CN104412581A - 彩色摄像元件及摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制伪色的产生以及实现高分辨率化的单板式彩色摄像元件以及具有这种彩色摄像元件的摄像装置。本发明的一形态的彩色摄像元件的滤色器配列包含排列有与红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)对应的RGB滤光片的4×4像素的基本排列图案(P)，该基本排列图案(P)沿水平方向和垂直方向重复配置，G滤光片配置在滤色器排列的水平、垂直、斜右上以及斜右下这四个方向的各像素行内，R、B滤光片配置在滤色器排列的水平以及垂直方向的各像素行内。另外，滤色器排列包含在水平、垂直、斜右上、斜右下这四个方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。

Description

彩色摄像元件及摄像装置
技术领域
本发明涉及彩色摄像元件以及摄像装置，尤其是涉及能够降低彩色莫尔条纹的产生以及实现高分辨率化的彩色摄像元件以及具有这种彩色摄像元件的摄像装置。
背景技术
在单板式彩色摄像元件中，分别在各像素上设有单色的滤色器，所以各像素只具有单色的颜色信息。因此，单板彩色摄像元件的输出图像是RAW图像(马赛克图像)，所以通过根据周围的像素对缺失颜色的像素进行插值的处理(去马赛克算法处理)而获得多通道图像。在该情况下成为问题的是高频的图像信号的再现特性，彩色摄像元件与黑白用的摄像元件相比，容易在拍摄到的图像中产生混淆，所以抑制彩色莫尔条纹(伪色)的产生并且扩大再现频带而进行高分辨率化是重要的课题。
作为单板式彩色摄像元件中最广泛采用的滤色器的颜色排列的原色系拜耳排列将绿色(G)像素以交错相间的棋盘格纹状配置，并线性地依次配置红色(R)、蓝色(B)，因此，在G信号生成倾斜方向的高频信号时，R、B信号生成水平、垂直方向的高频信号时的再现精度成为问题。
在图12(A)所示的黑白的纵条纹图案(高频图像)入射到具有图12(B)所示的拜耳排列的滤色器的彩色摄像元件的情况下，若将其分成拜耳颜色排列并对每色进行比较，则如图12(C)至(E)所示，成为R为淡且平坦、B为浓且平坦、G为浓淡的马赛克状的彩色图像，与本来为黑白图像相对，尽管是RGB之间没有浓度差(电平差)的图像，但根据颜色排列与输入频率会成为着了色的状态。
同样，在将图13(A)所示的倾斜的黑白高频图像入射到具有图13(B)所示的拜耳排列的滤色器的摄像元件的情况下，若将其分成拜耳颜色排列并对每色进行比较，则如图13(C)至(E)所示，成为R与B为淡且平坦、G为浓且平坦的彩色图像，若将黑色值设为0、将白色值设为255，则由于倾斜的黑白高频图像中仅G为255，因此会变成绿色。如此，在拜耳排列中无法正确地再现倾斜的高频图像。
一般而言，在使用单板式彩色摄像元件的摄像装置中，将由水晶等双折射物质构成的光学低通滤光片配置在彩色摄像元件的前表面上，通过光学性地降低高频而进行回避。但是，在该方法中存在如下问题：虽然能够减轻因高频信号的重叠而产生的着色，但分辨率会因该弊端而下降。
为了解决这种问题，提出有一种将彩色摄像元件的滤色器排列设为三色随机排列的彩色摄像元件，其中上述三色随机排列满足下述排列限制条件：任意关注像素与含有关注像素的颜色的三种颜色在关注像素的四边中的任一边相邻(专利文献1)。
另外，提出有一种滤色器排列的图像传感器(彩色摄像元件)，上述滤色器排列具有分光灵敏度不同的多个滤光片，其中第一滤光片与第二滤光片以第一预定周期交替地配置在图像传感器的像素格子的一对角线方向上，并且以第二预定周期交替地配置在图像传感器的像素格子的另一对角线方向上(专利文献2)。
此外，提出有一种下述颜色排列：在RGB的三原色的彩色固体摄像元件(彩色摄像元件)中，通过将水平地配置有R、G、B的三个像素的组交错地配置在垂直方向上，使RGB各自的出现概率均等，并且使摄影面上的任意直线(水平、垂直、倾斜的直线)通过全部的颜色(专利文献3)。
此外，提出有一种下述彩色摄像元件：RGB的三原色中的R、B分别在水平方向以及垂直方向上隔着三个像素而配置，并在这些R、B之间配置G(专利文献4)。
专利文献1:日本特开2000－308080号公报
专利文献2:日本特开2005－136766号公报
专利文献3:日本特开平11－285012号公报
专利文献4:日本特开平8－23543号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1所记载的彩色摄像元件存在如下问题：由于滤光片排列是随机的，因此在进行后段的去马赛克算法处理时，需要对每个随机图案进行最优化，去马赛克算法处理变得复杂。另外，在随机排列中，对低频的彩色莫尔条纹有效，但对高频部的伪色无效。在此，去马赛克算法处理是指根据与单板式彩色摄像元件的滤色器排列相伴的RGB的马赛克图像对应每个像素算出(以去马赛克算法的方式转换)RGB的全部的颜色信息的处理，也称为去马赛克算法(デモザイキング)处理或者去马赛克算法(同時化)处理(在本说明书中相同)。
另外，专利文献2所记载的彩色摄像元件中，由于G像素(亮度像素)配置成交错相间的棋盘格纹状(棋盘方格状)，因此存在边界分辨率区域(尤其是倾斜方向)的像素再现精度不良的问题。
专利文献3所记载的彩色摄像元件中，由于在任意的直线上存在全部颜色的滤光片，所以具有能够抑制伪色的产生的优点，但是由于RGB的像素数的比率相等，所以有高频再现性与拜耳排列相比下降的问题。另外，在拜耳排列的情况下，最有助于得到亮度信号的G像素数的比率是R、B各自的像素数的2倍。
另一方面，专利文献4所记载的彩色摄像元件中，G像素数相对于R、B各自的像素数的比率为6倍，比拜耳排列高，并且在水平或者垂直方向上存在仅G像素的行，因此在水平或者垂直方向上对于高频部的伪色并非有效。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的是提供一种能够抑制伪色的产生以及实现高分辨率化，并且与以往的随机排列相比能够简化后段的处理的彩色摄像元件。另外本发明的目的是提供一种采用了这种彩色摄像元件的摄像装置。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，本发明的一形态是一种彩色摄像元件，该彩色摄像元件是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，滤色器的排列包含将滤色器沿第一方向和第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且基本排列图案沿第一方向和第二方向重复配置，滤色器的排列具有与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片和与用于获得亮度信号的贡献率比第一色低的两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，第一滤光片在滤色器的排列的包含第一方向、第二方向、相对于第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，与第二色的各色对应的第二滤光片在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，滤色器的排列包含在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。
本发明的另一形态是一种彩色摄像元件，该彩色摄像元件是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，滤色器的排列包含将滤色器沿第一方向和第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且基本排列图案沿第一方向和第二方向重复配置，滤色器的排列具有：透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内的与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片；以及透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围之外的与两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，第一滤光片在滤色器的排列的包含第一方向、第二方向、相对于第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，与第二色的各色对应的第二滤光片在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，滤色器的排列包含在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。
本发明的又一形态是一种彩色摄像元件，该彩色摄像元件是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，滤色器的排列包含将滤色器沿第一方向和第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且基本排列图案沿第一方向和第二方向重复配置，滤色器具有与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片和在波长为500nm以上且560nm以下的范围内透过率比第一滤光片低的与两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，第一滤光片在滤色器的排列的包含第一方向、第二方向、相对于第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，与第二色的各色对应的第二滤光片在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，滤色器的排列包含在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。
本发明的又一形态是一种彩色摄像元件，该彩色摄像元件是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，滤色器的排列包含将滤色器沿第一方向和第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且基本排列图案沿第一方向和第二方向重复配置，滤色器的排列具有：与包含三原色中对亮度信号贡献最大的颜色和颜色与三原色不同的第四色在内的两种颜色以上的第一色对应的第一滤光片；以及与第一色以外的两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，第一滤光片在滤色器的排列的包含第一方向、第二方向、相对于第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，与第二色的各色对应的第二滤光片在基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，滤色器的排列包含在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。
根据这些形态，由于第一滤光片在滤色器的排列的第一方向至第四方向的各方向的像素行内配置有一个像素以上，所以能够提高高频区域的去马赛克算法处理的再现精度。另外，由于与第一色以外的两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片也在滤色器排列的第一和第二方向的各像素行内分别配置有一个以上，所以能够抑制彩色莫尔条纹(伪色)的产生而实现高分辨率化。另外，与4×4像素对应的基本排列图案是满足上述条件的最小尺寸。
另外，由于滤色器的排列中基本排列图案沿第一和第二方向重复配置，所以在进行后段的去马赛克算法处理时，能够按照重复图案进行处理，与以往的随机排列相比能够简化后段的处理。
此外，由于与第一滤光片对应的两种颜色以上的第一色的像素数是与第二滤光片对应的第二色的各色的像素数的2倍，因此能够抑制混淆，高频再现性也良好。
而且，滤色器的排列包含在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片。由此，能够基于与分别连续的第一滤光片对应的两个像素的输出，以最小像素间隔对第一至第四方向中亮度的变化小的方向(相关性高的方向)进行判别。
在本发明的又一形态的彩色摄像元件中，用于获得亮度信号的第一色的贡献率为50％以上，用于获得亮度信号的第二色的贡献率小于50％。
在本发明的又一形态的彩色摄像元件中，第一色包含第一绿色(G)、波长区域与第一G不同的第二G和白色(W)中的一种颜色以上的颜色，第二色包含红色(R)、蓝色(B)。
为了达到本发明的目的的摄像装置具有：摄影光学系统；彩色摄像元件，经由摄影光学系统使被摄体像成像；及图像数据生成部，生成表示成像后的被摄体像的图像数据，彩色摄像元件是上述形态中任一项所述的彩色摄像元件。
发明效果
根据本发明的彩色摄像元件以及摄像装置，由于与亮度类像素对应的第一滤光片在滤色器的排列的第一方向至第四方向的各方向的像素行内配置有一个像素以上，所以能够提高高频区域的去马赛克算法处理的再现精度。另外，由于与两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片在基本排列图案内的第一方向以及第二方向的各像素行内分别配置有一个，所以能够抑制彩色莫尔条纹(伪色)的产生而实现高分辨率化。
另外，由于本发明的滤色器排列中基本排列图案沿第一和第二方向重复配置，所以在进行后段的去马赛克算法处理时，能够按照重复图案进行处理，与以往的随机排列相比能够简化后段的处理，尤其本发明涉及的与4×4像素对应的基本排列图案是满足上述条件的最小尺寸。
此外，由于在基本排列图案内配置有在第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的第一滤光片，所以能够以最小像素间隔对第一至第四方向中亮度的变化小的方向(相关性高的方向)进行判别。
附图说明
图1是表示数码相机的电气结构的框图。
图2是彩色摄像元件的摄像面的主视图。
图3是表示第一实施方式的滤色器排列的图。
图4是用于对根据图3中的滤色器排列中包含的G像素的像素值来判别相关方向的方法进行说明的图。
图5是用于对本发明的彩色摄像元件的滤色器排列中包含的基本排列图案的概念进行说明的图。
图6A是用于根据其他观点来对本发明的彩色摄像元件的滤色器排列进行说明而使用的图。
图6B是用于根据其他观点来对本发明的彩色摄像元件的滤色器排列进行说明而使用的另一图。
图7是表示第二实施方式的滤色器排列的图。
图8是表示第三实施方式的滤色器排列的。
图9是表示配置有R滤光片、G滤光片、B滤光片以及W滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的坐标图。
图10是表示配置有R滤光片、G1滤光片、G2滤光片以及B滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的坐标图。
图11是表示配置有R滤光片、G滤光片、B滤光片以及E滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的坐标图。
图12是用于对具有以往的拜耳排列的滤色器的彩色摄像元件的课题进行说明的图。
图13是用于对具有以往的拜耳排列的滤色器的彩色摄像元件的课题进行说明的另一图。
具体实施方式
[数码相机的整体结构]
图1是具有本发明的彩色摄像元件的数码相机9(摄像装置)的框图。数码相机9大致具有：摄影光学系统10、彩色摄像元件12、摄影处理部14、图像处理部16、驱动部18以及控制部20等。
摄影光学系统10将被摄体像成像在彩色摄像元件12的摄像面上。彩色摄像元件12是具有多个像素以及设置在各像素的受光面的上方的滤色器的、所谓的单板式彩色摄像元件，上述多个像素由二维排列在彩色摄像元件12的摄像面上的光电转换元件构成。在此，“～上”、“上方”是指相对于彩色摄像元件12的摄像面而言入射来被摄体光这一侧的方向。
成像于彩色摄像元件12上的被摄体像通过各像素的光电转换元件而转换成对应于入射光量的信号电荷。蓄积于各光电转换元件的信号电荷基于读出指令信号而作为对应于信号电荷的电压信号(图像信号)从彩色摄像元件12被依次读出，上述读出指令信号是按照控制部20的指令而从驱动部18发出的。从彩色摄像元件12读出的图像信号是表示对应于彩色摄像元件12的滤色器排列的颜色的马赛克图像的信号。另外，彩色摄像元件12也可以是CCD(Charge Coupled Device)型摄像元件、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型摄像元件等其他种类的摄像元件。
从彩色摄像元件12读出的图像信号被输入到摄影处理部14(图像数据生成部)。摄影处理部14具有：用于去除图像信号中含有的复位噪声的相关双采样电路(CDS)；用于对图像信号进行放大并控制成一定电平的大小的AGC电路；以及A/D转换器。该摄影处理部14对输入的图像信号进行相关双采样处理并放大后，将转换成数字图像信号的RAW数据输出至图像处理部16。另外，在彩色摄像元件12为CMOS型摄像元件的情况下，数字图像信号被直接从彩色摄像元件12读出，并输出至图像处理部16。另外，在彩色摄像元件12为MOS型摄像元件的情况下，A/D转换器大多内置于摄像元件内，另外也存在不需要上述相关双采样的情况。
图像处理部16(图像数据生成部)具有白平衡校正电路、伽马校正电路、去马赛克算法处理电路(根据与单板式彩色摄像元件12的滤色器排列相伴的RGB的马赛克图像对应每个像素算出(以去马赛克算法的方式转换)RGB的全部颜色信息的处理电路)、亮度/色差信号生成电路、轮廓校正电路、颜色校正电路等。图像处理部16按照来自控制部20的指令，对从摄影处理部14输入的马赛克图像的RAW数据实施所需的信号处理，从而生成对应每个像素都具有RGB的全部颜色信息的RGB像素信号，并据此生成由亮度数据(Y数据)以及色差数据(Cr、Cb数据)构成的图像数据(YUV数据)。
在图像处理部16生成的图像数据通过压缩/扩展处理电路，对静态图像实施符合JPEG规格的压缩处理，对动态图像实施符合MPEG2规格的压缩处理，然后，记录到未图示的记录介质(例如存储卡)中，另外，输出到液晶显示器等显示单元(未图示)而进行显示。另外，在本实施方式中，记录介质不限定于能够装卸于数码相机9，也可以是内置式的光磁记录介质，显示单元也不限定于设置在数码相机9上，也可以是连接于数码相机9的外部显示器。
[彩色摄像元件]
如图2所示，在彩色摄像元件12的摄像面上设有多个像素21，该多个像素21由二维排列在水平方向以及垂直方向上的光电转换元件PD构成。在此，水平方向相当于本发明的第一方向和第二方向中的一方向，垂直方向相当于本发明的第一方向和第二方向中的另一方向。
图3是表示在彩色摄像元件12上配置的滤色器的第一实施方式的滤色器排列的图。
如图3所示，在彩色摄像元件12的摄像面上设有滤色器排列22，该滤色器排列22由配置在各像素21上的滤色器构成。滤色器排列22由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的三原色的滤色器(以下称为R滤光片、G滤光片、B滤光片)23R、23G、23B构成。而且，在各像素21上配置RGB滤光片23R、23G、23B中的任一个滤光片。以下，将配置有R滤光片23R的像素称为“R像素”，将配置有G滤光片23G的像素称为“G像素”，将配置有B滤光片23B的像素称为“B像素”。
在此，G色相当于本发明的第一色，G滤光片23G相当于本发明的第一滤光片。另外，R色以及B色相当于本发明的第二色，RB滤光片23R、23B相当于本发明的第二滤光片。
[滤色器排列的第一实施方式]
图3所示的彩色摄像元件的滤色器排列的第一实施方式具有下述特征(1)～(5)。
〔特征(1)〕
图3所示的滤色器排列包含由对应于4×4像素的正方排列图案构成的基本排列图案P(粗框所示的图案)，该基本排列图案P在水平方向以及垂直方向上重复配置。即，该滤色器排列的R、G、B各颜色的滤光片(R滤光片、G滤光片、B滤光片)具有周期性地排列。
如此，R滤光片、G滤光片、B滤光片具有周期性地排列，所以在对从彩色摄像元件读出的R、G、B信号进行去马赛克算法处理等时，能够按照重复图案进行处理。
另外，在以基本排列图案P为单位进行间拔处理而缩小图像的情况下，能够使间拔处理后的缩小图像的滤色器排列与间拔处理前的滤色器排列相同，能够使用共通的处理电路。
〔特征(2)〕
图3所示的滤色器排列中，对应于第一色(在该实施方式中为G色)的G滤光片配置在滤色器排列的水平方向、垂直方向、斜右上方向(NE)以及斜右下方向(NW)的各像素行内，上述第一色与第二色(在该实施方式中为R、B色)相比更有助于获得亮度信号。在此，像素行是指像素在水平、垂直、斜右上或者斜左上方向上排列成一列的行，以下简称为“行”。
另外，斜右上方向以及斜左上方向是分别相对于水平方向以及垂直方向而倾斜45°的方向。这是因为多个像素以及滤色器呈正方格子状地排列在水平方向以及垂直方向上。因此，在多个像素以及滤色器排列成矩形格子状的情况下，该矩形格子的对角线方向对应于斜右上方向以及斜右下方向。
另外，在此，斜右上方向相当于本发明的第三方向以及第四方向中的一方向，斜右下方向相当于本发明的第三方向以及第四方向中的另一方向。
由于对应于亮度类像素的G滤光片配置在滤色器排列的水平方向、垂直方向、斜右上方向以及斜右下方向的各行内，所以能够不受输入像的高频的方向影响地提高高频区域的去马赛克算法处理的再现精度。在此，去马赛克算法处理是根据与单板式彩色摄像元件的滤色器排列相伴的RGB的马赛克图像对应每个像素算出(以去马赛克算法的方式转换)RGB全部的颜色信息的处理，也称为去马赛克算法(デモザイク)处理、或者去马赛克算法(デモザイキング)处理。
〔特征(3)〕
图3所示的滤色器排列的基本排列图案的对应于其基本排列图案内的R、G、B滤光片的R像素、G像素、B像素的像素数分别是4像素、8像素、4像素。即，R、G、B像素的各像素数的比率为1：2：1，有助于获得亮度信号的G像素的像素数是R像素、B像素的各像素数的2倍。
如上所述，由于亮度类像素(G像素)的像素数是R、B像素的各像素数的2倍，所以能够抑制去马赛克算法处理时的混淆，并且也能够使高频再现性良好。
〔特征(4)〕
图3所示的滤色器排列中，对应于作为亮度类像素的第一色(G色)以外的两种颜色以上的第二色(在该实施方式中为R、B色)的R滤光片、B滤光片在基本排列图案P内，在滤色器排列的水平方向以及垂直方向的各行内分别配置有一个以上。
由于R滤光片、B滤光片配置在滤色器排列的水平方向以及垂直方向的各行内，所以能够抑制彩色莫尔条纹(伪色)的产生。由此，能够不将用于抑制伪色的产生的光学低通滤光片配置在从光学系统的入射面至摄像面的光路上，或者即使在适用了光学低通滤光片的情况下，也能够适用用于防止伪色的产生的截止高频成分的作用较弱的光学低通滤光片，能够不有损分辨率。
〔特征(5)〕
如图4所示，滤色器排列中，G滤光片的“组块”(多个G滤光片相邻的部分)以对应于基本排列图案的尺寸的周期存在。能够使用与在水平方向、垂直方向、斜右上方向或者斜右下方向上相邻的G滤光片对应的G像素的像素值，以最小像素间隔对亮度的相关性高的方向进行判别。
例如，能够取出对应于图4所示的基本排列图案P的右上方向的G滤光片的三个G像素，来求出在水平方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值、在垂直方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值、在斜右下方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值。
同样，能够取出对应于图4所示的基本排列图案P的左下方向的G滤光片的四个G像素，来求出在水平方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值、在垂直方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值、在斜右上方向上相邻的G像素的像素值的差的绝对值。
能够判断为：在如此求出的水平方向、垂直方向、斜右上方向以及斜右下方向的G像素的像素值的差的绝对值中的、差的绝对值小的方向上具有相关性。
即，根据该滤色器排列，能够使用以最小像素间隔连续配置两个像素的G像素的信息，对水平方向、垂直方向以及倾斜方向中相关度高的方向进行判别。在此，像素间隔是指从基准像素的中心点到相邻像素的中心点的像素间隔(间距)。该方向判别结果能够用于根据周围的像素进行插值的处理(去马赛克算法处理)。另外在该情况下，也可以在例如上述去马赛克算法处理电路内设置方向判别处理部，通过方向判别处理部进行方向判别。
图5是用于对本发明的彩色摄像元件的滤色器排列中包含的基本排列图案的概念进行说明的图。
如图5所示，若将使图3等所示的基本排列图案P在水平方向(图5上的右方)上移动两个像素而得到的基本排列图案设为P’，另外，将在水平方向(图5上的右方)以及垂直方向(图5上的下方向)上分别移动三个像素而得到的基本排列图案设为P”，则将这些基本排列图案P’、P”重复配置在水平方向以及垂直方向上，也能够成为相同的滤色器排列。
即，通过将基本排列图案重复配置在水平方向以及垂直方向上，能够构成图5所示的滤色器排列的基本排列图案存在多个。另外，基本排列图案P’与将基本排列图案P沿顺时针方向旋转90度而得到的基本排列图案相同。
包括上述基本排列图案P’、P”的任意基本排列图案(从图5所示的滤色器排列中以4×4像素切割出的排列图案)都具有与基于基本排列图案P进行了说明的特征(1)～(5)相同的特征。
另外，基本排列图案的变型根据如上述那样的4×4像素的切割位置而存在有多个，还包含使基本排列图案(滤色器排列)旋转90度、180度或者270度的基本排列图案、或者设为镜面对称的基本排列图案，由这些基本排列图案构成的滤色器排列具有与基于基本排列图案P进行了说明的特征(1)～(5)相同的特征，实质上是同一种滤色器排列。
另外，在具有基于基本排列图案P进行了说明的全部的特征(1)～(5)的滤色器排列中，本发明的滤色器排列的基本排列图案的尺寸最小，并且实质上只存在一种。
<根据其他观点确定的滤色器排列>
图3所示的第一实施方式的滤色器排列能够如下所述地进行确定。
如图6A所示，将RBGG的1×4像素的排列图案p设为一个单位，将该排列图案p重复配置在水平方向上，从而构成第一实施方式的滤色器排列的水平方向的一行量的滤光片排列。
另外，如图6B所示，对应于4×4像素的基本排列图案的垂直方向的四行(行L1～行L4)分别在水平方向上错开配置。
在此，对行L1～L4的各行的错开方法进行研究。
在图6B上，在上下方向上相邻的行中，下侧的行相对于上侧的行的错开量如下所述。
行L1相对于其上方的行L4向右方错开两个像素，行L2相对于其上方的行L1向右方错开一个像素，行L3相对于其上方的行L2向右方错开两个像素，行L4相对于其上方的行L3向右方错开三个像素，并使其重复。
即，行L1～L4相对于其上方的行分别向右方依次错开两个像素→一个像素→两个像素→三个像素→…地配置。作为各行L1～L4的错开方法的特征，在一个像素～三个像素的错开量的范围内，依次重复错开量的扩大、缩小。
如上所述，使用两个G连续的排列图案作为1×4像素的排列图案p，并且使行L1～L4如上所述地错开，由此构成具有上述特征(1)～(5)的滤色器排列。
[彩色摄像元件的第二实施方式]
图7是表示第二实施方式的滤色器排列的图。
第二实施方式的彩色摄像元件的滤色器排列适用于多个像素排列成倾斜格子状的彩色摄像元件上，这一点与第一实施方式不同。
即，图7所示的彩色摄像元件的二维排列的多个像素排列成倾斜格子状。由此，彼此相邻的水平方向的行上的像素对应每行各错开1/2个像素间距地配置。
而且，图7所示的彩色摄像元件的滤色器排列包含由对应于4×4像素的倾斜格子排列图案构成的基本排列图案P，该基本排列图案P呈倾斜格子状地重复配置。
第二实施方式的滤色器排列对应于使图3所示的第一实施方式的滤色器排列旋转45°的滤色器排列。
因此，第二实施方式的滤色器排列具有与第一实施方式的滤色器排列的特征(1)～(5)相同的特征。
另外，在多个像素排列成倾斜格子状的彩色摄像元件的情况下，与排列成正方格子状的彩色摄像元件相比，水平以及垂直方向上的能够再现的频带为倍，与人视觉的频率特性在水平以及垂直方向上比在倾斜方向上高的特性一致，可以说是在视觉上有利的结构。
另外，在如第二实施方式那样多个像素排列成倾斜格子状的彩色摄像元件的情况下，斜右上方向相当于本发明的第一方向以及第二方向中的一方向，斜右下方向相当于本发明的第三方向以及第四方向中的另一方向。
[彩色摄像元件的第三实施方式]
图8是表示第三实施方式的滤色器排列的图。
第三实施方式的彩色摄像元件的滤色器排列与图3所示的第一实施方式相比，不同点在于，基本排列图案内的G滤光片中的一部分置换为透明滤光片(以下称为“W滤光片”)。
第三实施方式的滤色器排列中，对应于亮度类像素的G滤光片以及W滤光片中的至少一方配置在滤色器排列的水平方向、垂直方向、斜右上方向以及斜右下方向的各行内，并且R滤光片、B滤光片在基本排列图案内，在滤色器排列的水平方向以及垂直方向的各行内分别各配置一个。
另外，第三实施方式的滤色器排列的基本排列图案内的对应于R、G、B、W滤光片的R像素、G像素、B像素以及W像素的像素数分别配置有六个像素、四个像素、四个像素以及两个像素。即，R、G+W、B像素的各像素数的比率为1：2：1，亮度类像素(G像素、W像素)的总像素数的比率是R像素、B像素的各像素数的比率的2倍。
如上述那样，第三实施方式的彩色摄像元件的滤色器排列具有与第一实施方式的彩色摄像元件的滤色器排列的特征(1)～(5)相同的特征。
另外，作为第三实施方式的滤色器排列的变形例，也可以对G滤光片与W滤光片的位置进行置换。在该情况下，亮度方向的判别能够基于相邻的W像素的像素值来进行。
<R、G、B、W像素的分光灵敏度特性>
图9是表示具有R滤光片、G滤光片、B滤光片以及W滤光片的各光电二极管(R、G、B、W像素)的分光灵敏度特性的一例的坐标图。
如图9所示，具有W滤光片的W像素的分光灵敏度特性是对R、G、B像素的分光灵敏度特性进行相加的分光灵敏度特性，其灵敏度的波长区域包含R、G、B像素的灵敏度的波长区域。
另外，W滤光片的透过率的峰值(W像素的灵敏度的峰值)处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内，W滤光片的透过率在波长为500nm以上且560nm以下的范围内，比RB滤光片的透过率高。
然而，G像素的图像信号的生成亮度信号时的贡献率比R像素以及B像素的图像信号的生成亮度信号时的贡献率高。若具体地说明，则上述图像处理部16根据对应每个像素具有全部RGB的颜色信息的RGB像素信号，按照下述[数学式1]生成Y信号。
[数学式1]
Y＝0.3R+0.59G+0.11B
在该[数学式1]中，由于G色的贡献率为59％，所以G色的贡献率比R色(贡献率30％)、B色(贡献率11％)的贡献率高。因此，G色是三原色中对亮度信号贡献最多的颜色。
另外，W像素的图像信号是能够直接构成亮度信号的信号，但是在G像素与W像素混合在一起的上述实施方式的彩色摄像元件的情况下，通过以一定的比例混合通过上述[数学式1]算出的亮度信号与W像素的图像信号(亮度信号)，从而生成亮度信号。W像素的图像信号比G像素的图像信号接近亮度信号，当然也比R像素以及B像素的图像信号接近亮度信号，如下式那样算出。
[数学式2]
Y＝0.5W+0.5(0.3R+0.59G+0.11B)
即，对应于本发明的一种颜色以上的第一色的亮度类像素(G像素、W像素)的用于获得亮度信号的贡献率至少在50％以上，对应于第一色以外的两种颜色以上的第二色的各像素(R像素、B像素)的用于获得亮度信号的贡献率小于50％。在此，50％是为了通过用于获得亮度信号的贡献率来对第一色与第二色进行区别而设定的值，以“第一色”包含用于获得亮度信号的贡献率与R色、B色等相比相对高的颜色的方式设定的值。
在上述第三个实施方式中，作为具有本发明的第一色的第一滤光片，以G色的G滤光片与透明的W滤光片为例进行了说明，但是也可以代替G滤光片，或者代替G滤光片的一部分，而采用满足下述条件(1)至条件(4)中的任一条件的滤光片。
<第一滤光片(第一色)的条件>
〔条件(1)〕
条件(1)是：如上述那样用于获得亮度信号的贡献率为50％以上。
G色以外的颜色的贡献率也能够通过实验、模拟取得。因此，也可以采用具有除G色以外、贡献率为50％以上的颜色的滤光片作为本发明的第一滤光片。另外，贡献率小于50％的颜色是本发明的第二色(R色、B色等)，具有该颜色的滤光片构成本发明的第二滤光片。
〔条件(2)〕
条件(2)是：滤光片的透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内。滤光片的透过率采用由例如分光光度计测定的值。该波长范围是用于区分本发明的第一色(G色等)与第二色(R、B色等)而设定的范围，以不包含上述贡献率相对低的R色、B色等的峰值、并且包含贡献率相对高的G色等的峰值的方式设定的范围。因此，能够采用透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内的滤光片作为第一滤光片。另外，透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围外的滤光片构成本发明的第二滤光片(R滤光片、B滤光片)。
〔条件(3)〕
条件(3)是：波长为500nm以上且560nm以下的范围内的透过率比第二滤光片(R滤光片、B滤光片)的透过率高。在该条件(3)中，滤光片的透过率也采用由例如分光光度计测定的值。该条件(3)的波长范围也是用于区分本发明的第一色(G色等)与第二色(R、B色等)而设定的范围，是具有与R色、B色相比上述贡献率相对高的颜色的滤光片的透过率比RB滤光片等的透过率高的范围。因此，能够采用透过率在波长为500nm以上且560nm以下的范围内相对高的滤光片作为第一滤光片，采用透过率相对低的滤光片作为第二滤光片。
〔条件(4)〕
条件(4)是：采用包含三原色中对亮度信号贡献最多的颜色(例如RGB中的G色)和不同于该三原色的颜色(第四颜色)的两种颜色以上的滤光片作为第一滤光片。在该情况下，对应于第一滤光片的各颜色以外的颜色的滤光片构成第二滤光片。
<透明滤光片(W滤光片)>
在第三实施方式中示出了由对应于RGB色以及透明色的RGBW滤光片构成的滤色器。
W滤光片是透明色(第一色)的滤光片。W滤光片能够透过对应于可见光的波长区域的光，是例如RGB的各颜色的光的透过率为50％以上的滤光片。由于W滤光片的透过率比G滤光片的透过率高，因此用于获得亮度信号的贡献率也比G色(59％)高，满足上述条件(1)。
图9是表示具有R滤光片、G滤光片、B滤光片以及W滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的一例的坐标图。
在表示滤色器排列(受光元件)的分光灵敏度特性的图9中，W滤光片的透过率的峰值(白色像素的灵敏度的峰值)处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内。另外，W滤光片的透过率在波长为500nm以上且560nm以下的范围内，比RB滤光片的透过率高。因此，W滤光片也满足上述条件(2)、(3)。另外，G滤光片与W滤光片相同，也满足上述条件(1)～(3)。
如此，由于W滤光片满足上述条件(1)～(3)，所以能够用作本发明的第一滤光片。另外，在滤色器排列中，由于将对应于RGB三原色中对亮度信号贡献最多的G色的G滤光片的一部分置换成W滤光片，所以也满足上述条件(4)。
<多种第一滤光片(G滤光片)>
作为第一滤光片的G色的G滤光片不限定于一种，也能够采用例如多种G滤光片作为第一滤光片。即，上述实施方式的滤色器(基本排列图案)的G滤光片也可以适当置换成G1滤光片、G2滤光片。
图10是表示具有R滤光片、G1滤光片、G2滤光片以及B滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的一例的坐标图。G1滤光片透过第一波长区域的G光，G2滤光片透过与G1滤光片相关性高的第二波长区域的G光。
作为G1滤光片，能够采用现有的G滤光片(例如第一实施方式的G滤光片)。另外，作为G2滤光片，能够采用与G1滤光片相关性高的滤光片。在该情况下，配置有G2滤光片的受光元件的分光灵敏度曲线的峰值优选处于例如波长为500nm至535nm的范围(配置有现有的G滤光片的受光元件的分光灵敏度曲线的峰值的附近)。另外，决定四种颜色(R、G1、G2、B)的滤色器的方法可以采用例如日本特开2003－284084号所记载的方法。
如此将由彩色摄像元件取得的图像的颜色分为四种，增加所取得的颜色信息，由此与仅取得三种颜色(RGB)的情况相比，能够更准确地表现颜色。即，能够将眼睛看起来不一样的颜色再现为不一样的颜色，能够将看起来相同的颜色再现为相同的颜色(提高“颜色的判别性”)。
另外，由于G1以及G2滤光片的透过率与第一实施方式的G滤光片的透过率基本相同，所以用于获得亮度信号的贡献率比50％高。因此，G1以及G2滤光片满足上述条件(1)。
另外，在表示滤色器排列(受光元件)的分光灵敏度特性的图10中，G1、G2滤光片的透过率的峰值(各G像素的灵敏度的峰值)处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内。G1、G2滤光片的透过率在波长为500nm以上且560nm以下的范围内，比RB滤光片的透过率高。因此，G1、G2滤光片也满足上述条件(2)、(3)。
另外，G1、G2滤光片的配置、个数也可以适当变更。另外，也可以将G滤光片的种类增加到三种以上。
<翠绿色滤光片(E滤光片)>
也可以将第一实施方式的滤色器排列的G滤光片的一部分置换成使翠绿(E)色透过的E滤光片。由此能够提高亮度高的区域成分的再现，减少锯齿，并且能够提高分辨率。
图11是表示具有R滤光片、G滤光片、B滤光片以及E滤光片的各光电二极管的分光灵敏度特性的一例的坐标图。
在表示滤色器排列(受光元件)的分光灵敏度特性的图11中，E滤光片的透过率的峰值(E像素的灵敏度的峰值)处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内。另外，E滤光片的透过率在波长为500nm以上且560nm以下的范围内比RB滤光片的透过率高。因此，E滤光片满足上述条件(2)、(3)、(4)。
另外，在图11所示的分光特性中，E滤光片与G滤光片相比在短波长侧具有峰值，但也存在与G滤光片相比在长波长侧具有峰值(看起来稍偏黄色的颜色)的情况。如此，作为E滤光片能够选择满足本发明的各条件的滤光片，例如可以选择满足条件(1)的翠绿色滤光片E。
<其他颜色的种类>
在上述各实施方式中，对由原色RGB的滤色器构成的滤色器排列进行了说明，但也可以将本发明适用于在作为例如原色RGB的互补色的C(青色)、M(品红色)、Y(黄色)中加入G的四种颜色的互补色系的滤色器的滤色器排列。在该情况下，也将满足上述条件(1)～(4)中的任一条件的滤色器作为本发明的第一滤光片，将其他滤色器作为第二滤光片。
[其他]
作为在RGB的三原色的滤色器上追加其他颜色的滤色器的实施方式，对例如追加了作为三原色以外的第四颜色的一例的透明(W)、绿色(G2)或者翠绿色(E)的各颜色的滤色器的例子进行了说明，但滤色器的种类不限定于上述实施方式。也可以使用例如使红外区域透过(未配置红外截止滤光片)、并对可见光的波长区域进行截止的滤光片作为其他颜色的滤光片。
另外，本发明也能够适用于在原色RGB的互补色即C(青色)、M(品红色)、Y(黄色)中加入G的四种颜色的互补色系的滤色器的滤色器排列。
在上述实施方式中，对搭载于数码相机的彩色摄像元件进行了说明，也能够将本发明适用于搭载于例如智能手机、手机、PDA等具有摄影功能的各种电子设备(摄像装置)的彩色摄像元件。
此外，本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内当然能够进行各种变形。
附图标记说明
9…数码相机、10…摄影光学系统、12…彩色摄像元件、14…摄影处理部、16…图像处理部、18…驱动部、20…控制部、21…像素、22…滤色器排列、23B…B滤光片、23G…G滤光片、23R…R滤光片、P、P’、P”…基本排列图案

Claims (7)

1.一种彩色摄像元件，是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，
所述滤色器的排列包含将所述滤色器沿所述第一方向和所述第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且该基本排列图案沿所述第一方向和所述第二方向重复配置，
所述滤色器的排列具有与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片和与用于获得亮度信号的贡献率比所述第一色低的两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，
所述第一滤光片在所述滤色器的排列的包含所述第一方向、所述第二方向、相对于所述第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在所述基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，
与所述第二色的各色对应的所述第二滤光片在所述基本排列图案内的所述第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，
所述滤色器的排列包含在所述第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的所述第一滤光片。
2.一种彩色摄像元件，是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，
所述滤色器的排列包含将所述滤色器沿所述第一方向和所述第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且该基本排列图案沿所述第一方向和所述第二方向重复配置，
所述滤色器的排列具有：透过率的峰值处于波长为480nm以上且570nm以下的范围内的与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片；以及透过率的峰值处于所述范围之外的与两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，
所述第一滤光片在所述滤色器的排列的包含所述第一方向、所述第二方向、相对于所述第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在所述基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，
与所述第二色的各色对应的所述第二滤光片在所述基本排列图案内的所述第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，
所述滤色器的排列包含在所述第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的所述第一滤光片。
3.一种彩色摄像元件，是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，
所述滤色器的排列包含将所述滤色器沿所述第一方向和所述第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且该基本排列图案沿所述第一方向和所述第二方向重复配置，
所述滤色器具有与一种颜色以上的第一色对应的第一滤光片和在波长为500nm以上且560nm以下的范围内透过率比所述第一滤光片低的与两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，
所述第一滤光片在所述滤色器的排列的包含所述第一方向、所述第二方向、相对于所述第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在所述基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，
与所述第二色的各色对应的所述第二滤光片在所述基本排列图案内的所述第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，
所述滤色器的排列包含在所述第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的所述第一滤光片。
4.一种彩色摄像元件，是在由排列于第一方向和与第一方向垂直的第二方向上的光电转换元件构成的多个像素上配置滤色器而成的单板式彩色摄像元件，
所述滤色器的排列包含将所述滤色器沿所述第一方向和所述第二方向以与4×4像素对应的排列图案排列而成的基本排列图案，并且该基本排列图案沿所述第一方向和所述第二方向重复配置，
所述滤色器排列具有：与包含三原色中对亮度信号贡献最大的颜色和颜色与所述三原色不同的第四色在内的两种颜色以上的第一色对应的第一滤光片；以及与所述第一色以外的两种颜色以上的第二色对应的第二滤光片，
所述第一滤光片在所述滤色器的排列的包含所述第一方向、所述第二方向、相对于所述第一方向和第二方向倾斜的第三方向和第四方向在内的各方向的像素行内配置有一个以上，并且在所述基本排列图案内的第一方向和第二方向的各像素行内配置有两个，
与所述第二色的各色对应的所述第二滤光片在所述基本排列图案内的所述第一方向和第二方向的各像素行内分别配置有一个，
所述滤色器的排列包含在所述第一方向、第二方向、第三方向和第四方向上分别连续两个像素以上的所述第一滤光片。
5.根据权利要求4所述的彩色摄像元件，其中，
用于获得亮度信号的所述第一色的贡献率为50％以上，用于获得亮度信号的所述第二色的贡献率小于50％。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的彩色摄像元件，其中，
所述第一色包含第一绿色(G)、波长区域与第一G不同的第二G和白色(W)中的一种颜色以上的颜色，所述第二色包含红色(R)、蓝色(B)。
7.一种摄像装置，具有：
摄影光学系统；
彩色摄像元件，经由所述摄影光学系统使被摄体像成像；及
图像数据生成部，生成表示成像后的所述被摄体像的图像数据，
所述彩色摄像元件是权利要求1～6中任一项所述的彩色摄像元件。
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