JP2004032243A - 撮像装置および光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【構成】イメージセンサ１６の前面に配置される光学フィルタ１２は、６５０ｎｍ以下の波長域（可視光領域含む）と近赤外線領域のうち８８０ｎｍ付近の領域とにおいて透過特性を有し、他の近赤外線領域において遮断特性を有する。可視光が十分に存在する昼間は、可視光に基づく被写体の画像信号がイメージセンサ１６から出力される。可視光が存在しない夜間は、赤外光を被写体に照射することによって、赤外光に基づく被写体の光学像がイメージセンサ１６から出力される。
【効果】昼夜を問わず撮影が可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、撮像装置に関し、特にたとえば監視カメラに適用され、イメージセンサの前面に光学フィルタが配置される、撮像装置に関する。
【０００２】
この発明はまた、光学フィルタに関し、特にたとえばイメージセンサの前面に配置される、光学フィルタに関する。
【０００３】
【従来技術】
従来のこの種のビデオカメラの一例が、平成１１年８月３１日付けで出願公開された特開平１１−２３９３５６号公報［Ｈ０４Ｎ　９／０４，５／２２５，５／２３８］に開示されている。この従来技術によれば、ＣＣＤの前面に配置される部材を外部の明るさに応じてＩＲカットフィルタとダミーガラスとの間で切り換えようとするものである。これによって、昼間は可視光線に基づく画像信号がＣＣＤから出力され、夜間は赤外光線に基づく画像信号がＣＣＤから出力され、昼夜を問わず画像撮影が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術では、ＩＲカットフィルタとダミーガラスとの切り換え機構が必要であるため、切り換え時に音が発生したり、カメラのサイズが大きくなるなどの問題があった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、ＩＲカットフィルタとダミーガラスとの切り換え機構を省くことができる、撮像装置を提供することである。
【０００６】
この発明の他の目的は、このような撮像装置に好適な光学フィルタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、イメージセンサ、およびイメージセンサの前面に配置される光学フィルタを備え、光学フィルタは、可視光領域で透過特性を有し、可視光領域よりも長波長の第１赤外光領域で遮断特性を有し、そして第１赤外光領域よりも長波長の第２赤外光領域で透過特性を有する、撮像装置である。
【０００８】
第２の発明は、可視光領域で透過特性を有し、可視光領域よりも長波長の第１赤外光領域で遮断特性を有し、そして第１赤外光領域よりも長波長の第２赤外光領域で透過特性を有する、光学フィルタである。
【０００９】
【作用】
イメージセンサの前面に配置される光学フィルタは、可視光領域および第２赤外光領域で透過特性を有し、可視光領域および第２赤外光領域の間の領域で遮断特性を有する。このため、可視光が十分に存在する昼間は、可視光に基づく被写体の画像信号がイメージセンサから出力される。可視光が存在しない夜間は、赤外光を被写体に照射することによって、赤外光に基づく被写体の光学像がイメージセンサから出力される。
【００１０】
【発明の効果】
第１の発明によれば、可視光領域および第２赤外光領域で透過特性を有しかつ第１赤外光領域で遮断特性を有する光学フィルタをイメージセンサの前面に配置するようにしたため、従来技術のような切り換え機構を省くことができる。
【００１１】
第２の発明によれば、光学フィルタは可視光領域および第２赤外光領域で透過特性を有しかつ第１赤外光領域で遮断特性を有するため、昼夜を通して使用する撮像装置に好適となる。
【００１２】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１３】
【実施例】
図１を参照して、この実施例の監視カメラ１０は、光学フィルタ１２および色フィルタ１６を含む。被写体の光学像は、これらのフィルタを介してイメージセンサ１６の受光面に入射し、受光面に形成された複数の受光素子によって光電変換を施される。色フィルタ１６は、図２に示すようにＹｅ，Ｃｙ，ＭｇおよびＧの色要素がモザイク状に配置された補色フィルタであり、各々の受光素子で生成される電荷は、Ｙｅ，Ｃｙ，ＭｇまたはＧの光量を反映する。
【００１４】
生成された電荷つまり生画像信号は、イメージセンサ１６から読み出された後、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路１８で相関２重サンプリングを施され、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２０でゲイン調整を施され、そしてＡ／Ｄ変換器２２でディジタル信号である生画像データに変換される。
【００１５】
イメージセンサ１６からの生画像信号の読み出し、ＣＤＳ回路１８による相関２重サンプリング、およびＡ／Ｄ変換器２２によるＡ／Ｄ変換は、ＴＧ２２から出力されたタイミング信号に応答して実行される。また、ＡＧＣ回路２０によるゲイン調整は、ＣＰＵ４４によって設定されたモードに従う。
【００１６】
信号処理回路２４は、Ａ／Ｄ変換器２２から出力された生画像データに色分離，ＲＧＢ変換，白バランス調整およびＹＵＶ変換の一連の処理を施す。生画像データを形成する各々の画素データはＹｅ，Ｃｙ，ＭｇおよびＧのいずれか１つの色情報しか持たないため、各々の画素データが不足する色情報が色分離処理によって補完される。色分離処理によって得られた補色画像データは、ＲＧＢ変換によって原色画像データに変換され、変換された原色画像データは白バランス調整を施される。ＹＵＶ変換は白バランスが調整された原色画像データに対して施され、これによって輝度成分であるＹデータと色差成分であるＵデータおよびＶデータ（Ｕ：Ｒ−Ｙ，Ｖ：Ｂ−Ｙ）とが生成される。
【００１７】
ＵデータおよびＶデータは色処理回路２８に与えられ、Ｙデータは輝度処理回路３０に与えられる。色処理回路２８は、与えられたＵデータおよびＶデータをカラーバースト信号を含む搬送色データ（サブキャリア周波数：３．５８ＭＨｚ）に変換し、輝度処理回路３０は、与えられたＹデータを水平同期パルスおよび垂直同期パルスを含む輝度データに変換する。
【００１８】
搬送色データはＤ／Ａ変換器３２によってアナログ信号である搬送色信号に変換され、変換された搬送色信号は３．５８ＭＨｚを中心周波数とするＢＰＦ（Ｂａｎｄ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）３６でノイズ除去を施される。輝度データは、Ｄ／Ａ変換器３４でアナログ信号である輝度信号に変換され、変換された輝度信号はカットオフ周波数が６．０ＭＨｚのＬＰＦ（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）３８でノイズ除去を施される。ノイズが除去された搬送色信号および輝度信号は加算器４０によって互いに加算され、これによってＮＴＳＣ方式のコンポジットビデオ信号が生成される。生成されたコンポジットビデオ信号は、出力端子４２から出力され、ビデオレコーダ（図示せず）によって記録媒体に記録される。
【００１９】
なお、Ｄ／Ａ変換器３２は、ＣＰＵ４４によってオン／オフされる。したがって、オン状態のときは搬送色シングがＤ／Ａ変換器３２から出力され、カラー方式のコンポジットビデオ信号が加算器４０から出力される。一方、オフ状態であれば、Ｄ／Ａ変換器３２から搬送色信号が出力されることはなく、加算器４０からはモノクロ方式のコンポジットビデオ信号が出力される。
【００２０】
図３に示すフロー図に従う処理は、ＣＰＵ４４によって実行される。なお、このフロー図に対応する制御プログラムは、ＲＯＭ４８に記憶されている。
【００２１】
まずステップＳ１で、モードスイッチ４６によって選択されているモードが判別される。モードスイッチ４６によって選択できるモードは昼光モードまたは夜間モードであり、選択されたモードが昼光モードであればステップＳ１でＹＥＳと判断され、選択されたモードが夜間モードであればステップＳ１でＮＯと判断される。昼光モードが選択された場合、ステップＳ３でＡＧＣ回路２０のゲインがＬレベルに設定され、続くステップＳ５でＤ／Ａ変換器３２がオンされる。一方、夜間モードが選択された場合は、ステップＳ７でＡＧＣ回路２０のゲインがＨレベルに設定され、ステップＳ９でＤ／Ａ変換器３２がオフされる。ステップＳ５またはＳ９の処理が完了すると、処理はステップＳ１に戻る。
【００２２】
なお、ゲインがＨレベルに設定されたときにＡＧＣ回路２０から出力される生画像信号の振幅は、ゲインがＬレベルに設定されたときにＡＧＣ回路２０から出力される生画像信号の振幅よりも大きくなる。
【００２３】
近紫外線，可視光線，近赤外線および遠赤外線の波長の分布、ならびに可視光線の色の分布を図４に示す。図４によれば、２００ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲に近紫外線が存在し、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲に可視光線が存在し、７８０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲に近赤外線が存在し、２０００ｎｍ〜１ｍｍの範囲に遠赤外線が存在する。２２０μｍよりも長波長の範囲には、ラジオ電波が存在する。また、３８０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲に青紫，青および青緑が分布し、５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に緑，黄緑，黄が分布し、そして６００ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲に黄赤および赤が分布する。
【００２４】
このような光線の分布に対して、図１に示す光学フィルタ１２は、図５に示すような透過特性を有する。図５のグラフを短波長側から眺めると、透過率は、６５０ｎｍ付近でほぼ１００％から０％まで急激に低下する。０％まで低下した透過率は、８５０ｎｍ付近で急激に上昇し、８８０ｎｍでピークに達した後に再度０％まで低下する。透過率は、その後０％を維持する。つまり、図４と比較すれば分かるように、色フィルタ１２は、可視光領域において透過特性を有し、８８０ｎｍ付近の波長域を除く近赤外線領域において遮断特性を有する。
【００２５】
光学フィルタ１２の表面には、光学薄膜が積層される。光学薄膜は、ＴｉＯ２やＳｉＯ２などの無機材料を真空中で加熱し、これによって生成された蒸発粒子を石英やガラス基板に付着・堆積させることで形成される。このような光学薄膜の積層には、真空蒸着法が採用される。真空蒸着によって１〜１００層程度の積層が可能となり、薄膜の屈折率，厚み，積層数を調整することで図５に示すような透過特性が得られる。
【００２６】
参考までに、従来のＩＲカットフィルタの透過特性を図１０に示す。図１０のグラフを短波長側から眺めると、透過率は、６５０ｎｍ付近で０％まで急激に低下し、これ以降０％を維持する。
【００２７】
図２に示す色フィルタ１４を各々の色要素は、総合的に図６に示す透過特性を有する。図６のグラフを短波長側から眺めると、透過率は、３００ｎｍ付近から上昇し、５５０ｎｍ付近でピークに達する。透過率はその後、緩やかに低下し、１０５０ｎｍ付近で０％となる。
【００２８】
したがって、イメージセンサ１６の受光面に入射される光学像は、図７に示すような分光特性を示す。これは、図５に示す透過特性および図６に示す分光特性を重ね合わせた特性に等しい。
【００２９】
この実施例の監視カメラ１０の使用形態を以下に説明する。監視カメラ１０は、たとえば病院に設置され、昼間はモードスイッチ４６によって昼光モードが選択される。出力端子４２からは、カラー方式のコンポジットビデオ信号が出力される。人間の比視感度特性は図８に示すような波形を描くため、当該コンポジットビデオ信号に基づくカラー画像は、肉眼で見た病院内の風景とほとんど同じである。
【００３０】
一方、夜間は、モードスイッチ４６によって夜間モードが選択され、監視カメラ１０の被写界に赤外線照明（図示せず）によって赤外光が照射される。この赤外光の分光特性は、図９に示すように８８０ｎｍでピークとなる波形を描く。近赤外線領域のみに注目すると、図９に示す分光特性は、図５に示す光学フィルタ１２の透過特性と一致する。夜間にこのような赤外光を監視カメラ１０の被写界に照射することによって、被写界像に対応するモノクロ方式のコンポジットビデオ信号が出力される。このコンポジットビデオ信号に基づくモノクロ画像によって、夜間の病院内の風景を視認することができる。
【００３１】
なお、この実施例では、モードスイッチによって昼光モードおよび夜間モードを切り換えるようにしているが、照度センサによって明るさを検知し、検知結果に応じてモード切り換えを行うようにしてもよい。
【００３２】
また、この実施例では、監視カメラとは別に赤外線照明を用意するようにしているが、赤外線照明は監視カメラに搭載するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１実施例に適用される色フィルタの一例を示す図解図である。
【図３】図１実施例の動作の一部を示すフロー図である。
【図４】光線の分布状態を示す図解図である。
【図５】図１実施例に適用される光学フィルタの透過特性を示すグラフである。
【図６】図１実施例に適用される色フィルタの透過特性を含むＣＣＤの分光特性を示すグラフである。
【図７】イメージセンサに入射する光学像の分光特性を示すグラフである。
【図８】人間の比視感度特性を示すグラフである。
【図９】図１実施例に適用される赤外線照明の光強度特性を示すグラフである。
【図１０】従来のＩＲカットフィルタの透過特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…監視カメラ
１２…光学フィルタ
１４…色フィルタ
１６…イメージセンサ
２０…ＡＧＣ回路
４６…モードスイッチ

Claims (4)

1. イメージセンサ、および
   前記イメージセンサの前面に配置される光学フィルタを備え、
   前記光学フィルタは、可視光領域で透過特性を有し、前記可視光領域よりも長波長の第１赤外光領域で遮断特性を有し、そして前記第１赤外光領域よりも長波長の第２赤外光領域で透過特性を有する、撮像装置。
2. 前記イメージセンサによって撮影された被写体の画像信号に色処理を施す色処理手段、
   昼光モードおよび夜間モードの一方を選択する選択手段、
   前記昼光モードが選択されたとき前記色処理手段をオンするオン手段、および前記夜間モードが選択されたとき前記色処理手段をオフするオフ手段をさらに備える、請求項１記載の撮像装置。
3. 前記昼光モードが選択されたとき第１ゲインを前記画像信号に付与する第１ゲイン付与手段、および
   前記夜間モードが選択されたとき前記第１ゲインよりも大きい第２ゲインを前記画像信号に付与する第２ゲイン付与手段をさらに備える、請求項２記載の撮像装置。
4. 可視光領域で透過特性を有し、
   前記可視光領域よりも長波長の第１赤外光領域で遮断特性を有し、そして
   前記第１赤外光領域よりも長波長の第２赤外光領域で透過特性を有する、光学フィルタ。

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