラー撮像装置は、近年普及しつつあるアスペク
ト比が３：４より横長のテレビジョンに使用する映像、
デジタルカメラのワイド画面を実現するための映像など
を得るのに好適である。

【００３２】信号処理部３０は、撮像デバイス１０の受
光面に結像された映像に対応するアナログイメージ信号
をデジタルイメージ信号に変換して出力する。この信号
処理部３０は、例えばサンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変
換器等により構成されている。この信号処理部３０で
は、撮像デバイス１０を走査することにより順次得られ
る各イメージ信号はサンプリングされ、ホールドされ、
更にデジタル化される。これにより、アナログイメージ
信号からデジタルイメージ信号が得られる。

【００３３】この信号処理部３０には、撮像デバイス１
０から得られたイメージデータを利用し易い形に変更す
る機能を付加することができる。即ち、従来から使用さ
れている撮像デバイスを、該撮像デバイスに内蔵される
走査回路を含めてそのまま使用する場合、図４に示す主
走査が副走査方向に繰り返しながら走査されることにな
る。従って、１回の主走査によって撮像デバイス１０か
ら得られるイメージデータは、「赤色光のデータ→緑色
光のデータ→青色光のデータ」の順番になる。

【００３４】仮に、上記のようにして得られたイメージ
データを１つのフレームメモリに格納して処理するとす
れば、１つの画素を再現するために必要なＲ、Ｇ及びＢ
のイメージデータを得るために、このフレームメモリに
３回アクセスする必要がある。従って、画像処理に要す
る時間が長くなるので高速処理が可能な高性能プロセッ
サを使用する必要がある。

【００３５】このような問題を解消するために、図５に
示すように、赤色光用のフレームメモリ３００、緑色光
用のフレームメモリ３０１及び青色光用のフレームメモ
リ３０２を独立に設け、撮像デバイス１０から順次読み
出されるイメージデータに含まれる赤色光に対応するデ
ータ、緑色光に対応するデータ及び青色光に対応するデ
ータを、それぞれ対応するフレームメモリ３００、３０
１及び３０２に格納するように構成できる。

【００３６】この構成によれば、各フレームメモリ３０
０、３０１及び３０２に並行してアクセスできるので、
１つの画素を再現するために必要なＲ、Ｇ及びＢのイメ
ージデータを１回のアクセス時間で得ることができる。
従って、画像処理に要する時間が上記１つのフレームメ
モリを有する場合の三分の一になるので、高性能のプロ
セッサを必要としない。従って、カラー撮像装置を安価
に構成できるという利点がある。

【００３７】以上の説明では、撮像デバイス１０とし
て、アスペクト比が３：４の撮像デバイスを縦長に使用
してカラー撮像装置を構成する場合について説明した
が、図６に示すように、１つのチップ上に、アスペクト
比が１：２程度の受光面を有するＲ、Ｇ及びＢ用のイメ
ージセンサが独立して形成された撮像デバイスを使用し
てもよい。この場合、走査回路はイメージセンサ毎に設
けられ、その走査方向は任意に決定できる。この構成に
よれば、Ｒ、Ｇ及びＢ領域からのイメージ信号がそれぞ
れ独立に得られるので、信号処理部３０に特別な機能を
持たせる必要がなくなる。

【００３８】以上説明した本発明の実施の形態に係るカ
ラー撮像装置によれば、特別な撮像デバイスの開発を行
わなくても車両の自動運転システムに必要なアスペクト
比１：２程度のカラー画像を効率よく得ることができ
る。また、また、従来の単板式のカラー撮像装置のよう
に色フィルタを使用しないので、入射光の利用効率を高
めることができる。また、撮像デバイスは１個だけ使用
されるので、従来の３板式に比べて安価になる。更に、
光軸合わせを通常の単板式カラー撮像装置と同様に簡単
に行うことができるので、３板式のような精密加工は不
要である。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
入射光の利用効率及び撮像デバイスの光電変換素子使用
効率を高めることができ、しかも安価且つ小型のカラー
撮像装置を提供できると共に、入射光の利用効率及び撮
像デバイスの光電変換素子使用効率を高めることができ
るカラー撮像方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置の構
成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置に使
用される光学系の他の例を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置にお
ける撮像デバイスの配置を説明するための図である。

【図４】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置で得
られる撮像デバイス上の被写体の映像を説明するための
図である。

【図５】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置の信
号処理部の他の構成を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態に係るカラー撮像装置の撮
像デバイスの他の構成を示す図である。

【図７】従来の単板式カラー撮像装置における色フィル
タの配列を説明するための図である。

【図８】従来の単板式カラー撮像装置における撮像デバ
イスの配置を説明するための図である。

【符号の説明】

１０ 撮像デバイス ２０ 光学系 ２１ レンズ系 ２２ 絞り機構 ２３ ダイクロイックプリズム ３０ 信号処理部

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を電気信号に変換する単板撮像デバイス
   と、 入射された光を分光することにより得られた３つの原色
   光を前記単板撮像デバイスの受光面に形成される３つの
   受光領域にそれぞれ照射する分光手段、とを備えたカラ
   ー撮像装置。
2. 【請求項２】前記分光手段に入射される光を生成する光
   学系を更に備えた請求項１に記載のカラー撮像装置。
3. 【請求項３】前記単板撮像デバイスの受光面は矩形状を
   有し、該単板撮像デバイスの受光面に形成される前記３
   つの受光領域のそれぞれは、前記単板撮像デバイスの長
   手方向を短手方向にした矩形状に形成される請求項１又
   は請求項２に記載のカラー撮像装置。
4. 【請求項４】前記単板撮像デバイスの受光面に形成され
   る各受光領域のアスペクト比は１：２である請求項３に
   記載のカラー撮像装置。
5. 【請求項５】前記分光手段はダイクロイックプリズムで
   成る請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のカラー
   撮像装置。
6. 【請求項６】前記分光手段はダイクロイックミラーで成
   る請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のカラー撮
   像装置。
7. 【請求項７】前記単板撮像デバイスから得られるイメー
   ジデータを、前記３つの原色光のそれぞれに対応するイ
   メージデータに分類して出力するための制御手段を更に
   備えた請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のカラ
   ー撮像装置。
8. 【請求項８】入射された光を３つの原色光に分光し、 分光された各原色光を単板撮像デバイスの受光面に形成
   される３つの受光領域にそれぞれ照射するカラー撮像方
   法。
9. 【請求項９】前記受光面は矩形状を有し、該受光面に形
   成される前記３つの受光領域のそれぞれは、前記受光面
   の長手方向を短手方向にした矩形状に形成される請求項
   ８に記載のカラー撮像方法。
10. 【請求項１０】前記受光面に形成される各受光領域のア
    スペクト比は１：２である請求項８又は請求項９に記載
    のカラー撮像方法。
11. 【請求項１１】前記単板撮像デバイスから得られるイメ
    ージデータを、前記３つの原色光のそれぞれに対応する
    イメージデータに分類して出力するステップを更に有す
    る請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載のカラー
    撮像方法。