JP6815628B2 - Multispectral imager - Google Patents
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Description
本発明は、被写体を撮像することによって取得した画像から画素単位で被写体の反射分光特性を計測できるマルチスペクトル技術に関する。 The present invention relates to a multispectral technique capable of measuring the reflection spectral characteristics of a subject in pixel units from an image acquired by imaging the subject.
近年、CCDやCMOS等の撮像素子を用いたデジタルカメラの高機能化や高性能化には目を見張るものがある。特に、半導体製造技術の急速な進歩により、撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、撮像素子の多画素化および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子の画質が大幅に改善されている。また、撮像素子の超小型化も実現されている。 In recent years, the high functionality and high performance of digital cameras using image sensors such as CCD and CMOS have been remarkable. In particular, due to rapid progress in semiconductor manufacturing technology, the pixel structure of an image sensor is becoming finer. As a result, the number of pixels of the image sensor is increased and the drive circuit is highly integrated, and the image quality of the image sensor is greatly improved. In addition, the image sensor has also been miniaturized.
最近では、カラー画質の改善も著しい。通常の赤(R)、緑(G)、および青(B)の3原色フィルタを用いたカラー撮像以外に、多数の色フィルタを用いて撮像することにより、被写体のカラー画像の品質を向上させることが行われている。例えば、特許文献1の中で紹介されているマルチスペクトルカメラは、CCDの前に分光特性が異なる多数の光学フィルタを装備し、各光学フィルタを機械的に入れ替えながら撮像する。これにより、撮像によって取得した各画像から被写体の詳細な色情報やスペクトル情報を得ることができる。
Recently, the improvement of color image quality has been remarkable. In addition to the usual color imaging using the three primary color filters of red (R), green (G), and blue (B), the quality of the color image of the subject is improved by imaging using a large number of color filters. Is being done. For example, the multispectral camera introduced in
また、特許文献2は、光学フィルタを最適設計することにより、用いる光学フィルタの数を削減できるマルチスペクトルカメラを紹介している。
Further,
特許文献3は、1次元の撮像素子と、レンズを通して入射した光を分光するビームスプリッタと、任意の波長帯域の光を選択して透過させるチューナブルフィルタとを用いることにより、光学フィルタを入れ替える機構を用いずとも様々な波長帯域における画像が得られる技術を紹介している。
さらに特許文献4は、標準的なRGBの色フィルタとそれら以外の色フィルタとを備える単板式のカラー撮像素子を用いて品質の良いカラー画像を得る技術を紹介している。 Further, Patent Document 4 introduces a technique for obtaining a high-quality color image by using a single-plate color image sensor including a standard RGB color filter and a color filter other than the standard RGB color filter.
また特許文献5は、透過率のピーク数とアンダーピーク数を合わせた総ピーク数が異なる第1〜第N(Nは2以上の整数)の光学フィルタを撮像素子に有し、それらの分光特性を利用し、被写体からの反射分光特性を算出する技術を紹介している。
Further,
特許文献1および特許文献2に開示されている従来技術では、複数の光学フィルタを入れ替える機械的な機構が必要である。そのため、撮像装置のサイズが大きくなり、また機械部分を定期的に保守しなければならないという課題がある。特許文献3に開示されている従来技術では、1次元の撮像素子を用いているため、2次元画像を得るには1次元の撮像素子を画素配列方向に対して垂直方向に移動(スキャン)させる機械的な機構が必要である。さらに、被写体が静止していなければ、撮像結果がブレを有する2次元画像になるという課題がある。また、特許文献4に開示されている従来技術では、使用される標準的なRGBの色フィルタとそれら以外の色フィルタとが、各々特定の1つの(狭い)波長帯域の光のみを透過させるため、さらなる感度向上は期待できないという課題がある。特許文献5に開示されている従来技術は上記課題を解決するが、撮像素子における複数の画素上に複数の光学フィルタ(第1〜第Nの光学フィルタ)をそれぞれ配置しなければならないため、撮像素子の製造コストが高くなるという課題がある。
The prior art disclosed in
本発明は、特許文献5に開示されている従来技術を改善するものであり、第1〜第Nの光学フィルタを撮像素子の複数の画素上に直接配置しなくても被写体の反射分光特性を算出できる上、カラー撮像素子にも対応し、赤外カットフィルタも不要な低コストのカラー撮像システムを提供する。
The present invention is an improvement of the conventional technique disclosed in
本開示の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置は、複数の光感知セル、および前記複数の光感知セルの少なくとも一部に対向する特定の色の光を透過させる色フィルタを含む画素単位が撮像面に1次元的あるいは2次元的に配列された撮像素子であって、前記画素単位の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、第1から第N(Nは2以上の整数)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、撮像用光源と、前記第1から第Nの光学フィルタを順次介して撮像することによって前記撮像素子における前記色フィルタが配置された光感知セルからそれぞれ出力された第1から第Nの光電変換信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記第1から第Nの光学フィルタは、前記撮像用光源からの光が被写体で反射されて前記撮像素子に入射する迄の経路のいずれかの位置に配置されている。前記所定の波長帯域は、前記色フィルタの透過波長帯域を含む。前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光電変換信号に基づいて、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する。 In the multispectral imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure, the imaging surface is a pixel unit including a plurality of light sensing cells and a color filter that transmits light of a specific color facing at least a part of the plurality of light sensing cells. The image pickup elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and each light sensing cell in each pixel outputs a photoelectric conversion signal according to the amount of light received, and the first to N (N). Is an optical filter of 2 or more), each having one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and the total number of the peaks and the number of the underpeaks combined. A light sensing cell in which the color filter in the imaging element is arranged by sequentially imaging through the first to Nth optical filters having different peak numbers, the imaging light source, and the first to Nth optical filters. A signal processing circuit for processing the first to Nth photoelectric conversion signals output from each of the above is provided. The first to Nth optical filters are arranged at any position on the path from the light from the image pickup light source to being reflected by the subject and incident on the image pickup device. The predetermined wavelength band includes the transmission wavelength band of the color filter. The signal processing circuit calculates the spectral reflection characteristics of the subject in the transmission wavelength band based on the first to Nth photoelectric conversion signals.
上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。 The above-mentioned comprehensive or specific embodiment may be realized by a system, a method, an integrated circuit, a computer program, a recording medium, or any combination thereof.
本発明の一態様に係るマルチスペクトル撮像装置によれば、第1〜第Nの光学フィルタを撮像素子の複数の画素上に直接配置していないため、低コストの撮像システムが実現できる。また、第1から第Nの光学フィルタの所定の波長帯域が、複数の色フィルタのうちの特定の色フィルタの透過波長帯域を含むべく設定されているため、特定の色フィルタを透過して光電変換された光の信号から、特定の色フィルタの透過波長帯域における撮像画像の分光特性を算出できる。 According to the multispectral image pickup apparatus according to one aspect of the present invention, since the first to Nth optical filters are not directly arranged on a plurality of pixels of the image pickup element, a low-cost image pickup system can be realized. Further, since the predetermined wavelength band of the first to Nth optical filters is set to include the transmission wavelength band of a specific color filter among the plurality of color filters, the light is transmitted through the specific color filter. From the converted light signal, the spectral characteristics of the captured image in the transmission wavelength band of a specific color filter can be calculated.
(実施形態1)
本発明の第1の実施形態におけるマルチスペクトル撮像装置は、赤(R)の色フィルタ(およそ600nm以上の光に対して高い透過率を有する)を含むカラー撮像素子と、N+1個(Nは2以上の整数)の光学フィルタを含む照明装置と、を有する。マルチスペクトル撮像装置は、N+1個の光学フィルタを順次切り替えて、個々の光学フィルタを介した光を照明光として被写体に照射し、その度に撮像する。N+1個の光学フィルタのうちN個の光学フィルタの各々は、所定の波長帯域(例えば、550nm〜1060nmであり、赤の色フィルタの光透過帯域を含む)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。N個の光学フィルタにおける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は、互いに異なる。残りの1個の光学フィルタは、透過率のピークとアンダーピークのほぼ中間の透過率を有する平均化光学フィルタ(「DCフィルタ」と称することもある)である。本実施形態では、平均化光学フィルタの一例として、ND(Neutral Density)フィルタが用いられる。本実施形態では、N=8であり、8種類の光学フィルタと1つのNDフィルタを用いる。
(Embodiment 1)
The multispectral image sensor according to the first embodiment of the present invention includes a color image sensor including a red (R) color filter (having a high transmittance for light of about 600 nm or more) and N + 1 (N is 2). It has a lighting device including an optical filter (the above integer). The multispectral image pickup apparatus sequentially switches N + 1 optical filters to irradiate the subject with light passing through the individual optical filters as illumination light, and images the subject each time. Of the N + 1 optical filters, each of the N optical filters has a transmittance peak or under peak of 1 in a predetermined wavelength band (for example, 550 nm to 1060 nm, including the light transmission band of the red color filter). Have one or more. The total number of peaks, including the number of transmittance peaks and the number of underpeaks, in the N optical filters is different from each other. The remaining one optical filter is an averaging optical filter (sometimes referred to as a "DC filter") having a transmittance approximately intermediate between the peak and the under peak of the transmittance. In the present embodiment, an ND (Neutral Density) filter is used as an example of the averaging optical filter. In this embodiment, N = 8, and eight types of optical filters and one ND filter are used.
本明細書において、「ピーク」とは、上記所定の波長帯域のうち、透過率がその波長帯域における平均値を超える1つの連続した部分帯域内(その中では透過率が平均値以下になることはない)で透過率が最大になる点を意味する。一方、「アンダーピーク」とは、透過率が上記平均値を下回る1つの連続した部分帯域内(その中では透過率が平均値以上になることはない)で透過率が最小になる点を意味する。また、本明細書では画素を光感知セルと呼ぶこともある。 In the present specification, the term "peak" means that, in the above-mentioned predetermined wavelength band, the transmittance is within one continuous partial band whose transmittance exceeds the average value in the wavelength band (in which the transmittance is equal to or less than the average value). Does not mean) means that the transmittance is maximized. On the other hand, "under-peak" means that the transmittance is minimized within one continuous partial band in which the transmittance is lower than the above average value (in which the transmittance never exceeds the average value). To do. Further, in the present specification, a pixel may be referred to as a light sensing cell.
撮像画像から被写体の反射分光特性を算出する原理に関しては、特許文献5に開示された原理と同様である。すなわち、本実施形態の構成は、特許文献5に開示された構成とは異なるものの、利用するN個の光学フィルタの特徴と信号処理自体は同様である。具体的には、特許文献5では、所定の波長帯域が比較的広帯域(例えば、380nm〜760nm)であるN個の光学フィルタが配置されたN個の画素と、光学フィルタが配置されていない1個の画素とを1つの画素単位として、複数の画素単位が2次元状に隣接して配置される。それらの光電変換信号をE(i)(i=1〜N、具体的にはN=8)およびE(0)とし、これらの信号を用いた演算により、被写体の反射分光特性が算出される。これに対し、本実施形態では、所定の波長帯域が赤及びそれ以上の波長領域(近赤外の波長帯域)であるN個(上記したように具体的にはN=8)の光学フィルタが利用される。そして、赤(R)の色フィルタが配置された画素(以下、R画素と称する)のみを対象として、同一のR画素に関して、N個の光学フィルタを切り替えて撮像した場合の画素信号をE(i)(i=1〜N)とし、NDフィルタを介して(あるいはNDフィルタを外して)撮像した場合の画素信号をE(0)とする。画素信号E(0)とE(i)を用いて被写体の反射分光特性を算出することができる。以下、本実施形態における反射分光特性を算出する処理の基本原理を説明する。
The principle of calculating the reflection spectral characteristics of the subject from the captured image is the same as the principle disclosed in
N個の光学フィルタは、例えば所定の波長帯域の下限波長でピークを有し、所定の波長帯域の上限波長でピークまたはアンダーピークを有する。例えば、N個の光学フィルタのうち、第1の光学フィルタは所定波長帯域においてピークおよびアンダーピークを1つずつ有する総ピーク数が2つの光学フィルタであり得る。第2の光学フィルタは所定波長帯域において2つのピークおよび1つのアンダーピークを有する総ピーク数が3つの光学フィルタであり得る。第3の光学フィルタは所定波長帯域において2つのピークおよび2つのアンダーピークを有する総ピーク数が4つの光学フィルタであり得る。以下、同様に、第i(iは1以上でN以下の整数)の光学フィルタの総ピーク数はi+1である。このように、N個の光学フィルタは、その符番数の増加と共に総ピーク数が1つずつ増加する特徴がある。各光学フィルタの光透過特性は、波長に対して変動性を有する。 The N optical filters have, for example, a peak at the lower limit wavelength of a predetermined wavelength band and a peak or underpeak at the upper limit wavelength of the predetermined wavelength band. For example, of the N optical filters, the first optical filter may be an optical filter having two peaks and one underpeak in a predetermined wavelength band. The second optical filter can be an optical filter having a total number of peaks having two peaks and one underpeak in a predetermined wavelength band. The third optical filter can be an optical filter having two peaks and two underpeaks in a predetermined wavelength band and having a total number of peaks of four. Similarly, the total number of peaks of the i-th (i is an integer of 1 or more and N or less) is i + 1. As described above, the N optical filters are characterized in that the total number of peaks increases by one as the number of code numbers increases. The light transmission characteristics of each optical filter have variability with respect to wavelength.
以上のN個の光学フィルタを光源の前に配置し、光学フィルタを切り替えながら、N+1回の撮像が行われる。N+1回の撮像には、NDフィルタが配置された状態、またはいずれの光学フィルタも配置されていない状態で行われる撮像も含まれる。撮像素子は、典型的には赤、緑、青の色フィルタが複数の画素に対向して配置された一般的なカラー撮像素子であり得る。本実施形態における信号処理では、赤の色フィルタが配置された複数の画素からの信号のみが利用される。よって、撮像素子は、少なくとも赤または近赤外の波長域の光を透過させる色フィルタが配置された複数の画素を有していればよい。言い換えれば、撮像素子は、緑および青の色フィルタが配置された複数の画素を有していなくてもよい。 The above N optical filters are arranged in front of the light source, and N + 1 imaging is performed while switching the optical filters. The N + 1 imaging includes imaging performed in a state where the ND filter is arranged or in a state where neither optical filter is arranged. The image pickup device can typically be a general color image pickup device in which red, green, and blue color filters are arranged so as to face a plurality of pixels. In the signal processing in the present embodiment, only the signals from the plurality of pixels in which the red color filter is arranged are used. Therefore, the image sensor may have a plurality of pixels in which a color filter that transmits light in at least a red or near infrared wavelength range is arranged. In other words, the image sensor does not have to have a plurality of pixels in which green and blue color filters are arranged.
いずれの光学フィルタも配置されない状態、またはNDフィルタが配置された状態で撮像した場合、各R画素は、所定波長帯域の光を光電変換した信号を発生する。第1の光学フィルタが配置された状態で撮像した場合、各R画素は、所定波長帯域の全ての光成分のうちの1つの特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生する。第2の光学フィルタが配置された状態で撮像した場合、各R画素は、所定波長帯域の全ての光成分のうちの2つの特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生する。以下同様に、第iの光学フィルタが配置された状態で撮像した場合、各R画素は、所定波長帯域の全ての光成分のうちのi個の特定の(比較的狭い)波長帯域の光成分を特に多く含む光を光電変換した信号を発生する。 When an image is taken in a state where none of the optical filters is arranged or when an ND filter is arranged, each R pixel generates a signal obtained by photoelectrically converting light in a predetermined wavelength band. When an image is taken with the first optical filter arranged, each R pixel is a light containing a particularly large amount of a specific (relatively narrow) wavelength band of one of all the light components of a predetermined wavelength band. Is photoelectrically converted to generate a signal. When an image is taken with the second optical filter arranged, each R pixel is a light containing a particularly large amount of light components in two specific (relatively narrow) wavelength bands among all the light components in a predetermined wavelength band. Is photoelectrically converted to generate a signal. Similarly, when an image is taken with the i-th optical filter arranged, each R pixel has i light components in a specific (relatively narrow) wavelength band among all the light components in a predetermined wavelength band. A signal obtained by photoelectrically converting light containing a particularly large amount of light is generated.
波長を独立変数、被写体の光反射率を従属変数とした関数を考えた場合、所定波長帯域において、光学フィルタを配置していない状態で取得された信号は、被写体の光反射率の直流成分を有すると考えられる。一方、第1〜第Nの光学フィルタが配置された状態で取得された信号は、上記直流成分の一部と被写体の光反射率分布におけるN個の交流成分を有すると考えられる。従って、それらの信号を用いると、被写体の光反射率を有限のフーリエ級数の形式で近似させることが可能である。この近似手法が本実施形態のアプローチである。 Considering a function in which the wavelength is the independent variable and the light reflectance of the subject is the dependent variable, the signal acquired in a predetermined wavelength band without an optical filter is the DC component of the light reflectance of the subject. It is considered to have. On the other hand, it is considered that the signal acquired with the first to Nth optical filters arranged has a part of the DC component and N AC components in the light reflectance distribution of the subject. Therefore, using these signals, it is possible to approximate the light reflectance of the subject in the form of a finite Fourier series. This approximation method is the approach of this embodiment.
被写体のある1点からの反射光エネルギーを表す波長の関数が、所定の波長帯域λ1〜λ2(但しλ2−λ1=W)で存在するとして、その関数を波長λ1からのシフト波長X(0≦X≦W)を用いてF(X)で表す。F(X)は、0≦X≦Wの範囲でのみ定義される関数であるが、以下の説明ではF(X)が偶関数であるものと仮定して、フーリエ余弦級数で展開することを考える。すると、F(X)は式1で示される有限のフーリエ余弦級数で近似できる。なお、シフト波長Xを、以下では単に波長Xと表現する場合がある。
但し、式1におけるa(i)は下記の式2で表され、iは0から予め設定された最大自然数Mまでの整数である。また、式2における積分範囲はX=0〜Wである。
However, a (i) in
式2で示すa(i)が撮像素子の画素信号から作り出すことができれば、被写体の反射分光特性を近似的に算出できる。しかしながら、そのためには、各光学フィルタが、波長の変化に対して余弦的に変化する分光特性を有する必要がある。そのような光学フィルタはかなり特殊な光学フィルタと言える。本実施形態は、このような光学フィルタの特殊性を緩和するものでもあり、用いる光学フィルタの分光特性が波長の変化に対して必ずしも余弦的に変化するものでなくても良い。
If a (i) represented by the
例えば、光学フィルタの1つが図10の実線で示される分光特性を有していたとして、その特性がG(X)で表されるとする。G(X)は、光透過率の最大値を1とした場合の透過比率(以下では「透過率」とも呼ぶ)が平均的にKaであり、さらに波長によって透過率が変動し、その変動成分(交流成分とも言う)をその極大値と極小値との差PPを用いて(PP/2)×AC(X)で表されるとする。すなわち、G(X)=Ka+(PP/2)AC(X)で表現される。また、光学フィルタを配置していない状態では、撮像素子の表面の光反射等によって受光量が若干低下し、透過比率はKdであるとする。参考までに、図10ではその特性を破線で表している。 For example, suppose that one of the optical filters has the spectral characteristics shown by the solid line in FIG. 10, and the characteristics are represented by G (X). In G (X), the transmittance (hereinafter, also referred to as “transmittance”) when the maximum value of the light transmittance is 1 is Ka on average, and the transmittance fluctuates depending on the wavelength, and the fluctuating component thereof. It is assumed that (also referred to as an AC component) is represented by (PP / 2) × AC (X) using the difference PP between the maximum value and the minimum value. That is, it is expressed by G (X) = Ka + (PP / 2) AC (X). Further, in the state where the optical filter is not arranged, the amount of received light is slightly reduced due to light reflection on the surface of the image sensor, and the transmission ratio is Kd. For reference, in FIG. 10, the characteristic is represented by a broken line.
被写体からの光が100%光電変換されるとすると、光学フィルタを配置していない状態で取得された信号Sdは以下の式3で表され、光学フィルタを配置した画素の信号Saは式4で表される。
式3、式4から、式5が導かれる。被写体からの反射光が光学フィルタの交流成分によって減衰した場合の光の強度が画素信号の演算によって求められることがわかる。
いずれの光学フィルタのAC(X)も余弦関数であれば、式2に示すフーリエ係数を求めることができ、その結果を用いて式1から被写体の反射分光特性F(X)を算出でき得る。しかし、各光学フィルタの分光特性が図10のような変動性はあっても余弦関数でない交流成分を有している場合、式2及び式1を利用することは出来ない。
If the AC (X) of any of the optical filters is a cosine function, the Fourier coefficient shown in
本実施形態はこの問題を解決したものであり、ある条件を満たせば光学フィルタの分光特性における変動が余弦関数で表されなくとも、被写体の反射分光特性を算出できる。そのある条件とは、いずれの光学フィルタにおいても、分光特性の交流成分AC(X)が波長Xと関係付けられた変数Zの変化に対して、余弦関数に近くなるということである。もしこの条件が成立すれば、式5の左辺は、
と近似できる。Z'=dZ/dXとすると、式5は式7で表される。
Can be approximated to. Assuming that Z'= dZ / dX,
式7は、(F(Z)/Z')のフーリエ係数を画素信号SaおよびSdを用いた演算で求められることを意味している。これにより、(F(Z)/Z')を有限のフーリエ級数に展開した結果が得られ、その展開結果にZ'を乗算し、さらにF(Z)をF(X)に変換することにより、被写体の反射分光特性を求めることができる。
以上が本実施形態の基本原理である。以下、その基本原理をもとに本実施形態の具体例を説明する。 The above is the basic principle of this embodiment. Hereinafter, a specific example of the present embodiment will be described based on the basic principle.
まず本実施形態におけるマルチスペクトル撮像装置の構成について説明する。図1は本実施形態におけるマルチスペクトル撮像装置の構成図である。このマルチスペクトル撮像装置は、結像レンズ1と、広帯域光学フィルタ9と、カラー撮像素子3と、信号発生/受信部4と、画像処理部6と、画像メモリー7と、信号出力部8と、被写体への照明用の光源10と、照明光制御液晶パネル2と、液晶コントローラ5とを備えている。
First, the configuration of the multispectral image pickup apparatus in this embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a multispectral imaging device according to the present embodiment. This multispectral image pickup device includes an
結像レンズ1は、図1では単一のレンズとして描かれているが、複数のレンズの組み合わせであってもよい。広帯域光学フィルタ9は、本実施形態では波長400nm〜1060nmの光のみ透過させるように設計されている。カラー撮像素子3は本実施形態では赤緑青の色フィルタを用いたベイヤー配列のCMOS型撮像素子であるが、赤系統の色フィルタを有したCCDなどの他の種類のカラー撮像素子でもよい。信号発生/受信部4は、カラー撮像素子3からの画像信号を受信すると共にカラー撮像素子3を駆動するための信号をカラー撮像素子3に送る。加えて照明光を制御するための信号を液晶コントローラ5に送る。
Although the
信号発生/受信部4は、例えばCMOSドライバなどのLSIから構成され得る。画像処理部6は信号発生/受信部4からの画像信号を画像メモリー7に送信すると共に画像メモリー7からの画像信号を読み出して処理する。画像処理部6は、例えば公知のデジタル信号処理プロセッサ(DSP)などの信号処理回路と、本実施形態における画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって実現され得る。あるいは、画像処理部6は、専用のハードウェアから構成されていてもよい。本実施形態における信号処理は、画像処理部6における信号処理回路によって実行される。画像メモリー7は、例えばDRAMやSRAMなどの公知の半導体メモリーによって構成され得る。信号出力部8は画像処理部6からの信号を外部に出力する。具体的には、撮像画像や算出した反射分光特性データ等を出力する。
The signal generation / reception unit 4 may be composed of an LSI such as a CMOS driver, for example. The
光源10は被写体への照明用光源であり、本実施形態では色温度4000Kのハロゲン光源である。光源10は発光の分光特性が既知であれば、他の種類の光源、例えば、蛍光灯、LED、またはLEDアレイでも構わない。照明光制御液晶パネル2は光源10からの光を受け、被写体へ照明としての光特性を切り替えるものであり、8個の光学フィルタと1つのNDフィルタが同一平面上に隣接して配置された複合光学フィルタ2aと、それに接合された透過光量調整用の液晶パネル2bとを含む。
The
図2は、照明光制御液晶パネル2における複合光学フィルタ2aの構成を示す平面図である。透過率のピークおよびアンダーピークの数が少ない順に1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1hと付番された8個の光学フィルタと、NDフィルタとが同一平面上に配列されている。複合光学フィルタ2aの背面に、液晶パネル2bが接合されている。但し、各フィルタの配置は図示されている配置に限ったものではなく、別な配置でも問題はない。
FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the composite
図3は、8個の光学フィルタ1a〜1hとNDフィルタの分光特性(透過率の波長依存性)を示す図である。光学フィルタ1a〜1hは、その順に所定の波長帯域内での透過率におけるピークおよびアンダーピークの数が増加する。同図で縦軸は相対透過比率を表し、横軸は波長を表し、横軸の単位はマイクロメートル(μm)である。なお、本実施形態における「所定の波長帯域」は、550nm〜1060nmである。8個の光学フィルタ1a〜1hは、例えば屈折率2.3のチタン系酸化膜を用い、透明ガラス基板上にその厚さを変えて蒸着することにより作製され得る。本実施形態では、波長帯域550nm〜1060nmでは、8個の光学フィルタ1a〜1hは、550nmでピークを有し、1060nmではピークまたはアンダーピークを有する。波長帯域550nm〜1060nmにおける透過率のピークとアンダーピークとを合わせた総数は、光学フィルタ1aについては2つ、光学フィルタ1bについては3つ、光学フィルタ1cについては4つ、光学フィルタ1dについては5つ、光学フィルタ1eについては6つ、光学フィルタ1fについては7つ、光学フィルタ1gについては8つ、光学フィルタについて1hは9つである。
FIG. 3 is a diagram showing the spectral characteristics (wavelength dependence of transmittance) of the eight
各光学フィルタの透過率は、波長の増加と共に繰り返し変動するが、それらの周期は一定ではない。しかしながら、波長と関係付けた他の変数に対しては一定周期になり得る。本実施形態では、波長をX、各光学フィルタの透過率をYとし、例えば次の式8、9で示すXの2次関数で表したZを独立変数とすると、透過率Yの変動成分は余弦関数で近似できる。
なお、本明細書においては、近似的に周期関数のように変化することを「周期的に変化する」と表現する。本明細書における周期的な変化は、必ずしも厳密な意味での周期的変化を意味しない。 In addition, in this specification, changing approximately like a periodic function is expressed as "periodically changing". Periodic changes in the present specification do not necessarily mean periodic changes in the strict sense.
図4は、カラー撮像素子3のR画素、G画素(緑の色フィルタが配置された画素)、B画素(青の色フィルタが配置された画素)の分光特性(フィルタの透過率の波長依存性)を示す図である。図4における縦軸は相対透過比率を表し、横軸は波長を表し、横軸の単位はナノメートル(nm)である。本実施形態では、R画素の光電変換信号を用いて被写体の反射分光特性が算出される。このため、図4において実線で示されているR画素の透過率が高くなる波長帯域(およそ600nm以上の波長帯域)が検出対象とされる。本実施形態では、特に近赤外の波長帯域におけるスペクトル解析が行える点が特徴の1つである。
FIG. 4 shows the spectral characteristics (wavelength dependence of the transmittance of the filter) of the R pixel, G pixel (pixel in which the green color filter is arranged), and B pixel (pixel in which the blue color filter is arranged) of the color
次に本実施形態におけるマルチスペクトル撮像装置の撮像動作について説明する。光源10を点灯後、光学フィルタ1a〜1hとNDフィルタの背後にある9個の液晶領域の光透過率を順番に高くして光を透過させるように信号発生/受信部4が液晶コントローラ5に指示(制御信号)を送る。液晶コントローラ5は、その指示に従い液晶パネル2bを制御する。例えば、光学フィルタ1aの背後にある液晶領域は光を透過させる状態にし、その他の液晶領域は光を遮断する状態にする。そうすると、光学フィルタ1aを透過した光のみが照明光となる。撮像は、光を透過させる光学フィルタが切り換わる毎に行われ、9回の撮像で1つの撮影が完了する。以下の説明において、NDフィルタに対向する液晶領域が透過状態にあるときにR画素から得られる光電変換信号(画素信号)をE(0)と表し、第1から第8の光学フィルタ1a〜1hに対向する液晶領域が透過状態にあるときにR画素から得られる光電変換信号を、それぞれE(1)〜E(8)と表す。
Next, the imaging operation of the multispectral imaging apparatus in this embodiment will be described. After turning on the
次に本実施形態におけるマルチスペクトル撮像装置の信号処理について説明する。本実施形態における画像処理部6は、画素信号E(i)(i=0〜8)からフーリエ係数a(i)(i=0〜8)を算出しフーリエ級数展開を用いて被写体の反射分光特性を算出する。より具体的には、特許文献5に開示されているように、画像処理部6は、以下の処理を行う。
Next, the signal processing of the multispectral image pickup apparatus in this embodiment will be described. The
以下の説明において、光学フィルタ1a〜1hおよびNDフィルタの特性に関して、図10に記した記号をそのまま用いる。ただし、以下の説明では、シフト波長ではなく実際の波長をXと表す。波長帯域550nm〜1060nmにおいて、波長Xと被写体の反射分光特性を示す関数F(X)とを用いて、画素信号E(0)、E(1)〜E(8)を表すと、以下の式10、式11で表される。
但し、AC(i,X)の入力変数について、iは色フィルタ1a〜1hの順に付番した数値(1〜8)で、Xは上記の波長である。
In the following description, the symbols shown in FIG. 10 are used as they are with respect to the characteristics of the
However, regarding the input variables of AC (i, X), i is a numerical value (1 to 8) numbered in the order of the
式10及び式11から、次の式12が得られる。
From
AC(i,X)は、余弦関数で近似できる。よって、式12は次の式13で表すことができる。
Z'=dZ/dXとすると、式13は次の式14で表される。
F(Z)/Z'のフーリエ係数について、a(0)は(2/W)∫(F(Z)/Z')dZであるが、それは(2/W)∫F(X)dXと同じである。このため、a(0)は、式10を用いて次の式15で表される。
一方、i≧1におけるa(i)は、式2より、式14を用いて次の式16で表される。
式15、式16から得られるフーリエ係数を用いて、F(Z)/Z'は、次の式17に示すフーリエ級数で近似的に展開できる。
なお、式17においては、式1におけるシフト波長Xに相当する値は(X−550)である。この結果にZ'の値を乗算すれば、F(Z(X))すなわちF(X)が求まる。
In Equation 17, the value corresponding to the shift wavelength X in
以上のように、撮像素子の画素信号を用いてフーリエ係数を算出し、それらを用いて、式1のフーリエ級数展開とZ'の乗算により被写体の反射分光特性を近似的に算出できる。
As described above, the Fourier coefficient can be calculated using the pixel signal of the image sensor, and the reflection spectral characteristics of the subject can be approximately calculated by multiplying the Fourier series expansion of
本実施形態の場合、上記の式において、Wは所定の波長帯域(550〜1060nm)の波長幅である510nmであるが、式15及び式16ではその波長幅を固定値πとする。KdはNDフィルタの平均透過比率で例えば0.797、Kaは光学フィルタ1a〜1h全体の平均透過比率で同じく例えば0.797、PPは光学フィルタ1a〜1h全体の透過比率ピークとアンダーピークの平均的な差で例えば0.255である。また、式17におけるXは所定の波長帯域における波長であり、その範囲は550〜1060nmである。式17におけるZは波長Xと関係付けられた従属波長値であり、それらの関係式は式8と式9で表される。Z’はZをXで微分した結果であり、波長Xにより決定される。なお、式17では被写体の反射分光特性がF(Z)で表現されているが、Zは波長Xで表されるので、F(X)と表現しても良い。
In the case of the present embodiment, in the above formula, W is 510 nm, which is the wavelength width of a predetermined wavelength band (550 to 560 nm), but in formulas 15 and 16, the wavelength width is set to a fixed value π. Kd is the average transmission ratio of the ND filter, for example 0.797, Ka is the average transmission ratio of the entire
前述したように1回の撮影は照明光のスペクトルを変えながら9回の撮像で完了する。各々の画像はカラー撮像素子3で光電変換され電気信号になり、信号発生/受信部4、画像処理部6を介して画像メモリー7に記録される。画像処理部6は画像メモリー7に記録された9個の画像情報(R画素信号のみ)を1画像ずつ読み出し、1つのR画素位置において信号値E(0)〜E(8)を決定し、式15から式17までの信号処理を行い、さらにそれらの処理を全画面にわたって行う。
As described above, one imaging is completed by nine imagings while changing the spectrum of the illumination light. Each image is photoelectrically converted by the
以下、被写体の反射分光特性を算出したシミュレーションの結果を説明する。但し、シミュレーション条件として、光源は色温度4000Kのハロゲン灯とし、光学フィルタは図3に示す分光特性を有し、カラー撮像素子のR画素は図4の実線で示す分光特性(感度)を有するものとする。さらに、画素信号の調整として、E(1)〜E(8)の信号を1.025倍してその後の処理を実施する。 The results of the simulation for calculating the reflection spectral characteristics of the subject will be described below. However, as simulation conditions, the light source is a halogen lamp with a color temperature of 4000 K, the optical filter has the spectral characteristics shown in FIG. 3, and the R pixel of the color image sensor has the spectral characteristics (sensitivity) shown by the solid line in FIG. And. Further, as the adjustment of the pixel signal, the signals of E (1) to E (8) are multiplied by 1.025 and the subsequent processing is performed.
図5Aは、およそ740nm(0.74μm)に反射率のピークを有する被写体の反射分光特性を示している。図5Bは、当該被写体を撮像し、その反射分光特性を算出したシミュレーションの結果を示している。また、図6Aは、およそ620nm(0.62μm)およびおよそ900nm(0.9μm)に反射率のピークを有する被写体の反射分光特性を示している。図6Bは、当該被写体を撮像し、その反射分光特性を算出したシミュレーションの結果を示すものである。いずれの結果も実際の分光特性とシミュレーションによる分光特性は完全に一致するものではないが、大局的には類似していることがわかる。 FIG. 5A shows the reflection spectroscopic characteristics of a subject having a reflectance peak at about 740 nm (0.74 μm). FIG. 5B shows the result of a simulation in which the subject is imaged and its reflection spectral characteristics are calculated. Further, FIG. 6A shows the reflection spectroscopic characteristics of a subject having reflectance peaks at about 620 nm (0.62 μm) and about 900 nm (0.9 μm). FIG. 6B shows the result of a simulation in which the subject is imaged and its reflection spectral characteristics are calculated. In all the results, the actual spectroscopic characteristics and the simulated spectroscopic characteristics do not completely match, but it can be seen that they are similar in the big picture.
以上のように本実施形態のマルチスペクトル撮像装置は、赤の色フィルタを含むカラー撮像素子と、9個の光学フィルタを含む照明装置とを有している。9個の光学フィルタのうちの1個はNDフィルタであり、残り8個の光学フィルタの各々は、その光透過帯域が、上記赤の色フィルタの光透過帯域を含み、所定の波長帯域において透過率のピークあるいはアンダーピークを1つ以上有し、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。撮像装置は、9個の光学フィルタを順次切り替えて、個々の光学フィルタを介した光を照明光として被写体に照射し、その度に撮像する。撮像した画像群からR画素の信号によって形成される画像のみを取り出し、上記式8〜式10を用いて赤色〜近赤外の波長領域における被写体の反射分光特性を算出できる。このことは、照明を工夫することにより、特殊な撮像素子を用いたカメラでなく通常のカラーカメラを用いても、人間の視覚では捉えられない近赤外帯域のスペクトル解析を実現できることを意味している。その実用的効果には大なるものがある。
As described above, the multispectral image pickup device of the present embodiment includes a color image pickup device including a red color filter and an illumination device including nine optical filters. One of the nine optical filters is an ND filter, and each of the remaining eight optical filters has a light transmission band including the light transmission band of the red color filter and is transmitted in a predetermined wavelength band. It has one or more rate peaks or underpeaks, and the total number of peaks, which is the sum of the number of transmittance peaks and the number of underpeaks, is different. The image pickup apparatus sequentially switches the nine optical filters, irradiates the subject with light passing through each optical filter as illumination light, and takes an image each time. Only the image formed by the R pixel signal can be extracted from the captured image group, and the reflection spectral characteristics of the subject in the red to near infrared wavelength region can be calculated using the
なお、本実施形態では光学フィルタを9個としたが、これに限定されるものではなく、むしろ個数を多くした方がスペクトル解析の精度が向上する。また、本実施形態では、NDフィルタを用いたが、その他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他の種類の光学フィルタ(DCフィルタ)を用いても同様の効果は得られる。さらに複合光学フィルタの8個の光学フィルタでは、チタン系酸化膜を蒸着させた透明ガラス基板を1枚ずつ用いたが、同種の光学フィルタを複数枚重ねても問題はない。そのような構成では光透過率は若干低下するが、透過率のピークとアンダーピークの差が広がるためスペクトル解析精度は向上する。参考までに、8個の光学フィルタ1a〜1hの各々を2枚重ねた場合の分光透過特性とその場合のDCフィルタの分光透過特性を図7に示す。
Although the number of optical filters is nine in the present embodiment, the number is not limited to this, and the accuracy of spectrum analysis is improved by increasing the number of optical filters. Further, although the ND filter is used in the present embodiment, the same effect can be obtained by using another type of optical filter (DC filter) having a transmittance intermediate between the peak and the underpeak in other optical filters. .. Further, in the eight optical filters of the composite optical filter, one transparent glass substrate on which a titanium oxide film is vapor-deposited is used, but there is no problem even if a plurality of optical filters of the same type are stacked. In such a configuration, the light transmittance is slightly lowered, but the difference between the peak and the underpeak of the transmittance is widened, so that the spectrum analysis accuracy is improved. For reference, FIG. 7 shows the spectral transmission characteristics when two of each of the eight
さらに本実施形態では、照明光制御液晶パネル2を光源10の前に配置したが、これに限定するものではない。例えば小型化が必要ではあるものの、照明光制御液晶パネル2をカメラレンズの瞳部分に配置しても問題はない。すなわち、光源から被写体までの間、あるいは被写体から撮像装置の撮像部の間のどこかにN+1個の光学フィルタが配置され、それらの光学フィルタの各々を介して撮像できれば、上記処理により同様な結果を得ることができる。また、本実施形態では、波長400nm〜1060nmの光のみを透過させる広帯域光学フィルタ9を用いたが、通常のCCDやCMOSのイメージセンサーでは当該領域以外の波長帯域で感度特性が極めて低いので、広帯域光学フィルタ9を用いずとも問題はない。また、カラー撮像素子3の画素単位の中でR画素の分光感度特性をターゲットとしてN+1個の光学フィルタの分光特性が設計されたが、黄色の色フィルタを有する画素でも赤および近赤外波長を透過させるため、当該画素をターゲットとしてN+1個の光学フィルタを設計しても良い。さらに赤および近赤外波長帯域を対象としたスペクトル解析だけでなく、例えば青や紫外波長帯域を対象としたスペクトル解析ができるよう色フィルタを選定し、N+1個の光学フィルタを設計しても良い。
Further, in the present embodiment, the illumination light control
(実施形態2)
次に本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態では、上記第1の実施形態と装置構成および信号処理は同じであるが、画像処理部に予め登録した他の光学フィルタ(以下、「特殊光学フィルタ」と称する。)の分光特性データ、撮像素子の分光感度データと撮像装置全体の光学系の分光透過特性データ等を有し、それらの分光特性データを用いた信号処理が追加される。具体的には、特殊光学フィルタは近赤外光を透過させるフィルタ(以下、近赤外透過フィルタとも称する)である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the device configuration and signal processing are the same as those in the first embodiment, but the spectral characteristic data of another optical filter (hereinafter, referred to as “special optical filter”) registered in advance in the image processing unit. , The spectral sensitivity data of the image pickup device, the spectral transmission characteristic data of the optical system of the entire imaging apparatus, and the like, and signal processing using the spectral characteristic data is added. Specifically, the special optical filter is a filter that transmits near-infrared light (hereinafter, also referred to as a near-infrared transmission filter).
本実施形態の目的は、通常のカラーカメラでは不可欠な赤外カットフィルタを除去しても正常なカラー画像が得られるようにすることである。そのためにはカラーカメラにおいて赤外カットフィルタを実装することにより近赤外光成分が信号としてどの程度除去されるか調べる必要がある。本実施形態では、その近赤外光成分の信号量を推定するため、画像処理部に特殊光学フィルタとして近赤外透過フィルタの分光特性データを予め登録しておく。撮像画像から赤の波長帯域以上の波長帯域における分光特性を算出すれば、近赤外透過フィルタの分光特性と撮像装置全体の各種分光特性等から近赤外光成分の信号量が算出できる。 An object of the present embodiment is to obtain a normal color image even if the infrared cut filter, which is indispensable for a normal color camera, is removed. For that purpose, it is necessary to investigate how much the near-infrared light component is removed as a signal by mounting an infrared cut filter in the color camera. In the present embodiment, in order to estimate the signal amount of the near-infrared light component, the spectral characteristic data of the near-infrared transmission filter is registered in advance as a special optical filter in the image processing unit. By calculating the spectral characteristics in the wavelength band equal to or higher than the red wavelength band from the captured image, the signal amount of the near-infrared light component can be calculated from the spectral characteristics of the near-infrared transmission filter and various spectral characteristics of the entire imaging device.
以下、上記の近赤外光成分の算出について説明する。但し、実施形態1と同様な信号処理を行い、被写体画像の(赤の波長帯域以上の波長帯域における)分光特性を算出したとして、その後の処理について説明する。 Hereinafter, the calculation of the above-mentioned near-infrared light component will be described. However, assuming that the same signal processing as in the first embodiment is performed to calculate the spectral characteristics (in the wavelength band equal to or higher than the red wavelength band) of the subject image, the subsequent processing will be described.
被写体画像の分光特性が算出され、その透過比率をO(X)と表す。ここで、Xは波長であり、R画素の光透過波長帯域から被写体画像の分光特性が算出されるため、O(X)は赤より短い波長帯域では、その値は殆ど0と考えられる。 The spectral characteristics of the subject image are calculated, and the transmission ratio is expressed as O (X). Here, X is a wavelength, and the spectral characteristics of the subject image are calculated from the light transmission wavelength band of the R pixel. Therefore, it is considered that the value of O (X) is almost 0 in the wavelength band shorter than red.
本実施形態では、実施形態1と同じくベイヤー配列のカラー撮像素子を用いており、N+1個の光学フィルタの中でNDフィルタを用いて撮像した場合、被写体画像の正確なRGB信号(以下では、それぞれRo、Go、Boと表記する)が得られる。一方で、算出された被写体画像の分光特性とカラー撮像素子を含む撮像装置全ての分光特性を用いて、赤(R)信号に関しては以下の式13により算出できる。但し、カラー撮像素子を除く撮像装置全ての分光特性をS(X)、カラー撮像素子のR画素の分光感度特性をR(X)とし、算出されるR信号をRcと表記する。撮像により得られる信号Roと算出された信号Rcは数値としては異なるが、本来同じ値であると考えられる。そこでその比率Ro/Rcを計算する。
次に赤信号Roの中の近赤外光成分の信号量を推定するため、近赤外透過フィルタを用いた場合の信号量を以下の式19により算出する。但し、近赤外透過フィルタの分光特性をIR(X)とし、算出される近赤外光成分の信号をRirと表記する。ここで、近赤外透過フィルタの分光特性の1例を図8に示す。なお、同図で縦軸は相対透過比率、横軸は波長で単位はナノメートル(nm)である。
算出された近赤外光成分の信号Rirと比率Ro/Rcから、それらを乗算することにより、すなわちRir×(Ro/Rc)の演算により、赤信号Roの中の近赤外光成分の信号量Ro_irを算出できる。Ro_irが求まれば、赤信号RoからRo_irを減算することにより、近赤外光を除去した赤信号を生成できる。 The signal of the near-infrared light component in the red signal Ro by multiplying the calculated near-infrared light component signal Rir and the ratio Ro / Rc, that is, by calculating Rir × (Ro / Rc). The quantity Ro_ir can be calculated. Once Ro_ir is obtained, a red signal from which near-infrared light is removed can be generated by subtracting Ro_ir from the red signal Ro.
次に緑(G)信号および青(B)信号における近赤外光成分の算出処理について説明する。本実施形態では、カラー撮像素子のR画素だけでなくG画素およびB画素の分光感度特性を有し(具体的には図4に示されている)、それらの特性から赤の波長帯域以上の波長帯域におけるG信号、B信号を算出できる。さらに近赤外透過フィルタを用いた場合の信号量も以下の式20と式21により算出できる。なお、両式においてG(X)、B(X)は、カラー撮像素子のG画素、B画素の分光感度特性をそれぞれ表しており、算出される近赤外光成分の信号をそれぞれGir、Birと表記する。
ここで、赤の波長帯域およびそれよりも長い波長帯域でR画素における近赤外光成分を算出したが、同じ波長帯域であれば、その帯域における分光特性が変わろうとも算出された信号と実際に出力された信号は同じものと考えられる。すなわちそれらの比率は一定と考えられ、比率Ro/RcがG画素およびB画素における近赤外光成分の算出の場合にも適用できる。 Here, the near-infrared light component in the R pixel was calculated in the red wavelength band and a wavelength band longer than that, but if the wavelength band is the same, the calculated signal and the actual signal even if the spectral characteristics in that band change. The signals output to are considered to be the same. That is, their ratio is considered to be constant, and the ratio Ro / Rc can be applied to the calculation of the near-infrared light component in the G pixel and the B pixel.
そこで、緑信号Goの中の近赤外光成分の信号量Go_irをGir×(Ro/Rc)の演算により算出し、青信号Boの中の近赤外光成分の信号量Bo_irをBir×(Ro/Rc)の演算により算出する。Go_ir、Bo_irが求まれば、緑信号Go、青信号BoからそれぞれGo_ir、Bo_irを減算することにより、近赤外光を除去した緑信号、青信号を生成できる。 Therefore, the signal amount Go_ir of the near-infrared light component in the green signal Go is calculated by the calculation of Gir × (Ro / Rc), and the signal amount Bo_ir of the near-infrared light component in the green signal Bo is Bir × (Ro). / Rc) is calculated. If Go_ir and Bo_ir are obtained, the green signal and the green signal from which the near infrared light is removed can be generated by subtracting Go_ir and Bo_ir from the green signal Go and the green signal Bo, respectively.
以上のように、本実施形態のマルチスペクトル撮像装置は、NDフィルタを用いて撮像した場合のRGBの画像信号と、算出された被写体画像の(赤の波長帯域およびそれよりも長い波長帯域における)分光特性と、予め特殊光学フィルタとして登録した近赤外透過フィルタの分光特性データと、撮像素子の分光感度データと、撮像装置全体の光学系の分光透過特性データとを用いて、近赤外透過フィルタを用いた場合の画素信号を算出する。当該信号を撮像により得られたRGB信号から減算することにより、赤外カットフィルタを用いずとも正常なカラー画像を得ることができる。 As described above, the multi-spectral imager of the present embodiment has an RGB image signal when imaged by using an ND filter and a calculated subject image (in the red wavelength band and a longer wavelength band). Near-infrared transmission using the spectral characteristics, the spectral characteristic data of the near-infrared transmission filter registered as a special optical filter in advance, the spectral sensitivity data of the imaging element, and the spectral transmission characteristic data of the optical system of the entire imaging device. The pixel signal when the filter is used is calculated. By subtracting the signal from the RGB signal obtained by imaging, a normal color image can be obtained without using an infrared cut filter.
なお、本実施形態では、近赤外透過フィルタに関してその分光特性を図8に示したが、これはあくまで1例であり、近赤外光を透過させるものであれば、その他の分光特性でも良い。また、画像処理部に近赤外透過フィルタの分光特性を予め登録したが、その他赤外カットフィルタと透明フィルタの分光特性を登録しておき、それらの差分処理により近赤外透過フィルタの分光特性を算出してもよい。 In the present embodiment, the spectral characteristics of the near-infrared transmission filter are shown in FIG. 8, but this is only an example, and other spectral characteristics may be used as long as they transmit near-infrared light. .. In addition, the spectral characteristics of the near-infrared transmission filter are registered in advance in the image processing unit, but the spectral characteristics of the infrared cut filter and the transparent filter are also registered in advance, and the spectral characteristics of the near-infrared transmission filter are processed by their difference processing. May be calculated.
本実施形態では、R、G、Bの全ての画素を有するカラー撮像素子が用いられているが、必ずしもカラー撮像素子を用いる必要はない。例えば、G画素を有しない撮像素子を用いることもできる。以下、そのような撮像素子を用いて被写体の緑の波長の情報を取得する方法を説明する。 In the present embodiment, a color image sensor having all the pixels of R, G, and B is used, but it is not always necessary to use the color image sensor. For example, an image sensor having no G pixel can be used. Hereinafter, a method of acquiring information on the green wavelength of the subject using such an image sensor will be described.
上記の実施形態における8個の光学フィルタ1a〜1hにおける分光透過特性を合算平均した分光特性は、特定のバンドパスフィルタの分光透過特性と同等になる。例えば、図3に示す光学フィルタ1a〜1hの分光透過特性を合算平均すると、図9に示すような特性になる。そこで、画素信号E(1)〜E(8)の合算平均値から、NDフィルタ(平均化フィルタ)を介した撮像によって得られる画素信号E(0)を減算することにより、ピーク波長がおよそ0.55μm(550nm)である緑(G)フィルタを介して得られる画像信号と同様の信号が得られる。すなわち、緑フィルタが配置されたG画素がなくても、緑の信号を作れるというメリットがある。
The spectral characteristics obtained by summing and averaging the spectral transmission characteristics of the eight
仮に撮像素子の分光感度が、青色の光について極めて低い場合、緑の信号を作れるということは、赤(R)フィルタがなくても、作り出した緑信号を各画素信号から減算すれば、各画素はR画素の信号に相当する信号を作り出せることを意味する。このことから、赤フィルタを省略することも可能であり、すなわち色フィルタは不要になる。 If the spectral sensitivity of the image sensor is extremely low for blue light, a green signal can be created, which means that even without a red (R) filter, if the created green signal is subtracted from each pixel signal, each pixel can be created. Means that a signal corresponding to the signal of the R pixel can be produced. From this, it is possible to omit the red filter, that is, the color filter becomes unnecessary.
さらに、光学フィルタ1a〜1hに関して、上記「所定の波長帯域」の設計値を、例えば470nm〜900nm弱にすると、各光学フィルタの合算平均値から、ピーク波長がおよそ470nmである青(B)フィルタを介して得られる画像信号と同様の信号(B信号と呼ぶ)を作り出すことができる。この信号を各画素信号から減算すると、緑の波長以上の成分の信号が得られる。すなわち、光学フィルタ1a〜1hを用いて、緑の波長から900nm弱の波長までをスペクトル解析できる。言い換えれば、G信号およびR信号を作り出すことができ、上記のB信号と合わせると、RGBのカラー信号も作り出すことができる。撮像素子によっては、およそ850nm以上は分光感度がかなり低く、また、青の波長以下の光の分光感度が低いため、広帯域フィルタも赤外カットフィルタも用いることなく、カラー情報を取得可能なマルチスペクトルカメラを実現できる。
Further, when the design value of the above "predetermined wavelength band" is set to, for example, 470 nm to a little less than 900 nm with respect to the
このように、信号処理回路は、第1から第Nの光学フィルタを介して撮像することによって得られる第1から第Nの光電変換信号の平均値から、平均化光学フィルタを介して撮像することによって得られる第(N+1)の光電変換信号を減算して得られる信号を生成してもよい。これにより、特定の色に対応した画素がない場合でも、その色の情報を取得し得る。 As described above, the signal processing circuit captures the average value of the first to Nth photoelectric conversion signals obtained by imaging through the first to Nth optical filters through the averaging optical filter. The signal obtained by subtracting the (N + 1) th photoelectric conversion signal obtained by the above may be generated. As a result, even if there is no pixel corresponding to a specific color, the information of that color can be acquired.
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のマルチスペクトル撮像装置を含む。 As described above, the present disclosure includes the multispectral imaging apparatus described in the following items.
[項目1]
複数の光感知セル、および前記複数の光感知セルの少なくとも一部に対向する特定の色の光を透過させる色フィルタを含む画素単位が撮像面に1次元的あるいは2次元的に配列された撮像素子であって、前記画素単位の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、
第1から第N(Nは2以上の整数)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、
撮像用光源と、
前記第1から第Nの光学フィルタを順次介して撮像することによって前記撮像素子における前記色フィルタが配置された光感知セルからそれぞれ出力された第1から第Nの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の光学フィルタは、前記撮像用光源からの光が被写体で反射されて前記撮像素子に入射する迄の経路のいずれかの位置に配置され、
前記所定の波長帯域は、前記色フィルタの透過波長帯域を含み、
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光電変換信号に基づいて、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する、
マルチスペクトル撮像装置。
[Item 1]
Imaging in which pixel units including a plurality of light sensing cells and a color filter that transmits light of a specific color facing at least a part of the plurality of light sensing cells are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on an imaging surface. An image sensor, which is an element, and each light sensing cell in each pixel outputs a photoelectric conversion signal according to the amount of received light.
First to Nth (N is an integer of 2 or more) optical filters, each of which has one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and the number of the peaks and the underpeaks. The first to Nth optical filters, which differ in the total number of peaks including the number of
Light source for imaging and
Signal processing that processes the first to Nth photoelectric conversion signals output from the light sensing cell in which the color filter is arranged in the image sensor by sequentially imaging through the first to Nth optical filters. Circuit and
With
The first to Nth optical filters are arranged at any position on the path from the light from the image pickup light source to being reflected by the subject and incident on the image pickup device.
The predetermined wavelength band includes the transmission wavelength band of the color filter.
The signal processing circuit calculates the spectral reflection characteristics of the subject in the transmission wavelength band based on the first to Nth photoelectric conversion signals.
Multispectral imaging device.
[項目2]
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、少なくとも前記第1から第N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、前記分光特性帯域における撮像画像の分光特性を算出する、
項目1のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 2]
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters changes periodically with respect to the change of the variable Z associated with the wavelength λ in the predetermined wavelength band.
The signal processing circuit uses at least the first to Nth photoelectric conversion signals, N kinds of periodic functions having an independent variable as the variable Z, and a change value of the variable Z with respect to a minute change of the wavelength λ. To calculate the spectral characteristics of the captured image in the spectral characteristic band.
[項目3]
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平均化光学フィルタを備え、
前記平均化光学フィルタを介して撮像することによって前記色フィルタが配置された前記光感知セルから得られる第(N+1)の光電変換信号をさらに用いて、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する、項目1または2に記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 3]
An averaging optical filter having a transmittance intermediate between the peak and the underpeak in the first to Nth optical filters is provided.
The spectral reflection characteristics of the subject in the transmission wavelength band are further used by using the (N + 1) th photoelectric conversion signal obtained from the light sensing cell in which the color filter is arranged by imaging through the averaging optical filter. The multispectral imaging apparatus according to
[項目4]
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光学フィルタを介さずに撮像することによって前記色フィルタが配置された前記光感知セルから得られる第(N+1)の光電変換信号をさらに用いて、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する、項目1または2に記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 4]
The signal processing circuit further uses the (N + 1) th photoelectric conversion signal obtained from the light sensing cell in which the color filter is arranged by imaging without passing through the first to Nth optical filters. The multispectral imaging device according to
[項目5]
前記信号処理回路は、前記第1から第Nの光電変換信号の平均値から前記第(N+1)の光電変換信号を減算して得られる信号を生成する、項目3に記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 5]
The multispectral imaging device according to
[項目6]
前記信号処理回路は、前記撮像素子を含む前記マルチスペクトル撮像装置全体の分光感度特性を示すデータと、他の光学フィルタの分光透過特性を示すデータとを有し、
算出した前記透過波長帯域における前記被写体の分光反射特性を示す信号を用いて、前記他の光学フィルタを透過し光電変換される光の信号量を算出し、前記画素単位の各光電変換信号から前記信号量を減算し、新たな画像信号を生成する、
項目1から5のいずれかに記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 6]
The signal processing circuit has data showing the spectral sensitivity characteristics of the entire multispectral image pickup device including the image pickup device and data showing the spectral transmission characteristics of another optical filter.
Using the calculated signal indicating the spectral reflection characteristics of the subject in the transmitted wavelength band, the signal amount of the light transmitted through the other optical filter and photoelectrically converted is calculated, and the photoelectric conversion signal of the pixel unit is used as described above. Subtract the signal amount to generate a new image signal,
The multispectral imaging apparatus according to any one of
[項目7]
前記色フィルタは、赤の波長帯域の光を透過させる、項目1から6のいずれかに記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 7]
The multispectral image pickup apparatus according to any one of
[項目8]
前記他の光学フィルタは近赤外光を透過させる特性を有する、項目7に記載のマルチスペクトル撮像装置。
[Item 8]
The multispectral imaging device according to
本発明のマルチスペクトル撮像装置は、主に固体撮像素子を用いた固体カメラの全てに有効である。例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の民生用カメラや産業用の監視カメラ等に利用可能である。 The multispectral image pickup device of the present invention is effective mainly for all solid-state cameras using a solid-state image sensor. For example, it can be used for consumer cameras such as digital still cameras and digital video cameras, and industrial surveillance cameras.
1 結像レンズ
2 照明光制御液晶パネル
2a 複合光学フィルタ
2b 液晶パネル
3 カラー撮像素子
4 信号発生/受信部
5 液晶コントローラ
6 画像処理部
7 画像メモリー
8 信号出力部
9 広帯域光学フィルタ
10 光源
1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h、ND、DC 光学フィルタ
1
Claims (8)
第1から第N(Nは2以上の整数)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、
撮像用光源と、
前記第1から第Nの光学フィルタを順次介して撮像することによって前記撮像素子における前記色フィルタが配置された光感知セルからそれぞれ出力された第1から第Nの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の光学フィルタは、前記撮像用光源からの光が被写体で反射されて前記撮像素子に入射する迄の経路のいずれかの位置に配置され、
前記所定の波長帯域は、前記色フィルタの透過波長帯域を含み、
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、少なくとも前記第1から第N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、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する、
マルチスペクトル撮像装置。 Imaging in which pixel units including a plurality of light sensing cells and a color filter that transmits light of a specific color facing at least a part of the plurality of light sensing cells are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on an imaging surface. An image sensor, which is an element, and each light sensing cell in each pixel outputs a photoelectric conversion signal according to the amount of received light.
First to Nth (N is an integer of 2 or more) optical filters, each of which has one or more transmittance peaks or underpeaks in a predetermined wavelength band, and the number of the peaks and the underpeaks. The first to Nth optical filters, which differ in the total number of peaks including the number of
Light source for imaging and
Signal processing that processes the first to Nth photoelectric conversion signals output from the light sensing cell in which the color filter is arranged in the image sensor by sequentially imaging through the first to Nth optical filters. Circuit and
With
The first to Nth optical filters are arranged at any position on the path from the light from the image pickup light source to being reflected by the subject and incident on the image pickup device.
The predetermined wavelength band includes the transmission wavelength band of the color filter.
The transmittance Y of each of the first to Nth optical filters changes periodically with respect to the change of the variable Z associated with the wavelength λ in the predetermined wavelength band.
The signal processing circuit uses at least the first to Nth photoelectric conversion signals, N kinds of periodic functions having an independent variable as the variable Z, and a change value of the variable Z with respect to a minute change of the wavelength λ. Te, and calculates the spectral reflectance characteristic of the subject in the transmission wavelength band,
Multispectral imaging device.
請求項1のマルチスペクトル撮像装置。 Each pixel unit of the image pickup device further includes a color filter that transmits light of a color different from the specific color.
The multispectral imaging apparatus according to claim 1.
前記平均化光学フィルタを介して撮像することによって前記色フィルタが配置された前記光感知セルから得られる第(N+1)の光電変換信号をさらに用いて、前記透過波長帯域における被写体の分光反射特性を算出する、請求項1または2に記載のマルチスペクトル撮像装置。 An averaging optical filter having a transmittance intermediate between the peak and the underpeak in the first to Nth optical filters is provided.
The spectral reflection characteristics of the subject in the transmission wavelength band are further used by using the (N + 1) th photoelectric conversion signal obtained from the light sensing cell in which the color filter is arranged by imaging through the averaging optical filter. The multispectral imaging apparatus according to claim 1 or 2, which is calculated.
算出した前記透過波長帯域における前記被写体の分光反射特性を示す信号を用いて、前記他の光学フィルタを透過し光電変換される光の信号量を算出し、前記画素単位の各光電変換信号から前記信号量を減算し、新たな画像信号を生成する、
請求項1から5のいずれかに記載のマルチスペクトル撮像装置。 The signal processing circuit has data showing the spectral sensitivity characteristics of the entire multispectral image pickup device including the image pickup device and data showing the spectral transmission characteristics of another optical filter.
Using the calculated signal indicating the spectral reflection characteristics of the subject in the transmitted wavelength band, the signal amount of the light transmitted through the other optical filter and photoelectrically converted is calculated, and the photoelectric conversion signal of the pixel unit is used as described above. Subtract the signal amount to generate a new image signal,
The multispectral imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5.
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