CN105580360A - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

摄像装置具有：多个第一像素，其包含多个颜色成分的像素，根据入射光来生成第一信号；多个第二像素，其根据从所述第一像素的至少一部分透射的光来生成第二信号；以及信号生成部，其生成将所述第一信号与所述第二信号合成得到的信号。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及一种摄像装置。
背景技术
以往，已知有一种配置了彩色滤光片的摄像元件(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-282109号公报
发明内容
在以往的技术中，向各像素入射的光是透射了彩色滤光片的光。因此，例如就接收G(绿色)的光的G像素而言，除了G以外的光被彩色滤光片吸收，并不使用。另外，在G像素中，G的光本身也并非全部都被使用，该G的光的一部分被彩色滤光片吸收或者反射。像这样，在以往的技术中入射光的利用效率很低。
根据本发明的第一方式，摄像装置具有：多个第一像素，其包含多个颜色成分的像素，根据入射光来生成第一信号；多个第二像素，其根据从所述第一像素的至少一部分透射的光来生成第二信号；以及信号生成部，其生成将所述第一信号与所述第二信号合成得到的信号。
根据本发明的第二方式，在第一方式的摄像装置中，优选地，所述第一像素对入射光中的规定的颜色成分的光进行光电转换来生成所述第一信号，并使剩余的颜色成分的光透射，所述信号生成部通过将所述第一信号与所述第二信号相加来生成亮度信号。
根据本发明的第三方式，在第二方式的摄像装置中，优选地，所述第一像素包含对第一颜色成分的光进行光电转换的像素、对第二颜色成分的光进行光电转换的像素和对第三颜色成分的光进行光电转换的像素，所述信号生成部使用所述第一信号来生成色差信号。
根据本发明的第四方式，在第三方式的摄像装置中，优选地，所述信号生成部在各像素位置，使用所述第一信号进行颜色插补处理来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号，基于所述第一颜色成分～所述第三颜色成分的信号之比和所述亮度信号来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的图像信号，并基于所述图像信号或者基于所述图像信号和所述亮度信号来生成所述色差信号。
根据本发明的第五方式，在第三或第四方式的摄像装置中，优选地，所述第一颜色成分是红色，所述第二颜色成分是绿色，所述第三颜色成分是蓝色，所述第一像素是通过拜耳阵列来排列的。
根据本发明的第六方式，摄像装置具有：摄像元件，其具有第一光电转换层和第二光电转换层，所述第一光电转换层二维地排列有对入射光中的规定的颜色成分的光进行光电转换并使剩余的颜色成分的光透射的像素，所述第二光电转换层与所述第一光电转换层层叠地配置在同一光路上，并二维地排列有对从所述第一光电转换层透射的光进行光电转换的像素；以及图像生成部，其使用来自所述第一光电转换层的输出信号和来自所述第二光电转换层的输出信号，来生成彩色图像信号，所述图像生成部通过将来自所述第一光电转换层的输出信号与来自所述第二光电转换层的输出信号相加，来生成所述彩色图像信号中的亮度信号。
根据本发明的第七方式，在第六方式的摄像装置中，优选地，所述第一光电转换层具有对第一颜色成分的光进行光电转换的第一像素、对第二颜色成分的光进行光电转换的第二像素和对第三颜色成分的光进行光电转换的第三像素，所述图像生成部使用来自所述第一光电转换层的输出信号来生成所述彩色图像信号中的色差信号。
根据本发明的第八方式，在第七方式的摄像装置中，优选地，所述图像生成部针对所述摄像元件的各像素，使用所述第一光电转换层的输出信号进行颜色插补处理来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号，基于所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号之比和所述亮度信号来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的图像信号，并基于所述图像信号或者基于所述图像信号和所述亮度信号来生成所述色差信号。
根据本发明的第九方式，在第七或第八方式的摄像装置中，优选地，所述第一颜色成分是红色，所述第二颜色成分是绿色，所述第三颜色成分是蓝色，所述第一像素至所述第三像素是通过拜耳阵列来排列的。
发明效果
采用本发明，能够提高入射光的利用效率。
附图说明
图1是说明数码相机的结构例的框图。
图2是说明摄像元件的概要的图。
图3是说明像素的配置例的图。
图4是说明生成Y信号的方法的图。
图5是说明生成CbCr信号的方法的图。
图6是示出在摄像元件中未配置有彩色滤光片的情况下和配置有彩色滤光片的情况下的相对光谱例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，针对用于实施本发明的方式进行说明。图1是例示本发明的一个实施方式的数码相机1的结构的图。数码相机1具有摄像光学系统10、摄像元件11、控制部12、操作部13、图像处理部14、液晶监视器15以及缓冲存储器16。另外，在数码相机1中安装有存储卡17。
控制部12由微处理器以及该微处理器的外围电路构成，通过执行在未图示的ROM(ReadOnlyMemory：只读存储器)中保存的控制程序，来对数码相机1进行各种控制。
摄像元件11由多个像素构成，经由摄像光学系统10接收来自被摄体的光束，进行光电转换并输出模拟图像信号或者数字图像信号。在从摄像元件11输出模拟图像信号的情况下，利用未图示的AD转换电路进行AD转换以变成数字图像信号。该数字图像信号保存于缓冲存储器16。
针对在缓冲存储器16中保存的数字图像信号在图像处理部14中进行各种图像处理，并将其显示于液晶监视器15或者保存于存储卡17。存储卡17由非易失的闪存等构成，其相对于数码相机1可装拆。
操作部13由释放按钮和/或模式切换按钮、电源按钮等各种操作按钮构成，并由摄影者操作。操作部13向控制部12输出与摄影者对上述各操作按钮的操作对应的操作信号。图像处理部14由ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit：专用集成电路)等构成。图像处理部14对由摄像元件11拍摄得到的图像数据进行插补、压缩、白平衡等各种图像处理和/或后述的图像生成处理。
＜摄像元件的说明＞
图2是示出本实施方式的摄像元件11的概要的图。此外，在图2中示出将摄像元件11的光入射侧设为上侧的状态。因此，在以下的说明中，将摄像元件11的光入射侧的方向设为“上方”或者“上”，将光入射侧相反一侧的方向设为“下方”或者“下”。摄像元件11具有上部光电转换层31和下部光电转换层32。上部光电转换层31和下部光电转换层32层叠配置于同一光路。上部光电转换层31由吸收(光电转换)规定的颜色成分(详细情况如后所述)的光的有机光电膜构成。未被上部光电转换层31吸收(光电转换)的颜色成分的光会从上部光电转换层31透射而入射至下部光电转换层32，并由下部光电转换层32进行光电转换。下部光电转换层32由吸收(光电转换)可见光的全部波长的光的有机光电膜构成。上部光电转换层31和下部光电转换层32形成在同一个半导体基板上，且各像素位置一一对应。例如上部光电转换层31的第一行第一列的像素与下部光电转换层32的第一行第一列的像素对应。
图3的(a)是示出上部光电转换层31的像素配置的图。在图3的(a)中，将横向设为x轴，将纵向设为y轴，将像素P的坐标标记为P(x，y)。在上部光电转换层31中，各像素以例如拜耳(Bayer)阵列来配置。即，如图3的(a)所示，在奇数行上R像素与G像素交错地配置，在偶数行上G像素与B像素交错地配置，该R像素对R(红色)的光进行光电转换，该G像素对G(绿色)的光进行光电转换，该B像素对B(蓝色)的光进行光电转换。在上部光电转换层31的各像素中没有被光电转换(吸收)的颜色成分的光从上部光电转换层31透射。例如，在上部光电转换层31的像素P(1，1)中，由于R成分的光被吸收并被光电转换，所以除了R成分以外的颜色成分的光透射过去。
图3的(b)是示出下部光电转换层32的像素配置的图。此外，图3的(b)所示的各像素位置与图3的(a)相同。例如下部光电转换层32的像素P(1，1)与上部光电转换层31的像素P(1，1)对应。在下部光电转换层32中二维地配置有能够吸收可见光的全部波长的光的像素。因此，下部光电转换层32的各像素将未被上部光电转换层31吸收的(即从上部光电转换层31透射的)全部可见光都吸收并进行光电转换。因此，例如，下部光电转换层32的像素P(1，1)将未被上部光电转换层31的像素P(1，1)吸收的可见光，即将含有除了R成分以外的颜色成分的可见光吸收并进行光电转换。
＜图像生成处理＞
以下，针对使用从上述的摄像元件11输出的信号来生成YCbCr形式的彩色图像信号的图像生成处理进行说明。首先，使用图4，对生成彩色图像信号中的Y信号(亮度信号)的方法进行说明。
如上所述，在摄像元件11中，上部光电转换层31的各像素吸收RGB中的某一种光来进行光电转换，下部光电转换层32的各像素接收从上部光电转换层31透射的(即未被吸收的)颜色成分的光来进行光电转换。因此，若将来自上部光电转换层31的输出信号与来自下部光电转换层32的输出信号相加，则能够得到对向摄像元件11照射的可见光直接进行光电转换而产生的信号，即能够得到与以往的在摄像元件上未配置有彩色滤光片的情况下的输出信号同等的黑白信号。
因此，如图4所示，图像处理部14通过在各像素位置上将来自上部光电转换层31的输出信号与来自下部光电转换层32的输出信号相加，来生成彩色图像信号中的Y信号(亮度信号)。此外，在图4中，r表示来自上部光电转换层31的R像素的输出信号，g表示来自上部光电转换层31的G像素的输出信号，b表示来自上部光电转换层31的B像素的输出信号。另外，w表示来自配置于下部光电转换层32的像素的输出信号，该像素吸收可见光的全部波长的光。图像处理部14根据以下的计算式(1)来求出在上部光电转换层31的R像素的位置的Y信号，根据以下的计算式(2)求出在G像素的位置的Y信号，根据以下的计算式(3)求出在B像素的位置的Y信号。此外，图像处理部14在0～1的范围内将Y信号标准化。
Y＝r+w(1)
Y＝g+w(2)
Y＝b+w(3)
以下，使用图5，对生成彩色图像信号中的CbCr信号(色差信号)的方法进行说明。首先，图像处理部14针对从上部光电转换层31输出的拜耳阵列的图像信号，一边进行用于白平衡、光谱调整的矩阵转换，一边进行去马赛克(Demosaic)处理(颜色插补处理)，来求出各像素的R成分、G成分以及B成分的信号值。以下，将通过去马赛克处理得到的R成分的信号标记为r’信号，将通过去马赛克处理得到的G成分的信号标记为g’信号，将通过去马赛克处理得到的B成分的信号标记为b’信号。图像处理部14在0～1的范围内将r’信号、g’信号以及b’信号标准化。
然后，图像处理部14使用Y信号和通过上述去马赛克处理得到的r’g’b’信号来求出彩色图像信号中的RGB信号。首先，针对求出彩色图像信号中的R信号的情况进行说明。在本实施方式中，使用由计算式(4)所示的以ITU-RBT.601标准决定的SDTV用的关系式作为一个例子。
Y＝0.299R+0.587G+0.114B(4)
假定彩色图像信号中的R信号、G信号以及B信号之比与通过上述去马赛克处理得到的r信号、g信号以及b信号之比相同，即，R：G：B＝r’：g’：b’，则得出计算式(5)以及计算式(6)。
G＝(g’÷r’)R(5)
B＝(b’÷r’)R(6)
若将计算式(5)以及计算(6)代入计算式(4)，则得到以下的计算式(7)。
Y＝0.299R+0.587R(g’÷r’)+0.114R(b’÷r’)(7)
若将计算式(7)变形，则得到以下的计算式(8)。
R＝[r’÷(0.299r’+0.587g’+0.114b’)]Y(8)
图像处理部14通过将上述通过去马赛克处理得到的r’g’b’信号和Y信号代入计算式(8)，来求出彩色图像信号中的R信号。
同样地，图像处理部14通过将通过上述去马赛克处理得到的r’g’b’信号和Y信号代入计算式(9)以及(10)，来求出彩色图像信号中的G信号以及B信号。此外，计算式(9)以及(10)是在与上述R信号的情况同样的情况下创建出的表达式。
G＝[g’÷(0.299r’+0.587g’+0.114b’)]Y(9)
B＝[b’÷(0.299r’+0.587g’+0.114b’)]Y(10)
如此，图像处理部14使用r’信号、g’信号以及b’信号之比和Y信号来求出彩色图像信号中的RGB信号。
然后，图像处理部14将根据上述计算式(8)～(10)求出的RGB信号代入以下的计算式(11)以及(12)来求出Cr信号以及Cb信号。此外，计算式(11)以及(12)是以ITU-RBT.601标准决定的SDTV用的关系式。
Cr＝0.500R-0.419G-0.081B(11)
Cb＝-0.169R-0.331G+0.500B(12)
此外，图像处理部14也可以通过将Y信号、R信号以及B信号代入以下的计算式(13)以及(14)来求出Cr信号以及Cb信号。此外，计算式(13)以及(14)也是以ITU-RBT.601标准决定的SDTV用的关系式。
Cr＝0.713(R-Y)(13)
Cb＝0.564(B-Y)(14)
如上所述，图像处理部14使用从上部光电转换层31和下部光电转换层32输出的信号来生成YCbCr形式的彩色图像信号。
若采用以上说明的实施方式，则得到以下的作用效果。
(1)数码相机1具有：摄像元件11，其具有二维地配置有对入射光中的规定的颜色成分的光进行光电转换并使剩余的颜色成分的光透射的像素的上部光电转换层31、以及与上部光电转换层31在同一光路上层叠配置、且二维地排列有对从上部光电转换层31透射了的光进行光电转换的像素的下部光电转换层32；以及图像处理部14，其使用来自上部光电转换层31的输出信号与来自下部光电转换层32的输出信号，来生成YCbCr形式的彩色图像信号。图像处理部14通过将来自上部光电转换层31的输出信号与来自下部光电转换层32的输出信号相加来生成彩色图像信号中的亮度信号(Y信号)。由此，本实施方式的数码相机1与以往相比，能够提高入射光的利用效率，且能够获得高的信号输出，能够提高Y信号的S/N比(信噪比)。
此处，作为参考，在图6中示出在以往的摄像元件中未配置彩色滤光片的情况与以拜耳阵列配置有彩色滤光片的情况下的相对光谱例子。此外，在图6中，横轴表示波长，纵轴表示输出，各光谱都将峰值输出标准化为1。例如，当着眼于波长550nm附近的光谱时，与未配置彩色滤光片的情况相比，在以拜耳阵列配置有彩色滤光片的情况下的G输出明显其输出变低。即，在以拜耳阵列配置有彩色滤光片的情况下，与未配置彩色滤光片的情况相比，即使是接近G的峰值的波长也没能够利用得了全部的光。另外，与G不同的波长的光被使用的比例非常低。如此，在以往的配置了彩色滤光片的摄像元件中，入射光的利用效率很低。与此相对，在本实施方式的数码相机1中，能够利用在以往的摄像元件中被彩色滤光片吸收掉的光，与以往相比，能够提高入射光的利用效率。
(2)在数码相机1中，图像处理部14对上部光电转换层31的各像素进行去马赛克处理(颜色插补处理)来生成r’g’b’信号，使用r’g’b’信号之比和Y信号来生成彩色图像信号中的RGB信号，根据规定的转换式(计算式(11)和计算式(12))来生成CbCr信号。如此，在本实施方式中，不是像以往的摄像元件那样将通过去马赛克处理得到的r’g’b’信号直接用作彩色图像信号中的RGB信号，而是使用Y信号来求出彩色图像信号中的RGB信号。其理由如下。
例如，在上部光电转换层31是R像素的像素位置，无法得到G成分和B成分的信息，因此，就作为去马赛克处理的结果而得到的G成分和B成分的信号值而言，是根据该R像素附近的G像素以及B像素的信号值进行插补而得到的值。另一方面，在上部光电转换层31是R像素的像素位置，来自下部光电转换层32的输出信号中含有与G成分和B成分有关的信息。因此，若利用来自下部光电转换层32的输出信号，则预测能够得到与通过去马赛克处理得到的图像信号相比色彩再现性更高的图像信号。因此，本实施方式的数码相机1利用将上部光电转换层31与下部光电转换层32相加得到的Y信号，来求出彩色图像信号中的RGB信号。通过这样，能够得到色彩再现性比以往更高的图像信号。
(变形例1)
在上述的实施方式中，针对如下的例子进行了说明，即，使用对来自上部光电转换层31的输出信号进行去马赛克处理的结果而得到的r’'g’b’信号之比和Y信号，来求出彩色图像信号中的RGB信号的例子。但是，也可以将对来自上部光电转换层31的输出信号进行去马赛克处理的结果而得到的r’'g’b’信号直接用作彩色图像信号中的RGB信号，根据上述计算式(11)以及(12)或者计算式(13)以及(14)来生成CbCr信号。
(变形例2)
在上述的实施方式中，针对在上部光电转换层31中以拜耳阵列配置有像素的例子进行了说明，但是像素的配置也可以不限于此。另外，在上述的实施方式中，针对在上部光电转换层31中配置有R像素、G像素以及B像素的例子进行了说明，但是并不限于此，例如，也可以配置有接收Cy(青色)的光的Cy像素、接收Mg(品红色)的光的Mg像素以及接收Ye(黄色)的光的Ye像素。
(变形例3)
在上述的实施方式中，针对下部光电转换层32由有机光电膜构成的例子进行了说明，但是也可以由光电二极管构成。
在上述说明中，说明了各种各样的实施方式以及变形例，但是本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术的思想的范围内能够想到的其他方式也包含在本发明的范围内。
下面的优先权基础申请的公开内容作为引用文献被援引加入本发明中。
日本国专利申请2013年第142761号(2013年7月8日申请)
附图标记说明
1数码相机，10摄像光学系统，11摄像元件，12控制部，14图像处理部，31上部光电转换层，32下部光电转换层。

Claims (9)

1.一种摄像装置，其特征在于，具有：
多个第一像素，其包含多个颜色成分的像素，根据入射光来生成第一信号；
多个第二像素，其根据从所述第一像素的至少一部分透射的光来生成第二信号；以及
信号生成部，其生成将所述第一信号与所述第二信号合成得到的信号。
2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一像素对入射光中的规定的颜色成分的光进行光电转换来生成所述第一信号，并使剩余的颜色成分的光透射，
所述信号生成部通过将所述第一信号与所述第二信号相加来生成亮度信号。
3.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一像素包含对第一颜色成分的光进行光电转换的像素、对第二颜色成分的光进行光电转换的像素和对第三颜色成分的光进行光电转换的像素，
所述信号生成部使用所述第一信号来生成色差信号。
4.如权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，
所述信号生成部在各像素位置，使用所述第一信号进行颜色插补处理来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号，基于所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号之比和所述亮度信号来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的图像信号，并基于所述图像信号或者基于所述图像信号和所述亮度信号来生成所述色差信号。
5.如权利要求3或4所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一颜色成分是红色，所述第二颜色成分是绿色，所述第三颜色成分是蓝色，所述第一像素是通过拜耳阵列来排列的。
6.一种摄像装置，其特征在于，具有：
摄像元件，其具有第一光电转换层和第二光电转换层，所述第一光电转换层二维地排列有对入射光中的规定的颜色成分的光进行光电转换并使剩余的颜色成分的光透射的像素，所述第二光电转换层与所述第一光电转换层层叠地配置在同一光路上，并二维地排列有对从所述第一光电转换层透射的光进行光电转换的像素；以及
图像生成部，其使用来自所述第一光电转换层的输出信号和来自所述第二光电转换层的输出信号，来生成彩色图像信号，
所述图像生成部通过将来自所述第一光电转换层的输出信号与来自所述第二光电转换层的输出信号相加，来生成所述彩色图像信号中的亮度信号。
7.如权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一光电转换层具有对第一颜色成分的光进行光电转换的第一像素、对第二颜色成分的光进行光电转换的第二像素和对第三颜色成分的光进行光电转换的第三像素，
所述图像生成部使用来自所述第一光电转换层的输出信号来生成所述彩色图像信号中的色差信号。
8.如权利要求7所述的摄像装置，其特征在于，
所述图像生成部针对所述摄像元件的各像素，使用所述第一光电转换层的输出信号进行颜色插补处理来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号，基于所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的信号之比和所述亮度信号来求出所述第一颜色成分至所述第三颜色成分的图像信号，并基于所述图像信号或者基于所述图像信号和所述亮度信号来生成所述色差信号。
9.如权利要求7或8所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一颜色成分是红色，所述第二颜色成分是绿色，所述第三颜色成分是蓝色，所述第一像素至所述第三像素是通过拜耳阵列来排列的。
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