JP2009050030A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
固体撮像装置として、CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサが開発されている。半導体プロセスにおけるデザインルールの縮小に伴い、最近では、約2.5μm四方の大きさの画素からなる、5メガ画素を超える単板カラーイメージセンサが商品化されている。また、CCD(charge-coupled device)においては、約1.86μm四方の大きさの画素からなる単板カラーイメージセンサを用いたデジタルスチルカメラも商品化されている。 A CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) image sensor has been developed as a solid-state imaging device. Along with the reduction of the design rule in the semiconductor process, a single-plate color image sensor having a size of about 2.5 μm square and exceeding 5 megapixels has recently been commercialized. In addition, as a CCD (charge-coupled device), a digital still camera using a single-plate color image sensor composed of pixels having a size of about 1.86 μm square has been commercialized.
単板カラーイメージセンサでは、ワンチップでカラー画像情報を取得するために、ベイヤー(Bayer)配列と呼ばれるCFA(Color−Filter−Array)を画素領域に形成している。ベイヤー配列は、2行2列の画素ブロック内に対角をなすように2つの緑色(G)画素を配置し、さらに、残りの2画素として赤色(R) 画素および青色(B)画素を1画素ずつ配置した構成を有する。このベイヤー配列が最も一般的なCFA配列として採用されている。緑色画素、赤色画素および青色画素は、それぞれ緑色光、赤色光および青色光を受けて、それらの光強度に基づいた電気信号を出力する画素である。ベイヤー配列がCFA配列として一般的に採用されている理由は次の通りである。 In a single-plate color image sensor, a CFA (Color-Filter-Array) called a Bayer array is formed in a pixel region in order to acquire color image information with one chip. In the Bayer array, two green (G) pixels are diagonally arranged in a pixel block of 2 rows and 2 columns, and red (R) pixels and blue (B) pixels are 1 as the remaining two pixels. It has a configuration in which pixels are arranged. This Bayer array is adopted as the most general CFA array. The green pixel, the red pixel, and the blue pixel are pixels that receive green light, red light, and blue light, respectively, and output an electrical signal based on the light intensity. The reason why the Bayer array is generally adopted as the CFA array is as follows.
緑(G)は、可視光の中で人間の視感に最も大きな影響を与える色であり、テレビジョン規格における輝度信号Yは、式1で表現される。
Green (G) is the color that has the greatest influence on human visual sensation in visible light, and the luminance signal Y in the television standard is expressed by
Y=0.299R+0.587G+0.114B (式1)
ここで、Gは緑色の光強度、Rは赤色の光強度、Bは青色の光強度を示す。光強度は、或る強度の光を受けたときに画素が光電効果により発生する電気信号の電圧または電流である。この式1を参照してわかるように、テレビジョン規格における輝度信号は、緑色の光の寄与が最も大きくなるように構成される(特許文献2)。
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B (Formula 1)
Here, G represents green light intensity, R represents red light intensity, and B represents blue light intensity. The light intensity is a voltage or current of an electric signal generated by the pixel due to the photoelectric effect when receiving light of a certain intensity. As can be seen with reference to
したがって、ベイヤー配列では、緑色画素の比率を高め、かつ緑色画素を市松状に配置することで、より高いレベルの輝度信号が得られると同時に、輝度信号の解像度を高めることが可能となる。 Therefore, in the Bayer array, by increasing the ratio of the green pixels and arranging the green pixels in a checkered pattern, it is possible to obtain a higher level luminance signal and at the same time increase the resolution of the luminance signal.
その他、RGB画素および可視光画素Wを全て用いたCFA配列が特許文献1に開示されている。
In addition,
JIS−Z8120の定義によれば、可視光線に相当する電磁波の波長は、おおよそ短波長側が360nm〜400nm、長波長側が760nm〜830nmである。一般的なイメージセンサにおいては、400nm〜700nm程度の波長範囲の可視光を撮像している。
ベイヤー配列のCFAを採用する単板カラーイメージセンサにおいて、緑色画素は、入射光のうち緑色成分を透過し、赤色成分および青色成分を吸収するフィルタを備えている。その緑色透過フィルタを用いると、その透過率のピークは、入射光の80%ほどに低下してしまう。したがって、従来、入射光の緑色成分の利用率は最大で80%であった。赤色成分および青色成分の利用率については各々95%および80%程度であった。 In a single-plate color image sensor employing a Bayer array CFA, a green pixel includes a filter that transmits a green component of incident light and absorbs a red component and a blue component. When the green transmission filter is used, the peak of the transmittance is reduced to about 80% of the incident light. Therefore, conventionally, the utilization factor of the green component of incident light is 80% at the maximum. The utilization rates of the red component and blue component were about 95% and 80%, respectively.
一方、画素の微細化によって入射光の光量が低下している。これは、画素が微細化された固体撮像装置では低照度被写体の撮像における感度が低下してしまうことを意味する。 On the other hand, the amount of incident light is reduced due to the miniaturization of pixels. This means that in a solid-state imaging device in which pixels are miniaturized, sensitivity in imaging a low-illuminance subject is lowered.
カラー画像を撮像する場合に、被写体の色情報を再現するためには互いに波長の異なる3種類の色情報を取得し再現することが必要である。しかし、上述したように、3種類の色情報を得るための色フィルタの透過率は80〜95%であり、入射光を十分に利用することができない。また、単色光を透過させる色フィルタを使用している限り、その他の2色の光エネルギーはフィルタに吸収され、損失することになる。即ち、RGBのそれぞれに対応する色フィルタを用いた固体撮像装置は、低照度被写体の撮像における感度が低い。 When a color image is captured, it is necessary to acquire and reproduce three types of color information having different wavelengths from each other in order to reproduce the color information of the subject. However, as described above, the transmittance of the color filter for obtaining the three types of color information is 80 to 95%, and the incident light cannot be sufficiently utilized. As long as a color filter that transmits monochromatic light is used, the light energy of the other two colors is absorbed by the filter and lost. That is, a solid-state imaging device using color filters corresponding to RGB has low sensitivity in imaging a low-illuminance subject.
そこで、本発明の目的は、低照度被写体を高感度で撮像することができる固体撮像装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of imaging a low-illuminance subject with high sensitivity.
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置は、可視光の全波長域を透過させる無色フィルタを含み、該可視光を第1の電気信号に変換する複数の第1の画素と、
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第2の電気信号および前記第3の電気信号のそれぞれに前記第1のフィルタの分光透過率によって決定される係数および前記第2のフィルタの分光透過率によって決定される係数を乗算し、この乗算によって得られた結果をともに前記第1の電気信号から減算し、この減算によって得られた結果に基づいて前記第4の電気信号を得ることを特徴とする。
A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and a plurality of first pixels that convert the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit includes a coefficient determined by a spectral transmittance of the first filter and a coefficient determined by a spectral transmittance of the second filter for each of the second electric signal and the third electric signal. And the result obtained by the multiplication is subtracted from the first electric signal, and the fourth electric signal is obtained based on the result obtained by the subtraction.
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置は、
可視光の全波長域を透過させる無色フィルタを含み、該可視光を第1の電気信号に変換する複数の第1の画素と、
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第2の電気信号および前記第3の電気信号のそれぞれに前記第1のフィルタの分光透過率によって決定される係数および前記第2のフィルタの分光透過率によって決定される係数を乗算し、この乗算によって得られた結果を互いに加算し、この加算によって得られた結果で前記第1の電気信号を除算し、この除算によって得られた結果から1を減算し、この減算によって得られた結果を前記第1の電気信号に乗算することによって前記第4の電気信号を得ることを特徴とする。
A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes:
A plurality of first pixels including a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and converting the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit includes a coefficient determined by a spectral transmittance of the first filter and a coefficient determined by a spectral transmittance of the second filter for each of the second electric signal and the third electric signal. , The results obtained by this multiplication are added together, the first electrical signal is divided by the result obtained by this addition, 1 is subtracted from the result obtained by this division, and this subtraction The fourth electric signal is obtained by multiplying the first electric signal by the obtained result.
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置は、
可視光の全波長域を透過させる無色フィルタを含み、該可視光を第1の電気信号に変換する複数の第1の画素と、
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第1の画素に隣接する前記第2および第3の画素からの前記第2および前記第3の電気信号を用いて、前記第1の画素における前記第1の波長による第2の電気信号および前記第2の波長による第3の電気信号を補間し、
前記第2の画素に隣接する前記第1および第3の画素からの前記第1および前記第3の電気信号を用いて、前記第2の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第2の波長による第3の電気信号を補間し、
前記第3の画素に隣接する前記第1および第2の画素からの前記第1および前記第2の電気信号を用いて、前記第3の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第1の波長による第2の電気信号を補間し、
前記各画素において補間後の前記第1から前記第3の電気信号を用いて前記第4の電気信号を算出することを特徴とする。
A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes:
A plurality of first pixels including a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and converting the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit uses the second and third electrical signals from the second and third pixels adjacent to the first pixel to generate the first wavelength based on the first wavelength in the first pixel. Interpolating two electrical signals and a third electrical signal with the second wavelength;
Using the first and third electrical signals from the first and third pixels adjacent to the second pixel, the first electrical signal by the visible light in the second pixel and the first Interpolating a third electrical signal with a wavelength of 2;
Using the first and second electrical signals from the first and second pixels adjacent to the third pixel, the first electrical signal by the visible light in the third pixel and the second Interpolating a second electrical signal with a wavelength of 1;
The fourth electric signal is calculated using the first to third electric signals after interpolation in each pixel.
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置は、
可視光の全波長域を透過させる無色フィルタを含み、該可視光を第1の電気信号に変換する複数の第1の画素と、
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の画素から成る画素領域へ入射する光によって生じた前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1から前記第3の画素のそれぞれの輝度信号および色差信号を生成する演算部とを備えている。
A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes:
A plurality of first pixels including a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and converting the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals generated by light incident on a pixel region comprising the first to third pixels, and using the first to third electrical signals, 1 to 3 and a calculation unit for generating a luminance signal and a color difference signal of each of the third pixels.
本発明による固体撮像装置は、低照度被写体を高感度で撮像することができる。 The solid-state imaging device according to the present invention can image a low-illuminance subject with high sensitivity.
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に従った固体撮像装置を示すブロック図である。固体撮像装置100は、シリコン基板90、撮像領域101、負荷トランジスタ102、相関二重サンプリング(CDS(Correlated Double Sampling))回路103、V(Vertical)選択回路104、H(Horizontal)選択回路105、自動ゲイン制御回路(AGC(Automatic Gain Controller))106、A/D変換器(ADC(Analog-Digital Converter))107、デジタル増幅器108、信号処理プロセッサ(DSP(Digital Signal Processor))110およびタイミング発生器(TG(Timing Generator))109を備えている。これらの要素は、1つの半導体チップ上に形成されている。ADC107およびCDS回路103は、カラム型のCDS−ADC回路として一体に構成してもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a solid-state imaging device according to the first embodiment. The solid-
撮像領域101は、光電変換により入射光を電気信号に変換する複数の画素を備えている。複数の画素は、二次元のマトリクス状に配列されている。負荷トランジスタ102は、基板電位(図示せず)と撮像領域101との間に接続され、撮像領域101内の画素に定電流を供給する電流源として機能する。V選択回路104は、撮像領域101内の特定の画素を選択し、その画素の信号をCDS回路103へ送る。CDS回路103は、撮像領域101から得られた電気信号からアンプ雑音およびリセット雑音を除去する回路である。CDS回路103からの信号は、H選択回路105により時系列で出力される。AGC回路106は、CDS回路103からの信号の振幅を制御する。ADC107は、CDS103からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル増幅器108は、このデジタル信号を増幅して出力する。TG109は、負荷トランジスタ102、CDS回路103、V選択回路104、H選択回路105、AGC106、ADC107およびデジタル増幅器108の動作のタイミングを制御する回路である。さらに、DSP110は、補間処理、判定処理、色処理、色信号抽出等の信号処理を行う。即ち、DSP110は、上記デジタル信号からRGB信号またはYUV信号を生成する。DSPは、固体撮像装置100とは別に設けられてもよく、あるいは、固体撮像装置100のチップ内に内蔵されてもよい。また、TG109、AGC106、ADC107、デジタル増幅器108等は、別の半導体チップに形成してもよい。さらに、図1には記載されない信号処理回路を固体撮像装置100のチップ上に搭載してもよい。
The
図2は、撮像領域101の一部として2行2列の4画素ブロックを示す平面図である。第1の画素Wは、可視光の全波長域を透過させる無色フィルタ10を含み、この可視光を第1の電気信号に変換する。第2の画素Rは、可視光のうち赤色の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタ20を含み、この波長の赤色光を第2の電気信号に変換する。第3の画素Bは、可視光のうち青色の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタ30を含み、この波長の青色光を第3の電気信号に変換する。
FIG. 2 is a plan view showing a 4-pixel block of 2 rows and 2 columns as a part of the
この4画素ブロックは、2つの第1の画素W、1つの第2の画素R、並びに、1つの第3の画素Bから成る。画素領域101は、この4画素ブロックを1つのユニットとして、このユニットを周期的に繰り返すことによって構成されている。これにより、第1の画素Wは、市松模様に配置される。隣り合う第1の画素W間には、第2の画素Rと第3の画素Bとが交互に配置される。
The four-pixel block includes two first pixels W, one second pixel R, and one third pixel B. The
このようにCFAが配置された撮像領域101は、第n行において、W、R、W、R・・・の順に配置され、第(n+1)行において、B、W、B、W・・・の順に配置され、並びに、第(n+2)行において、W、R、W、R・・・の順に配置される。この配列に従って、固体撮像装置100は、各画素ごとに電気信号を出力する。
The
この配列から画素Wの信号を分離すると、第n行では、SW、*、SW、*・・・であり、第(n+1)行では、*、SW、*、SW・・・であり、第(n+2)行では、SW、*、SW、*・・・となり、第(n+3)行では、*、SW、*、SW・・・となる。上記配列から画素Rの信号を分離すると、第n行では、*、SR、*、SR・・・となり、第(n+1)行では、*、*、*、*・・・となり、第(n+2)行では、*、SR、*、SR・・・となり、第(n+3)行では、*、*、*、*・・・となる。上記配列から画素Bの信号を分離すると、第n行では、*、*、*、*・・・となり、第(n+1)行では、SB、*、SB、*・・・となり、第(n+2)行では、*、*、*、*・・・となり、第(n+3)行では、SB、*、SB、*・・・となる。ここで、SW、SRおよびSBは、それぞれ第1の画素W、第2の画素Rおよび第3の画素Bから得られる電気信号(電圧値または電流値)であり、即ち、可視光強度または各色の光強度を示す。“*”は、該当する可視光強度または該当する色の光強度が不明であることを示す。例えば、第1の画素Wの信号に着目すると、第2の画素Rおよび第3の画素Bが配置された位置では、可視光強度は不明である。従って、第2の画素Rおよび第3の画素Bが配置された位置においては“*”が示されている。第2の画素Rの信号に着目すると、第1の画素Wおよび第3の画素Bが配置された位置では、赤色光の強度は不明である。従って、第1の画素Wおよび第3の画素Bが配置された位置においては“*”が示されている。さらに、第3の画素Bの信号に着目すると、第1の画素Wおよび第2の画素Rが配置された位置では、青色光の強度は不明である。従って、第1の画素Wおよび第2の画素Rが配置された位置においては“*”が示されている。 When the signal of the pixel W is separated from this array, the nth row is SW, *, SW, *..., The (n + 1) th row is *, SW, *, SW. In the (n + 2) line, SW, *, SW, *... Are used, and in the (n + 3) line, *, SW, *, SW. When the signal of the pixel R is separated from the above array, it becomes *, SR, *, SR... In the nth row, *, *, *, *... In the (n + 1) th row, and (n + 2). ), *, SR, *, SR... And (n + 3) th line are *, *, *, *. When the signal of the pixel B is separated from the above array, it becomes *, *, *, * ... in the nth row, and SB, *, SB, * ... in the (n + 1) th row, and (n + 2). ) Line, *, *, *, *... And (n + 3) line SB, *, SB, *. Here, SW, SR, and SB are electric signals (voltage value or current value) obtained from the first pixel W, the second pixel R, and the third pixel B, respectively, that is, visible light intensity or each color. The light intensity is shown. “*” Indicates that the corresponding visible light intensity or the light intensity of the corresponding color is unknown. For example, paying attention to the signal of the first pixel W, the visible light intensity is unknown at the position where the second pixel R and the third pixel B are arranged. Accordingly, “*” is shown at the position where the second pixel R and the third pixel B are arranged. When attention is paid to the signal of the second pixel R, the intensity of red light is unknown at the position where the first pixel W and the third pixel B are arranged. Accordingly, “*” is shown at the position where the first pixel W and the third pixel B are arranged. Further, when attention is paid to the signal of the third pixel B, the intensity of the blue light is unknown at the position where the first pixel W and the second pixel R are arranged. Accordingly, “*” is shown at the position where the first pixel W and the second pixel R are arranged.
“*”で示された可視光強度または各色の光強度は、演算部としてのDSP110において補間処理により算出される。補間処理方法としては、上下方向、左右方向および斜め方向に隣接する同種のCFAを有する画素からの信号を相加平均すればよい。例えば、第2の画素Rにおける可視光強度は、第2の画素Rの上下および左右に隣接する4つの第1の画素Wからの信号SWを平均することによって算出される。この4つの信号SWの平均値を第2の画素Rにおける可視光強度とすればよい。第3の画素Bにおける可視光強度も同様に求めることができる。第2の画素Rにおける青色の光強度は、第2の画素Rの斜めに隣接する4つの第3の画素Bからの信号SBを平均することによって算出される。同様に、第3の画素Bにおける赤色の光強度は、第3の画素Bの斜めに隣接する4つの第2の画素Rからの信号SRを平均することによって算出される。さらに、第1の画素Wにおける赤色の光強度は、第1の画素Wの上下または左右に隣接する2つの第2の画素Rからの信号SRを平均することによって算出される。第1の画素Wにおける青色の光強度は、第1の画素Wの上下または左右に隣接する2つの第3の画素Bからの信号SBを平均することによって算出される。このような補間処理を実行することによって、撮像領域の全画素におけるSW、SR、SBの3種類の色情報が得られる。この補間処理は、3行3列の9画素ブロックからの信号を用いて実行している。しかし、補間処理に用いる画素数は、補間処理能力に応じて任意に設定可能である。また、上記補間処理は、相加平均を用いたが、相加平均以外の方法を用いても差し支えない。
The visible light intensity indicated by “*” or the light intensity of each color is calculated by interpolation processing in the
この段階では、各画素において信号SW、SRおよびSBの3種類の色情報が得られている。ここで得られた信号SRおよびSBは、光3原色(赤(R)、緑(G)、青(B))のうち赤(R)および青(B)についての電気信号である。しかし、緑(G)についての信号SGは未だ不明のままである。DSP110は、各画素において第1の電気信号SW、第2の電気信号SRおよび第3の電気信号SBを用いて第4の電気信号としてのSGを算出する。
At this stage, three types of color information of signals SW, SR and SB are obtained in each pixel. The signals SR and SB obtained here are electrical signals for red (R) and blue (B) among the three primary colors (red (R), green (G), and blue (B)). However, the signal SG for green (G) is still unknown. The
図3は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色フィルタおよび可視光(W)フィルタのそれぞれの光透過率を示すグラフである。横軸は、入射光の波長を示し、縦軸は各カラーフィルタの光透過率を示す。ラインLWに示すように、第1の画素Wに用いられる無色フィルタは、可視光領域の全波長域において95%を超える高い透過率を有する。ラインLRに示すように、第2の画素Rに用いられる第1のフィルタは、赤色の波長に分光透過率のピークを有するが、その分光透過率は約95%である。ラインLBに示すように、第3の画素Bに用いられる第2のフィルタは、青色の波長に分光透過率のピークを有するが、その分光透過率は約80%である。尚、従来技術で用いられている緑色の波長に分光透過率のピークを有するフィルタ(以下、第3のフィルタという)の分光透過率は、ラインLGに示すように、約80%である。 FIG. 3 is a graph showing the light transmittance of each of the red (R), green (G), and blue (B) color filters and the visible light (W) filter. The horizontal axis indicates the wavelength of incident light, and the vertical axis indicates the light transmittance of each color filter. As indicated by the line LW, the colorless filter used for the first pixel W has a high transmittance exceeding 95% in the entire wavelength region of the visible light region. As indicated by the line LR, the first filter used in the second pixel R has a spectral transmittance peak at a red wavelength, and the spectral transmittance is about 95%. As shown by the line LB, the second filter used in the third pixel B has a spectral transmittance peak at a blue wavelength, but the spectral transmittance is about 80%. Note that the spectral transmittance of a filter having a spectral transmittance peak at a green wavelength (hereinafter referred to as a third filter) used in the prior art is about 80% as shown by a line LG.
図4は、図3に示すカラーフィルタを備えた各画素の分光感度特性を示すグラフである。横軸は入射光の波長であり、縦軸は光信号の強度を示す。図4に示すように、第1の画素Wは、可視光の全波長領域に亘って高い分光感度を有する。図4に示すグラフに示すように、第1の画素Wの感度SSWは、第2の画素Rの各感度SSR、第3の画素Bの各感度SSB、および、第3のフィルタを備えた画素(以下、第4の画素という)の感度SSGのいずれよりも高い。 FIG. 4 is a graph showing the spectral sensitivity characteristics of each pixel including the color filter shown in FIG. The horizontal axis represents the wavelength of incident light, and the vertical axis represents the intensity of the optical signal. As shown in FIG. 4, the first pixel W has high spectral sensitivity over the entire wavelength region of visible light. As shown in the graph shown in FIG. 4, the sensitivity SSW of the first pixel W is the sensitivity SSR of the second pixel R, the sensitivity SSB of the third pixel B, and the pixel including the third filter. It is higher than any of the sensitivity SSG (hereinafter referred to as the fourth pixel).
この分光感度特性は、第1から第3のフィルタの透過率が無色フィルタの透過率よりも低いことに起因する。そこで、第1から第3のフィルタの各透過率および画素の分光感度特性によって決定される比例定数をそれぞれKr、KbおよびKgとすると、式2が成立する。
SW=Kr×SR+Kb×SB+Kg×SG (式2)
This spectral sensitivity characteristic is due to the fact that the transmittance of the first to third filters is lower than the transmittance of the colorless filter. Therefore, if proportional constants determined by the transmittances of the first to third filters and the spectral sensitivity characteristics of the pixels are Kr, Kb, and Kg, respectively, Equation 2 is established.
SW = Kr × SR + Kb × SB + Kg × SG (Formula 2)
図3および図4に示した具体例では、係数Kr、KbおよびKgは、それぞれ1.03、1.23および1.23である。これらの比例定数を用いると、SGは、式3のように表される。
SG=(SW−Kr×SR−Kb×SB)/Kg=0.82SW−0.84SR−SB (式3)
DSP110は、デジタル増幅器108から得た信号SW、SRおよびSBを式3に代入することによって信号SGを算出する。
In the specific examples shown in FIGS. 3 and 4, the coefficients Kr, Kb, and Kg are 1.03, 1.23, and 1.23, respectively. Using these proportionality constants, SG is expressed as in Equation 3.
SG = (SW−Kr × SR−Kb × SB) /Kg=0.82SW−0.84SR−SB (Formula 3)
The
このように、本実施形態では、DSP110は、第2の電気信号SRおよび第3の電気信号SBにそれぞれ第1のフィルタの透過率および第2のフィルタの透過率を考慮して得られた係数KrおよびKbをそれぞれ乗算する。DSP110は、この乗算によって得られた第1の結果(SR(Kr)−SB(Kb))を第1の電気信号SWから減算する。DSP11は、この減算によって得られた第2の結果(SW−SR(Kr)−SB(Kb))を第3のフィルタの透過率を考慮して得られた係数Kgで除算する。これにより、DSP110は、第4の電気信号SGを算出する。式3のように、第4の電気信号SGは、可視光の信号SWから赤色信号SRの成分および青色信号SBの成分を減算することによって得られる。以下、この方法を“減算法”という。この減算法を実行することによって、図5に示す信号SG1を得ることできる。信号SG0は、実際に第3のフィルタを備えた画素を用いて得られた信号である。信号SG1は、信号SG0と緑色の波長域でほぼ合致している。これは、減算法によって信号SG0をほぼ正確に算出することができることを意味する。
As described above, in the present embodiment, the
DSP110は、減算法だけでなく、除算を用いて第4の電気信号SGを算出してもよい。例えば、DSP110は、式4を用いて信号SGを算出してもよい。
SG=SW×(SW×Kg/(Kr×SR+Kb×SB)−1) (式4)
式4を用いた方法を以下、“除算法”という。除算法において、DSP110は、第2の電気信号SRおよび第3の電気信号SBのそれぞれに第1のフィルタの分光透過率によって決定される係数Krおよび第2のフィルタの分光透過率によって決定される係数Kbを乗算し、この乗算によって得られた結果を互いに加算し、この加算によって得られた結果(Kr×SR+Kb×SB)で第1の電気信号SWを除算し、この除算によって得られた結果から1を減算し、この減算によって得られた結果を第1の電気信号SWに乗算する。これにより、信号SGが算出される。
The
SG = SW × (SW × Kg / (Kr × SR + Kb × SB) −1) (Formula 4)
Hereinafter, the method using Equation 4 is referred to as “division method”. In the division method, the
この除算法を実行することによって、図5に示す信号SG2を得ることできる。信号SG2は、信号SG0と緑色の波長域でほぼ合致している。これは、除算法によって信号SG0をほぼ正確に算出することができることを意味する。 By executing this division method, the signal SG2 shown in FIG. 5 can be obtained. The signal SG2 substantially matches the signal SG0 in the green wavelength region. This means that the signal SG0 can be calculated almost accurately by the division method.
尚、係数Kr、KgおよびKbは、計算を簡単にするために、全て1にしてもよい。それにより、式3は式5のように簡単化され、式4は式6のように簡単化される。DSP110は、式5および式6を用いて信号SGを算出してもよい。式5および式6は、式3および式4に比べて正確性に欠けるものの、比較的簡単である。
SG=SW−SR−SB (式5)
SG=SW×(SW/(SR+SB)−1) (式6)
The coefficients Kr, Kg and Kb may all be set to 1 in order to simplify the calculation. Thereby, Equation 3 is simplified as Equation 5, and Equation 4 is simplified as Equation 6. The
SG = SW-SR-SB (Formula 5)
SG = SW × (SW / (SR + SB) −1) (Formula 6)
図6は、入射光の照度と固体撮像装置100の信号出力との関係を示すグラフである。このグラフによれば、照度がI3〜I4の範囲において、画素Wからの出力VW、画素Rからの出力VRおよび画素Bからの出力VBは、いずれも飽和しておらず、かつ、ノイズレベルよりも大きい。従って、DSP110は、上述の式3〜式6のいずれかを用いて信号SGを算出することができる。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the illuminance of incident light and the signal output of the solid-
しかし、出力VWで示すように、照度がI4を超えると、画素Wが飽和してしまう。また、出力VBで示すように、照度がI3を下回ると、出力VBがノイズレベルを下回ってしまう。即ち、本実施形態による固体撮像装置100は、照度I3〜I4の範囲において、式3〜式6のいずれかを用いて信号SGを算出することができるものの、照度がI3を下回る場合および照度がI4を超える場合には単に式3〜式6のいずれかを用いただけでは信号SGを算出することができない。一方、従来技術による画素R、画素Gおよび画素Bを備えた装置では、出力VR、VGおよびVBを参照してわかるように、照度I3〜I5の範囲で信号SR、SGおよびSBを検出することができる。
However, as indicated by the output VW, when the illuminance exceeds I4, the pixel W is saturated. Further, as indicated by the output VB, when the illuminance falls below I3, the output VB falls below the noise level. That is, the solid-
そこで、本実施形態におけるDSP110は、I3を下回る低照度領域およびI4を超える高照度領域において、図7に示す演算を行う。まず、DSP110は、撮像領域101から得た信号を用いて上述の補間処理を実行する(S10)。これにより、各画素における信号SW、SRおよびSBを得ることができる。図6に示す出力VW、VRおよびVBは、信号SW、SRおよびSBの電圧に相当する。
Therefore, the
次に、信号SWの出力VWを予め設定された飽和値VW1と比較する(S30)。飽和値VW1は、照度I4における画素Wの出力を予め設定した値である。出力VWが飽和値VW1以下である場合、出力VW、VRおよびVBは、全て飽和レベル以下であることが分かる。即ち、入射光の照度がI4以下であることが分かる。出力VWが飽和値VW1以下である場合、次に、信号SRの照度VRをノイズレベルVR1と比較する(S40)。ノイズレベルVR1は、照度I7における画素Rの出力を予め設定した値である。出力VRが飽和値VR1以上である場合、次に、信号SBの照度VBをノイズレベルVB1と比較する(S50)。ノイズレベルVB1は、照度I3における画素Bの出力を予め設定した値である。ステップS50で出力VBが飽和値VB1以上である場合、出力VW、VRおよびVBは、ノイズレベル以上であるということが分かる。即ち、入射光の照度がI3以上であることが分かる。この場合、入射光の照度はI3〜I4の範囲内であるので、DSP110は、信号SW、SRおよびSBを式3〜式6に用いて信号SGを算出することができる。これにより、信号SR、SGおよびSBが生成され得る(S60)。その後、信号SR、SGおよびSBは、固体撮像装置100から出力される(S120)。
Next, the output VW of the signal SW is compared with a preset saturation value VW1 (S30). The saturation value VW1 is a value in which the output of the pixel W at the illuminance I4 is set in advance. When the output VW is less than or equal to the saturation value VW1, it can be seen that the outputs VW, VR and VB are all less than or equal to the saturation level. That is, it can be seen that the illuminance of incident light is I4 or less. If the output VW is less than or equal to the saturation value VW1, then the illuminance VR of the signal SR is compared with the noise level VR1 (S40). The noise level VR1 is a value in which the output of the pixel R at the illuminance I7 is set in advance. If the output VR is equal to or higher than the saturation value VR1, then the illuminance VB of the signal SB is compared with the noise level VB1 (S50). The noise level VB1 is a value in which the output of the pixel B at the illuminance I3 is set in advance. When the output VB is equal to or higher than the saturation value VB1 in step S50, it can be seen that the outputs VW, VR, and VB are equal to or higher than the noise level. That is, it can be seen that the illuminance of incident light is I3 or more. In this case, since the illuminance of the incident light is within the range of I3 to I4, the
ステップS30において、出力VWが飽和値VW1を超える場合、出力VWは飽和レベルを超えることが分かる。即ち、入射光の照度がI4を超えることがわかる。この場合、DSP110は、式7を演算することによって、出力VWを算出する(S70)。
VW=K1×VR+K2×VB (式7)
ここで、係数K1およびK2は、照度がI3〜I4の領域において、入射光として、たとえば白色光を用いた場合のVW、VR、VBの関係を考慮して予め設定された定数である。出力VWは、式7のように出力VRおよびVBの一次関数で表すことができる。式7を演算することによって、飽和状態にある画素Wに入射する光の照度に対応した出力VWを得ることができる。尚、図6では、照度および出力は、いずれも対数表示されている。また、照度がI6を超え、出力VRおよびVBも飽和レベルに達した場合には、式7では正確な出力VWを算出することはできず、VWは飽和する。ただし、I5以上の照度は、従来技術においても飽和レベルであるので、I6以上の照度の場合に出力VWが飽和しても差し支えない。
In step S30, when the output VW exceeds the saturation value VW1, it can be seen that the output VW exceeds the saturation level. That is, it can be seen that the illuminance of incident light exceeds I4. In this case, the
VW = K1 × VR + K2 × VB (Formula 7)
Here, the coefficients K1 and K2 are constants set in advance in consideration of the relationship between VW, VR, and VB when, for example, white light is used as incident light in the region where the illuminance is I3 to I4. The output VW can be expressed by a linear function of the outputs VR and VB as shown in Equation 7. By calculating Expression 7, an output VW corresponding to the illuminance of light incident on the pixel W in a saturated state can be obtained. In FIG. 6, the illuminance and the output are both logarithmically displayed. Further, when the illuminance exceeds I6 and the outputs VR and VB reach the saturation level, the exact output VW cannot be calculated by Equation 7, and VW is saturated. However, since the illuminance of I5 or higher is a saturation level in the prior art, the output VW may be saturated in the case of illuminance of I6 or higher.
次に、式7によって得られたVWを飽和値VW1と比較する(S80)。緑色光の照度が大きいために出力VWが飽和している場合、式7では正確な出力VWを算出することはできない。そこで、ステップS80において、DSP110は、出力VWの飽和の原因が緑色光の高照度であるか否かを判断している。式7によって得られた出力VWが飽和値VW1以上である場合には、可視光、赤色光または青色光(緑色光を含んでもよい)によって出力VWが飽和している。この場合には、DSP110は、第1の色処理を実行する(S100)。一方、式7によって得られた出力VWが飽和値VW1より小さい場合には、可視光、赤色光または青色光以外の緑色光によって出力VWが飽和している。この場合、式7によって得られた出力VWよりも飽和値VW1の方が実際のVWに近いと考えられる。従って、DSP110は、飽和値VW1を出力VWに代入し(S90)、第1の色処理を実行する。
Next, the VW obtained by Expression 7 is compared with the saturation value VW1 (S80). When the output VW is saturated because the illuminance of the green light is large, the exact output VW cannot be calculated using Equation 7. Therefore, in step S80, the
第1の色処理(S100)は、まず、或る置換対象画素の色情報を最寄の未飽和画素の色情報を用いて置換する。例えば、DSP110は、出力VWが飽和している置換対象画素の左右に隣接しかつ出力VWが飽和していない画素の色情報(出力VWp、VRp、VBpとする)を式8に代入する。これにより算出された(VW’、VR’、VB’)を当該置換対象画素の色情報とする。この場合、DSP110は、撮像領域101の或る行において、当該置換対象画素の直前に読み出された画素の色情報で当該置換対象画素の色情報を用いればよい。
VW’=(VW/VWp)×VWp
VR’=(VW/VWp)×VRp (式8)
VB’=(VW/VWp)×VBp
In the first color processing (S100), first, the color information of a certain pixel to be replaced is replaced using the color information of the nearest unsaturated pixel. For example, the
VW ′ = (VW / VWp) × VWp
VR ′ = (VW / VWp) × VRp (Formula 8)
VB ′ = (VW / VWp) × VBp
次に、ステップS60において、DSP110は、置換後の置換対象画素の色情報(VW’、VR’、VB’)を(SW、SR、SB)として式3に代入し、SGを算出する。算出されたSGは、置換対象画素の第4の電気信号VG’に該当する。これにより、置換対象画素の色情報(VR’、VG’、VB’)が得られる。
Next, in step S60, the
代替的に、DSP110は、置換対象画素の上下に隣接する画素の色情報により当該置換対象画素の色情報を置換することができる。この場合、DSP110は、撮像領域101の或る行の直前に読み出された行をメモリ(図示せず)に格納しておき、上下に隣接する画素の色情報で当該置換対象画素の色情報を置換すればよい。
Alternatively, the
より詳細には、DSP110は、左右または上下に隣接する画素の色情報の照度を置換対象画素の照度に適合させる演算を行い、その演算結果を置換対象画素の色情報として置換する。例えば、置換対象画素の色情報を(VW’、VR’、VB’)とし、その置換対象画素の左右または上下に隣接する画素の可視光、赤色、青色の各色情報を(VWp、VRp、VBp)とする。この場合、色置換処理は、式8および式3(または式4)を演算することにより行われる。左右方向に連続した複数の画素においてVWが飽和している場合には、時系列の信号読出し中に最初に発生したVW飽和画素において色置換処理が行われ、以降のVW飽和画素においては直前に色置換処理が行われた画素信号を用いて色置換処理が行われる。上下方向に連続した複数の画素においてVWが飽和している場合も同様である。
More specifically, the
さらに、代替的に、DSP110は、画素の色情報を無彩色化して演算してもよい。例えば、I4を超える高照度またはI3を下回る低照度においては、人間の視覚では色彩情報の認識率が低下するため、無彩色の輝度情報だけで充分である場合がある。このような場合、画素の色情報を無彩色化して演算しても差し支えない。むしろ、無彩色化して演算することは、DSP110に負荷をかけないという観点から好ましい。より詳細には、DSP110は、まず、式9を実行する。
VW’=(VW/W0)×W0
VR’=(VW/W0)×R0 (式9)
VB’=(VW/W0)×B0
ここで、(W0、R0、B0)は、無色フィルタ10の分光透過率、第1のフィルタ20の分光透過率および第2のフィルタ30の分光透過率によって予め設定される定数である。式9によって(R0、G0、B0)の輝度をVWに適合させている。尚、無彩色信号(R0、G0、B0)は、R0:G0:B0=1:1:1となる信号である。
Further, alternatively, the
VW ′ = (VW / W0) × W0
VR ′ = (VW / W0) × R0 (Formula 9)
VB ′ = (VW / W0) × B0
Here, (W0, R0, B0) are constants set in advance by the spectral transmittance of the
次に、ステップS60において、(VW’、VR’、VB’)を(SW、SR、SB)として式3(または式4)に代入することによって、SGとして置換対象画素の第4の電気信号VG’が得られる。これにより得られた(VR’,VG’,VB’)を置換対象画素の出力とする。式9の演算は式8の演算よりも簡単であるので、無彩色化による演算は、DSP110に負荷をかけない。第1の色処理の実行後、ステップS60に示すように、DSP110は、信号SR、SG、SBを生成する。
Next, in step S60, by substituting (VW ′, VR ′, VB ′) as (SW, SR, SB) into Equation 3 (or Equation 4), the fourth electric signal of the pixel to be replaced as SG VG ′ is obtained. The obtained (VR ′, VG ′, VB ′) is used as the output of the replacement target pixel. Since the calculation of Expression 9 is simpler than the calculation of Expression 8, the calculation by achromatic color does not put a load on the
代替的に、無彩色は、R0:G0:B0=1:1:1であることから、VR’:VG’:VB’=1:1:1となることが分かる。従って、DSP110は、式9のうち、VR’=(VW/W0)×R0またはVB’=(VW/W0)×B0のいずれか一方を計算するだけでもよい。例えば、DSP110は、VR’=(VW/W0)×R0を計算し、この計算結果をVB’およびVG’に適用する。これにより、式3(または式4)の実行が不要になる。即ち、図7のステップS60を実行することなく、ステップS120において、信号(SR、SG、SB)を出力することができる。
Alternatively, since the achromatic color is R0: G0: B0 = 1: 1: 1, it can be seen that VR ′: VG ′: VB ′ = 1: 1: 1. Therefore, the
一方、ステップS40において出力VRがノイズレベルVR1よりも小さい場合、並びに、ステップS50において出力VBがノイズレベルVB1よりも小さい場合、第2の色処理を実行する(S110)。第2の色処理は、式8を用いた置換処理でもよく、式9を用いた無彩色化処理でもよい。しかし、第2の色処理は、第1の色処理と異なる処理であってもよい。例えば、第1の色処理が式8を用いた置換処理であり、第2の色処理が式9を用いた無彩色化処理であってもよい。また、その逆でもよい。 On the other hand, if the output VR is smaller than the noise level VR1 in step S40 and if the output VB is smaller than the noise level VB1 in step S50, the second color processing is executed (S110). The second color process may be a replacement process using Expression 8 or an achromatic process using Expression 9. However, the second color processing may be processing different from the first color processing. For example, the first color process may be a replacement process using Expression 8, and the second color process may be an achromatic process using Expression 9. The reverse is also possible.
例えば、I1〜I3においては、第1の画素Wからの出力VWはノイズレベル以上であるが、第2の画素Rからの出力VRは、低照度によってノイズレベル未満である。この場合、DSP110は、第2の色処理として第2の画素Rに近接しかつ出力VRおよびVBがノイズレベル以上である画素からの出力VW、VRおよびVBを用いて式8を演算する。このとき、この第2の画素Rからの出力VWも用いる。これにより、第2の画素Rにおける(VW’、VR’、VB’)が得られる。
For example, in I1 to I3, the output VW from the first pixel W is equal to or higher than the noise level, but the output VR from the second pixel R is lower than the noise level due to low illuminance. In this case, the
代替的に、DSP110は、第2の色処理として画素の色情報を無彩色化して演算してもよい。例えば、補間処理によって得られた第2の画素Rにおける第1の電気新SW(出力VW)を式9に適用することよって(VW’、VR’、VB’)が得られる。
Alternatively, the
第2の色処理の実行後、ステップS60に示すように、DSP110は、信号SR、SG、SBを生成する。第2の色処理によって、入射光の照度がI3以下の低照度であっても、信号SR、SG、SBを得ることができる。
After executing the second color processing, the
上述のように、従来の装置は、I3〜I5の照度の範囲の入射光を検出することができた。これに対し、本実施形態による固体撮像装置100は、補間処理(S10)、出力VWの算出処理(S70)、第1および第2の色処理(S100、S110)によって、I1〜I6の照度の範囲の入射光を検出することができる。即ち、本実施形態によれば、I3以下の低照度の入射光を検出することができる。
As described above, the conventional apparatus was able to detect incident light in the illuminance range of I3 to I5. In contrast, the solid-
上述のように、本実施形態による固体撮像装置は、入射光エネルギーを95%以上利用することができる無色フィルタを備えた無色画素Wを導入し、尚且つ、入射光エネルギーの利用効率が低い単色光フィルタを備えた画素Gを省略した。入射光エネルギーの利用効率が低い画素Gに代えて、その利用効率が高い画素Wを導入することによって、本実施形態は、入射光エネルギーの利用効率を高めながら、3種類の色情報(R、G、B)を得ることができる。即ち、入射光エネルギーの利用効率が低い画素Gに代えて、その利用効率が高い画素Wを導入することによって、低照度の入射光を高感度で検出することができる。これは、装置全体のさらなる微細化にもつながる。 As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment introduces the colorless pixel W including the colorless filter that can use the incident light energy of 95% or more, and the monochrome is low in the utilization efficiency of the incident light energy. The pixel G provided with the optical filter is omitted. By introducing a pixel W having a high utilization efficiency instead of the pixel G having a low utilization efficiency of incident light energy, the present embodiment improves the utilization efficiency of incident light energy while increasing the three types of color information (R, G, B) can be obtained. That is, by introducing a pixel W with high utilization efficiency instead of the pixel G with low utilization efficiency of incident light energy, incident light with low illuminance can be detected with high sensitivity. This also leads to further miniaturization of the entire apparatus.
尚、本実施形態では、画素Gを省略したが、画素Gの代わりに画素Bを省略してもよい。画素Bの入射光エネルギーの利用効率は、画素Gのそれとほぼ等しい(約80%)からである。 In the present embodiment, the pixel G is omitted, but the pixel B may be omitted instead of the pixel G. This is because the utilization efficiency of the incident light energy of the pixel B is almost equal to that of the pixel G (about 80%).
(第2の実施形態)
いわゆる、RGB出力に替わるYUV出力の場合にも、第1の実施形態と同様の信号処理を適用することができる。第2の実施形態は、YUV出力に第1の実施形態を適用した実施形態である。第2の実施形態による固体撮像装置の構成は、第1の実施形態による固体撮像装置の構成と同様でよい。
(Second Embodiment)
In the case of so-called YUV output instead of RGB output, the same signal processing as in the first embodiment can be applied. The second embodiment is an embodiment in which the first embodiment is applied to YUV output. The configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment may be the same as the configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
図8に示すように、第2の実施形態は、図7の信号SR、SG、SBの生成ステップ(S60)に代えて信号SY、SU、SVの生成ステップ(S130)を具備し、図7の信号SR、SG、SBの出力ステップ(S120)に代えて信号SY、SU、SVの出力ステップ(S140)を具備する。また、第2の実施形態は、無彩色化処理も第1の実施形態と異なる。 As shown in FIG. 8, the second embodiment includes a generation step (S130) of signals SY, SU, and SV instead of the generation step (S60) of signals SR, SG, and SB of FIG. The output step (S140) of the signals SY, SU, SV is provided instead of the output step (S120) of the signals SR, SG, SB. The second embodiment also differs from the first embodiment in achromatic processing.
ステップS130における信号SY、SU、SVの生成は次のように行われる。 The generation of the signals SY, SU, SV in step S130 is performed as follows.
輝度信号SYは式10で表される。
SY=0.30SR+0.59SG+0.11SB (式10)
ここで、本実施形態によるCFAには画素Gが無いので、DSP110は、上述の補間処理により得られる各画素の信号SW、SR、SBから信号SY、SU、SV信号を算出する。そのためには、式3および式10を用いて、式11のように信号SYを得ることができる。
SY=0.30SR+0.58×(0.82SW−0.84SR−SB)+0.11SB=0.48W−0.19R−0.47B (式11)
さらに、色差信号SUおよびSVは、式12および式13のように表すことができる。
SU=0.492×(SB−SY)=0.492×(0.53SB+0.19SR−0.48SW)=0.26SB+0.09SR−0.24SW (式12)
SV=0.877×(SR−SY)=0.877×(0.52SR+0.47SB−0.48SW)=0.46SR+0.41SB−0.42SW (式13)
The luminance signal SY is expressed by
SY = 0.30SR + 0.59SG + 0.11SB (Formula 10)
Here, since the CFA according to the present embodiment does not include the pixel G, the
SY = 0.30SR + 0.58 × (0.82SW−0.84SR−SB) + 0.11SB = 0.48W−0.19R−0.47B (Formula 11)
Further, the color difference signals SU and SV can be expressed as
SU = 0.492 × (SB−SY) = 0.492 × (0.53SB + 0.19SR−0.48SW) = 0.26SB + 0.09SR−0.24SW (Formula 12)
SV = 0.877 × (SR−SY) = 0.877 × (0.52SR + 0.47SB−0.48SW) = 0.46SR + 0.41SB−0.42SW (Formula 13)
無彩色化処理に関しては、(SU,SV)=(0,0)とすればよい。第2の実施形態は、第1の実施形態と同様に従来よりも低照度の入射光を検出することができるという効果を有する。 Regarding the achromatic processing, (SU, SV) = (0, 0) may be set. Similar to the first embodiment, the second embodiment has an effect that it can detect incident light with lower illuminance than in the past.
(第3の実施形態)
第3の実施形態では、輝度信号SYとして、信号SWまたは補間後の信号をそのまま使用する。第3の実施形態のその他の構成および処理は、第2の実施形態と同様でよい。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the signal SW or the interpolated signal is used as it is as the luminance signal SY. Other configurations and processes of the third embodiment may be the same as those of the second embodiment.
輝度信号SYおよび色差信号SU、SVは、それぞれ式14から式16のように表すことができる。
SY=SW (式14)
SU=0.492×(SB−aSY) (式15)
SV=0.877×(SR−bSY) (式16)
ただし、a,bは、青色透過フィルタおよび赤色透過フィルタの分光透過率とフォトダイオードの分光感度とにより定まる定数である。
The luminance signal SY and the color difference signals SU and SV can be expressed as
SY = SW (Formula 14)
SU = 0.492 × (SB−aSY) (Formula 15)
SV = 0.877 × (SR−bSY) (Formula 16)
However, a and b are constants determined by the spectral transmittance of the blue transmission filter and the red transmission filter and the spectral sensitivity of the photodiode.
第3の実施形態によれば、信号ST、SU、SVを生成するための処理(S130)が簡単になる。よって、DSP110の負荷が軽減される。さらに、信号SWを信号SYに直接用いるため、輝度信号SYのS/N比が改善される。
According to the third embodiment, the process (S130) for generating the signals ST, SU, and SV is simplified. Therefore, the load on the
(画素配列の変形例)
次に、撮像領域101における画素配列の変形例について説明する。
(Variation of pixel array)
Next, a modified example of the pixel arrangement in the
図9は、行方向に並んだ2つの画素Wと、行方向に並んだ1つの画素Rおよび1つの画素Bとにより構成された2行2列の4画素ブロックからなる画素配列を示している。この4画素ブロックを1つのユニットとして繰り返し配置すると、画素Wは、行方向にストライプ状に配列される。隣り合う画素Wの行間には、画素Rおよび画素Bが繰り返し配置される。本変形例によれば、第1から第3の実施形態と同様にDSP110が信号SGを算出することができる。従って、本変形例は、第1から第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図9の画素配列によれば、行単位での信号読み出しを行うというCMOSセンサの特徴を利用して、画素Wの行のみを選択的に読み出すことができる。これにより、モノクロ画像ではあるが、高いフレームレートで高感度な撮像を行うことができる。
FIG. 9 shows a pixel array composed of four pixels blocks of two rows and two columns, each composed of two pixels W arranged in the row direction and one pixel R and one pixel B arranged in the row direction. . When these four pixel blocks are repeatedly arranged as one unit, the pixels W are arranged in a stripe shape in the row direction. Between the rows of adjacent pixels W, the pixel R and the pixel B are repeatedly arranged. According to this modification, the
図10は、画素Wがストライプ状に配列されている点で図9の配列と同じである。しかし、図9の配列では、或る列における画素配列は、W、R、W、R・・・またはW、B、W、B・・・の順であるのに対し、図10の配列では、画素配列は、W、B、W、R・・・またはW、B、W、R・・・の順である。このように図10に示す変形例は、4行2列の8画素ブロックを1つのユニットとして構成されている。本変形例は、図9に示す変形例と同様の効果を有する。さらに、図10に示す変形例では、画素Rと画素Bとが交互に配列されるので、信号SRおよびSBの色解像度が向上する。 FIG. 10 is the same as the arrangement in FIG. 9 in that the pixels W are arranged in a stripe shape. However, in the arrangement of FIG. 9, the pixel arrangement in a certain column is W, R, W, R... Or W, B, W, B. The pixel array is in the order of W, B, W, R... Or W, B, W, R. As described above, the modification shown in FIG. 10 is configured with an 8-pixel block of 4 rows and 2 columns as one unit. This modification has the same effect as the modification shown in FIG. Furthermore, in the modification shown in FIG. 10, since the pixels R and B are alternately arranged, the color resolution of the signals SR and SB is improved.
図11は、画素Wがストライプ状に配列されている点で図9の配列と同じである。しかし、図11の配列では、隣り合う画素Wの行間には、画素R、画素Bおよび画素Wが繰り返し配置される。このように、図11の変形例は、2行3列の6画素ブロックを1つのユニットとして構成されている。本変形例は、図9に示す変形例と同様の効果を有する。さらに、図11に示す変形例では、画素R、B、Wを含む行のみを読み出すことによって高いフレームレートでカラー画像を撮像することができる。 FIG. 11 is the same as the arrangement in FIG. 9 in that the pixels W are arranged in stripes. However, in the arrangement of FIG. 11, the pixel R, the pixel B, and the pixel W are repeatedly arranged between adjacent rows of pixels W. As described above, the modification of FIG. 11 is configured by 6 pixel blocks of 2 rows and 3 columns as one unit. This modification has the same effect as the modification shown in FIG. Furthermore, in the modification shown in FIG. 11, a color image can be taken at a high frame rate by reading only the rows including the pixels R, B, and W.
図12は、画素Wがストライプ状に配列されている点で図9の配列と同じである。しかし、図12の配列では、隣り合う画素Wの行間には、画素が、W、R、W、B・・・またはW、B、W、R・・・の順に繰り返し配置されている。図12に示す変形例は、4行4列の16画素ブロックを1つのユニットとして構成されている。本変形例は、図9に示す変形例と同様の効果を有する。図12に示す変形例では、画素R、B、Wを含む行のみを読み出すことによって、高いフレームレートのカラー画像を撮像することができる。さらに、図12に示す変形例は、図11に示す変形例より1ユニットにおける画素Wの比率が75%と高い。よって、通常の撮像条件においても、本変形例は、より高感度な撮像が可能となる。 FIG. 12 is the same as the arrangement in FIG. 9 in that the pixels W are arranged in a stripe shape. However, in the arrangement of FIG. 12, pixels are repeatedly arranged in the order of W, R, W, B... Or W, B, W, R. In the modification shown in FIG. 12, a 16 pixel block of 4 rows and 4 columns is configured as one unit. This modification has the same effect as the modification shown in FIG. In the modified example shown in FIG. 12, a color image with a high frame rate can be captured by reading out only the rows including the pixels R, B, and W. Further, in the modification example shown in FIG. 12, the ratio of the pixels W in one unit is as high as 75% compared to the modification example shown in FIG. Therefore, even under normal imaging conditions, this modification can perform imaging with higher sensitivity.
図13に示す画素は、半導体基板上において四角形に形成されている。しかし、画素は、画素W、R、Bの配列方向に対して辺が傾斜するように配置されている。より詳細には、各画素は、撮像面の縦横軸に対して45°傾斜した正方形に形成されている。画素領域101内において隣接する画素同士は隙間なく配置されている。画素Wは行方向にストライプ状に配置され、その画素Wの行間にはW、R、Bが繰り返し配置されている。図13に示す画素領域は、4行4列の16画素ブロックを1つのユニットとして構成されている。
The pixels shown in FIG. 13 are formed in a square shape on a semiconductor substrate. However, the pixels are arranged such that the sides are inclined with respect to the arrangement direction of the pixels W, R, and B. More specifically, each pixel is formed in a square inclined by 45 ° with respect to the vertical and horizontal axes of the imaging surface. In the
図13に示す変形例は、図9に示す変形例と同様の効果を有する。さらに、図13に示す変形例は、通常の撮像モードにおいて、1ユニットにおける画素Wの比率は87.5%と高いので、極めて高感度な撮像が可能となる。 The modification shown in FIG. 13 has the same effect as the modification shown in FIG. Further, in the modified example shown in FIG. 13, since the ratio of the pixel W in one unit is as high as 87.5% in the normal imaging mode, imaging with extremely high sensitivity is possible.
図14に示す各画素は、長方形を成し、その幅は高さの2倍である。隣接する画素行は、互いに半ピッチずつずらされて配置されている。画素Wは、1行おきに行方向に配列され、ストライプ状に設けられている。隣り合う画素Wの行間には、画素W、R、Bが繰り返し配置されている。図14に示す変形例は、4行4列の16画素ブロックを1つのユニットとして構成されている。図14に示す変形例は、図9に示す変形例と同様の効果を有する。さらに、図14に示す変形例は、通常の撮像モードにおいて、1ユニットにおける画素Wの比率は、図13に示す変形例のそれと同様に高いので、極めて高感度な撮像が可能となる。 Each pixel shown in FIG. 14 forms a rectangle, and its width is twice the height. Adjacent pixel rows are shifted from each other by half a pitch. The pixels W are arranged in the row direction every other row and are provided in a stripe shape. Pixels W, R, and B are repeatedly arranged between rows of adjacent pixels W. In the modification shown in FIG. 14, a 16 pixel block of 4 rows and 4 columns is configured as one unit. The modification shown in FIG. 14 has the same effect as the modification shown in FIG. Furthermore, in the modification example shown in FIG. 14, in the normal imaging mode, the ratio of the pixels W in one unit is as high as that in the modification example shown in FIG.
なお、図10〜図14に示す画素配列を用いた固体撮像素子では、3行3列よりも広い画素ブロックが、補間処理を行うために必要となる。従って、DSP110は、補間処理を実行するときに、補間対象の画素と補間に用いられるデータを出力する画素との距離を考慮した重み付け平均処理を行うことが必要になる。
In the solid-state imaging device using the pixel arrangement shown in FIGS. 10 to 14, a pixel block wider than 3 rows and 3 columns is necessary for performing the interpolation process. Accordingly, when executing the interpolation process, the
画素W以外の画素Rおよび画素BにIRカットフィルタを設けてもよい。これにより、画素R、Bは近赤外光を受光することなく、より正確な信号を検出することができる。さらに、画素Wは近赤外光も検出するので、より高感度な撮像が可能となる。 An IR cut filter may be provided for the pixel R and the pixel B other than the pixel W. Thereby, the pixels R and B can detect a more accurate signal without receiving near-infrared light. Furthermore, since the pixel W also detects near-infrared light, it is possible to perform imaging with higher sensitivity.
上記実施形態では、CFAは、画素W、RおよびBの組み合わせにより構成されていた。しかし、画素W、RおよびBのうち、画素RおよびBは、光の3原色であるR、G、Bから任意の2色を選択してよい。 In the above embodiment, the CFA is composed of a combination of the pixels W, R, and B. However, among the pixels W, R, and B, the pixels R and B may select any two colors from R, G, and B that are the three primary colors of light.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
90…半導体基板
100…固体撮像装置
101…画素領域
110…演算部
10…無色フィルタ
20…第1のフィルタ
30…第2のフィルタ
W…第1の画素
R…第2の画素
B…第3の画素
90 ...
Claims (18)
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第2の電気信号および前記第3の電気信号のそれぞれに前記第1のフィルタの分光透過率によって決定される係数および前記第2のフィルタの分光透過率によって決定される係数を乗算し、この乗算によって得られた結果をともに前記第1の電気信号から減算し、この減算によって得られた結果に基づいて前記第4の電気信号を得ることを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of first pixels including a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and converting the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit includes a coefficient determined by a spectral transmittance of the first filter and a coefficient determined by a spectral transmittance of the second filter for each of the second electric signal and the third electric signal. multiplied by, this subtracts the result obtained by multiplying the both the first electrical signal, the solid-state imaging device, characterized in that to obtain the fourth electrical signal based on the results obtained by this subtraction.
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第2の電気信号および前記第3の電気信号のそれぞれに前記第1のフィルタの分光透過率によって決定される係数および前記第2のフィルタの分光透過率によって決定される係数を乗算し、この乗算によって得られた結果を互いに加算し、この加算によって得られた結果で前記第1の電気信号を除算し、この除算によって得られた結果から1を減算し、この減算によって得られた結果を前記第1の電気信号に乗算することによって前記第4の電気信号を得ることを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of first pixels including a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and converting the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit includes a coefficient determined by a spectral transmittance of the first filter and a coefficient determined by a spectral transmittance of the second filter for each of the second electric signal and the third electric signal. , The results obtained by this multiplication are added together, the first electrical signal is divided by the result obtained by this addition, 1 is subtracted from the result obtained by this division, and this subtraction A solid-state imaging device, wherein the fourth electric signal is obtained by multiplying the first electric signal by the obtained result .
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1の波長および前記第2の波長と異なる第3の波長に対応する第4の電気信号を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、前記第1の画素に隣接する前記第2および第3の画素からの前記第2および前記第3の電気信号を用いて、前記第1の画素における前記第1の波長による第2の電気信号および前記第2の波長による第3の電気信号を補間し、
前記第2の画素に隣接する前記第1および第3の画素からの前記第1および前記第3の電気信号を用いて、前記第2の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第2の波長による第3の電気信号を補間し、
前記第3の画素に隣接する前記第1および第2の画素からの前記第1および前記第2の電気信号を用いて、前記第3の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第1の波長による第2の電気信号を補間し、
前記各画素において補間後の前記第1から前記第3の電気信号を用いて前記第4の電気信号を算出することを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of first pixels that include a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and that converts the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals, and using the first to third electrical signals, corresponding to a third wavelength different from the first wavelength and the second wavelength; And an arithmetic unit for calculating the electrical signal of
The arithmetic unit uses the second and third electrical signals from the second and third pixels adjacent to the first pixel to generate the first wavelength based on the first wavelength in the first pixel. Interpolating two electrical signals and a third electrical signal with the second wavelength;
Using the first and third electrical signals from the first and third pixels adjacent to the second pixel, the first electrical signal by the visible light in the second pixel and the first Interpolating a third electrical signal with a wavelength of 2;
Using the first and second electrical signals from the first and second pixels adjacent to the third pixel, the first electrical signal by the visible light in the third pixel and the second Interpolating a second electrical signal with a wavelength of 1;
A solid-state imaging device, and calculates the fourth electrical signal by using said third electrical signal from said first interpolated at each pixel.
前記第2および前記第3の画素は、隣接する前記第1の画素の行間に1つずつ交互に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The first pixels are arranged in stripes every other row,
Said second and said third pixel, according to claims 1, characterized in that are arranged alternately one on rows of the first pixel adjacent to any one of claims 3 Solid-state imaging device.
前記第1から前記第3の画素は、隣接する前記第1の画素の行間に1つずつ繰り返し配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The first pixels are arranged in stripes every other row,
4. The solid according to claim 1, wherein the first to third pixels are repeatedly arranged one by one between adjacent rows of the first pixels. 5. Imaging device.
前記第1から前記第3の画素は、隣接する前記第1の画素の行間において、前記第1の画素、前記第2の画素、前記第1の画素、前記第3の画素の順に繰り返し配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The first pixels are arranged in stripes every other row,
The first to third pixels are repeatedly arranged in the order of the first pixel, the second pixel, the first pixel, and the third pixel between rows of the adjacent first pixels. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid-state imaging device is provided.
可視光のうち第1の波長に分光透過率のピークを有する第1のフィルタを含み、該第1の波長の光を第2の電気信号に変換する複数の第2の画素と、
可視光のうち第1の波長と異なる第2の波長に分光透過率のピークを有する第2のフィルタを含み、該第2の波長の光を第3の電気信号に変換する複数の第3の画素と、
前記第1から前記第3の画素から成る画素領域へ入射する光によって生じた前記第1から前記第3の電気信号を受信し、前記第1から前記第3の電気信号を用いて、前記第1から前記第3の画素のそれぞれの輝度信号および色差信号を生成する演算部とを備えた固体撮像装置。 A plurality of first pixels that include a colorless filter that transmits the entire wavelength range of visible light, and that converts the visible light into a first electrical signal;
A plurality of second pixels including a first filter having a spectral transmittance peak at a first wavelength of visible light, and converting the light of the first wavelength into a second electrical signal;
A second filter having a peak of spectral transmittance at a second wavelength different from the first wavelength of the visible light, and a plurality of third filters for converting the light of the second wavelength into a third electrical signal Pixels,
Receiving the first to third electrical signals generated by light incident on a pixel region comprising the first to third pixels, and using the first to third electrical signals, A solid-state imaging device comprising: a calculation unit that generates a luminance signal and a color difference signal of each of the first to third pixels.
前記第2の画素に隣接する前記第1および第3の画素からの前記第1および前記第3の電気信号を用いて、前記第2の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第2の波長による第3の電気信号を補間し、
前記第3の画素に隣接する前記第1および第2の画素からの前記第1および前記第2の電気信号を用いて、前記第3の画素における前記可視光による第1の電気信号および前記第1の波長による第2の電気信号を補間し、
前記各画素において補間後の前記第1から前記第3の電気信号を用いて前記輝度信号および色差信号を生成することを特徴とする請求項10に記載の固体撮像装置。 The arithmetic unit uses the second and third electrical signals from the second and third pixels adjacent to the first pixel to generate the first wavelength based on the first wavelength in the first pixel. Interpolating two electrical signals and a third electrical signal with the second wavelength;
Using the first and third electrical signals from the first and third pixels adjacent to the second pixel, the first electrical signal by the visible light in the second pixel and the first Interpolating a third electrical signal with a wavelength of 2;
Using the first and second electrical signals from the first and second pixels adjacent to the third pixel, the first electrical signal by the visible light in the third pixel and the second Interpolating a second electrical signal with a wavelength of 1;
The solid-state imaging device according to claim 10 , wherein the luminance signal and the color difference signal are generated using the first to third electric signals after interpolation in each pixel.
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