JP2016096423A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】夜間であっても色再現性の良好な撮像を行いうる撮像装置を提供する。
【解決手段】入射する光を複数の色に色分解する複数のフィルタ部を有する第１のフィルタと、前記第１のフィルタを介して入射される光に基づき画像信号を生成する受光装置と、赤外線領域において、複数の前記フィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域を透過領域とする第２のフィルタとを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、夜間や光量が少ない状況においても撮像を行い得る撮像装置に関する。

例えば、車載される撮像装置は、ＣＣＤ(Charged Coupled Device)等の撮像素子の入光部にカラーフィルタが配設されている。このカラーフィルタは、例えば赤色（Ｒ）を透過する赤色フィルタ部と、緑色（Ｇ）を透過する緑色フィルタ部と、青色（Ｂ）を透過する緑色フィルタ部を格子状に配置した構成とされている。このようにカラーフィルタで分光された光が撮像素子に入射することにより、撮像素子はカラー画像信号を生成することができる。

一方、ＣＣＤ等の撮像素子の受光感度は、可視光領域に加えて赤外線領域まで有しているため、赤外線領域の光も画像に取り込まれる。赤外線領域の光が画像に取り込まれた場合、画像には赤外線領域の光に起因した疑似色が入り込むため、自然な再現色を得ることができなくなる。このため撮像装置には、カラーフィルタに加え、赤外線領域の光をカットする赤外線カットフィルタが設けられている。

また車載される撮像装置は、夜間等の光量が少ない状況下においても撮像を行う必要がある。このため、車両に照明を設ける必要があるが、照明として可視光を用いた場合には前照灯、車幅灯、方向指示器等の灯光と見間違うおそれがある。このため、一般に夜間照明として視覚では視認できない赤外線光を用いている。これに伴い赤外線カットフィルタの特性も、この夜間照明光として使用する赤外線光の波長領域（以下、この波長領域を夜間透過波長領域という）については透光できるよう設定されている（特許文献１）。

特開平１０−１０８２０６号公報

ところで、カラーフィルタのＲ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部は、赤外線領域においても各色の光を透過させるフィルタ特性を有しており、夜間透過波長領域においても、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部は光を透過させる。

よって、夜間透過波長領域の光が透過できるよう赤外線カットフィルタを設定することにより、撮像素子には夜間照明光である赤外線光が入射すると共に、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部を通過した光も入射する。

この際、カラーフィルタを構成するＲ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度が均一でない場合、撮像素子に入射されるＲ，Ｇ，Ｂの各光の取り込み量のバランスが崩れ、生成される画像の色調が実際の色調に比べて変化してしまうおそれがある。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、夜間であっても色再現性の良好な撮像を行いうる撮像装置を提供することにある。

本発明のある態様によると、
入射する光を複数の色に色分解する複数のフィルタ部を有する第１のフィルタと、
前記第１のフィルタを介して入射される光に基づき画像信号を生成する受光装置と、
赤外光領域において、複数の前記フィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域を透過領域とする第２のフィルタとを備える。

本発明のある態様によると、夜間であっても色再現性の良好な撮像を行うことができる。

図１は、ある実施形態である撮像装置の概略構成図である。 図２は、撮像装置を車載した例を示す斜視図である。 図３は、ある実施形態である撮像装置に設けられるフィルタの波長−感度特性（分光特性）を示す図である。 図４は、感度差と表示画質との関係を示す図である。 図５は、第１参考例であるフィルタの波長−感度特性（分光特性）を示す図である。 図６は、第２参考例であるフィルタの波長−感度特性（分光特性）を示す図である。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。

なお、添付の全図面の中の記載で、同一又は対応する部材又は部品には、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、特に指定しない限り、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的としない。従って、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定することができる。

また、以下説明する実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述される全ての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明のある実施形態である撮像装置１を示している。また図２は、撮像装置１を適用したコーナモニタ１３を示している。

図２に示す例は、撮像装置１が自動車１０の死角となり易い左前隅を撮像するように構成したものである。撮像装置１で撮像された画像は、例えば運転席にあるディスプレイ等に表示されるよう構成されており、これにより死角の低減を図ることができる。

コーナモニタ１３は、アウターケース１４に撮像装置１が配設された構成とされている。アウターケース１４は、自動車１０のバンパー１２に取り付けられる。撮像装置１は、アウターケース１４の背面側に固定されている。

撮像装置１は、レンズ６及び照明光を出射する発光素子７のみがアウターケース１４から外部に露出した構成とされている。また、レンズ６及び発光素子７を除く他の部分は、アウターケース１４内に収納されて外部から見えないよう構成されている。これにより、バンパー１２にコーナモニタ１３を設けても、外部から見た時の自動車１０の意匠性が低下するようなことはない。

撮像装置１は、図１に示されるように、ケース２内に撮像素子３、カラーフィルタ４、近赤外線カットフィルタ５、レンズ６、及び発光素子７等を設けた構成とされている。

ケース２は樹脂又は金属製の筐体であり、図２に示した例ではバンパー１２に固定される。このケース２は、外部の光を入射すると共に、後述する発光素子７が発光する光を外部に照射するための開口部８が形成されている。

撮像素子３は、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor) イメージセンサ等の固体撮像素子を用いることができる。本実施形態では、撮像素子３としてＣＣＤイメージセンサを用いている。また、本実施形態では撮像素子３として単板式のＣＣＤイメージセンサを用いているが、三板式のＣＣＤイメージセンサを用いることも可能である。

この撮像素子３は、可視光領域、近赤外線領域、及び赤外線領域の各領域で撮像可能な感度を有するものが選定されている。具体的には、撮像素子３は３００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲で撮像を行うことができる。

カラーフィルタ４は、撮像装置１に入射する光を所定の色に色分解するフィルタである。前記のように撮像素子３は単板式のＣＣＤイメージセンサを用いているため、カラーフィルタ４として画素毎に異なる色フィルタ部が格子状にベイヤー配置されたものを用いている。

また分光方法としては、赤（Ｒ）フィルタ部、緑（Ｇ）フィルタ部、及び青（Ｂ）フィルタ部より構成される原色フィルタを用いてもよく、またマジェンタ（Ｍｇ）フィルタ部、シアン（Ｃｙ）フィルタ部、イエロー（Ｙｅ）フィルタ部、及び緑（Ｇ）フィルタ部より構成される補色フィルタを用いてもよい。

本実施形態では、原色フィルタを用いた例について説明する。よって、撮像装置１に入射した光は、近赤外線カットフィルタ５においてＲ，Ｇ，Ｂの各色に色分解される。

近赤外線カットフィルタ５は、開口部８から撮像装置１内に入射する光の内、所定の波長範囲の光の透過を遮断するバンドパスフィルタである。この近赤外線カットフィルタ５は、可視光である波長範囲の光、及び後述する所定の波長範囲の赤外線光を遮断する。

なお、図１では、個々のＲフィルタ部、Ｇフィルタ部、Ｂフィルタ部の図示は省略している。また、個々の赤Ｒフィルタ部、Ｇフィルタ部、Ｂフィルタ部の分光特性、及び近赤外線カットフィルタ５の光透過特性については、説明の便宜上、後述するものとする。

レンズ６は、開口部８と対向する位置に設けられている。開口部８から撮像装置１内に入射した光は、レンズ６により集光されて撮像素子３に結像するよう構成されている。

発光素子７は、夜間等の光量が少ない環境において、照明光を照射する素子である。本実施形態では、発光素子７として発光ダイオード（ＬＥＤ: light emitting diode）を用いている。この発光素子７が発光する光の波長は、例えば９３０ｎｍ〜９６０ｎｍとされている。

上記のように構成された撮像装置１において開口部８から光が入射すると、入射した光はレンズ６で集光され、近赤外線カットフィルタ５で所定波長領域の光の透過が規制され、カラーフィルタ４で分光された上で撮像素子３に結像される。

撮像素子３は、結像された光学像を光電変換して輝度情報と色情報を含んだ画像信号を生成する。撮像素子３に接続された画像処理部９では、撮像素子３から入力される画像信号に各種処理を施して輝度信号と色信号から成るビデオ信号を作成し、この信号を例えば運転席にあるディスプレイ（図示せず）等に出力する。よって運転者は、撮像素子３で撮像された画像を運転席で見ることができる。

次に、カラーフィルタ４及び近赤外線カットフィルタ５の光透過特性について説明する。図３は、本実施形態に係る撮像装置１で使用するカラーフィルタ４及び近赤外線カットフィルタ５の光透過特性を示している。

なお、図３において縦軸は感度を示し横軸は波長を示している。またカラーフィルタ４は前記のようにＲ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部から構成されるが、図中Ｒフィルタ部の透過特性を破線（矢印Ｒで示す）で、Ｇフィルタ部の透過特性を一点鎖線（矢印Ｇで示す）で、Ｂフィルタ部の透過特性を二点鎖線（矢印Ｂで示す）で夫々示している。また、近赤外線カットフィルタ５の透過特性は、図中実線（矢印ＩＮＦで示す）で示している。

まず、カラーフィルタ４の透過特性に注目する。カラーフィルタ４を構成するＲフィルタ部，Ｇフィルタ部，Ｂフィルタ部は、可視光領域にそれぞれ感度のピークを有する。

Ｒフィルタ部の感度のピークＰ_Ｒは、波長が約６１０ｎｍのところにある。Ｒフィルタ部の感度は、波長がピークＰ_Ｒとなる波長より長くなると漸次低下するが、その低下の度合いはＧフィルタ部及びＢフィルタ部に比べて緩やかで、よって比較的広い波長領域において高い感度を維持する。

Ｇフィルタ部の感度のピークＰ_Ｇは、波長が約５４０ｎｍのところにある。Ｇフィルタ部の感度は、波長がピークＰ_Ｇを過ぎると低下するが、その後約６６０ｎｍよりも波長が長くなると感度が上昇をはじめ、約８４０ｎｍでＲフィルタ部の感度と実質的に同じ感度になる。

Ｂフィルタ部の感度のピークＰ_Ｂは、波長が約４８０ｎｍのところにある。Ｂフィルタ部の感度もＧフィルタと同様に、波長がピークＰ_Ｂを過ぎると低下し、その後約６６０ｎｍよりも波長が長くなると感度が上昇をはじめ、約８４０ｎｍでＲフィルタ部及びＲフィルタ部の感度と実質的に同じ感度になる。

また、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度が略等しくなる８４０ｎｍよりも長い波長においては、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度は実質的に等しい状態を維持しつつ、漸次減少する特性を示す。図３において矢印Ａで示す破線の楕円で示す領域は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度が略等しくなる領域である。

このように、近赤外線領域以上の波長領域において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度が実質的に等しくなる特性は、撮像素子に配設さるカラーフィルタが一般に有する特性である。即ち、一般に、ＣＣＤイメージセンサ或いはＣＭＯＳイメージセンサに配設されるカラーフィルタの特性は、微小な相違はあるものの、図３に示されると同様の特性を示す。

次に、近赤外線カットフィルタ５の光透過特性について説明する。

本実施形態に係る撮像装置１は、夜間のような光量が少ない状況下ばかりでなく、昼間のような光量が多い状況下においても撮像処理を行うものである。また昼間のような光量が多い状況下においては、良好なカラー画像を得るため、可視光領域における撮像処理を行う。

このため、近赤外線カットフィルタ５は、可視光領域にも透過領域を有している。具体的には、図３に示すように本実施形態では、可視光領域に約４５０ｎｍ〜６６０ｎｍの光が通過し得る透過領域を有している。

ここで、透過領域の下限として４５０ｎｍを設定したのは、Ｂフィルタ部の透過特性感度に基づくものである。即ち、Ｂフィルタ部は、入射される光の波長が４５０ｎｍ以上であると約０．５以上の感度となり、撮像画像に適正に青色を反映できるからである。

一方、透過領域の上限として６６０ｎｍを設定したのは、Ｒフィルタ部の透過特性感度に基づくものである。即ち、Ｒフィルタ部の感度は、波長がピークＰ_Ｒよりも長い領域において減衰することなく高い感度を維持する。これに対してＧフィルタ部及びＢフィルタ部の感度は、Ｒフィルタ部の感度に比べて低い。

従って、近赤外線カットフィルタの特性を６６０ｎｍよりも長い波長の光を透過させるよう設定した場合、撮像画像に緑色及び青色に比べて赤色が多く含まれるようになり、画像の色バランスが崩れてしまう。よって本実施形態では、透過領域を約４５０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲に設定している。

また近赤外線カットフィルタ５は、波長が６６０ｎｍ〜８４０ｎｍの光については透過されないよう設定されている（以下の説明では、この領域を非透過領域ということがある）。非透過領域の波長領域をこのように設定したのは、非透過領域においてはＲフィルタ部の感度に比べ、Ｇフィルタ部及びＢフィルタ部の感度が大きく異なっているから（低くなっているから）である。

このように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度に差があると、撮像素子３で生成される画像信号において、感度の高い色が強く反映され、逆に感度の低い色は反映されず、実際の色調とは異なる色調の画像が生成されてしまう。

例えば、図６に示すように非透過領域を８０５ｎｍ〜８６０ｎｍに設定したことを想定すると、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部において感度の差が最も大きいのは、波長が８０５ｎｍの時である。波長が８０５ｎｍの時、最も感度が高いのはＲフィルタ部であり、最も感度が低いのはＢフィルタ部である。

いま、複数（本実施形態の場合にはＲ，Ｇ，Ｂの３個）のフィルタ部の感度のある波長における最大値と最小値との差を感度差ΔＳとする。すると、波長が８０５ｎｍの時である時の感度差ΔＳは、ΔＳ≒０．１８となる。

本発明者は、この感度差ΔＳと撮像素子３により撮像された画像がディスプレイに表示された際の表示画質（色調を含む）との関係を調べるシミュレーションを実施した。このシミュレーションは、近赤外線カットフィルタ５による感度差ΔＳを変化させた光量に基づいてコンピュータの画面に表示した画像により評価を行った。

図４は、感度差ΔＳを０．０６〜０．１６まで変化させた時、コンピュータの画面に表示される表示画質を目視により判断した結果である。表示画質の欄において、〇で示すのは色に偏りのない良好な色調を示している。これに対し、△で示すのは色調がやや不良であることを示し、×で示すのは色調が不良であることを示している。

図４に示すシミュレーションの結果より、感度差ΔＳが０．１０以下の時に、良好な画質が得られることが分かった。これは、Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度が略同一となっており、よって色調が変化することを防止できることによる。

ここで感度差ΔＳとは、前記したようにある波長におけるＲ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度の最大値と最小値との差である。本明細書では、Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度差ΔＳが０．１０以下である時、「Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度は実質的に等しい」というものとする。

ここで、再び図３に戻り説明を続ける。

前記のように本実施形態に係る撮像装置１は、夜間のような光量の少ない状況下においても撮像を行う構成とされており、また夜間においては可視光の照明を用いることはできない。

そこで本実施形態に係る撮像装置１では、カラーフィルタ４を通過してくる透過光を有効に理由することにより、光量の少ない状況下においても撮像を可能としている。しかしながら、Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度差ΔＳが０．１０を超える領域（即ち、波長が６６０ｎｍ〜８４０ｎｍの領域）では、色調が変化して良好な画像を得ることができないことは前述した通りである。

そこで本実施形態では、波長が７００ｎｍ以上の赤外線領域において、Ｒ，Ｇ，Ｂのフィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域を近赤外線カットフィルタ５の透過領域として設定した。具体的には、図３に示すように近赤外線カットフィルタ５は、８４０ｎｍ以上の広範囲の波長領域を透過領域としている。

このように本実施形態の撮像装置１は、夜間のような光量の少ない状況下であっても広範囲の波長領域の光に基づき撮像処理が行える。具体的には、他の車両の灯火、街灯、月明かり等の発光素子７以外の光も照明光として使用することが可能になり、光量の少ない状況下であっても明るい撮像画像を得ることができる。

ところで、本実施形態のように発光素子７を設けている場合、近赤外線カットフィルタ５の透過領域として、この発光素子７の発光する波長のみを透過領域として設定することも考えられる。図５は、近赤外線カットフィルタの透過領域を発光素子７の発光波長に対応させて９３０ｎｍ〜９６０ｎｍとした例を示している。

図５に示す透過領域は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域内に設定されており、よって撮像された画像に色調の変化が生じることはない。しかしながら、近赤外線カットフィルタの透過領域が９３０ｎｍ〜９６０ｎｍと狭帯域に設定されているため、図５に示す例で撮像装置に入射される光の光量は、図３に示す本実施形態に係る近赤外線カットフィルタ５を用いた場合に撮像装置１に入射される光量に比べて少なくなる。

よって本実施形態に係る撮像装置１のように、近赤外線カットフィルタ５の透過領域を発光素子７が発生する赤外線光の波長領域よりも広く設定することにより、明るい撮像画像を生成することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

本発明は、夜間や暗所で撮像処理を行う監視カメラ等の各種撮像装置に利用することができる。

１ 撮像装置
２ ケース
３ 撮像素子
４ カラーフィルタ
５ 近赤外線カットフィルタ
６ レンズ
７ 発光素子
８ 開口部
９ 画像処理部

Claims (5)

1. 入射する光を複数の色に色分解する複数のフィルタ部を有する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタを介して入射される光に基づき画像信号を生成する受光装置と、
   赤外線領域において、複数の前記フィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域を透過領域とする第２のフィルタと
   を有する撮像装置。
2. 前記第２のフィルタは、可視光領域にも透過領域を有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記第１のフィルタは、赤色を透過させる赤色フィルタ部と、緑色を透過させる緑色フィルタ部、及び青色透過させる青色フィルタ部とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 前記第２のフィルタは、複数の前記フィルタ部の感度が実質的に等しくなる波長領域における複数の前記フィルタ部の感度の最大値と最小値との差が０．１以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 更に、赤外線光を発光する発光装置を設けると共に、
   前記第２のフィルタの前記透過領域が、前記発光装置が発光する前記赤外線光の波長領域よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像装置。
   

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