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JP5929338B2 - Imaging device, spectral information creation method - Google Patents
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Description

光を電気信号に変換する撮像素子と、撮像素子よりも光の入力側に配置された領域分割フィルタと、前記撮像素子の出力信号を処理する画像処理部と、を有する撮像装置に関する。   The present invention relates to an image pickup apparatus including an image pickup device that converts light into an electrical signal, a region division filter that is disposed on the light input side of the image pickup device, and an image processing unit that processes an output signal of the image pickup device.

撮像システムに対し、2次元画像情報だけでなく分光情報(スペクトル情報)を取得する試みが行われている。スペクトル情報を取得する装置として分光器が広く利用されている。分光器は、プリズムや回折格子を用いて受光素子に入射される光を複数の波長成分に分解して取得するため、空間的な情報(光の入射方向)は得られない。これに対し、近年、スペクトル情報の2次元的な分布を利用する技術が注目されており、様々な方式を用いてスペクトル情報を取得可能な画像撮影装置が提供されている(例えば、特許文献1〜3参照。)。   Attempts have been made to acquire not only two-dimensional image information but also spectral information (spectral information) for the imaging system. Spectroscopes are widely used as devices for acquiring spectral information. Since the spectroscope acquires the light incident on the light receiving element by using a prism or a diffraction grating to obtain a plurality of wavelength components, spatial information (light incident direction) cannot be obtained. On the other hand, in recent years, a technique using a two-dimensional distribution of spectrum information has attracted attention, and an image capturing apparatus capable of acquiring spectrum information using various methods is provided (for example, Patent Document 1). -3)).

特許文献1には、波長選択フィルタ(バンドパスフィルタ、ローパス・ハイパスフィルタ)を用い、波長選択フィルタを切り替える、微小領域に波長選択フィルタを配列する、又は、波長選択フィルタとして液晶波長チューナブルフィルタを利用し動的に透過波長を切り替えるなどにより、所望する波長の光強度を取得する分光カメラヘッドが記載されている。   In Patent Document 1, a wavelength selection filter (bandpass filter, low-pass / high-pass filter) is used to switch the wavelength selection filter, arrange the wavelength selection filter in a minute region, or provide a liquid crystal wavelength tunable filter as the wavelength selection filter. There is described a spectroscopic camera head that acquires light intensity of a desired wavelength by, for example, dynamically switching a transmission wavelength.

特許文献2には、入射光線を2つの光路(または偏光成分)に分割し、一方に位相差を与えて干渉させて得られる検出強度信号を計算機上でフーリエ変換することにより、スペクトル情報を得る分光装置が開示されている。このようにフーリエ分光法を用いる場合には、2次元(または1次元)的に検出位置を走査するか、2つの直交する偏光成分に異なる位相差を動的に与え時系列で画像データを取得する必要がある。   In Patent Document 2, spectral information is obtained by dividing an incident light beam into two optical paths (or polarization components) and Fourier-transforming a detected intensity signal obtained by giving a phase difference to one of them to cause interference. A spectroscopic device is disclosed. When Fourier spectroscopy is used in this way, the detection position is scanned two-dimensionally (or one-dimensionally), or different phase differences are dynamically given to two orthogonal polarization components to acquire image data in time series. There is a need to.

特許文献3には、入射光のスペクトルを空間的に分離することにより、1次元空間情報とスペクトル情報を2次元イメージセンサで取得し、さらに1次元空間情報を直交する方向に走査することにより2次元(画像)スペクトル情報を取得する技術が記載されている。   In Patent Document 3, the spectrum of incident light is spatially separated to acquire one-dimensional spatial information and spectral information with a two-dimensional image sensor, and further, the one-dimensional spatial information is scanned in a direction orthogonal thereto. Techniques for obtaining dimensional (image) spectral information are described.

しかしながら、特許文献1に開示されている波長選択フィルタを用いる方式では、スペクトルを得るために帯域の狭いフィルタを用いる必要があり、信号の検出強度が低下する、長い露光時間が必要となる、及び、強い入射角特性が現れるため平行な光を入射しなければならないといった課題がある。また、複数波長で信号を取得するために、複数回の波長選択フィルタの切換を要するためリアルタイムでの高速撮影が困難である。さらに、液晶チューナブルフィルタなどのアクティブデバイスが必要であるため、耐候性、耐振動性などの信頼性の面での制約が従来の輝度カメラと比べて多い。   However, in the method using the wavelength selective filter disclosed in Patent Document 1, it is necessary to use a narrow-band filter in order to obtain a spectrum, the signal detection intensity is lowered, a long exposure time is required, and However, since a strong incident angle characteristic appears, there is a problem that parallel light must be incident. Further, since it is necessary to switch the wavelength selection filter a plurality of times in order to acquire signals at a plurality of wavelengths, it is difficult to perform high-speed imaging in real time. Furthermore, since an active device such as a liquid crystal tunable filter is required, there are more restrictions in terms of reliability such as weather resistance and vibration resistance compared to a conventional luminance camera.

また、特許文献2に記載されたフーリエ分光を用いる方式では、2本の光路に分割し位相差を与えるために、極力平行な光線を作る必要があり、狭いスリットや小さな開口が必要となり、光量が大きく取れない、角度依存性が大きいといった課題がある。また、特許文献1の課題と同様に、液晶位相シフタなどのアクティブデバイスが必要であるため、耐候性、耐振動性などの信頼性面での制約が従来の輝度カメラと比べて多い。   Further, in the method using Fourier spectroscopy described in Patent Document 2, in order to divide into two optical paths and give a phase difference, it is necessary to create parallel light beams as much as possible, and a narrow slit and a small opening are required. However, there is a problem that the angle dependency is not large. Similarly to the problem of Patent Document 1, since an active device such as a liquid crystal phase shifter is required, there are more restrictions in terms of reliability such as weather resistance and vibration resistance compared to conventional luminance cameras.

また、特許文献3に記載されている分散素子を用いる方式では、フーリエ分光を用いる場合と同様に、スペクトル分解能を得るために狭いスリットを透過させる必要があり光量が低下してしまう、という課題がある。また、走査機構が必要であり、測定時間を要するほか、装置のサイズを小さくすることが困難であるといった課題がある。   Further, in the method using the dispersion element described in Patent Document 3, as in the case of using Fourier spectroscopy, there is a problem that it is necessary to transmit a narrow slit in order to obtain spectral resolution, and the light amount is reduced. is there. In addition, a scanning mechanism is required, and measurement time is required, and it is difficult to reduce the size of the apparatus.

本発明は、上記課題に鑑み、光量の低下を抑制し、また、特定のアクティブデバイスを用いることなく分光情報を高精度に検出できる撮像装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus that can suppress a decrease in light amount and can detect spectral information with high accuracy without using a specific active device.

本発明は、光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子よりも光の入力側に配置された領域分割フィルタと、前記撮像素子の出力信号を処理する画像処理部と、を有する撮像装置において、前記領域分割フィルタは、特定波長の光に対し透過率が異なることで、隣接した単位画素間に輝度差を生じさせる2つ以上の領域が所定のパターンで配列されており、第一の特定波長に対し各撮像素子が出力した第一の出力信号、及び、第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を抽出する第一のリファレンスデータと、第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号、及び、第三の特定波長に対し各撮像素子が出力した第三の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を抽出する第二のリファレンスデータと、を有し、前記画像処理部は、光が前記撮像素子に入射した際の単位画素の各出力信号に、前記第一のリファレンスデータを適用して第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を生成し、前記第二のリファレンスデータを適用して第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を生成し、前記第一のリファレンスデータにより生成された前記第一の特定波長成分及び前記第二の特定波長成分、並びに、前記第二のリファレンスデータにより生成された前記第二の特定波長成分及び前記第三の特定波長成分を合成する、ことを特徴とする。 The present invention includes an image pickup device that converts light into an electrical signal, an area division filter that is disposed on the light input side of the image pickup device, and an image processing unit that processes an output signal of the image pickup device. In the apparatus, the region dividing filter has two or more regions that cause a luminance difference between adjacent unit pixels due to different transmittances for light of a specific wavelength, and is arranged in a predetermined pattern. Light generated from the first output signal output from each image sensor for the specific wavelength and the second output signal output from the image sensor for the second specific wavelength is incident on the image sensor. First reference data for extracting the first specific wavelength component and the second specific wavelength component, the second output signal output by each image sensor for the second specific wavelength, and the third specific Each image sensor outputs with respect to wavelength Second reference data for extracting a second specific wavelength component and a third specific wavelength component when light is incident on the imaging device, and generated from the third output signal, and the image The processing unit generates the first specific wavelength component and the second specific wavelength component by applying the first reference data to each output signal of the unit pixel when light is incident on the imaging device, A second specific wavelength component and a third specific wavelength component are generated by applying the second reference data, and the first specific wavelength component and the second specific wavelength generated by the first reference data A component, and the second specific wavelength component and the third specific wavelength component generated by the second reference data are synthesized .

光量の低下を抑制し、また、特定のアクティブデバイスを用いることなく分光情報を高精度に検出できる撮像装置を提供することができる。   It is possible to provide an imaging apparatus that can suppress a decrease in the amount of light and can detect spectral information with high accuracy without using a specific active device.

本実施形態の撮像装置の概略構成図の一例である。It is an example of the schematic block diagram of the imaging device of this embodiment. 領域分割フィルタの構成を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining the structure of an area | region division filter. 領域分割フィルタの構成を説明する図の別の一例である。It is another example of the figure explaining the structure of an area | region division filter. 領域分割フィルタの構成を説明する図の別の一例である。It is another example of the figure explaining the structure of an area | region division filter. 領域分割フィルタの構成を説明する図の別の一例である。It is another example of the figure explaining the structure of an area | region division filter. 領域分割フィルタの構成を説明する図の別の一例である。It is another example of the figure explaining the structure of an area | region division filter. 特定波長λ1、λ2と、リファレンスデータ1を模式的に説明する図の一例である。FIG. 3 is an example of a diagram schematically illustrating specific wavelengths λ1 and λ2 and reference data 1; 入力光λ1と出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining input light (lambda) 1 and output spectral information. 入力光λ2と出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining input light (lambda) 2 and output spectral information. 入力光λ3と出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining input light (lambda) 3 and output spectral information. キャリブレーションに用いた特定波長2つを重ねた入力光波長λ1と入力光波長λ2が入力された場合の出力分光情報を説明する図の一例である。FIG. 5 is an example of a diagram illustrating output spectral information when an input light wavelength λ1 and an input light wavelength λ2 obtained by overlapping two specific wavelengths used for calibration are input. 特定波長λ1、λ2、λ3と、リファレンスデータ1、2を模式的に説明する図の一例である。FIG. 4 is an example of a diagram schematically illustrating specific wavelengths λ1, λ2, and λ3 and reference data 1 and 2; 入力光λ1とリファレンスデータ1による出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining the output spectral information by input light (lambda) 1 and the reference data 1. FIG. 入力光λ2とリファレンスデータ2による出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining the output spectral information by input light (lambda) 2 and the reference data 2. FIG. 入力光λ3とリファレンスデータ1,2による出力分光情報を説明する図の一例である。It is an example of the figure explaining the output spectral information by input light (lambda) 3 and the reference data 1 and 2. FIG. キャリブレーションに用いた特定波長2つを重ねた入力光波長λ1と入力光波長λ2が入力された場合の出力分光情報を説明する図の一例である。FIG. 5 is an example of a diagram illustrating output spectral information when an input light wavelength λ1 and an input light wavelength λ2 obtained by overlapping two specific wavelengths used for calibration are input. キャリブレーションにおける特定波長に対する撮像素子のRAW画像(一部)を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the RAW image (part) of the image pick-up element with respect to the specific wavelength in a calibration. 単一波長に対するセンサ画素値(輝度)のヒストグラムを示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the histogram of the sensor pixel value (luminance) with respect to a single wavelength. コントラストI(x)を波長に対しプロットした、コントラストの波長依存性を示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the wavelength dependence of contrast which plotted contrast I (x) with respect to the wavelength. 生成されたスペクトル光のスペクトルを示す図の一例である。It is an example of the figure which shows the spectrum of the produced | generated spectrum light. キャリブレーションデータ1による分光画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectral image by the calibration data. キャリブレーションデータ2による分光画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spectral image by the calibration data. 2つの分光情報出力を合成した図の一例である。It is an example of the figure which synthesize | combined two spectral information outputs.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

〔構成例〕
図1は、本実施形態の撮像装置の概略構成図の一例を示す。撮像装置100は、撮像レンズ11、撮像素子13、撮像素子13よりも撮像レンズ11側に配置される領域分割フィルタ12、及び、撮像素子13からの信号を出力分光情報へと変換出力する画像処理部14とを有する。なお、撮像素子13の撮像結果を分光画像情報といい、画像処理部14の処理結果を出力分光情報という。
[Configuration example]
FIG. 1 shows an example of a schematic configuration diagram of an imaging apparatus according to the present embodiment. The image pickup apparatus 100 converts the image pickup lens 11, the image pickup element 13, the area division filter 12 disposed closer to the image pickup lens 11 than the image pickup element 13, and a signal from the image pickup element 13 into output spectral information and outputs the converted image. Part 14. Note that the imaging result of the imaging device 13 is referred to as spectral image information, and the processing result of the image processing unit 14 is referred to as output spectral information.

撮像レンズ11の画角(焦点距離)やF値などは用途により様々であり、これらのレンズの仕様はセンサ感度、撮影対象物の明るさ、被写体深度に影響する。本実施形態の撮像装置100は後述する画像処理におけるキャリブレーションを実施することで様々な仕様の撮像レンズ11に対応可能である。   The angle of view (focal length), F-number, and the like of the imaging lens 11 vary depending on the application, and the specifications of these lenses affect the sensor sensitivity, the brightness of the photographic subject, and the subject depth. The imaging apparatus 100 according to the present embodiment can cope with the imaging lens 11 having various specifications by performing calibration in image processing to be described later.

撮像レンズ11としては、例えば、産業用途、車載用途(LDW(Lane Departure Warning),ADB(画像データから先行車両・対向車両の位置を検知し、これらの車両の運転者を眩惑しないように自車両の前照灯をロービームに切り替える機能)など)において一般的に用いられているレンズ(画角±20〜40°、F1.4〜2.0)を使用できる。また、計測用途において用いられているマクロレンズなどの拡大系のレンズなども使用できる。ただし、撮像装置100の用途をこれらに限るものではない。   Examples of the imaging lens 11 include industrial use, in-vehicle use (LDW (Lane Departure Warning), ADB (detecting the position of the preceding vehicle and the oncoming vehicle from the image data, and preventing the driver of these vehicles from being dazzled). The lens (viewing angle ± 20 to 40 °, F1.4 to 2.0) generally used in the above-mentioned function). Further, an enlargement lens such as a macro lens used in measurement applications can also be used. However, the application of the imaging apparatus 100 is not limited to these.

撮像素子13は光信号を電気信号に変換する電子部品であり、CCDやCMOSなどの一般的なイメージセンサを使用できる。   The imaging device 13 is an electronic component that converts an optical signal into an electrical signal, and a general image sensor such as a CCD or a CMOS can be used.

画像処理部14は2つ以上の特定波長に対応した複数のリファレンスデータを予め有している。これらのリファレンスデータを用いて、撮像素子13の隣接画素の差分画像を生成して画像出力する。リファレンスデータの生成方法については後述する。画像処理部14は、メモリ、演算回路、入出力部、等を有し、領域分割フィルタ12を透過して撮像素子13の各画素が受光する輝度情報を出力分光情報へと変換出力する。   The image processing unit 14 has a plurality of reference data corresponding to two or more specific wavelengths in advance. Using these reference data, a difference image of adjacent pixels of the image sensor 13 is generated and output. A method for generating reference data will be described later. The image processing unit 14 includes a memory, an arithmetic circuit, an input / output unit, and the like, and converts luminance information received by each pixel of the image sensor 13 through the region division filter 12 into output spectral information.

領域分割フィルタ12は、特定波長に対応して撮像素子13の隣接画素へ輝度差を生じさせる2つ以上の透過率の異なる領域を有している。   The region dividing filter 12 has two or more regions having different transmittances that cause a luminance difference in adjacent pixels of the image sensor 13 corresponding to a specific wavelength.

〔領域分割フィルタ〕
図2は、領域分割フィルタ12の構成を説明する図の一例である。図2の領域分割フィルタ12は、波長に応じて光の透過率が異なる4つの領域が縦横に配列された構造を有している。図では、4つの領域の頂点が接するように配置されている。この4つの領域を1つのブロック領域と称する。各領域はλ1,λ2,λ3,λ4の波長の光の透過率が異なり、具体的には各波長の光を選択的に透過させる。
[Region division filter]
FIG. 2 is an example of a diagram illustrating the configuration of the area division filter 12. The area division filter 12 in FIG. 2 has a structure in which four areas having different light transmittances according to wavelengths are arranged vertically and horizontally. In the figure, the four regions are arranged so that the vertices are in contact with each other. These four areas are referred to as one block area. Each region has a different transmittance of light of wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4, and specifically, selectively transmits light of each wavelength.

領域分割フィルタ12の1つの領域は、撮像素子13の1つの画素に対応して配置される。このため、ブロック領域を通過した光が入射された撮像素子13は、異なる4つの分光情報を取得する。ブロック領域を通過した光が入射された撮像素子13は、それを1つの分光画像情報として取得する。   One region of the region dividing filter 12 is arranged corresponding to one pixel of the image sensor 13. For this reason, the image sensor 13 into which the light that has passed through the block region is incident acquires four different pieces of spectral information. The imaging element 13 into which the light that has passed through the block region is incident acquires it as one piece of spectral image information.

図2では、製造上生じうるずれなどを除けば、1つの領域が、1つの画素の全体を被覆するように配置されているが、1つの領域が、1つの画素の一部を被覆するように配置されていてもよい。また、1つの領域が、2以上の画素の全体を被覆するように配置することを制限するものではない。すなわち、1つの領域が、整数個の素子を被覆することができる。   In FIG. 2, one region is arranged so as to cover the whole of one pixel except for a deviation that may occur in manufacturing, but one region covers a part of one pixel. May be arranged. Further, it is not limited that one region is arranged so as to cover the whole of two or more pixels. That is, one area can cover an integer number of elements.

図3は、領域分割フィルタ12の構成を説明する図の別の一例である。図3では、波長に応じて光の透過率が異なる2つの領域が縦横に配列された構造を有している。2つの領域は、λ1,λ2の2波長で透過率が異なる。領域分割フィルタ12の矩形領域の2つ分で1つのブロック領域を構成しており、領域分割フィルタ12の1つの領域は、撮像素子13の1つの画素に対応して配置される。   FIG. 3 is another example of a diagram illustrating the configuration of the area division filter 12. FIG. 3 has a structure in which two regions having different light transmittances depending on the wavelength are arranged vertically and horizontally. The two regions have different transmittances at two wavelengths λ1 and λ2. Two rectangular regions of the region dividing filter 12 constitute one block region, and one region of the region dividing filter 12 is arranged corresponding to one pixel of the image sensor 13.

ブロック領域を通過した光が入射された撮像素子13は、それを1つの分光画像情報として取得する。図3では2つのブロック領域に対応して分光画像情報1、2が図示されている。   The imaging element 13 into which the light that has passed through the block region is incident acquires it as one piece of spectral image information. In FIG. 3, spectral image information 1 and 2 are shown corresponding to two block areas.

図3ではλ1の透過率に対応した領域が横方向に一列に配置され、λ2の透過率に対応した領域が横方向に一列に配置され、λ1の透過率に対応した領域とλ2の透過率に対応した領域が上下方向に交互に配置されている。このような配置パターンを横ストライプパターンと称す。   In FIG. 3, the regions corresponding to the transmittance of λ1 are arranged in a row in the horizontal direction, the regions corresponding to the transmittance of λ2 are arranged in a row in the horizontal direction, the region corresponding to the transmittance of λ1 and the transmittance of λ2. The areas corresponding to are alternately arranged in the vertical direction. Such an arrangement pattern is referred to as a horizontal stripe pattern.

図4は、領域分割フィルタ12の構成を説明する図の別の一例である。図3と同様に、波長に応じて光の透過率が異なる2つの領域が縦横に配列された構造を有している。図4ではλ1の透過率に対応した領域が縦方向に一列に配置され、λ2の透過率に対応した領域が縦方向に一列に配置され、λ1の透過率に対応した領域とλ2の透過率に対応した領域が左右方向に交互に配置されている。このような配置パターンを縦ストライプパターンと称す。   FIG. 4 is another example of a diagram illustrating the configuration of the area division filter 12. Similar to FIG. 3, it has a structure in which two regions having different light transmittances according to wavelengths are arranged vertically and horizontally. In FIG. 4, the areas corresponding to the transmittance of λ1 are arranged in a line in the vertical direction, the areas corresponding to the transmittance of λ2 are arranged in a line in the vertical direction, and the areas corresponding to the transmittance of λ1 and the transmittance of λ2 are arranged. The areas corresponding to are alternately arranged in the left-right direction. Such an arrangement pattern is referred to as a vertical stripe pattern.

図5は、領域分割フィルタ12の構成を説明する図の別の一例である。図3と同様に、波長に応じて光の透過率が異なる2つの領域が縦横に配列された構造を有している。図5では、λ1の透過率に対応した領域と、λ2の透過率に対応した領域とが、縦・横いずれにも交互に配置されている。すなわち、λ1の透過率に対応した領域と、λ2の透過率に対応した領域は横方向に交互に配置され、上下方向にも交互に配置されている。このような配置パターンをチェカーパターンと称す。   FIG. 5 is another example of a diagram illustrating the configuration of the area division filter 12. Similar to FIG. 3, it has a structure in which two regions having different light transmittances according to wavelengths are arranged vertically and horizontally. In FIG. 5, the region corresponding to the transmittance of λ1 and the region corresponding to the transmittance of λ2 are alternately arranged both vertically and horizontally. In other words, the region corresponding to the transmittance of λ1 and the region corresponding to the transmittance of λ2 are alternately arranged in the horizontal direction, and are also arranged alternately in the vertical direction. Such an arrangement pattern is referred to as a checker pattern.

図6は、領域分割フィルタ12の構成を説明する図の別の一例である。図6では、波長に応じて光の透過率が異なる2つの領域が配列されているが、領域の形状が長方形とはなっていない。λ1の透過率に対応した領域は、撮像素子13の列方向及び行方向に対し、斜めの傾きをもって配置される。λ2の透過率に対応した領域も同様であり、λ1の透過率に対応した領域とλ2の透過率に対応した領域は斜めストライプというべき構造を形成している。ストライプの傾きは、撮像素子13の画素の幅寸法1個分に対し、画素の縦寸法2個分である。すなわち、画素が正方形であれば、傾きは2となる。なお、傾きは2に限られるものではない。   FIG. 6 is another example of a diagram illustrating the configuration of the area division filter 12. In FIG. 6, two regions having different light transmittances according to wavelengths are arranged, but the shape of the region is not rectangular. The region corresponding to the transmittance of λ 1 is arranged with an oblique inclination with respect to the column direction and the row direction of the image sensor 13. The same applies to the region corresponding to the transmittance of λ2, and the region corresponding to the transmittance of λ1 and the region corresponding to the transmittance of λ2 form a structure that should be called an oblique stripe. The inclination of the stripe is two vertical dimensions of the pixel with respect to one width dimension of the pixel of the image sensor 13. That is, if the pixel is square, the slope is 2. The inclination is not limited to 2.

図6のような領域分割フィルタ12では、λ1の透過率に対応した領域が画素を被覆する面積、及び、λ2の透過率に対応した領域が画素を被覆する面積が、隣接した4つの画素ブロックで等しくなる。4つの画素ブロックに対応する領域分割フィルタ12の領域がブロック領域である。したがって、図示する4つの画素が出力する分光画像情報を1つの分光画像情報とすることができる。   In the area dividing filter 12 as shown in FIG. 6, the area corresponding to the transmittance of λ1 covers the pixels, and the area corresponding to the transmittance of λ2 covers the pixels. Becomes equal. A region of the region dividing filter 12 corresponding to four pixel blocks is a block region. Therefore, the spectral image information output by the four pixels shown in the figure can be used as one spectral image information.

なお、図2〜図6のいずれの領域分割パターンも、パターンピッチは撮像素子13の各画素の大きさと同程度である。すなわち、領域分割パターンの1つの領域の(波長に対し透過率が異なる方向の)縦横の長さは、撮像素子13の各画素と同程度である。   2 to 6, the pattern pitch is almost the same as the size of each pixel of the image sensor 13. That is, the vertical and horizontal lengths (in the direction in which the transmittance differs with respect to the wavelength) of one region of the region division pattern is approximately the same as each pixel of the image sensor 13.

〔領域分割フィルタ12の構造〕
領域分割フィルタ12は、光の透過を遮断または調光するALやCrなどの遮光膜が形成された部分と形成されていない部分からなる。または、調光のバランスによっては透過率の異なる遮光膜がパターン化されていてもよい。ここで、遮光膜として金属膜を挙げているが、光の透過を遮断および調光できればよく、顔料染料を含んだレジストなどの有機膜でもよい。
[Structure of Region Dividing Filter 12]
The area dividing filter 12 includes a portion where a light shielding film such as AL or Cr that blocks or controls light transmission is formed and a portion where it is not formed. Alternatively, light shielding films having different transmittances may be patterned depending on the balance of light control. Here, although a metal film is mentioned as the light shielding film, it may be an organic film such as a resist containing a pigment dye as long as it can block and control light transmission.

また、フォトリソグラフィプロセスや干渉露光プロセスで形成可能なワイヤーグリッド偏光子やオートクローニング法で形成されるフォトニック結晶偏光子も使用できる。   Also, a wire grid polarizer that can be formed by a photolithography process or an interference exposure process, or a photonic crystal polarizer formed by an autocloning method can be used.

さらに、特定波長に対して光の透過率を調整するためには誘電体多層膜を用いて領域分割したフィルタがよく、このようなフィルタは耐環境性に優れる。   Furthermore, in order to adjust the light transmittance with respect to a specific wavelength, a filter divided into regions using a dielectric multilayer film is preferable, and such a filter is excellent in environmental resistance.

〔リファレンスデータ〕
画像処理のリファレンスデータの生成について説明する。リファレンスデータを生成することを撮像素子13のキャリブレーションという。キャリブレーションでは、領域分割フィルタ12を通過した特定波長の光が撮像素子13に到達した際の分光画像情報から、各成分の比率を計測する処理が行われる。これを複数の特定波長の光に対して行う。
[Reference data]
Generation of reference data for image processing will be described. Generating reference data is called calibration of the image sensor 13. In the calibration, a process of measuring the ratio of each component from the spectral image information when the light having a specific wavelength that has passed through the region dividing filter 12 reaches the image sensor 13 is performed. This is performed for a plurality of lights having specific wavelengths.

キャリブレーションは、開発者等がマニュアルで行うこともできるし、不図示のキャリブレーション装置が行うこともできる。本実施形態では、キャリブレーション装置が行うとして説明する。   The calibration can be performed manually by a developer or the like, or can be performed by a calibration device (not shown). In the present embodiment, the description will be made assuming that the calibration apparatus performs.

キャリブレーション装置は、まず、例えば特定波長のみを透過する誘電体バンドパスフィルタに対し、均一な明るさの平板照明を照射することで特定波長を生成する。特定波長の光を領域分割フィルタ12を装着した撮像素子13に入射する。少なくとも2つの特定波長λ1,λ2を生成する。特定波長を入射するためにバンドパスフィルタを用いる以外に、特定波長を入射できる他の手段をもちいてもよい。例えば、白色光を分光素子などで分光および合成して、特定波長(任意スペクトル形状も含む)を入射するような、多波長光源システムなども使用できる。   The calibration device first generates a specific wavelength by irradiating a flat band illumination with uniform brightness to, for example, a dielectric bandpass filter that transmits only the specific wavelength. Light of a specific wavelength is incident on the image sensor 13 to which the area division filter 12 is attached. At least two specific wavelengths λ1 and λ2 are generated. In addition to using a bandpass filter to enter the specific wavelength, other means capable of entering the specific wavelength may be used. For example, a multi-wavelength light source system in which white light is separated and synthesized by a spectroscopic element and a specific wavelength (including an arbitrary spectral shape) is incident can be used.

キャリブレーション装置は、撮像素子13の全体に一様な強度の特定波長λ1の光を照射し、そのときの撮像素子13の各画素の出力データを参照画像データ1として記録する。次に、同様に一様な強度の特定波長λ2の光を照射し、参照画像データ2として記録する。   The calibration device irradiates the entire image sensor 13 with light of a specific wavelength λ 1 having a uniform intensity, and records output data of each pixel of the image sensor 13 at that time as reference image data 1. Next, similarly, the light of the specific wavelength λ 2 with uniform intensity is irradiated and recorded as the reference image data 2.

各画素について、参照画像データ1と参照画像データ2の画素値そのものが、その画素位置でのλ1成分およびλ2成分の感度に比例していると考えることができ、各画素に入射する光のうち、λ1とλ2の感度の比率を計測したことになる。   For each pixel, the pixel values themselves of the reference image data 1 and the reference image data 2 can be considered to be proportional to the sensitivity of the λ1 component and λ2 component at the pixel position. , The ratio of the sensitivity of λ1 and λ2 is measured.

この比率に基づき、波長λ1成分および波長λ2成分だけからなる画像データを生成する方法を説明する。   Based on this ratio, a method for generating image data composed of only the wavelength λ1 component and the wavelength λ2 component will be described.

入射光の波長λ1成分をL(λ1)、波長λ2成分をL(λ2)、受光画素iでの波長λ1成分の感度をa(λ1)i、波長λ2成分の感度をa(λ2)iとする。領域分割フィルタ12を透過して各画素iに入射する光の強度Iは、以下の式(1)で表せる。すなわち、波長λ1,λ2それぞれにおける、感度と強度の積の合計となる。 The wavelength λ1 component of the incident light is L (λ1), the wavelength λ2 component is L (λ2), the sensitivity of the wavelength λ1 component at the light receiving pixel i is a (λ1) i, and the sensitivity of the wavelength λ2 component is a (λ2) i. To do. The intensity I i of light that passes through the region dividing filter 12 and enters each pixel i can be expressed by the following equation (1). That is, the sum of the product of sensitivity and intensity at each of the wavelengths λ1 and λ2.

ここで、図2のように、隣接する2×2個の画素位置に同じ光が入射するものとすると、それら4つの画素(0から3)について(1)式が成り立つので、まとめて以下の式(2)、式(3)のように表せる。 Here, as shown in FIG. 2, assuming that the same light is incident on adjacent 2 × 2 pixel positions, Equation (1) holds for these four pixels (0 to 3). It can express like Formula (2) and Formula (3).

ここで、入射強度(I)は各画素の出力する画像信号として取得でき、また各画素の波長λ1、λ2に対する成分感度(a(λ1)i、a(λ2)i)は計測した値(参照画像データ)を利用すれば既知であり、入射光の波長λ1、λ2成分であるL(λ1)、L(λ2)だけが未知量となる。 Here, the incident intensity (I i ) can be acquired as an image signal output from each pixel, and the component sensitivities (a (λ1) i and a (λ2) i) for the wavelengths λ1 and λ2 of each pixel are measured values ( Reference image data) is known, and only the wavelengths λ1 and λ2 components L (λ1) and L (λ2) of the incident light are unknown amounts.

式(3)では未知量L(λ1)、L(λ2)の個数が「2」であるのに対し、制約条件の数が「4」個の連立方程式であり、Mが正方行列でない。このため、このままではMの逆行列が得られないので、行列Mの疑似逆行列M+を利用する。 In Expression (3), the number of unknown quantities L (λ1) and L (λ2) is “2”, whereas the number of constraints is “4”, and M is not a square matrix. For this reason, since the inverse matrix of M cannot be obtained as it is, the pseudo inverse matrix M + of the matrix M is used.

注目画素位置によっては参照する2×2画素の領域内に、領域分割フィルタ12のカバー率(被覆面積)が小さいものも存在するが、疑似逆行列により誤差を最小化する解が得られる。 Depending on the pixel position of interest, there is a 2 × 2 pixel area to be referred to which has a small coverage (coverage area) of the area dividing filter 12, but a solution that minimizes the error can be obtained by a pseudo inverse matrix.

感度a(λ1)i、 感度a(λ2)iは既知なので、全ての画素位置について、それぞれ参照画像データの2×2個画素値から上記の疑似逆行列M+をあらかじめ計算しておくことができる。そして、撮像装置100における画像処理部14内の不揮発メモリなどに記録しておけば、式(4)を用いて、2×2個の画素のそれぞれの画素位置の画像信号[I=(I0,I1,I2,I3)]と疑似逆行列の各成分の単純な加重和の演算だけで、全画素位置の波長λ1、λ2成分L=[L(λ1),L(λ2)]を求めることができる。よって、成分感度(a(λ1)i、a(λ2)i)、又は、成分感度(a(λ1)i、a(λ2)i)から求められた疑似逆行列がリファレンスデータである。換言すると、式(4)は、リファレンスデータの生成元となった特定波長の感度を用いて、入力画像における特定波長の成分を求める式になっている。特定波長の成分は単位画素に対応付けて記録されるので、RAW画像と同様に画像処理が可能になる。 Since the sensitivity a (λ1) i and the sensitivity a (λ2) i are known, the above pseudo inverse matrix M + can be calculated in advance from 2 × 2 pixel values of the reference image data for all pixel positions. it can. Then, if it is recorded in a non-volatile memory or the like in the image processing unit 14 in the imaging apparatus 100, the image signal [I = (I0, I1, I2, I3)] and the simple weighted sum of each component of the pseudo inverse matrix, the wavelength λ1 and λ2 components L = [L (λ1), L (λ2)] at all pixel positions can be obtained. it can. Therefore, the pseudo inverse matrix obtained from the component sensitivity (a (λ1) i, a (λ2) i) or the component sensitivity (a (λ1) i, a (λ2) i) is the reference data. In other words, Expression (4) is an expression for obtaining a component of a specific wavelength in the input image using the sensitivity of the specific wavelength that is the generation source of the reference data. Since the component of the specific wavelength is recorded in association with the unit pixel, image processing can be performed in the same manner as a RAW image.

したがって、入力画像の波長のピークが2つの特定波長λ1,λ2の間にない場合、成分Lはほぼゼロになる。逆に、入力画像の波長のピークが2つの特定波長λ1,λ2の間にある場合、成分L[L(λ1),L(λ2)]に強制的に分解するおそれがある。   Therefore, when the peak of the wavelength of the input image is not between the two specific wavelengths λ1 and λ2, the component L becomes almost zero. On the contrary, when the peak of the wavelength of the input image is between the two specific wavelengths λ1 and λ2, there is a risk that the input image is forcibly decomposed into components L [L (λ1), L (λ2)].

疑似逆行列を求める式(5)の演算は多少複雑だが、この処理は撮像装置100の製造時に撮像装置外部の計算機(例えばキャリブレーション装置)などで一回だけ実行して結果だけ記録しておけばよく、撮影時の処理時間には影響しない。   The calculation of Equation (5) for obtaining the pseudo inverse matrix is somewhat complicated, but this process can be executed only once by a computer (for example, a calibration device) outside the image pickup apparatus and recorded only when the image pickup apparatus 100 is manufactured. It does not affect the processing time during shooting.

この方法では実際の特定波長の光の撮像画像に基づいて入射光成分の比率を決定している。したがって、リファレンスデータは領域分割フィルタ12の波長特性や、フィルタ分割境界での光もれなど面積カバー率以外の要素も含み、本実施形態の補正処理はこれらの特性の補正も同時に実行する意味をもつ。   In this method, the ratio of incident light components is determined based on an actual captured image of light having a specific wavelength. Therefore, the reference data includes elements other than the area coverage such as the wavelength characteristics of the region division filter 12 and light leakage at the filter division boundary, and the correction processing of the present embodiment means that correction of these characteristics is also performed at the same time. Have.

また、この方法にて求めた波長成分(分光情報)はリファレンス波長がどれだけ含まれているかの度合いを示すものであるため、実際の明るさ情報は撮像素子13のRAW画像データから得ることができる。   Further, since the wavelength component (spectral information) obtained by this method indicates how much the reference wavelength is included, the actual brightness information can be obtained from the RAW image data of the image sensor 13. it can.

〔出力分光情報の取得〕
リファレンスデータを用いた出力分光情報の取得について説明する。
(i) リファレンスデータを一つ有する場合(比較のためであって本実施形態の好適例ではない)
a1.キャリブレーション装置は、図7に示すように特定波長λ1、λ2を生成し、分光情報を得るために特定波長λ1、λ2からそれぞれ分光画像情報を計測する(キャリブレーションを行う)。
a2.キャリブレーションの結果からリファレンスデータ1を生成する。すなわち、キャリブレーション装置は、a(λ1)i、a(λ2)iから疑似逆行列を生成し、リファレンスデータ1として画像処理部14のメモリに記録する。
a3.撮像装置100が、図8(a)のような入力光波長λ1となる被写体を撮像した場合、式(4)の疑似逆行列M+(リファレンスデータ)と画像信号により、画像処理部14が信号処理を行う。図8(b)は、画像処理部14の信号処理結果を模式的に示している。出力結果により波長λ1を検出することができる。
a4.図9(a)(b)は、入力光波長λ2に対し画像処理部14が信号処理した結果を示している。この場合も画像処理部14は波長λ2を検出することができる。
[Obtaining output spectral information]
Acquisition of output spectral information using reference data will be described.
(i) When having one reference data (for comparison, not a preferred example of this embodiment)
a1. As shown in FIG. 7, the calibration apparatus generates specific wavelengths λ1 and λ2, and measures spectral image information from the specific wavelengths λ1 and λ2 to obtain spectral information (performs calibration).
a2. Reference data 1 is generated from the result of calibration. That is, the calibration apparatus generates a pseudo inverse matrix from a (λ 1) i and a (λ 2) i and records it as reference data 1 in the memory of the image processing unit 14.
a3. When the imaging apparatus 100 images a subject having an input light wavelength λ1 as shown in FIG. 8A, the image processing unit 14 performs signal processing based on the pseudo inverse matrix M + (reference data) and the image signal in Expression (4). I do. FIG. 8B schematically shows the signal processing result of the image processing unit 14. The wavelength λ1 can be detected from the output result.
a4. FIGS. 9A and 9B show the result of signal processing by the image processing unit 14 for the input light wavelength λ2. Also in this case, the image processing unit 14 can detect the wavelength λ2.

次に、撮像装置100がキャリブレーションに用いた特定波長とは異なる、図10(a)の入力光波長λ3の被写体を撮像した場合を考える。この場合、特定波長λ1、λ2と入力光波長λ3の波長の違いに応じて、図10(b)のようなλ1とλ2に相関関係にある波長λ3を検出することができる。例えば、入力光波長λ3がλ1とλ2の中央値の波長の場合、λ1とλ2それぞれに半分程度の感度があるものとして、入力光波長λ3の出力分光情報が得られる。実際にはL(λ1)成分とL(λ2)成分として出力される。   Next, consider a case where an image of an object having an input light wavelength λ3 in FIG. 10A that is different from the specific wavelength used by the imaging apparatus 100 for calibration is captured. In this case, the wavelength λ3 correlated with λ1 and λ2 as shown in FIG. 10B can be detected according to the difference between the specific wavelengths λ1, λ2 and the input light wavelength λ3. For example, when the input light wavelength λ3 is a median wavelength of λ1 and λ2, the output spectral information of the input light wavelength λ3 is obtained assuming that each of λ1 and λ2 has about half the sensitivity. Actually, it is output as an L (λ1) component and an L (λ2) component.

しかし、図11(a)のように、キャリブレーションに用いた2つの特定波長(入力光波長λ1と入力光波長λ2)が同じ強度となる、被写体を撮像した場合を考える。図11(b)に示すように、強度によっては入力光波長λ3が入力した場合の検出結果と同じになってしまう。実際にはL(λ1)成分とL(λ2)成分がそれぞれ検出される。つまり、入力光波長λ1と入力光波長λ2の強度が図10(a)と比べて小さいので、図10(b)の入力光波長λ3と同程度の出力結果になってしまう。   However, as shown in FIG. 11A, consider a case where a subject is imaged in which two specific wavelengths (input light wavelength λ1 and input light wavelength λ2) used for calibration have the same intensity. As shown in FIG. 11 (b), depending on the intensity, the detection result is the same as when the input light wavelength λ3 is input. Actually, the L (λ1) component and the L (λ2) component are respectively detected. That is, since the intensity of the input light wavelength λ1 and the input light wavelength λ2 is smaller than that of FIG. 10A, the output result is almost the same as that of the input light wavelength λ3 of FIG.

このように2つの特定波長に対応したリファレンスデータを一つ有する場合だけでは、入力光の波長(スペクトル形状)によっては間違った出力結果を出す場合があり、十分な分光情報の検出精度が得られない。   As described above, if only one reference data corresponding to two specific wavelengths is provided, an incorrect output result may be obtained depending on the wavelength (spectral shape) of the input light, and sufficient detection accuracy of spectral information can be obtained. Absent.

(ii) リファレンスデータを2つ有する場合
そこで、本実施形態では、前述したキャリブレーションによりリファレンスデータを複数生成する。
b1.キャリブレーション装置は、図12に示すように特定波長λ1、λ2、λ3(λ1<λ3<λ2)を生成し、分光情報を得るために特定波長λ1、λ3からリファレンスデータ1を生成し、特定波長λ2、λ3からリファレンスデータ2を生成する。
a2.キャリブレーションの結果からリファレンスデータ1、2を生成する。リファレンスデータ1は、a(λ1)i、a(λ3)iから生成された疑似逆行列であり、リファレンスデータ2は、a(λ3)i、a(λ2)iから生成された疑似逆行列である。キャリブレーション装置は、リファレンスデータ1、2を画像処理部14のメモリに記録する。
a3.撮像装置100が、図13(a)のような入力光波長λ1となる被写体を撮像し、画像処理部14は画像信号とリファレンスデータ1とを式(4)に適用して信号処理を行う。
(ii) Case of having two reference data Therefore, in this embodiment, a plurality of reference data is generated by the calibration described above.
b1. The calibration apparatus generates specific wavelengths λ1, λ2, and λ3 (λ1 <λ3 <λ2) as shown in FIG. 12, generates reference data 1 from the specific wavelengths λ1 and λ3 to obtain spectral information, and generates specific wavelengths. Reference data 2 is generated from λ2 and λ3.
a2. Reference data 1 and 2 are generated from the calibration result. Reference data 1 is a pseudo inverse matrix generated from a (λ1) i and a (λ3) i, and reference data 2 is a pseudo inverse matrix generated from a (λ3) i and a (λ2) i. is there. The calibration device records the reference data 1 and 2 in the memory of the image processing unit 14.
a3. The imaging apparatus 100 images a subject having an input light wavelength λ1 as shown in FIG. 13A, and the image processing unit 14 performs signal processing by applying the image signal and the reference data 1 to Expression (4).

図13(b)は、画像処理部14の信号処理結果を模式的に示している。図13(b)の上段はリファレンスデータ1による信号処理結果を示し、図13(b)の下段はリファレンスデータ2による信号処理結果を示している。リファレンスデータ1は特定波長λ1とλ3から生成されているが、リファレンスデータ2は特定波長λ3とλ2から生成されているので、リファレンスデータ2から波長λ1は検出されない。すなわち、リファレンスデータ1のみから波長λ1が検出される。このため、波長λ1を検出することができる。   FIG. 13B schematically shows the signal processing result of the image processing unit 14. The upper part of FIG. 13B shows the signal processing result based on the reference data 1, and the lower part of FIG. 13B shows the signal processing result based on the reference data 2. Although the reference data 1 is generated from the specific wavelengths λ1 and λ3, the reference data 2 is generated from the specific wavelengths λ3 and λ2, and therefore the wavelength λ1 is not detected from the reference data 2. That is, the wavelength λ1 is detected only from the reference data 1. For this reason, the wavelength λ1 can be detected.

図14(a)のような入力光波長λ2となる被写体を撮像した場合も略同様になる。リファレンスデータ1は特定波長λ1とλ3から生成されているが、リファレンスデータ2は特定波長λ3とλ2から生成されているので、リファレンスデータ1から波長λ2は検出されない。すなわち、リファレンスデータ2のみから波長λ2が検出される。このため、波長λ2を検出することができる。   The same applies to the case where a subject having an input light wavelength λ2 as shown in FIG. Although the reference data 1 is generated from the specific wavelengths λ1 and λ3, the reference data 2 is generated from the specific wavelengths λ3 and λ2, and therefore the wavelength λ2 is not detected from the reference data 1. That is, the wavelength λ2 is detected only from the reference data 2. Therefore, the wavelength λ2 can be detected.

図15(a)のような入力光波長λ3となる被写体を撮像した場合も略同様になる。リファレンスデータ1は特定波長λ1とλ3から生成され、リファレンスデータ2は特定波長λ3とλ2から生成されているので、リファレンスデータ1、2の両方から波長λ3が検出される。このため、波長λ3を検出することができる。   The same applies to the case where a subject having an input light wavelength λ3 as shown in FIG. Since the reference data 1 is generated from the specific wavelengths λ1 and λ3 and the reference data 2 is generated from the specific wavelengths λ3 and λ2, the wavelength λ3 is detected from both the reference data 1 and 2. For this reason, the wavelength λ3 can be detected.

そして、図16(a)のようなキャリブレーションに用いた特定波長のうち2つが重ねあわされた入力光波長λ1と入力光波長λ2が同じ強度となる被写体を撮像した場合は、次のようになる。リファレンスデータ1は特定波長λ1とλ3から生成されているので、入力光波長λ1と入力光波長λ2のうち入力光波長λ1を検出できる。リファレンスデータ2は特定波長λ3とλ2から生成されているので、入力光波長λ1と入力光波長λ2のうち入力光波長λ2を検出できる。   When an object having the same intensity of the input light wavelength λ1 and the input light wavelength λ2 in which two of the specific wavelengths used for calibration as shown in FIG. 16A are overlapped is imaged as follows: Become. Since the reference data 1 is generated from the specific wavelengths λ1 and λ3, the input light wavelength λ1 can be detected from the input light wavelength λ1 and the input light wavelength λ2. Since the reference data 2 is generated from the specific wavelengths λ3 and λ2, the input light wavelength λ2 can be detected from the input light wavelength λ1 and the input light wavelength λ2.

したがって、図16(b)のような出力結果が得られ、図11(b)と異なり、波長λ3を検出することなく、波長λ1および波長λ2をそれぞれ検出することができる。   Therefore, an output result as shown in FIG. 16B is obtained. Unlike FIG. 11B, the wavelengths λ1 and λ2 can be detected without detecting the wavelength λ3.

図12では、3つの特定波長λ1〜λ3に対応したリファレンスデータ(画像)を2つ生成したが、リファレンスデータに用いる特定波長を増やすことで、リファレンスデータが多くなり、分光情報の分解能を大きくすることができる。   In FIG. 12, two reference data (images) corresponding to the three specific wavelengths λ1 to λ3 are generated. However, increasing the specific wavelength used for the reference data increases the reference data and increases the resolution of the spectral information. be able to.

このように、2つ以上の特定波長に対応したリファレンスデータを複数有することで、入力光の波長(スペクトル形状)によらず高精度な分光情報を出力することができる。すなわち、領域分割フィルタ12を有する撮像装置100における分光情報の検出精度を向上させることができる。   Thus, by having a plurality of reference data corresponding to two or more specific wavelengths, it is possible to output highly accurate spectral information regardless of the wavelength (spectral shape) of the input light. That is, it is possible to improve the detection accuracy of spectral information in the imaging apparatus 100 having the region dividing filter 12.

また、複数の各リファレンスデータから得られた出力分光情報を合成することで、分光情報量の多い分光画像が出力可能な撮像装置100を提供できる。   Further, by combining output spectral information obtained from a plurality of pieces of reference data, it is possible to provide the imaging apparatus 100 that can output a spectral image with a large amount of spectral information.

〔装置への適用例〕
これまで説明した、撮像装置100の適用例について説明する。
撮像素子13は、FPC基板にセンサダイ実装およびワイヤーボンディングして、例えばCMOSイメージセンサ基板として作成される。領域分割フィルタ12は、ガラス基板上へALを(数百nm)蒸着後、フォトリソプロセスにより図5のようなチェッカーパターンを形成することで作成される。つまり、チェッカーパターンにしたがって、AL遮光膜の有る矩形領域とない矩形領域が縦横に形成される。
[Example of application to equipment]
An application example of the imaging apparatus 100 described so far will be described.
The image sensor 13 is produced as a CMOS image sensor substrate, for example, by mounting a sensor die on the FPC substrate and wire bonding. The area dividing filter 12 is formed by depositing AL (several hundred nm) on a glass substrate and then forming a checker pattern as shown in FIG. 5 by a photolithography process. That is, according to the checker pattern, a rectangular area with and without an AL light shielding film is formed vertically and horizontally.

領域分割フィルタ12は、撮像素子13とフィルタパターンが1対1に対応するように固着され、撮像レンズ11、センサ駆動基板および制御PC(Personal Computer)と装着接続することで画像情報を表示可能とした。出願人は、実験的に、本実施形態の撮像装置100における画像処理部14を、センサ駆動基板と制御PCとで実現した。撮像装置100として出荷するなどの場合は、FPGAなどを用いて実現できる。   The area division filter 12 is fixed so that the image pickup element 13 and the filter pattern have a one-to-one correspondence, and can display image information by being attached to the image pickup lens 11, the sensor drive board, and a control PC (Personal Computer). did. The applicant experimentally realized the image processing unit 14 in the imaging apparatus 100 of the present embodiment with a sensor drive board and a control PC. In the case of shipping as the imaging apparatus 100, it can be realized using an FPGA or the like.

図17は分光画像の生成に必要なキャリブレーションにおける特定波長に対する撮像素子13のRAW画像(一部)を示したものである。キャリブレーションに用いる特定波長は、図17の左から波長450nm、550nm、650nmの単一波長とした。これらの単一波長の光はハロゲンランプとバンドパスフィルタを用いて作成される。   FIG. 17 shows a RAW image (part) of the image sensor 13 for a specific wavelength in calibration necessary for generating a spectral image. The specific wavelength used for calibration was a single wavelength of 450 nm, 550 nm, and 650 nm from the left in FIG. These single-wavelength lights are created using a halogen lamp and a bandpass filter.

まず、波長450nmと波長550nmでキャリブレーション装置がキャリブレーションを実施し、リファレンスデータ1を作成する。次に波長550nmと波長650nmでキャリブレーションを実施し、リファレンスデータ2を作成する。リファレンスデータ1,2は制御PCに記憶される。   First, the calibration apparatus performs calibration at wavelengths of 450 nm and 550 nm to create reference data 1. Next, calibration is performed at a wavelength of 550 nm and a wavelength of 650 nm, and reference data 2 is created. Reference data 1 and 2 are stored in the control PC.

領域分割フィルタ12の各矩形領域(AL遮光膜の無領域とAL遮光膜の有領域のパターン)は撮像素子13の各画素に対応して配置されているため、フィルタパターンに対応した明暗パターン(AL遮光膜の無領域とAL遮光膜の有領域のパターン)画像が出力されている。ここでは領域分割フィルタ12がチェッカーパターンの場合を示しているが、ストライプパターンでも同様にしてフィルタパターンに対応した明暗パターン画像が出力される。   Since each rectangular area of the area dividing filter 12 (the pattern of the area without the AL light shielding film and the area with the AL light shielding film) is arranged corresponding to each pixel of the image sensor 13, a light / dark pattern corresponding to the filter pattern ( A pattern of an area without the AL light shielding film and a region with the AL light shielding film) is output. Here, a case is shown in which the area division filter 12 is a checker pattern, but a light and dark pattern image corresponding to the filter pattern is output in the same manner for a stripe pattern.

図17のRAW画像(一部)に示すように、明暗パターンのコントラストは波長によって変化している(図では分かりにくいが、波長が大きいほどコントラストが低下する)。これは、フィルタパターンおよび構成配置に起因する光学特性に依存するものである。光学特性としてはフィルタの分光透過率や散乱、パターンに起因する回折現象の影響を受ける。   As shown in the RAW image (part) of FIG. 17, the contrast of the light and dark pattern changes depending on the wavelength (it is difficult to understand in the figure, but the contrast decreases as the wavelength increases). This depends on the optical characteristics resulting from the filter pattern and the arrangement. The optical characteristics are affected by the spectral transmittance, scattering, and diffraction phenomenon caused by the pattern of the filter.

図18は単一波長に対するセンサ画素値(輝度)のヒストグラムを示したものである。図18の輝度ヒストグラムは各波長において2つのピークを示している。この2つのピークは、図17(a)〜(c)の明部と暗部にそれぞれ対応する。また、図18(a)〜(c)を比較すると、2つのピーク差(ピークの間隔)が波長によって変化していることがわかる(特定波長が長いほどピーク差が小さい)。   FIG. 18 shows a histogram of sensor pixel values (luminance) for a single wavelength. The luminance histogram of FIG. 18 shows two peaks at each wavelength. These two peaks correspond to the bright part and the dark part in FIGS. 18A to 18C, it can be seen that the two peak differences (peak intervals) change depending on the wavelength (the longer the specific wavelength, the smaller the peak difference).

高輝度側のピークは明パターンの輝度情報、低輝度側のピークは暗パターンの暗輝度情報である。ここでは複数画素(数百から数千)におけるヒストグラムを示しているが、一画素単位の明暗輝度情報においても同様に2つのピークが得られる。   The peak on the high luminance side is the luminance information of the bright pattern, and the peak on the low luminance side is the dark luminance information of the dark pattern. Here, a histogram for a plurality of pixels (several hundreds to thousands) is shown, but two peaks are obtained in the same manner in the brightness / darkness information of one pixel unit.

明パターンの輝度値をIb、暗パターンの輝度値をIdすると、明暗パターン輝度値のコントラスト(差分)I(x)=(Ib-Id)/(Id+Id)は以下のようになる。
450nm:I(x)=(63−41)/(63+41)=約0.212
550nm:I(x)=(60−42)/(60+42)=約0.176
650nm:I(x)=(57−47)/(57+47)=約0.096
図19はI(x)を波長に対しプロットした、コントラストの波長依存性である。
When the brightness value of the light pattern is Ib and the brightness value of the dark pattern is Id, the contrast (difference) I (x) = (Ib−Id) / (Id + Id) of the light / dark pattern brightness value is as follows.
450 nm: I (x) = (63-41) / (63 + 41) = about 0.212
550 nm: I (x) = (60−42) / (60 + 42) = about 0.176
650 nm: I (x) = (57−47) / (57 + 47) = about 0.096
FIG. 19 shows the wavelength dependence of contrast in which I (x) is plotted against wavelength.

すなわち、明暗パターンにおける隣接画素の輝度値の差分を演算することで隣接画素の分光情報を得ることができる。例えば、撮像装置100が単一波長を撮影して明暗パターンのRAWデータを得た場合、明暗パターン輝度値のコントラストI(x)を算出し、450、550、650nmの既知のI(x)のいずれに近いかより、単一波長を推定できる。   That is, the spectral information of the adjacent pixels can be obtained by calculating the difference between the luminance values of the adjacent pixels in the light / dark pattern. For example, when the imaging apparatus 100 captures a single wavelength and obtains light / dark pattern RAW data, the contrast I (x) of the light / dark pattern luminance value is calculated, and the known I (x) of 450, 550, and 650 nm is calculated. A single wavelength can be estimated from which one is closer.

次に、本実施形態の撮像装置100で、強度が同じ波長450nmと波長650nmの単一波長の2つのピークをもつスペクトル光が照射された標準白色板を撮影した。スペクトル光の生成には波長可変光源ELS(ニコン製)を用いた。   Next, the imaging apparatus 100 of the present embodiment photographed a standard white plate irradiated with spectrum light having two peaks of a single wavelength of 450 nm and 650 nm having the same intensity. A wavelength tunable light source ELS (manufactured by Nikon) was used for generation of the spectrum light.

図20は生成されたスペクトル光のスペクトルを、図21(a)は、キャリブレーションデータ1による分光画像の一例を、図22(a)はキャリブレーションデータ2による分光画像の一例を、それぞれ示す図である。キャリブレーションデータ1は、波長450nmと550nmの単一波長から生成され、キャリブレーションデータ2は、波長550nmと650nmの単一波長から生成されている。このため、図16(b)にて説明したように、キャリブレーションデータ1による出力分光情報では、波長650nmの光の出力分光情報が得られない。キャリブレーションデータ2による出力分光情報では、波長450nmの光の出力分光情報が得られない。   FIG. 20 shows the spectrum of the generated spectral light, FIG. 21A shows an example of a spectral image based on the calibration data 1, and FIG. 22A shows an example of a spectral image based on the calibration data 2. It is. The calibration data 1 is generated from single wavelengths of wavelengths 450 nm and 550 nm, and the calibration data 2 is generated from single wavelengths of wavelengths 550 nm and 650 nm. For this reason, as described with reference to FIG. 16B, the output spectral information of light having a wavelength of 650 nm cannot be obtained with the output spectral information based on the calibration data 1. With the output spectral information based on the calibration data 2, output spectral information of light having a wavelength of 450 nm cannot be obtained.

図21(a)では、リファレンスデータ1により1つの画素ブロック(この場合は隣接した2つの単位画素)毎にL(λ:450nm)とL(λ:550nm)の2つの波長成分が得られている。ただし、550nmの波長成分はほぼゼロである。図22(a)では、リファレンスデータ2により1つの画素ブロック(この場合は隣接した2つの単位画素)毎にL(λ:550nm)とL(λ:650nm)の2つの波長成分が得られている。ただし、L(λ:550nm)の波長成分はほぼゼロである。   In FIG. 21A, two wavelength components of L (λ: 450 nm) and L (λ: 550 nm) are obtained for each pixel block (in this case, two adjacent unit pixels) by reference data 1. Yes. However, the wavelength component at 550 nm is almost zero. In FIG. 22A, two wavelength components of L (λ: 550 nm) and L (λ: 650 nm) are obtained for each pixel block (in this case, two adjacent unit pixels) by the reference data 2. Yes. However, the wavelength component of L (λ: 550 nm) is almost zero.

図21(b)は、図21(a)の破線で囲った領域の分光情報出力結果を示す。破線で囲った領域の隣接した画素について画像処理部14が、
〔L(λ:450nm)−L(λ:550nm)〕/〔L(λ:450nm)+L(λ:550nm)〕
を計算する。この計算結果をX軸に取り、計算結果(算出回数)に対応する頻度をカウントする。図示するように、約0.9に頻度のピークが得られている。つまり、計算結果がある範囲に入る場合にその範囲のカウント数を1つ大きくすることで頻度としている。
FIG. 21B shows the spectral information output result of the area surrounded by the broken line in FIG. For adjacent pixels in the area surrounded by the broken line, the image processing unit 14
[L (λ: 450 nm) −L (λ: 550 nm)] / [L (λ: 450 nm) + L (λ: 550 nm)]
Calculate The calculation result is taken on the X axis, and the frequency corresponding to the calculation result (number of calculations) is counted. As shown in the figure, a frequency peak is obtained at about 0.9. That is, when the calculation result falls within a certain range, the count is increased by one to obtain the frequency.

図22(b)は、図22(a)の破線で囲った領域の分光情報結果を示す。破線で囲った領域の隣接した画素について画像処理部14が、
〔L(λ:550nm)−L(λ:650nm)〕/〔L(λ:550nm)+L(λ:650nm)〕
を計算する。この計算結果をX軸に取り、計算結果に対応する頻度をカウントする。図示するように、約−0.9に頻度のピークが得られている。
FIG. 22B shows the spectral information result of the area surrounded by the broken line in FIG. For adjacent pixels in the area surrounded by the broken line, the image processing unit 14
[L (λ: 550 nm) −L (λ: 650 nm)] / [L (λ: 550 nm) + L (λ: 650 nm)]
Calculate This calculation result is taken on the X axis, and the frequency corresponding to the calculation result is counted. As shown in the figure, a frequency peak is obtained at about -0.9.

リファレンスに使用したスペクトル光は、強度のピークが波長450nmと波長650nmであることがわかっているので、図21(b)のピークは波長450nmに対応し、図22(b)のピークは波長650nmに対応する。したがって、分光情報出力結果は波長の抽出を可能とする。予め図21、22の分光情報出力結果を得ておくことで、未知のスペクトルの分光情報が得られる。   Since it is known that the spectrum light used for the reference has an intensity peak at a wavelength of 450 nm and a wavelength of 650 nm, the peak of FIG. 21B corresponds to the wavelength of 450 nm, and the peak of FIG. 22B is the wavelength of 650 nm. Corresponding to Therefore, the spectral information output result enables extraction of the wavelength. By obtaining the spectral information output results of FIGS. 21 and 22 in advance, spectral information of an unknown spectrum can be obtained.

図23は、図21(b)、図22(b)の分光情報を合成したものである。図23を図20と比較すると、今回撮影した450と650にそれぞれピークをもつ入射スペクトルと同じ結果が得られている。   FIG. 23 is a combination of the spectral information of FIGS. 21 (b) and 22 (b). Comparing FIG. 23 with FIG. 20, the same result as the incident spectrum having peaks at 450 and 650 taken this time is obtained.

なお、図21(b)、図22(b)中の横軸は−1〜1で表記されているが、実際の画像出力としては例えば256階調で表示されるものであり、例えば、+1を黒(0)、−1を白(255)のグレースケールで表現することにより容易に分光状態を可視情報として提示することができる。または、分光波長に応じたカラーテーブルで表示してもよい。   Note that the horizontal axis in FIGS. 21B and 22B is represented by −1 to 1, but the actual image output is, for example, displayed in 256 gradations. For example, +1 Can be easily presented as visible information by representing the black scale with black (0) and -1 with the gray scale of white (255). Or you may display by the color table according to a spectral wavelength.

以上説明したように、本実施形態の領域分割フィルタ12を有する撮像装置100は、2つ以上の特定波長に対応したリファレンスデータを複数用意し、領域分割フィルタ12を介して撮影された画像の明暗パターンをリファレンスデータを用いて演算し、隣接画素の輝度値の差分を取り出すことで、高精度に分光情報を検出することができる。   As described above, the imaging apparatus 100 having the area division filter 12 according to the present embodiment prepares a plurality of reference data corresponding to two or more specific wavelengths, and the brightness of an image photographed through the area division filter 12 Spectral information can be detected with high accuracy by calculating a pattern using reference data and extracting a difference in luminance value between adjacent pixels.

11 撮像レンズ
12 領域分割フィルタ
13 撮像素子
14 画像処理部
100 撮像装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Image pickup lens 12 Area | region division filter 13 Image sensor 14 Image processing part 100

特開2005−057541号公報JP 2005-057541 A 特開2005−31007号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-31007

光アライアンス 1999.11 p4-9Optical Alliance 1999.11 p4-9

Claims (7)

光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子よりも光の入力側に配置された領域分割フィルタと、前記撮像素子の出力信号を処理する画像処理部と、を有する撮像装置において、
前記領域分割フィルタは、特定波長の光に対し透過率が異なることで、隣接した単位画素間に輝度差を生じさせる2つ以上の領域が所定のパターンで配列されており、
第一の特定波長に対し各撮像素子が出力した第一の出力信号、及び、第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を抽出する第一のリファレンスデータと、
第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号、及び、第三の特定波長に対し各撮像素子が出力した第三の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を抽出する第二のリファレンスデータと、を有し、
前記画像処理部は、光が前記撮像素子に入射した際の単位画素の各出力信号に、前記第一のリファレンスデータを適用して第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を生成し、前記第二のリファレンスデータを適用して第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を生成し、
前記第一のリファレンスデータにより生成された前記第一の特定波長成分及び前記第二の特定波長成分、並びに、前記第二のリファレンスデータにより生成された前記第二の特定波長成分及び前記第三の特定波長成分を合成する、ことを特徴とする撮像装置。
In an imaging device comprising: an imaging device that converts light into an electrical signal; a region division filter that is disposed on the light input side of the imaging device; and an image processing unit that processes an output signal of the imaging device.
In the region division filter, two or more regions that cause a luminance difference between adjacent unit pixels due to different transmittances for light of a specific wavelength are arranged in a predetermined pattern.
Light generated from the first output signal output by each image sensor for the first specific wavelength and the second output signal output by each image sensor for the second specific wavelength is transmitted to the image sensor. First reference data for extracting the first specific wavelength component and the second specific wavelength component when incident,
Light generated from the second output signal output by each image sensor for the second specific wavelength and the third output signal output by each image sensor for the third specific wavelength is transmitted to the image sensor. Second reference data for extracting the second specific wavelength component and the third specific wavelength component when incident, and
The image processing unit generates the first specific wavelength component and the second specific wavelength component by applying the first reference data to each output signal of the unit pixel when light is incident on the image sensor. Applying the second reference data to generate a second specific wavelength component and a third specific wavelength component;
The first specific wavelength component and the second specific wavelength component generated by the first reference data, and the second specific wavelength component and the third specific wavelength component generated by the second reference data An image pickup apparatus that synthesizes specific wavelength components .
前記画像処理部は、隣接する単位画素間で第一の特定波長成分に対する第二の特定波長成分の第一の差、及び、第一の特定波長成分と第二の特定波長成分の第一の和、
並びに、隣接する単位画素間で第二の特定波長成分に対する第三の特定波長成分の第二の差、及び、第二の特定波長成分と第三の特定波長成分の第二の和、を算出し、
前記第一の差を前記第一の和で割った値と算出回数を対応づけて出力し、前記第二の差を前記第二の和で割った値と算出回数を対応づけて出力する、
ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
The image processing unit includes a first difference between the second specific wavelength component with respect to the first specific wavelength component between adjacent unit pixels, and a first difference between the first specific wavelength component and the second specific wavelength component. sum,
In addition, the second difference between the third specific wavelength component and the second specific wavelength component between the adjacent unit pixels and the second sum of the second specific wavelength component and the third specific wavelength component are calculated. And
A value obtained by dividing the first difference by the first sum and the number of calculations are output in association with each other, and a value obtained by dividing the second difference by the second sum and the number of calculations are output in association with each other.
The imaging apparatus according to claim 1.
前記画像処理部は、前記第一の差を前記第一の和で割った値、及び、前記第二の差を前記第二の和で割った値を、所定範囲ごとにカウントアップした頻度値を出力する、
ことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。
The frequency value obtained by counting up the value obtained by dividing the first difference by the first sum and the value obtained by dividing the second difference by the second sum for each predetermined range. Output,
The imaging apparatus according to claim 2.
前記画像処理部は、前記第一の差を前記第一の和で割った値、及び、前記第二の差を前記第二の和で割った値に、予め既知の前記第一の特定波長の値、前記第二の特定波長の値、及び、前記第三の特定波長の値、を対応づけて前記頻度値とともに出力する、
ことを特徴とする請求項3記載の撮像装置。
The image processing unit has the first specific wavelength known in advance to a value obtained by dividing the first difference by the first sum and a value obtained by dividing the second difference by the second sum. values, the second specific wavelength values, and outputs the third specific wavelength value, the frequency value in association with a
The imaging apparatus according to claim 3.
前記領域分割フィルタには、遮光膜が形成された部分と形成されていない部分により、隣接した単位画素間に輝度差を生じさせる特定波長に対し透過率が異なる2つ以上の領域が形成されている、ことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の撮像装置。   In the area division filter, two or more areas having different transmittances with respect to a specific wavelength causing a luminance difference between adjacent unit pixels are formed by a portion where the light shielding film is formed and a portion where the light shielding film is not formed. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the image pickup apparatus is an image pickup apparatus. 前記領域分割フィルタには、特定波長を透過する誘電体多層膜が形成された部分と形成されていない部分により、隣接した単位画素間に輝度差を生じさせる特定波長に対し透過率が異なる2つ以上の領域が形成されている、
ことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の撮像装置。
The region dividing filter includes two parts having different transmittances for a specific wavelength that causes a luminance difference between adjacent unit pixels depending on a part where a dielectric multilayer film transmitting a specific wavelength is formed and a part where the dielectric multilayer film is not formed. The above region is formed,
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein
光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子よりも光の入力側に配置された領域分割フィルタと、前記撮像素子の出力信号を処理する画像処理部と、を有する撮像装置の分光情報作成方法において、
前記領域分割フィルタは、特定波長の光に対し透過率が異なることで、隣接した単位画素間に輝度差を生じさせる2つ以上の領域が所定のパターンで配列されており、
第一の特定波長に対し各撮像素子が出力した第一の出力信号、及び、第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を抽出する第一のリファレンスデータと、
第二の特定波長に対し各撮像素子が出力した第二の出力信号、及び、第三の特定波長に対し各撮像素子が出力した第三の出力信号から生成された、光が前記撮像素子に入射した場合の第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を抽出する第二のリファレンスデータと、を用いて、
前記画像処理部が、光が前記撮像素子に入射した際の単位画素の各出力信号に、前記第一のリファレンスデータを適用して第一の特定波長成分及び第二の特定波長成分を生成し、前記第二のリファレンスデータを適用して第二の特定波長成分及び第三の特定波長成分を生成し、
前記第一のリファレンスデータにより生成された前記第一の特定波長成分及び前記第二の特定波長成分、並びに、前記第二のリファレンスデータにより生成された前記第二の特定波長成分及び前記第三の特定波長成分を合成する、ことを特徴とする分光情報作成方法。
Spectral information of an imaging device comprising: an imaging device that converts light into an electrical signal; a region division filter that is disposed on the light input side of the imaging device; and an image processing unit that processes an output signal of the imaging device. In the creation method,
In the region division filter, two or more regions that cause a luminance difference between adjacent unit pixels due to different transmittances for light of a specific wavelength are arranged in a predetermined pattern.
Light generated from the first output signal output by each image sensor for the first specific wavelength and the second output signal output by each image sensor for the second specific wavelength is transmitted to the image sensor. First reference data for extracting the first specific wavelength component and the second specific wavelength component when incident,
Light generated from the second output signal output by each image sensor for the second specific wavelength and the third output signal output by each image sensor for the third specific wavelength is transmitted to the image sensor. Using the second reference data to extract the second specific wavelength component and the third specific wavelength component when incident,
The image processing unit generates the first specific wavelength component and the second specific wavelength component by applying the first reference data to each output signal of the unit pixel when light is incident on the image sensor. Applying the second reference data to generate a second specific wavelength component and a third specific wavelength component;
The first specific wavelength component and the second specific wavelength component generated by the first reference data, and the second specific wavelength component and the third specific wavelength component generated by the second reference data A spectral information generation method characterized by combining specific wavelength components .
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