JP2004032350A

JP2004032350A - デジタルカメラ

Info

Publication number: JP2004032350A
Application number: JP2002185585A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 佐藤　公一
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP3955503B2

Abstract

【課題】画像の解像度を低下させることなく、光学的ノイズを効果的に除去する。
【解決手段】入射光はダイクロイックミラー１１によってＧの色成分とＲおよびＢの色成分に分離する。ＲおよびＢの色成分の光は、ＲＢ用トリミングフィルタ１３とＲＢ用光学ローパスフィルタ１４を通り、全反射ミラー１５において反射する。Ｇの色成分の光は全反射ミラー１２において反射し、Ｇ用トリミングフィルタ１６とＧ用光学ローパスフィルタ１７と光路長調整器１８を通る。そしてＧの色成分の光はダイクロイックミラー１９において反射して撮像素子２０の受光面に導かれる。全反射ミラー１５で反射したＲおよびＢの色成分の光は、ダイクロイックミラー１９を透過して撮像素子２０の受光面に導かれる。ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４のカットオフ周波数はＧ用光学ローパスフィルタ１７のカットオフ周波数よりも低い。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単板の撮像素子を備えたデジタルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単板の撮像素子を備えたデジタルカメラが知られており、撮像素子の受光面には、例えばベイヤー配列に従って配列されたカラーフィルタが設けられている。また撮像光学系から撮像素子までの光路には、光学的ノイズを除去するために光学ローパスフィルタが配設されており、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数はＧ、Ｒ、Ｂの色成分において共通である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ベイヤー配列のカラーフィルタを有する撮像素子を用いた場合、Ｇのサンプリング周波数はＲとＢのサンプリング周波数よりも高い。したがって、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数をＧの色成分に合わせると、ＲとＢの色成分の信号において、ナイキストの定理に従った折り返しが発生し、これは偽色の原因となる。逆に、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数をＲとＢの色成分に合わせると、Ｇの色成分の信号の帯域がＲとＢの色成分の信号の帯域に従って制限され、画像の解像度が低下する。
【０００４】
本発明は、画像の解像度を低下させることなく、光学的ノイズを効果的に除去することができるデジタルカメラを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るデジタルカメラは、単一の撮像素子と、撮像素子の受光面において、相対的に細かい画素ピッチで配設された第１のカラーフィルタ要素と相対的に粗い画素ピッチで配設された第２のカラーフィルタ要素とを有するカラーフィルタと、入射光を第１のカラーフィルタ要素の色成分と第２のカラーフィルタ要素の色成分とに分離する色分離光学部材と、第１のカラーフィルタ要素の色成分の光を透過させる第１の光学ローパスフィルタと、第２のカラーフィルタ要素の色成分の光を透過させる第２の光学ローパスフィルタと、第１および第２の光学ローパスフィルタを透過した光を合成して撮像素子の受光面に導く合成光学部材とを備えることを特徴としている。
【０００６】
第１のカラーフィルタ要素と第２のカラーフィルタ要素は、例えばベイヤー配列に従って配列され、この場合、第１のカラーフィルタ要素はグリーン（Ｇ）であり、第２のカラーフィルタ要素はレッド（Ｒ）とブルー（Ｂ）である。また、第２の光学ローパスフィルタのカットオフ周波数は第１の光学ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低い。
【０００７】
色分離光学部材と第１の光学ローパスフィルタの間には、第２のカラーフィルタ要素の色成分の光を除去するための第１のトリミングフィルタが設けられることが好ましい。同様に、色分離光学部材と第２の光学ローパスフィルタの間には、第１のカラーフィルタ要素の色成分の光を除去するための第２のトリミングフィルタが設けられることが好ましい。
【０００８】
第１の光学ローパスフィルタを通る光路の途中には、色分離光学部材から撮像素子までの光路長を調整するための光路長調整器が設けられることが好ましい。これは第１および第２の光学ローパスフィルタによって生じる光路長差を補正するためである。
【０００９】
合成光学部材と色分離光学系は、例えば、第１および第２のカラーフィルタ要素の色成分の光の一方を透過させ、かつ第１および第２のカラーフィルタ要素の色成分の光の他方を反射させるダイクロイックミラーである。
【００１０】
この場合、色分離光学部材によって分離された各色成分の光束をそれぞれ色合成光学部部材へ向けて反射させる２枚の全反射ミラーを備え、一方の全反射ミラーが色分離光学部材によって分離された一方の色成分光束の光路において第１または第２の光学ローパスフィルタの前段に配置され、他方の全反射ミラーが他方の色成分光路側において第２または第１の光学ローパスフィルタの後段に配置されていることが好ましい。このような構成によれば、ダイクロイックミラーおよび全反射ミラーがそれぞれ同一特性のものが利用でき、製造コストを低減することができる。
【００１１】
２枚の全反射ミラーと色合成光学部材と色合成光学部材とは、相互に平行に設けられるとともに長方形の各頂点上に配置され、２枚の全反射ミラーは長方形の対角線上に配置されていることが好ましい。この構成によれば、撮影レンズから撮像素子に至るまでの光路に無駄がなく、カメラの小型化が図られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるデジタルカメラの光学的な構成を概略的に示す図である。撮影レンズ１０の後方にはダイクロイックミラー１１が設けられ、ダイクロイックミラー１１の下方には全反射ミラー１２が配設されている。撮影レンズ１０を通過した入射光において、グリーン（Ｇ）の色成分はダイクロイックミラー１１によって反射し、全反射ミラー１２に導かれる。Ｇの色成分以外すなわちレッド（Ｒ）とブルー（Ｂ）の色成分はダイクロイックミラー１１を透過する。
【００１３】
ダイクロイックミラー１１の後方にはＲＢ用トリミングフィルタ１３とＲＢ用光学ローパスフィルタ１４が設けられ、ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４の後方には全反射ミラー１５が配設されている。ダイクロイックミラー１１を透過したＲとＢの色成分の光は、ＲＢ用トリミングフィルタ１３とＲＢ用光学ローパスフィルタ１４を透過し、全反射ミラー１５において反射される。ＲＢ用トリミングフィルタ１３はダイクロイックミラー１１とＲＢ用光学ローパスフィルタ１４の間に設けられ、ＲおよびＢの色成分の光のみを通すマゼンタフィルタであり、すなわち入射光をＧの色成分とＲおよびＢの色成分とに分離する。ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４はＲおよびＢの色成分の光からノイズ成分を除去する。
【００１４】
全反射ミラー１２の後方には、Ｇ用トリミングフィルタ１６とＧ用光学ローパスフィルタ１７と光路長調整器１８が設けられ、光路長調整器１８の後方にはダイクロイックミラー１９が配設されている。全反射ミラー１２において反射したＧの色成分の光は、Ｇ用トリミングフィルタ１６とＧ用光学ローパスフィルタ１７と光路長調整器１８を透過し、ダイクロイックミラー１９に導かれる。Ｇ用トリミングフィルタ１６はダイクロイックミラー１１とＧ用光学ローパスフィルタ１７の間に設けられ、Ｇの色成分の光のみを通すグリーンフィルタであり、これによりＲおよびＢの色成分の光が除去される。Ｇ用光学ローパスフィルタ１７はＧの色成分の光からノイズ成分を除去する。光路調整器１８は例えばガラス板からなり、ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４の方がＧ用光学ローパスフィルタ１７よりも厚いことに起因する光路長差を補正するために設けられる。
【００１５】
ダイクロイックミラー１９は全反射ミラー１５の下方に位置し、ダイクロイックミラー１９の下方には撮像素子２０が配設されている。光路長調整器１８を透過したＧの色成分の光はダイクロイックミラー１９において反射して撮像素子２０の受光面に導かれ、また全反射ミラー１５において反射したＲとＢの色成分の光はダイクロイックミラー１９を透過して撮像素子２０の受光面に導かれる。すなわち撮像素子２０は単板であり、ダイクロイックミラー１１において色分離されたＧ、Ｒ、Ｂの色成分の光は、全反射ミラー１５とダイクロイックミラー１９の作用によって合成され、撮像素子２０に入射する。
【００１６】
撮像素子２０の受光面上に結像した光学像は、撮像素子２０により光電変換され、画像信号として読み出される。この画像信号はアンプ２１により増幅され、ＡＤ変換器２２によりデジタル信号に変換される。デジタル画像信号は、映像信号処理回路２３において補間処理やガンマ補正等の各種信号処理が施された後、一時的にメモリ２４に格納される。メモリ２４から読み出された画像信号は画像信号処理回路２３において、画像圧縮処理が施され、記録用データにされた後、インターフェース回路２５を介して記録媒体であるメモリカード２６に記録される。
【００１７】
図１に示すように、ダイクロイックミラー１１、１９と全反射ミラー１２、１５の４枚のミラーは相互に平行に設けられ、長方形の頂点上に配置されている。ダイクロイックミラー１１、１９は対角線上に配置され、また全反射ミラー１２、１５は対角線上に位置している。ダイクロイックミラー１１から全反射ミラー１２までの光路長と全反射ミラー１５からダイクロイックミラー１９とは等しく、また、ダイクロイックミラー１１から全反射ミラー１５までの光路長と全反射ミラー１２からダイクロイックミラー１９までの光路長とは、光路調整器１８によって等しくなっている。したがって、撮影レンズ１０から撮像素子２０までの光路長は、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの色成分も全て等しく、色成分の分離による光路長のずれはない。一方、ダイクロイックミラー１１、１９および全反射ミラー１２、１５はそれぞれ同一特性であり、部品の共通化を図ることによって製造コストの上昇が抑えられている。
【００１８】
図２は撮像素子２０の受光面に設けられるカラーフィルタ２１におけるカラーフィルタ要素の配列を示している。これらのカラーフィルタ要素はＧ、ＲおよびＢであり、ベイヤー配列に従って配列されている。すなわち、奇数番目の行Ａ１にはＧとＲのカラーフィルタ要素が水平方向に交互に並び、偶数番目の行Ａ２にはＢとＧのカラーフィルタ要素が水平方向に交互に並んでおり、撮像素子２０を全体的に見ると、Ｇのカラーフィルタ要素はＲおよびＢのカラーフィルタ要素と比較して相対的に細かい画素ピッチで配設されている。
【００１９】
図３は、撮像素子２０によって得られた画像データにおける、Ｇの画素信号のサンプリングパターンを示している。奇数番目の行Ａ１ではＧ，Ｘ，Ｇ，Ｘ，Ｇ・・・の順にサンプリングされる（ただし、Ｘは何もサンプリングされないことを示す）。偶数番目の行Ａ２では、Ｘ，Ｇ，Ｘ，Ｇ，Ｘ・・・の順にサンプリングされる。すなわち、Ｇの画素信号は水平方向に１画素ピッチでサンプリングされる。
【００２０】
図４はＲの画素信号のサンプリングパターンを示している。奇数番目の行Ａ１ではＸ，Ｒ，Ｘ，Ｒ，Ｘ・・・の順にサンプリングされる。偶数番目の行Ａ２では、何もサンプリングされない。すなわち、Ｒの画素信号の水平方向におけるサンプリング周期は奇数番目の行Ａ１におけるサンプリング周期と同じであり、２画素ピッチである。
【００２１】
図５はＢの画素信号のサンプリングパターンを示している。奇数番目の行Ａ１では何もサンプリングされない。偶数番目の行Ａ２では、Ｂ，Ｘ，Ｂ，Ｘ，Ｂ・・・の順にサンプリングされる。すなわち、Ｂの画素信号は水平方向に２画素ピッチでサンプリングされる。
【００２２】
以上のように、水平方向のサンプリングに関し、Ｇの画素信号のサンプリング周波数ｆ_ＳＧはＲおよびＢの画素信号のサンプリング周波数ｆ_ＳＲＢの２倍である。すなわち、Ｇの画素信号のナイキスト限界はｆ_ＳＧ／２（＝ｆ_ＳＲＢ）であり、ＲおよびＢの画素信号のナイキスト限界はｆ_ＳＲＢ／２（＝ｆ_ＳＧ／４）である。
【００２３】
したがって、Ｇ、Ｒ、Ｂの色成分を含んだ光に対して、図６に実線Ｓ１で示すようなカットオフ特性を有するローパスフィルタを用いると、Ｇの色成分に関しては折り返し成分（ノイズ成分）を十分に除去できるが、ＲおよびＢの色成分には、破線Ｓ３で示すような折り返し成分が発生する。また、図７に実線Ｓ２で示すようなカットオフ特性を有するローパスフィルタを用いると、ＲおよびＢの色成分に関しては折り返し成分（ノイズ成分）を十分に除去できるが、Ｇの色成分については、破線Ｓ４で示すように高周波成分がカットされてしまう。
【００２４】
本実施形態では、前述のように、入射光をＧの色成分とＲおよびＢの色成分に分離するとともに、Ｇ用光学ローパスフィルタ１７のカットオフ周波数をＲＢ用光学ローパスフィルタ１４のカットオフ周波数の２倍に定めている。したがって図８に示すように、Ｇの色成分については、実線Ｓ１で示すカットオフ特性を有するＧ用光学ローパスフィルタ１７によってノイズが除去され、またＲおよびＢの色成分については、実線Ｓ２で示すカットオフ特性を有するＲＢ用光学ローパスフィルタ１４によってノイズが除去される。このようにして得られたＧ、ＲおよびＢの色成分の光は、ダイクロイックミラー１９において合成され、撮像素子２０に入射する。
【００２５】
図９は２次元周波数により表した光学ローパスフィルタ１４、１７の周波数特性と、Ｇ、ＲおよびＢの画素信号の２次元的なサンプリング周波数との関係を示している。Ｇの画素信号の２次元的なサンプリング周波数は破線Ｓ５で示され、またナイキスト限界は右下がりの直線である実線Ｓ６により示されている。ＲおよびＢの画素信号に関しては、２次元的なサンプリング周波数は二点鎖線Ｓ７で示され、またナイキスト限界は、水平及び垂直に延びる２本の一点鎖線Ｓ８で示されている。
【００２６】
すなわちＧ用光学ローパスフィルタ１７は、図１０において実線Ｓ９で示す境界よりも低い２次元周波数領域の光を透過させ、高い２次元周波数領域の光を遮断する。これに対してＲおよびＢ用光学ローパスフィルタ１４は、実線１０で示す境界よりも低い２次元周波数領域の光を透過させ、高い２次元周波数領域の光を遮断する。
【００２７】
以上のように本実施形態によれば、入射光をＧの色成分とＲおよびＢの色成分に分離し、Ｇ用光学ローパスフィルタ１７については相対的に高いカットオフ周波数で折り返し成分（ノイズ）を除去している。したがって、図６に破線Ｓ３で示すような折り返し成分が発生しないので、表示画像に偽色が生じることはない。また、ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４については相対的に低いカットオフ周波数で折り返し成分（ノイズ）を除去している。すなわち、ＲＢ用光学ローパスフィルタ１４はＲおよびＢの色成分の折り返し成分（ノイズ）除去のみに用いられ、Ｇの色成分に対して不必要に低いカットオフ周波数の光学ローパスフィルタが用いられないので、表示画像の解像度が低下することはない。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、画像の解像度を低下させることなく、光学的ノイズを効果的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるデジタルカメラの光学的な構成を概略的に示す図である。
【図２】撮像素子の受光面に設けられるカラーフィルタを示す図である。
【図３】Ｇの画素信号のサンプリングパターンを示す図である。
【図４】Ｒの画素信号のサンプリングパターンを示す図である。
【図５】Ｂの画素信号のサンプリングパターンを示す図である。
【図６】カットオフ周波数がｆ_ＳＧ／２である光学ローパスフィルタの周波数応答特性を示す図である。
【図７】カットオフ周波数がそれぞれｆ_ＳＲＢ／２とｆ_ＳＲＢである光学ローパスフィルタの周波数応答特性を示す図である。
【図８】Ｇ用光学ローパスフィルタとＲＢ用光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
【図９】２次元周波数により表したＧ用およびＲＢ用光学ローパスフィルタの周波数特性と、Ｇ、ＲおよびＢの画素信号の２次元的なサンプリング周波数との関係を示す図である。
【図１０】２次元周波数により表したＧ用およびＲＢ用光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１１　ダイクロイックミラー（色分離光学部材）
１２　全反射ミラー
１４　ＲＢ用光学ローパスフィルタ（第２の光学ローパスフィルタ）
１５　全反射ミラー（合成光学部材）
１７　Ｇ用光学ローパスフィルタ（第１の光学ローパスフィルタ）
１９　ダイクロイックミラー（合成光学部材）
２０　撮像素子

Claims

単一の撮像素子と、
前記撮像素子の受光面において、相対的に細かい画素ピッチで配設された第１のカラーフィルタ要素と相対的に粗い画素ピッチで配設された第２のカラーフィルタ要素とを有するカラーフィルタと、
入射光を前記第１のカラーフィルタ要素の色成分と前記第２のカラーフィルタ要素の色成分とに分離する色分離光学部材と、
前記第１のカラーフィルタ要素の色成分の光を透過させる第１の光学ローパスフィルタと、
前記第２のカラーフィルタ要素の色成分の光を透過させる第２の光学ローパスフィルタと、
前記第１および第２の光学ローパスフィルタを透過した光を合成して前記撮像素子の受光面に導く合成光学部材と
を備えることを特徴とするデジタルカメラ。
前記第１のカラーフィルタ要素と第２のカラーフィルタ要素がベイヤー配列に従って配列され、前記第１のカラーフィルタ要素がグリーン（Ｇ）であり、前記第２のカラーフィルタ要素がレッド（Ｒ）とブルー（Ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載のデジタルメラ。
前記第２の光学ローパスフィルタのカットオフ周波数が前記第１の光学ローパスフィルタのカットオフ周波数よりも低いことを特徴とする請求項２に記載のデジタルカメラ。
前記色分離光学部材と前記第１の光学ローパスフィルタの間に前記第２のカラーフィルタ要素の色成分の光を除去するための第１のトリミングフィルタが設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
前記色分離光学部材と前記第２の光学ローパスフィルタの間に前記第１のカラーフィルタ要素の色成分の光を除去するための第２のトリミングフィルタが設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
前記第１の光学ローパスフィルタを通る光路の途中に、前記色分離光学部材から前記撮像素子までの光路長を調整するための光路長調整器が設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
前記合成光学部材と前記色分離光学部材が、前記第１および第２のカラーフィルタ要素の色成分の光の一方を透過させ、かつ前記第１および第２のカラーフィルタ要素の色成分の光の他方を反射させるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
前記色分離光学部材によって分離された各色成分の光束をそれぞれ前記色合成光学部部材へ向けて反射させる２枚の全反射ミラーを備え、一方の全反射ミラーは、前記色分離光学部材によって分離された一方の色成分光束の光路において前記第１または第２の光学ローパスフィルタの前段に配置され、他方の全反射ミラーは他方の色成分光路側において前記第２または第１の光学ローパスフィルタの後段に配置されることを特徴とする請求項７に記載のデジタルカメラ。
前記２枚の全反射ミラーと前記色合成光学部材と前記色合成光学部材とは相互に平行に設けられるとともに長方形の各頂点上に配置され、前記２枚の全反射ミラーは前記長方形の対角線上に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のデジタルカメラ。