攝像裝置以及攝像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于取得物體分光信息的攝像裝置以及具備該攝像裝置的攝像系統(tǒng)，其目的在于提供一種能夠用來(lái)解決設(shè)置精度提高引起成本上升以及光量和分辨率下降問(wèn)題的攝像裝置，該攝像裝置可同時(shí)取得多種分光信息，而不需要增加濾光片的分割數(shù)量。本發(fā)明的攝像裝置(12)具有主透鏡(24)、設(shè)于主透鏡光圈附近的第一濾光器(26)、微透鏡陣列(3)、以及彩色傳感器(6)。第一濾光器(26)和彩色傳感器(6)分別以具有不同分光特性的多片濾光片構(gòu)成，來(lái)自物體的分光信息被分配到第一濾光器的各濾光片和彩色傳感器的各濾光片中，各片濾光片組合構(gòu)成多種帶通濾光片，用來(lái)同時(shí)獲得多種分光信息。
【專利說(shuō)明】攝像裝置以及攝像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于取得物體分光信息的攝像裝置以及具備該攝像裝置的攝像系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002]評(píng)估物體的光譜可以用來(lái)了解物體固有的分光反射率特性以及狀態(tài)。對(duì)此，通常用棱鏡、光柵、或者利用液晶可調(diào)諧濾光器等分光器來(lái)作為測(cè)定光譜的裝置。
[0003]現(xiàn)有的分光器雖然能夠瞬時(shí)測(cè)定點(diǎn)或線的光譜，但是無(wú)法一次性測(cè)定面的光譜。為此，目前在測(cè)定面的光譜時(shí)，通常用線測(cè)定分光器來(lái)掃描測(cè)定面的光譜。但是，該測(cè)定方法在在測(cè)定細(xì)胞等的光譜時(shí)，由于被射體本身移動(dòng)，因而無(wú)法獲得與被射體對(duì)應(yīng)的正確光
-1'TfeP曰。
[0004]對(duì)此，專利文獻(xiàn)I (JP特開(kāi)2001-99710號(hào)公報(bào))公開(kāi)了一種以測(cè)定二維分光反射率特性為目的的方法，該方法利用波長(zhǎng)可變?yōu)V光片，轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)區(qū)域不同的多個(gè)頻域，根據(jù)拍攝的多帶域圖像來(lái)推算被攝體的光譜。
[0005]具體為一邊用波長(zhǎng)可變?yōu)V光片轉(zhuǎn)換頻域，一邊取得用攝影裝置拍攝同一個(gè)被攝體得到的多張?jiān)瓐D像構(gòu)成的多帶域圖像，根據(jù)該多帶域圖像推算該被攝體的光譜。此時(shí)，波長(zhǎng)可變?yōu)V光器的頻域數(shù)量為10個(gè)頻域以上。
[0006]但是，專利文獻(xiàn)I公開(kāi)的方法由于需要用波長(zhǎng)可變?yōu)V光片來(lái)轉(zhuǎn)換頻域，逐個(gè)獲得帶域圖像，為此無(wú)法同時(shí)地瞬間測(cè)定多個(gè)頻域的分光圖像。換言之，該方式需要進(jìn)行十次以上轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)可變?yōu)V光片的頻域才能獲得各帶域的分光圖像的動(dòng)作，因而無(wú)法回避需要花費(fèi)一定的測(cè)定時(shí)間的問(wèn)題。
[0007]由于測(cè)定需要時(shí)間，為此，專利文獻(xiàn)I的方式未能解消無(wú)法正確地測(cè)定非靜止被攝體所對(duì)應(yīng)的光譜的問(wèn)題。
[0008]專利文獻(xiàn)2(US7433042B1)中的圖11公開(kāi)了一種結(jié)構(gòu)，其中，入射物鏡(以下稱為主透鏡)的光通過(guò)位于該主鏡的光圈附近且以分光特性不同的帶通濾光片構(gòu)成的濾光器，并用微鏡陣列(以下也稱為MLA)將通過(guò)濾光器的光束分割成多束,而后入射傳感器。
[0009]如果用彩色傳感器，則傳感器一方也存在多個(gè)濾光片，因而會(huì)發(fā)生信息重疊，無(wú)法得到需要的特性。為此，專利文獻(xiàn)2需要使用黑白傳感器。
[0010]按照專利文獻(xiàn)2公開(kāi)的方式，能夠同時(shí)獲得多種分光信息，拍攝后按照每個(gè)光譜重新排列，便能夠得到圖像。
[0011]一般認(rèn)為，若要以良好的精度測(cè)定自然界的光譜，至少需要六個(gè)帶域以上的帶通濾光片。而以專利文獻(xiàn)2的方式來(lái)獲得六種以上分光信息，需要在主透鏡的光圈附近設(shè)置六片以上分光特性不同的帶通濾光片。
[0012]然而，在直徑十分小的光圈區(qū)域中同時(shí)設(shè)置六片以上分光特性不同的濾光片，對(duì)濾光片設(shè)置精度要求相當(dāng)高。而提高精度必然會(huì)帶來(lái)成本上升。而且，濾光片間隙部分即濾光片與濾光片之間的交界部分會(huì)擋住來(lái)自物體的光，因而增加濾光片數(shù)量還會(huì)引起光量減少的問(wèn)題。[0013]專利文獻(xiàn)2還描述了在MLA和傳感器之間設(shè)置濾光器(參見(jiàn)圖6.3)。此時(shí)，因在布置上不受主透鏡的光圈直徑的影響，因而，雖然對(duì)濾光片的設(shè)置精度沒(méi)有要求，但是濾光片數(shù)量增加引起的光量減少問(wèn)的題依然得不到解決。
[0014]進(jìn)而，濾光片分割數(shù)量增多會(huì)帶來(lái)分辨率下降的問(wèn)題。
[0015]圖9顯示用這類攝像裝置拍攝的圖像。該圖像為對(duì)應(yīng)于主透鏡的光圈形狀，呈現(xiàn)多個(gè)小圓點(diǎn)排列的狀態(tài)。在此稱各個(gè)小圓點(diǎn)為微型像素。
[0016]匯集所有的微型像素便形成一幅圖像。而如果濾光片的分割數(shù)量增多，則對(duì)應(yīng)于分割數(shù)量的一個(gè)微型像素中所能容納的光信息、且對(duì)位于傳感器一方的一片濾光片來(lái)說(shuō)像素所能夠取得的光信息量將減小。若要解決該問(wèn)題，需要使得微型像素趨向于增大，而這樣做又必然會(huì)引起分辨率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明是考慮到上述問(wèn)題提出的技術(shù)方案，其目的在于提供一種能夠用來(lái)解決設(shè)置精度提高引起成本上升以及光量和分辨率下降問(wèn)題的攝像裝置，該攝像裝置可同時(shí)取得多種分光信息，而不需要增加濾光片的分割數(shù)量。
[0018]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案，即使用彩色傳感器作為傳感器，位于彩色傳感器一方的濾光器的多個(gè)分光特性與位于光學(xué)系統(tǒng)(主透鏡)一方的濾光器的多個(gè)分光特性不同，通過(guò)組合雙方的濾光器獲得多種組合形態(tài)，使得帶通濾波器數(shù)量在形式上有所增加，從而抑制主透鏡一方的濾光器數(shù)量。
[0019]本發(fā)明具體構(gòu)成如下。一種攝像裝置，用于取得物體分光信息，其中具備光學(xué)系統(tǒng)、以及將經(jīng)過(guò)該光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后的光信息轉(zhuǎn)換為電子信息的傳感器，該攝像裝置的特征在于，在所述光學(xué)系統(tǒng)的光圈附近設(shè)置第一濾光器，該第一濾光器包括多片濾光片或多個(gè)區(qū)域，具有多種分光特性，所述傳感器具備第二濾光器和受光元件，該第二濾光器具有多種分光特性，在所述光學(xué)系統(tǒng)與所述傳感器之間設(shè)置透鏡陣列，該透鏡陣列的多個(gè)透鏡被排列成與所述傳感器的二維平面平行，所述第一濾光器與所述第二濾光器分別具有不同的分光特性。
[0020]本發(fā)明效果如下，通過(guò)第一濾光器的多個(gè)分光特性和第二濾光器的多個(gè)分光特性的組合，增加來(lái)自物體的分光信息，從而能夠同時(shí)取得多種分光信息，而不再需要增加光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)于光圈附近的濾光器數(shù)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是用于說(shuō)明涉及本發(fā)明的攝像裝置的原理的示意圖。。
[0022]圖2A和圖2B是涉及本發(fā)明一項(xiàng)本實(shí)施方式的攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2A是正視圖，圖2B是側(cè)視圖。
[0023]圖3是彩色傳感器的部分放大截面圖。
[0024]圖4顯示普通的彩色傳感器的濾光片的分光特性圖。
[0025]圖5是第一濾光器中各濾光片設(shè)置結(jié)構(gòu)的正視圖。
[0026]圖6是構(gòu)成第一濾光器的各濾光片的分光特性圖。
[0027]圖7是構(gòu)成彩色傳感器中的彩色濾光器的各濾光片的分光特性圖。[0028]圖8A?圖8F是構(gòu)成第一濾光器的各濾光片的分光特性與構(gòu)成第二濾光器的各濾光片的分光特性組合得到的分光形態(tài)的示意圖。
[0029]圖9是一例用數(shù)字重新聚焦方式相機(jī)拍攝的圖像的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下參考【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。在說(shuō)明本實(shí)施方式涉及的攝像裝置以及攝像系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)之前，首先利用圖1說(shuō)明本發(fā)明的原理。為了便于說(shuō)明功能原理，將光學(xué)系統(tǒng)2簡(jiǎn)化為單一透鏡，并設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)2的光圈位置S為該單一透鏡的中心。
[0031]單一透鏡2的中心位置上排設(shè)濾光片fl (R:紅色)、濾光片f2(G:綠色)、濾光片f3(B:藍(lán)色)，構(gòu)成第一濾光器。但在實(shí)際中，不會(huì)在透鏡內(nèi)部設(shè)置濾光器。
[0032]在單一透鏡2的聚光位置近旁設(shè)有微鏡陣列3，該微鏡陣列3的微型透鏡被排列成平行于下述的傳感器5的二維平面。圖中的成像區(qū)域4中設(shè)有傳感器5。在此，為了便于理解，設(shè)傳感器5為黑白傳感器。
[0033]物體I上的一點(diǎn)發(fā)散的光在單一透鏡2上不同位置入射，通過(guò)在不同位置上呈不同分光特性的濾光片Π?f3。光通過(guò)濾光器后，先在微透鏡整列3附近成像，而后，通過(guò)該微鏡陣列3入射到各傳感器5的位置。這樣，來(lái)自一點(diǎn)但具有不同分光特性的光入射到傳感器5上的不同位置，從而一次性地將多個(gè)分光信息投射到傳感器5上。
[0034]在物體I上，位于與上述一點(diǎn)不同位置的分光信息也與上述相同，入射到傳感器5的不同位置上，最后用圖像處理來(lái)重新安排每個(gè)分光特性，從而一次性地獲得每個(gè)分光特性的二維圖像。基于上述原理，在單一透鏡2的光圈附近設(shè)置多個(gè)帶通濾光片，便能夠瞬間測(cè)定物體的二維光譜。在此，“光圈附近”表示從各種視角入射的光線均能通過(guò)的部位，其中包含光圈位置。
[0035]如上所述，測(cè)定自然界中的光譜通常需要六片以上的帶通濾光片。然而由于光圈直徑小，若要增加分光特性信息的種類，則需要在上述光圈區(qū)域中同時(shí)設(shè)置六個(gè)以上的分光特性不同的濾光片。而這必將造成攝像裝置制造成本上升。
[0036]組合多個(gè)濾光片可構(gòu)成一個(gè)濾光片組件，但濾光片與濾光片之間的交界部份將遮擋來(lái)自物體的光線，因而，增加濾光片數(shù)量會(huì)增加交界部分，光量將隨著交界部分的增加而下降。
[0037]對(duì)此，本實(shí)施方式用三色彩色傳感器，并且在光圈附近設(shè)置三種不同的濾光片，用以減少光圈附近設(shè)置的濾光片數(shù)量，同時(shí)，獲得六種以上分光信息。
[0038]圖2是本實(shí)施方式涉及的攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。攝像系統(tǒng)10具備光譜推算部16以及用于取得來(lái)自物體的分光信息并基于該分光信息生成多種分光圖像的攝像裝置12。在攝像裝置12中，用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA) 14作為分光圖像生成部。光譜推算部16具有CPU、R0M、RAM等元件，根據(jù)生成的分光圖像計(jì)算每個(gè)像素的分光反射率，推算光譜。
[0039]攝像裝置12具備透鏡模塊18和相機(jī)部20。相機(jī)部20內(nèi)藏FPGA14，F(xiàn)PGA14也可以設(shè)于攝像裝置12以外。透鏡模塊18中具備鏡筒22、設(shè)于該鏡筒22中作為光學(xué)系統(tǒng)的主透鏡24、位于該主透鏡24的光圈附近的第一濾光器26、以及透鏡28。
[0040]相機(jī)部20內(nèi)部具備作為透鏡陣列的MLA3、彩色傳感器6以及FPGA14。MLA3的多個(gè)微型透鏡被設(shè)置在與主透鏡24的光軸正交的方向上。鏡筒22的前端周向以等間距設(shè)有多個(gè)作為光源的LED30。用LED30作為光源，不管攝影環(huán)境條件如何，均能穩(wěn)定地獲得分光信息。
[0041]圖3是彩色傳感器6的截面圖。關(guān)于普通彩色傳感器的結(jié)構(gòu)例如可參考網(wǎng)頁(yè)“http://material, toppan.c0.jp/semicon/onchip/” 中關(guān)于 “CCD/CM0S 傳感器用芯片彩色濾光片”的介紹。與MLA3不同，彩色傳感器6上安裝微型透鏡32，各個(gè)微型透鏡32分別對(duì)應(yīng)像素。微型透鏡32的集合體為傳感器一方的透鏡陣列。
[0042]彩色濾光器34是本實(shí)施方式的第二濾光器，至少具有兩中不同的分光特性。在此，彩色濾光器34由分光特性不同的三片濾光片f4、f5、f6構(gòu)成。普通的彩色傳感器用拜耳排列對(duì)每個(gè)像素配備RGB的彩色濾光片。
[0043]在圖3中標(biāo)記36、38、40、42、44分別表不平坦層、遮光膜、電極、受:光兀件、娃基板。
[0044]圖4顯示普通的彩色傳感器的濾光片的分光特性。B(藍(lán)色)光譜在470nm附近、G(綠色)光譜在540nm附近、R(紅色)光譜在620nm附近分別出現(xiàn)峰值。呈山峰形的R、
B、G各分光特性中的山腳部分交疊。
[0045]具體為，R和G在580?650nmnm以及650?IlOOnm附近、G和B在400?580nm以及770?IlOOnm附近交疊。
[0046]在位于彩色傳感器6前方MLA3的微型透鏡與安裝在彩色傳感器6中的微型透鏡32之間，雙方的直徑的比率約為30:1?10:1。
[0047]圖5是第一濾光器26的正視圖。在一片玻璃板上制膜，一體加工形成分光特性不同的三片濾光片fl、f2、f3。本實(shí)施方式采用多層膜蒸鍍方法，用一片濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)三種不同的分光特性。除此之外，也可以在光軸方向上重疊三片不同的玻璃板濾光片。以主透鏡24中心C附近為分界線分割成三片濾光片。換言之，分光特性圍繞主透鏡24的光軸軸心變化。
[0048]圖6是構(gòu)成第一濾光器(單元)26的各濾光片的分光特性圖。圖7是構(gòu)成彩色傳感器6中的彩色濾光器34的各濾光片f4、f5、f6的分光特性圖。在第一濾光器26的三種濾光片中，濾光片fl和f2是在可視范圍(400nm?700nm)中存在峰值的帶通濾光片。濾光片f3是可通過(guò)整個(gè)可視范圍的濾光片,在此稱為全通濾光片。兩片帶通濾光片Π和f2的峰值波長(zhǎng)分別為500nm和600nm，在構(gòu)成彩色傳感器6中彩色濾光器34的濾光片f4?f6的峰值波長(zhǎng)之間均具有最大感度。
[0049]構(gòu)成第一濾光器26的各濾光片fl、f2、f3均與構(gòu)成彩色傳感器6的第二濾光器34的各濾光片f4、f5> f6的分光特性不同。光線通過(guò)構(gòu)成第一濾光器26的各濾光片和構(gòu)成彩色傳感器6中第二濾光器34的各濾光片，可獲得與同時(shí)通過(guò)3X3 = 9種帶通濾光片相同的分光特性。
[0050]也就是說(shuō)，本實(shí)施方式中，第一濾光器26的各濾光片與彩色傳感器6中第二濾光器 34 的各濾光片組合，得到(fl-f5)、(fl-f6)、(fl-f4)、(f2-f5)、(f2_f6)、(f2_f4)、(f3-f5)、(f3-f6)、(f3-f4)九種形態(tài)，因而能夠獲得與在第一濾光器位置上設(shè)置九種帶通濾光片時(shí)相同的分光功能。但是，嚴(yán)格來(lái)講，各濾光片中只有分光投射區(qū)域的部分可以讓光透射，因此，實(shí)際上本實(shí)施方式僅取得如圖8所示的六種分光特性。
[0051]即全通濾光片f3與第二濾光器34組合時(shí)，獲得圖8A?圖SC所示的三種分光信息。而帶通濾光片f I與第二濾光器34組合時(shí)，僅獲得圖8D—種分光信息。同樣，帶通濾光片f2與第二濾光器組合時(shí)，獲得圖SE和圖8F兩種分光信息。
[0052]安裝于相機(jī)部20內(nèi)部的FPGA14用于重新安排上述攝影圖像的每個(gè)分光特性，生成六種分光圖像。而后，位于后方的軟件16用六種分光圖像計(jì)算每個(gè)像素的光譜。在根據(jù)六種帶通濾光片的輸出結(jié)果推算光譜時(shí)，通常采用的方法是用樣條(Spline)插值或拉格朗吉(Lagrangian)插值在光譜分布的波長(zhǎng)之間進(jìn)行非線性補(bǔ)償。
[0053]上述結(jié)構(gòu)不需要增加設(shè)于主透鏡光圈附近的濾光片數(shù)量，便能夠獲得六種以上分光信息。由此不再需要提高第一濾光器的各濾光片的設(shè)置精度，同時(shí)，能夠以廉價(jià)的結(jié)構(gòu)來(lái)提高多帶域二維測(cè)定的精度。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)把來(lái)自物體的分光信息分配到設(shè)于相機(jī)一方的濾光器以及安裝在傳感器中的濾光器，能夠同時(shí)獲得多種分光特性，而且分光特性的種類將多于安裝在傳感器上的濾光片數(shù)量。
[0054]通常，透過(guò)主透鏡的帶通濾光片和傳感器上的彩色帶通濾光片的光量少于透射整個(gè)可視域的光量。而本實(shí)施方式在同一個(gè)傳感器上檢測(cè)六種分光信息，用同一個(gè)曝光條件來(lái)同時(shí)檢測(cè)光量較多的分光圖像和光量較少的分光圖像，這就難以避免致使S/N變差。
[0055]對(duì)此，本實(shí)施方式如圖5所示，將帶通濾光器fl、f2的有效區(qū)域設(shè)為大于全通濾光片f3的有效區(qū)域。
[0056]這樣，光量較多的分光區(qū)域較小、而光量較少的分光區(qū)域較大，從而在整體上提高了 S/N大小。本實(shí)施方式如圖5所不,在第一濾光器26的有效光透射面中,全通濾光片f3的光透射面積為該有效光透射面積的1/4。而兩片帶通濾光片中，f2的光透射面積約為有效光透射面積的1/4，Π的光透射面積約為有效光透射面積的1/2。
【權(quán)利要求】
1.一種攝像裝置，用于取得物體分光信息，其中具備光學(xué)系統(tǒng)、以及將經(jīng)過(guò)該光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚后的光信息轉(zhuǎn)換為電子信息的傳感器，該攝像裝置的特征在于， 在所述光學(xué)系統(tǒng)的光圈附近設(shè)置第一濾光器，該第一濾光器包括多片濾光片或多個(gè)區(qū)域，具有多種分光特性， 所述傳感器具備第二濾光器和受光元件，該第二濾光器具有多種分光特性， 在所述光學(xué)系統(tǒng)與所述傳感器之間設(shè)置透鏡陣列，該透鏡陣列的多個(gè)透鏡被排列成與所述傳感器的二維平面平行， 所述第一濾光器與所述第二濾光器分別具有不同的分光特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像裝置，其特征在于，第二濾光器具有三種不同的分光特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的攝像裝置，其特征在于，在所述第一濾光器的所述多個(gè)濾光片或多個(gè)區(qū)域中至少有一片濾光片或一個(gè)區(qū)域的分光特性的峰值位于所述第二濾光器的分光特性的峰值之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攝像裝置，其特征在于，在所述第一濾光器的多片濾光片或多個(gè)區(qū)域中至少有一片濾光片或一個(gè)區(qū)域的分光特性包含所述第二濾光器的所有分光透射域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任意一項(xiàng)所述的攝像裝置，其特征在于，所述第一濾光器以多片濾光片組合構(gòu)成一個(gè)單元，該第一濾光器的分光特性圍繞所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸軸芯發(fā)生變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?4中任意一項(xiàng)所述的攝像裝置，其特征在于，第一濾光器以一片玻璃板構(gòu)成，其中形成多個(gè)分光特性不同的區(qū)域，該分光特性圍繞所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸軸心發(fā)生變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的攝像裝置，其特征在于，在所述第一濾光器的多個(gè)濾光片或多個(gè)區(qū)域中，包含所述第二濾光器的所有分光透射域的濾光片或區(qū)域的光透射面積小于分光特性峰值位于所述第二濾光器的分光特性峰值之間的濾光片或區(qū)域的光透射面積。
8.一種攝像系統(tǒng)，其中具備攝像裝置和光譜推算部，該攝像裝置用于取得來(lái)自物體的分光信息，并基于該分光信息生成多種分光圖像，該光譜推算部根據(jù)生成的分光圖像推算每個(gè)像素的光譜，其特征在于，所述攝像裝置為權(quán)利要求1?7中任意一項(xiàng)所述的攝像裝置。
【文檔編號(hào)】H04N9/04GK103686102SQ201310379230
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月14日
【發(fā)明者】增田憲介, 山中佑治, 丸山剛 申請(qǐng)人:株式會(huì)社理光