JP2009153074A - 画像撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多バンドの撮影が可能な画像撮影装置において、色収差を良好に補正ができる画像撮影装置を提供すること。
【解決手段】被写体の像のうちの第１の波長帯域における像を形成するように収差が補正された結像光学系２１と、結像光学系２１によって形成された像を受光して画像信号を得る撮像素子２２とを有する撮像系２０と、被写体の像のうちの第１の波長帯域と少なくとも一部が異なる波長帯域を有する第２の波長帯域における像を形成するように収差が補正された結像光学系３１と、結像光学系３１によって形成された像を受光して画像信号を得る撮像素子３２とを有する撮像系３０とを備え、撮像系２０を介して得られる第１の波長帯域に係る画像データと撮像系３０を介して得られる第２の波長帯域に係る画像データとを画像処理部６０において合成して１枚の画像データを得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多バンドでの撮影が可能な画像撮影装置に関する。

従来のデジタルカメラ等の画像撮影装置においては、人間の視覚系が３種類の異なる分光感度を有していることから、３つの色成分（Ｒ・Ｇ・Ｂの３原色）の組み合わせによる撮影が行われていた。しかしながら、実際には３原色だけでは人間の目が知覚できる色域を全て再現することができない。そのため、近年では、４バンド以上の分光感度での撮影が可能な画像撮影装置に関する提案が各種なされている。このような画像撮影装置は、所謂マルチスペクトルカメラであって、被写体のより忠実な色再現を行うことができる。

マルチスペクトルカメラは、例えば、特許文献１において提案されている。このマルチスペクトルカメラにおいては、結像光学系を介して入射する被写体の像を、分岐光路系によって分割して撮像素子の異なる領域にそれぞれ結像させている。その際、分岐した光路の各々に、異なる分光透過率特性を持つフィルタを配置している。そして、撮像素子の異なる領域から得られる画像を再度合成することで多バンドの画像を撮影できるようにしている。

また、別のマルチスペクトルカメラが特許文献２において提案されている。この別のマルチスペクトルカメラは、対象物を撮像する撮像素子と、対象物と撮像素子との間に設置した複数のバンドパスフィルタと、露出値メモリとを備えている。複数のバンドパスフィルタは、それぞれ異なる帯域を持つ。露出値メモリは、撮像素子の露光時間を記憶する。露光時間は、各バンドパスフィルタを用いて撮像を行ったとき、適正露光となる露光時間である。別のマルチスペクトルカメラでは、測定領域を設定した後、複数のバンドパスフィルタを順次セットして予備露光を行う。そして、測定データが各々所定の値の範囲に入るようになされたとき、そのときの撮像素子の露光時間を露出値メモリに記憶する。その際、対応するバンドパスフィルタの番号とともに、撮像素子の露光時間を露出値メモリに記憶する。続いて、対象物の反射分光スペクトルの測定時に、各バンドパスフィルタに同期して撮像素子の露光時間を変化させて対象物の撮像を行う。このようにすることで、別のマルチスペクトルカメラでは、バンドパスフィルタ毎に最適な露出で撮像を行って多バンドの画像を撮影できるようにしている。
特開２００５−２６０４８０号公報 特開２００７−１２７６５７号公報

一般に、マルチスペクトルカメラ等に用いられる光学系には収差があるため、良好な画像を得るためには収差の補正が必要となる。ここで、特許文献１や特許文献２におけるマルチスペクトルカメラにおいては、被写体からの像を１つの光学系によって撮像素子上に結像させている。この場合、収差の補正も１つの光学系内で行う必要がある。しかしながら、１つの光学系だけで全ての波長帯域（マルチスペクトルカメラで撮像する波長帯域）に関する色収差を良好に補正することは困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、多バンドの撮影が可能な画像撮影装置において、色収差を良好に補正ができる画像撮影装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の画像撮影装置は、被写体の像のうちの第１の波長帯域における像を形成するように収差が補正された第１の光学系と、前記第１の光学系によって形成された像を受光して第１の画像を得る第１の撮像素子と、前記被写体の像のうちの、前記第１の波長帯域と少なくとも一部が異なる帯域を有する第２の波長帯域における像を形成するように収差が補正された第２の光学系と、前記第２の光学系によって形成された像を受光して第２の画像を得る第２の撮像素子と、前記第１の画像と前記第２の画像とを合成する画像処理部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、多バンドの撮影が可能な画像撮影装置において、色収差を良好に補正ができる画像撮影装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。ここで、以下の例においては、図２に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５つの波長に対して分光感度のピークを有するような５バンドの撮影を行える画像撮影装置について説明する。なお、例として波長Ａを４００ｎｍ、波長Ｂを４７０ｎｍ、波長Ｃを５４０ｎｍ、波長Ｄを６１０ｎｍ、波長Ｅを６８０ｎｍとする。

図１に示す画像撮影装置は、光路分岐部１０と、２系統の撮像系２０、３０と、２系統の撮像処理部４０、５０と、画像処理部６０と、記録部７０とを有している。

光路分岐部１０は、例えば、ハーフミラー又はプリズム等から構成されており、被写体の像を撮像系２０の方向と撮像系３０の方向とにそれぞれ分岐させる。

撮像系２０は、結像光学系２１と、撮像素子２２とを有している。結像光学系２１は、光路分岐部１０によって分岐された被写体の像を撮像素子２２に結像させる。この結像光学系２１は、波長Ａ、波長Ｂ、波長Ｃ（青〜緑）を含む短波長側の波長帯域（第１の波長帯域）に対応する像を形成する。さらに、結像光学系２１は、波長Ａ、波長Ｂ、波長Ｃ（第１の波長帯域）に対して、色収差を良好に補正し得るようにレンズが組み合わされている。撮像素子２２は、波長Ａに対して感度のピークを持つ画素と、波長Ｂに対して感度のピークを持つ画素と、波長Ｃに対して感度のピークを持つ画素とを有する。各画素は、例えば図３（ａ）に示すようにして配列されている。このように構成された撮像素子２２は、結像光学系２１を介して入射した光のうちの、波長Ａ、波長Ｂ、波長Ｃに対応する光を受光する。このとき、受光した光で被写体の像が形成されるので、撮像素子２２はその像の光量に応じた電気信号（画像信号）を撮像処理部４０に出力する。

撮像系３０は、結像光学系３１と、撮像素子３２とを有している。結像光学系３１は、光路分岐部１０によって分岐された被写体の像を撮像素子３２に結像させる。この結像光学系３１は、波長Ｃ、波長Ｄ、波長Ｅ（緑〜赤）を含む長波長側の波長帯域（第２の波長帯域）に対応する像を形成する。さらに、結像光学系３１は、波長Ｃ、波長Ｄ、波長Ｅ（第２の波長帯域）に対応して、色収差を良好に補正し得るようにレンズが組み合わされている。撮像素子２２は、波長Ｃに対して感度のピークを持つ画素と、波長Ｄに対して感度のピークを持つ画素と、波長Ｅに対して感度のピークを持つ画素とを有する。各画素は、例えば図３（ｂ）に示すようにして配列されて構成されている。このように構成された撮像素子３２は、結像光学系３１を介して入射した光のうちの、波長Ｃ、波長Ｄ、波長Ｅに対応する光を受光する。このとき、受光した光で被写体の像が形成されるので、撮像素子３２はその像の光量に応じた電気信号（画像信号）を撮像処理部５０に出力する。

撮像処理部４０は、撮像系２０の撮像素子２２から出力される画像信号に対して所定のアナログ処理を施す。また、撮像処理部５０は、撮像系３０の撮像素子３２から出力される画像信号に対して所定のアナログ処理を施す。また、撮像処理部４０及び撮像処理部５０は、アナログ処理後の画像信号をデジタル信号に変換して画像処理部６０に出力する。

画像処理部６０は、撮像処理部４０から出力される画像データと、撮像処理部５０から出力される画像データを合成する。ここで、撮像処理部４０からは、Ａ、Ｂ、Ｃの３成分からなる画像データが出力される。一方、撮像処理部５０からは、Ｃ、Ｄ、Ｅの３成分からなる画像データが出力される。よって、画像処理部６０は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５成分を１画素成分とする画像データを生成する。この合成の一例を説明する。例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）のそれぞれにおいて破線枠で示す（２画素×２画素）×２の８画素を単位として行う。まず、このような１単位毎にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各成分の画素値（輝度値）を求めていく。このとき、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅについては対応する単位内の画素値をそのまま用いる。また、Ｃについては対応する単位内の４画素の平均を用いる。このようにして、３成分ずつ、２枚の画像データから、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５成分を１画素成分として有する１枚の画像データを生成できる。

記録部７０は、画像処理部６０において生成された画像データを記録するための記録媒体である。

以下、図１に示す画像撮影装置の動作について説明する。被写体からの光は、本画像撮影装置の光路分岐部１０に入射して撮像系２０の方向と撮像系３０の方向とに分割される。撮像系２０の方向に向かった光は、結像光学系２１を介して撮像素子２２の各画素に入射する。また、撮像系３０の方向に向かった光は、結像光学系３１を介して撮像素子３２の各画素に入射する。

ここで、結像光学系２１は波長Ａ、Ｂ、Ｃに対応する色収差を補正し得るように複数のレンズが組み合わされている。また、結像光学系３１は波長Ｃ、Ｄ、Ｅに対応する色収差を補正し得るように複数のレンズが組み合わされている。なお、色収差とは、光の波長毎に屈折率が異なるために、光を入射させたときに光の波長に応じて結像位置にずれが生じる現象である。結像光学系２１及び結像光学系３１では、複数のレンズを組み合わせた光学系を用い、この結像位置のずれを補正している。

撮像素子２２から出力された画像信号は、撮像処理部４０においてノイズ除去や増幅等の所定のアナログ処理が施される。さらに、所定のアナログ処理が施された画像信号はデジタルの画像データに変換される。同様に、撮像素子３２から出力された画像信号は、撮像処理部５０においてノイズ除去や増幅等の所定のアナログ処理が施される。さらに、所定のアナログ処理が施された画像信号はデジタルの画像データに変換される。

撮像処理部４０及び撮像処理部５０でそれぞれ得られた画像データは、画像処理部６０において１枚の画像データに合成され、記録部７０に記録される。

ここで、本実施形態においては、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域（波長Ｃ＝５４０ｎｍ）の像を検出可能なように構成している。このようにして共通の波長帯域の像を検出可能としておくことにより、画像処理部６０における画像合成の際に、撮像系２０を介して得られる画像データと撮像系３０を介して得られる画像データとの位置合わせを容易に行うことができる。

以下にこの理由を説明する。例えば、図４（ａ）に示すような２色（ここでは、例として左側のハッチング部が緑色、右側のハッチング部が赤色であるとする）の被写体を撮像する場合を考える。ここで、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域の像を検出できないとする。例えば、撮像系２０が波長帯域Ａ〜Ｃ（青〜緑）のみの像を検出でき、撮像系３０が波長帯域Ｄ〜Ｅ（橙〜赤）のみの像を検出できるような場合である。

この場合、撮像系２０で撮像した画像データは、図４（ｂ）に示すようにして赤の部分の情報が欠落する。なぜなら、撮像系２０の撮像素子２２には赤の波長帯域に感度がないためである。これに対し、撮像系３０で撮像した画像データは図４（ｃ）に示すようにして緑の部分の情報が欠落する。なぜなら、撮像系３０の撮像素子３２には緑の波長帯域に感度がないためである。

このように、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域に対する感度が存在しないと、２つの画像データの位置を合わせる基準が存在しないケースが生じる。図１の例では、撮像素子２２で得られる画像データの撮像範囲と撮像素子３２で得られる画像データの撮像範囲とを一致させるようにすることができる。このようにすれば、特定位置の画素（例えば左上端の画素）を基準として、２つの画像データの位置合わせを行うことができる。しかしながら、後述する例のように撮像系２０と撮像系３０との間に視差を持たせるような場合には、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域に対する感度が存在しないと、２つの画像データの位置合わせを行うことが困難になる場合も起こりうる。

そこで、本実施形態で説明したように、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域に対する感度を持たせるようにする。この場合、上述の例では、撮像系２０で撮像した画像データは、図４（ｂ）に示すものとなる。これに対し、撮像系３０で撮像した画像データにおいても図４（ｄ）に示すようにして緑の部分の情報も残ることとなる。その結果、２つの撮像系に仮に視差があったり、撮像素子の画角が異なっていたりしても、緑の部分の情報を基準にして２つの画像データの位置合わせを行うことが可能となる。ここで、撮像系２０と撮像系３０の両方で検出可能とする波長帯域は緑（波長が約５４０ｎｍ。即ちＣ）を含む帯域とすることが好ましい。これは、緑の帯域が輝度情報を最も含んでおり、被写体を撮像した際に他の色に比して検出しやすいためである。

なお、第１の実施形態においては、光路分岐部１０によって被写体からの像を分岐させるようにしているので、撮像系２０と撮像系３０との間には視差が生じない。したがって、この場合には撮像素子２２と撮像素子３２の画角を等しくしておけば、必ずしも撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域に対する感度を持たせるようにしなくとも良い。しかしながら、後述の第３の実施形態においては、撮像系２０と撮像系３０とで共通の波長帯域に対する感度を持たせるようにしておく必要がある。

以上説明したように、第１の実施形態においては、それぞれ異なる波長帯域の像を検出可能な２つの撮像系を用いて被写体を撮像するようにしている。これにより、収差の補正はそれぞれの撮像系で検出する波長帯域のみについて行えばよく、それぞれの撮像系に含まれる結像光学系の構成を複雑化させずにすむ。

また、それぞれの撮像系で共通の波長帯域の像を検出可能とすることにより、この共通の波長帯域の像に基づく情報を用いて画像データの位置合わせを行うことが可能である。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。なお、図５において、図１と同一の構成要素については図１と同様の参照符号を付すことで説明を省略する。

第２の実施形態における画像撮影装置は、光路分岐部１０よりも物体側に結像光学系８０を有している。撮像系２０’は、結像光学系２１’と撮像素子２２で構成されている。結像光学系２１’は結像光学系８０と共に用いられ、波長Ａ、波長Ｂ、波長Ｃ（青〜緑）を含む短波長側の波長帯域（第１の波長帯域）に対応する像を形成する。ただし、第２の実施形態における結像光学系２１’は、主に波長Ａ及び波長Ｂに対応した色収差のみを良好に補正し得るようにレンズが組み合わされている。また、撮像系３０’は、結像光学系３１’と撮像素子３２で構成されている。結像光学系３１’は結像光学系８０と共に用いられ、波長Ｃ、波長Ｄ、波長Ｅ（緑〜赤）を含む長波長側の波長帯域（第２の波長帯域）に対応する像を形成する。ただし、結像光学系３１’は、主に波長Ｄ及び波長Ｅに対応した色収差のみを補正し得るようにレンズが組み合わされている。

ここで、第２の実施形態においては、波長Ｃに対応する色収差を結像光学系８０によって補正する。即ち、結像光学系８０は、主に波長Ｃに対応した色収差と各波長にほぼ共通な歪曲収差や像面湾曲等を補正し得るようにレンズが組み合わされている。よって、被写体からの光は、波長Ｃに対応した色収差が良好に補正された状態で光路分岐部１０に入射する。光路分岐部１０に入射した光は、それぞれ結像光学系２１’と結像光学系３１’に入射する。ここで、入射した光は波長Ｃに対応した色収差が良好に補正されている。そのため、結像光学系２１’と結像光学系３１’では、波長Ｃに対応した色収差を補正する負担が減るので、残りの色収差の補正を良好に行うことができる。あるいは、結像光学系２１’、３１’のレンズ枚数を少なくすることができる。

以上説明したような第２の実施形態によれば、撮像系２０’と撮像系３０’の両方に共通な波長帯域に関する収差を、撮像系２０’、撮像系３０’とは別の結像光学系８０によって補正することができる。したがって、結像光学系２１’、３１’の構成を第１の実施形態よりもさらに簡素化することが可能である。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。なお、図６において、図１と同一の構成要素については図１と同様の参照符号を付すことで説明を省略する。

第３の実施形態における撮像系２０及び３０はそれぞれ、第１の実施形態で説明した撮像系２０及び３０と同一の構造を有している。ただし、第３の実施形態においては、光路分岐部１０が設けられておらず、且つ撮像系２０の光軸と撮像系３０の光軸とが平行となるように両者を配置できる点が、第１及び第２の実施形態と異なっている。このような構成において、撮像系２０と撮像系３０とを介してそれぞれ視差を持った２枚の画像データが得られる。

第３の実施形態においては、本撮影前に、撮像系２０及び３０による撮影が行われる。画像処理部６０では、撮像系２０から得られる画像データと撮像系３０から得られる画像データを用いた演算が行なわれる。この演算では、画像データにおけるＣ画素の位置と画像データにおけるＣ画素の位置とのずれ量が、相関演算を用いて算出される。そして、このずれ量に基づいて、結像光学系２１及び結像光学系３１の焦点ずれ量が算出される。更に、この焦点ずれ量に基づいて、結像光学系２１及び結像光学系３１のそれぞれのフォーカス補正量が算出される。この画像処理部６０で算出されたフォーカス補正量は、フォーカス補正部９０に送られる。フォーカス補正部９０では、フォーカス補正量に従って結像光学系２１及び結像光学系３１のフォーカス補正が行われる。

また、画像処理部６０では、結像光学系２１及び結像光学系３１の焦点ずれ量から、被写体までの距離が算出される。そして、この被写体距離と、結像光学系２１及び結像光学系３１の間の視差とから、撮像系３０を被写体の方向に向けるために必要な角度補正量が算出される。この画像処理部６０で算出された撮像系３０の角度補正量は、角度補正部１００に送られる。角度補正部１００では、画像処理部６０において算出された角度補正量に従って撮像系３０の角度補正が行われる。これにより、撮像系２０と撮像系３０の光軸を一致させて両者で同じ視野の画像を得ることが可能となる。

以上説明したように第３の実施形態では、視差を有する２つの撮像系を介してそれぞれ得られる画像データが得られる。よって、第３の実施形態によれば、これらの画像データを用いて、それぞれの撮像系におけるフォーカス補正を行うことが可能である。また、第３の実施形態では、フォーカス補正後は、角度補正部１００によって撮像系３０の角度を補正することができる。これにより、第３の実施形態によれば、撮像系２０と撮像系３０の光軸を被写体位置で一致させることができる。その結果、撮像系２０と撮像系３０で同じ視野の画像を得ることが可能となる。

ここで、上述の例では撮像系３０のみの角度を補正するようにしているが、撮像系２０と撮像系３０の両方の角度補正を行えるようにしても良い。

また、比較的遠い被写体の撮影を行う場合、撮像系２０と撮像系３０を平行に配置し、重なった視野から画像を得ることも可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、上述した実施形態では１つの被写体像を分光感度特性の異なる２つの撮像系で撮像する例を説明しているが、分光感度特性の異なる３つ以上の撮像系で撮像するように構成しても良い。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。 第１の実施形態の画像撮影装置の全体として検出可能な波長帯域について示した図である。 図３（ａ）は撮像素子２２の画素配列の一例を示した図であり、図３（ｂ）は撮像素子３２の画素配列の一例を示した図である。 共通の波長帯域の像を検出可能としておくことにより、画像データの位置合わせを行うことができる理由について説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る画像撮影装置の全体構成を示す図である。

符号の説明

１０…光路分岐部、２０，２０’，３０，３０’…撮像系、２１，２１’，３１，３１’，８０…結像光学系、２２，３２…撮像素子、４０，５０…撮像処理部、６０…画像処理部、７０…記録部、９０…フォーカス補正部、１００…角度補正部

Claims (7)

1. 被写体の像のうちの第１の波長帯域における像を形成するように収差が補正された第１の光学系と、
   前記第１の光学系によって形成された像を受光して第１の画像を得る第１の撮像素子と、
   前記被写体の像のうちの、前記第１の波長帯域と少なくとも一部が異なる帯域を有する第２の波長帯域における像を形成するように収差が補正された第２の光学系と、
   前記第２の光学系によって形成された像を受光して第２の画像を得る第２の撮像素子と、
   前記第１の画像と前記第２の画像とを合成する画像処理部と、
   を具備することを特徴とする画像撮影装置。
2. 前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とは一部に重複する帯域を有することを特徴とする請求項１に記載の画像撮影装置。
3. 前記被写体の像を前記第１の光学系と前記第２の光学系とにそれぞれ分岐させる光路分岐部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の画像撮影装置。
4. 前記被写体からの像における前記重複する帯域の像に対して収差が補正された第３の光学系と、
   前記第３の光学系を通過した像を前記第１の光学系と前記第２の光学系とにそれぞれ分岐させる光路分岐部と、
   をさらに具備し、
   前記第１の光学系と前記第２の光学系とはそれぞれ異なる波長帯域における像を形成するように収差が補正されていることを特徴とする請求項２に記載の画像撮影装置。
5. 前記第１の光学系と前記第２の光学系とは、それぞれの光軸が平行となるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の画像撮影装置。
6. 前記重複する帯域は、緑成分を含む帯域であることを特徴とする請求項２に記載の画像撮影装置。
7. 前記画像処理部は、前記合成に先立って、前記第１の画像と前記第２の画像とにおける前記重複する帯域における像のデータに基づいて前記第１の画像と前記第２の画像とを位置合わせすることを特徴とする請求項２に記載の画像撮影装置。

Images