JP2012244533A - Imaging apparatus and image signal processing method - Google Patents

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圭介 田中
Kazuo Fujiwara
一夫 藤原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus which can output an excellent color image even in environment, typical of a nighttime mode, in which a visible light is weak, and to provide an image signal processing method.SOLUTION: The imaging apparatus includes a readout part which is arranged over a plurality of light receiving elements arrayed in two dimensions, and reads out a plurality of kinds of color signals transmitted through a plurality of kinds of color filters transmitting visible light and near-infrared light and then photoelectrically converted and a near-infrared signal transmitted through a near-infrared filter transmitting only near-infrared light and photoelectrically converted; a (k) calculation part 222 which calculates a mixing coefficient (k) indicative of the ratio of the near-infrared signal to be mixed with the plurality of kinds of color signals for each unit pixel according to the signal amount of the near-infrared signal; a luminance calculation part 223 which mixes the plurality of color signals and the near-infrared signal for each unit pixel based upon the mixing coefficient (k), and outputs the resulting signal as a luminance signal; and a color difference calculation part 215 which calculates a plurality of color component signals for each unit pixel using the plurality of kinds of color signals, the near-infrared signal, and the luminance signal, and outputs the signals.

Description

本発明は、可視光と近赤外光とを受光する撮像装置および画像信号処理方法に関する。   The present invention relates to an imaging device and an image signal processing method that receive visible light and near infrared light.

近年、セキュリティ、ネットワーク、車載などの用途として、昼間は可視光を光源としてカラー画像を撮像し、夜間は近赤外光を受光して白黒画像を撮像するという機能を有する、昼夜兼用またはデイナイトと称される撮像装置の需要が急速に高まりつつある。   In recent years, as a security, network, in-vehicle application, etc., it has a function of capturing a color image using visible light as a light source during the daytime and capturing a black and white image by receiving near-infrared light at night. The demand for the so-called imaging device is rapidly increasing.

特許文献1では、デイナイト機能を有する従来の撮像装置が開示されている。具体的には、昼間においては、二次元状に配置された受光素子上に異なる色のカラーフィルタが搭載されたMOSセンサや電荷結合素子(CCD:Charge Coupled Device)等の固体撮像素子の受光経路上に、近赤外光を遮断するIRカットフィルタを配置することで、可視光カラー画像を撮像する。一方、夜間においては、IRカットフィルタをとりはずすことで、各画素の信号を全て輝度信号として用いることで白黒画像を撮像する。   Patent Document 1 discloses a conventional imaging device having a day / night function. Specifically, in the daytime, a light receiving path of a solid-state imaging device such as a MOS sensor or a charge coupled device (CCD) in which color filters of different colors are mounted on a light receiving device arranged two-dimensionally. A visible color image is captured by disposing an IR cut filter that blocks near-infrared light above. On the other hand, at night, by removing the IR cut filter, a monochrome image is captured by using all the signals of each pixel as luminance signals.

また、特許文献2では、光学系にIRカットフィルタを配置せずにデイナイト機能を有する従来の撮像装置が開示されている。具体的には、異なる色フィルタを搭載した複数の可視光用受光素子と、少なくとも一つの近赤外光専用受光素子とを用い、昼間においては、可視光用受光素子の信号に混入する近赤外光成分と、専用受光素子で得られる純粋な近赤外光成分とを差分することにより可視カラー画像を撮像し、夜間においては、全画素に入射する近赤外信号を輝度信号として白黒画像を撮像する。   Patent Document 2 discloses a conventional imaging device having a day / night function without disposing an IR cut filter in an optical system. Specifically, a plurality of visible light receiving elements equipped with different color filters and at least one near-infrared light receiving element are used, and in the daytime, the near-red light mixed in the signal of the visible light receiving element is used. A visible color image is captured by subtracting the external light component from the pure near-infrared light component obtained by the dedicated light-receiving element, and at night, a black-and-white image with the near-infrared signal incident on all pixels as the luminance signal Image.

また、特許文献3では、赤色光と近赤外光(R+IR)、緑色光と近赤外光(G+IR)あるいは青色光と近赤外光(B+IR)を外部光源で照明した被写体を、モノクロ固体撮像素子で撮像することで、可視光と同時に透過したIR信号も使って輝度信号を向上させる従来技術が開示されている。   Also, in Patent Document 3, an object illuminated with red light and near infrared light (R + IR), green light and near infrared light (G + IR), or blue light and near infrared light (B + IR) with an external light source is monochrome solid. The prior art which improves a luminance signal using the IR signal transmitted simultaneously with visible light by imaging with an image pick-up element is disclosed.

米国特許第4316659号明細書US Pat. No. 4,316,659 特開2008−35090号公報JP 2008-35090 A 特開昭63−135121号公報JP-A-63-135121

しかしながら、特許文献1で開示された従来技術は、IRカットフィルタを着脱する機械式切り替え装置が必要であるため、部品点数の増加に伴うコスト増、機械式部品の疲労による信頼性低下、そして昼夜境界時における突然の切り替えによる光学系と信号処理系とのミスマッチ、具体的には、例えば、露光量ずれによる低品質画像出力期間の発生、という課題を有している。   However, since the prior art disclosed in Patent Document 1 requires a mechanical switching device that attaches and detaches an IR cut filter, the cost increases as the number of parts increases, the reliability decreases due to fatigue of mechanical parts, and day and night There is a problem of mismatch between the optical system and the signal processing system due to sudden switching at the boundary, specifically, for example, generation of a low-quality image output period due to exposure deviation.

また、特許文献2で開示された従来技術は、一旦夜間モードに切り替わると、常時近赤外光を基にした輝度信号を形成し、白黒画像のみを出力する方式であるため、夜間モードにおいてカラー画像を得ることが出来ない、という課題を有している。   In addition, the prior art disclosed in Patent Document 2 is a method that, once switched to the night mode, always forms a luminance signal based on near-infrared light and outputs only a black-and-white image. There is a problem that an image cannot be obtained.

また、特許文献3で開示された従来技術においても、一旦夜間モードに切り替わると、常時近赤外光を基にした輝度信号を形成し、白黒画像のみを出力する方式であるため、夜間モードにおいてカラー画像を得ることができず、フレーム内でのモード切替できない、という課題を有している。   Also, in the prior art disclosed in Patent Document 3, once the mode is switched to night mode, a luminance signal based on near-infrared light is always formed and only a black and white image is output. There is a problem that a color image cannot be obtained and the mode cannot be switched within the frame.

このため、例えば、セキュリティ、ネットワーク、車載などの用途のカメラにおいては、夜間においても街灯や家屋からの漏れ光等を光源とする微弱な色信号成分を利用した画像を撮像することが困難な状況にある。   For this reason, for example, in cameras for security, networking, in-vehicle use, etc., it is difficult to capture an image using a weak color signal component that uses a streetlight or light leaked from a house as a light source even at night. It is in.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、夜間モードに代表される、可視光信号が微弱な環境においても良好なカラー画像を出力できる撮像装置および画像信号処理方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides an imaging apparatus and an image signal processing method that are capable of outputting a good color image even in an environment where a visible light signal is weak, represented by a night mode. Objective.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、二次元状に配置され、入射光を光電変換する複数の受光素子と、前記複数の受光素子の上に配置された、可視光と近赤外光とを透過する複数種類の色フィルタおよび近赤外光のみを透過する近赤外フィルタと、前記色フィルタを透過して光電変換された複数種類の色信号と、前記近赤外フィルタを透過して光電変換された近赤外信号とを前記複数の受光素子から読み出す読み出し部と、前記近赤外フィルタが配置された受光素子と当該受光素子に隣接する前記色フィルタが配置された受光素子とで構成される単位画素ごとに、前記読み出し部から読み出された前記複数種類の色信号に混合すべき前記近赤外信号の割合を表す混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出する係数算出部と、前記読み出し部から読み出された前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記係数算出部で算出された前記混合係数に基づいて前記単位画素ごとに混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力する輝度計算部と、前記複数種類の色信号および前記近赤外信号、ならびに前記輝度信号を用いて、前記単位画素ごとに複数の色成分信号を計算して出力する色成分計算部とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an imaging device according to one embodiment of the present invention is two-dimensionally arranged, and is disposed on a plurality of light receiving elements that photoelectrically convert incident light and the plurality of light receiving elements. A plurality of types of color filters that transmit visible light and near-infrared light, a near-infrared filter that transmits only near-infrared light, and a plurality of types of color signals that are photoelectrically converted through the color filter; A reading unit that reads out from the plurality of light receiving elements photoelectrically converted near infrared signals that have passed through the near infrared filter, a light receiving element in which the near infrared filter is disposed, and the color adjacent to the light receiving element For each unit pixel configured with a light receiving element in which a filter is arranged, a mixing coefficient representing a ratio of the near-infrared signal to be mixed with the plurality of types of color signals read from the reading unit Calculated according to the amount of infrared signal A plurality of color signals read from the reading unit and the near-infrared signal are mixed for each unit pixel based on the mixing coefficient calculated by the coefficient calculating unit. And calculating a plurality of color component signals for each unit pixel using the luminance calculation unit that outputs the mixed signal as a luminance signal, the plurality of types of color signals and the near-infrared signal, and the luminance signal. And a color component calculation unit for outputting the output.

上記態様によれば、近赤外信号の信号量に応じて混合係数を算出することにより、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して、画像をカラー化することが可能となる。言い換えれば、輝度信号に占める近赤外信号の割合を、近赤外信号量に応じて調整可能にする。   According to the above aspect, by calculating the mixing coefficient according to the signal amount of the near-infrared signal, it is possible to colorize the image while effectively leaving the color component signal even if the visible light signal is weak. It becomes. In other words, the ratio of the near-infrared signal to the luminance signal can be adjusted according to the near-infrared signal amount.

例えば、混合係数を小さくすれば(輝度信号に占める近赤外信号の割合を小さくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に大きくなり、画像を白黒からカラーに近づけることができる。逆に、混合係数を大きくすれば(輝度信号に占める近赤外信号の割合を大きくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に小さくなり画像をカラーから白黒に近づけることができる。   For example, if the mixing coefficient is reduced (if the ratio of the near-infrared signal in the luminance signal is reduced), the color component signal (for example, the color difference signal) becomes relatively large, and the image can be made closer to color from black and white. . Conversely, if the mixing coefficient is increased (if the ratio of the near-infrared signal occupying the luminance signal is increased), the color component signal (for example, the color difference signal) becomes relatively small, and the image can be made closer to color from black and white. .

よって、白黒画像、白黒に近いカラー画像、白黒とカラー画像の中間的な画像、カラーに近い白黒画像、カラー画像、というように、混合係数に応じて画像を段階的に生成することが可能となる。これを単位画素ごとに制御することで、特に夜間に近赤外光を利用した擬似カラーモードでの画像出力時でも、注目物体の性質に応じて、特定注目領域のみを高解像度白黒画像にすること、または、赤色を強調することなどが可能であり、注目物体を認識し易くなる。   Therefore, it is possible to generate images in stages according to the mixing coefficient, such as black and white images, color images close to black and white, intermediate images between black and white and color images, black and white images close to color, and color images. Become. By controlling this for each unit pixel, even when outputting images in pseudo color mode using near-infrared light at night, depending on the properties of the object of interest, only a specific region of interest is converted into a high-resolution black-and-white image. Or red can be emphasized, and the object of interest can be easily recognized.

また、前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離より短いことが好ましい。   The focal length of the condenser lens formed on the light receiving element on which the near-infrared filter is disposed is greater than the focal length of the condenser lens formed on the light receiving element on which the plurality of types of color filters are disposed. Short is preferred.

波長が長いほど焦点距離が短くなることから、上記態様により、波長が可視光より長い近赤外光の信号を効率よく受光素子に入射できる。   Since the focal length is shorter as the wavelength is longer, the above-described aspect allows the near-infrared light signal having a wavelength longer than visible light to be efficiently incident on the light receiving element.

また、前記集光レンズは、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心構造の光透過膜により生じる実効屈折率分布を有してもよい。   The condensing lens may have an effective refractive index distribution generated by a light transmission film having a concentric structure divided by a line width equal to or shorter than the wavelength of incident light.

これにより、斜め入射光での集光効率の増加ならびに解像度および感度の向上が図られ、高精細でかつ色再現性が高い固体撮像素子を実現できる。   As a result, the light collection efficiency with obliquely incident light is increased and the resolution and sensitivity are improved, and a solid-state imaging device with high definition and high color reproducibility can be realized.

また、前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率よりも大きいことが好ましい。   The refractive index of the condenser lens formed on the light receiving element on which the near-infrared filter is arranged is based on the refractive index of the condenser lens formed on the light receiving element on which the plurality of types of color filters are arranged. Is also preferably large.

屈折率が大きいほど焦点距離が短くなることから、上記態様により、波長が可視光より長い近赤外光の信号を効率よく受光素子に入射できる。   Since the focal length is shortened as the refractive index is increased, a signal of near infrared light having a wavelength longer than that of visible light can be efficiently incident on the light receiving element.

また、前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された層間膜の屈折率は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された層間膜の屈折率よりも大きいことが好ましい。   The refractive index of the interlayer film formed on the light receiving element on which the near-infrared filter is disposed is larger than the refractive index of the interlayer film formed on the light receiving element on which the plurality of types of color filters are disposed. It is preferable.

波長が可視光より長い近赤外光用の受光素子上に形成された層間膜の屈折率は、(可視光+近赤外光)用の受光素子上に形成された層間膜の屈折率より大きいので、波長が可視光より長い近赤外光の信号を効率よく受光素子に入射できる。   The refractive index of the interlayer film formed on the near-infrared light receiving element whose wavelength is longer than that of visible light is higher than the refractive index of the interlayer film formed on the light-receiving element for (visible light + near infrared light). Since it is large, a near-infrared light signal having a longer wavelength than visible light can be efficiently incident on the light receiving element.

また、本発明は、このような特徴的な手段を備える撮像装置として実現することができるだけでなく、撮像装置に含まれる特徴的な手段をステップとする画像信号処理方法として実現することができる。   In addition, the present invention can be realized not only as an image pickup apparatus including such characteristic means, but also as an image signal processing method using the characteristic means included in the image pickup apparatus as a step.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る画像信号処理方法は、二次元状に配置され入射光を光電変換する複数の受光素子と、当該複数の受光素子の上に配置された、可視光と近赤外光とを透過する複数種類の色フィルタおよび近赤外光のみを透過する近赤外フィルタとを備える撮像装置において行われる画像信号処理方法であって、前記色フィルタを透過して光電変換された複数種類の色信号と、前記近赤外フィルタを透過して光電変換された近赤外信号とを前記複数の受光素子から読み出す読み出しステップと、前記近赤外フィルタが配置された受光素子と当該受光素子に隣接する前記色フィルタが配置された受光素子とで構成される単位画素ごとに、前記読み出しステップにて読み出された前記複数種類の色信号に混合すべき前記近赤外信号の割合を表す混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出する係数算出ステップと、前記読み出しステップにて読み出された前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記係数算出ステップにて算出された前記混合係数に基づいて前記単位画素ごとに混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力する輝度出力ステップと、前記複数種類の色信号、前記近赤外信号および前記輝度信号、ならびに前記輝度信号を用いて、前記単位画素ごとに複数の色成分信号を計算して当該複数の色成分信号を出力する色成分出力ステップとを含むことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an image signal processing method according to one embodiment of the present invention includes a plurality of light receiving elements that are two-dimensionally arranged to photoelectrically convert incident light, and are disposed on the plurality of light receiving elements. An image signal processing method performed in an imaging apparatus including a plurality of types of color filters that transmit visible light and near infrared light and a near infrared filter that transmits only near infrared light, the color filter A step of reading out from the plurality of light receiving elements a plurality of types of color signals that have been transmitted through and photoelectrically converted, and a near infrared signal that has been transmitted through the near infrared filter and subjected to photoelectric conversion, and the near infrared filter For each unit pixel composed of the light receiving element in which the color filter is disposed and the light receiving element in which the color filter adjacent to the light receiving element is disposed, the unit pixel should be mixed with the plurality of types of color signals read in the reading step. A coefficient calculating step for calculating a mixing coefficient representing a ratio of the near-infrared signal in accordance with a signal amount of the near-infrared signal; and the plurality of types of color signals read in the reading step and the near-red A luminance output step of mixing an external signal for each of the unit pixels based on the mixing coefficient calculated in the coefficient calculation step, and outputting the mixed signal as a luminance signal, the plurality of types of color signals, A color component output step of calculating a plurality of color component signals for each unit pixel using the near-infrared signal, the luminance signal, and the luminance signal, and outputting the plurality of color component signals. Features.

また、前記係数算出ステップでは、同一フレーム画像内の第1の領域が白黒画像となるように前記混合係数を算出し、前記第1の領域と異なる第2の領域がカラー画像となるように前記混合係数を算出してもよい。   In the coefficient calculating step, the mixing coefficient is calculated so that the first area in the same frame image is a black and white image, and the second area different from the first area is a color image. A mixing coefficient may be calculated.

これにより、カラー画像を、夜間および昼間に関係なく常に出力することが可能となる。さらに、特定注目領域のみ、高解像度の白黒画像またはカラー画像にすることができるので、解像度または視認性を向上させることが可能となる。   This makes it possible to always output a color image regardless of nighttime or daytime. Furthermore, since only the specific attention area can be a high-resolution black-and-white image or color image, the resolution or visibility can be improved.

また、前記複数種類の色信号および前記赤外信号は、それぞれ、正規化された値を有し、前記輝度出力ステップにて出力される前記輝度信号をY、前記複数種類の色信号のうち赤色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(R+IR)、緑色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(G+IR)、青色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(B+IR)、前記近赤外フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号をIR、前記混合係数をkとすると、Y=(R+IR)+(G+IR)+(B+IR)+k×IRで表され、前記係数算出ステップでは、前記混合係数を、−3から+1の範囲内の値において算出してもよい。   Further, each of the plurality of types of color signals and the infrared signal has a normalized value, the luminance signal output in the luminance output step is Y, and red among the plurality of types of color signals. The luminance signal read from the light receiving element having the color filter (R + IR), the luminance signal read from the light receiving element having the green color filter (G + IR), and the light receiving element having the blue color filter (B + IR), where IR is the luminance signal read from the light receiving element having the near-infrared filter, and k is the mixing coefficient, Y = (R + IR) + (G + IR) + ( B + IR) + k × IR, and in the coefficient calculation step, the mixing coefficient may be calculated at a value within a range of −3 to +1.

これにより、輝度信号の算出を簡単な計算により生成することができる。   Thereby, the calculation of the luminance signal can be generated by a simple calculation.

また、前記色成分出力ステップでは、複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、前記複数種類の色信号および前記近赤外信号が含む近赤外信号成分の成分量を調整して当該複数の色成分信号を出力してもよい。   Further, in the color component output step, the components of the near-infrared signal component included in the plurality of types of color signals and the near-infrared signal so as to maximize the gain of the red component signal among the plurality of color component signals. The plurality of color component signals may be output by adjusting the amount.

これにより、色信号処理において注目領域の赤色に近赤外信号を優先的に加算することで可視光が微弱な領域でも赤色を強調して表示し、視認性を向上することができる。   As a result, the near-infrared signal is preferentially added to the red color of the attention area in the color signal processing, whereby the red color is emphasized and displayed even in the area where the visible light is weak, thereby improving the visibility.

また、前記色成分出力ステップでは、複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、前記複数種類の色信号のうちの赤色信号の利得を他の色信号の利得よりも増加させて当該複数の色成分信号を出力してもよい。   In the color component output step, the gain of the red signal of the plurality of types of color signals is set to be higher than the gain of the other color signals so as to maximize the gain of the red component signal of the plurality of color component signals. And the plurality of color component signals may be output.

これにより、可視光が微弱な領域でも赤色を強調して表示し、視認性を向上することができる。   As a result, even in a region where the visible light is weak, red is highlighted and the visibility can be improved.

また、前記係数算出ステップでは、1フレーム内の最小1画素行ごとに、前記混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出し、前記輝度出力ステップでは、前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記混合係数に基づいて混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力し、前記色成分出力ステップでは、前記複数種類の色信号、前記近赤外信号及び前記輝度信号を用いて、複数の色成分信号を計算して当該複数の色成分信号を出力することにより、カラー画像と近赤外光による輝度成分を主とする白黒画像とを1フレーム内の最小1行単位で切り替えて表示させてもよい。   In the coefficient calculation step, the mixing coefficient is calculated according to a signal amount of the near-infrared signal for each minimum pixel row in one frame. In the luminance output step, the plurality of types of color signals are calculated. And the near-infrared signal are mixed based on the mixing coefficient, and the mixed signal is output as a luminance signal. In the color component output step, the plurality of types of color signals, the near-infrared signal, and the By calculating a plurality of color component signals using the luminance signal and outputting the plurality of color component signals, a color image and a black-and-white image mainly composed of luminance components by near-infrared light are minimized in one frame. It may be switched and displayed in units of one line.

これにより、フレーム内の画素行ごとに最適な混合係数を得ることができ、1フレーム内で白黒画像とカラー画像を生成するので、両者の長所をもつ画像をユーザに提供することができる。   As a result, an optimum mixing coefficient can be obtained for each pixel row in the frame, and a monochrome image and a color image are generated in one frame, so that an image having the advantages of both can be provided to the user.

本発明の撮像装置および画像信号処理方法によれば、近赤外信号の信号量に応じて混合係数を算出することにより、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して、画像をカラー化することができる。   According to the imaging device and the image signal processing method of the present invention, by calculating the mixing coefficient according to the signal amount of the near-infrared signal, the color component signal is effectively left even if the visible light signal is weak, Images can be colorized.

本発明の実施の形態1に係る撮像装置の主要な機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the main function structures of the imaging device which concerns on Embodiment 1 of this invention. k算出部における混合係数算出処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the mixing coefficient calculation process in a k calculation part. 本発明の実施の形態1に係る画像信号処理方法を説明する動作フローチャートである。3 is an operation flowchart illustrating an image signal processing method according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る撮像装置の主要な機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the main function structures of the imaging device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 輝度計算部における混合係数算出処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the mixing coefficient calculation process in a brightness | luminance calculation part.

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本実施の形態に係る撮像装置は、二次元状に配置された複数の受光素子を有する固体撮像素子から、複数色の可視光に対応する複数種類の色信号および近赤外信号を読み出し、当該近赤外信号の信号量に応じて、複数種類の色信号に対する近赤外信号の混合率を示す混合係数を単位画素ごとに算出し、当該混合係数を用いて、複数種類の色信号と近赤外信号とを混合し、当該混合された信号を輝度信号として出力し、また、複数種類の色信号および近赤外信号を用いて複数の色成分信号を計算して出力する。
(Embodiment 1)
The imaging apparatus according to the present embodiment reads a plurality of types of color signals and near-infrared signals corresponding to a plurality of colors of visible light from a solid-state imaging device having a plurality of light receiving elements arranged two-dimensionally, Depending on the signal amount of the near-infrared signal, a mixing coefficient indicating the mixing ratio of the near-infrared signal with respect to a plurality of types of color signals is calculated for each unit pixel, and the mixing coefficient is used to calculate a near-infrared signal and a plurality of types of color signals. Infrared signals are mixed, the mixed signals are output as luminance signals, and a plurality of color component signals are calculated and output using a plurality of types of color signals and near-infrared signals.

これにより、近赤外信号の信号量に応じて混合係数を算出することで、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して、画像をカラー化することが可能となる。   Thereby, by calculating the mixing coefficient according to the signal amount of the near-infrared signal, even if the visible light signal is weak, it is possible to effectively leave the color component signal and colorize the image.

特に、夜間に近赤外光を利用した擬似カラーモードでの画像出力時でも、特定注目領域のみを高解像度IR白黒にする(たとえば車のナンバープレート)こと、または、赤色を強調する(たとえば標識)ことにより、注目物体を認識しやすくすることも可能である。   In particular, even when an image is output in a pseudo color mode using near-infrared light at night, only a specific attention area is set to high resolution IR black and white (for example, a car license plate), or red is emphasized (for example, a sign) ) To make it easier to recognize the object of interest.

まず、本発明の実施の形態1に係る撮像装置(カメラ)の構成について説明する。   First, the configuration of the imaging apparatus (camera) according to Embodiment 1 of the present invention will be described.

図1は、本発明の実施の形態1に係る撮像装置の主要な機能構成を示すブロック図である。同図に記載された撮像装置100は、固体撮像素子101と、信号処理部201と、撮像制御部301と、光源制御部401と、IR(近赤外光)光源411と、レンズ501と、絞り502とを備える。   FIG. 1 is a block diagram showing the main functional configuration of the imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The imaging apparatus 100 described in the figure includes a solid-state imaging device 101, a signal processing unit 201, an imaging control unit 301, a light source control unit 401, an IR (near infrared light) light source 411, a lens 501, A diaphragm 502 is provided.

固体撮像素子101は、複数の単位画素115と、垂直シフトレジスタ121と、水平シフトレジスタ122と、ノイズ除去回路123と、出力アンプ124とを備え、入射光を光電変換して色信号を生成するMOS型イメージセンサ等である。   The solid-state imaging device 101 includes a plurality of unit pixels 115, a vertical shift register 121, a horizontal shift register 122, a noise removal circuit 123, and an output amplifier 124, and photoelectrically converts incident light to generate a color signal. MOS type image sensor or the like.

複数の単位画素115は、赤色光および近赤外光を受光する(R+IR)画素、緑色光および近赤外光を受光する(G+IR)画素、青色光および近赤外光を受光する(B+IR)画素、および近赤外光を受光する(IR)画素の4画素を1単位としている。(R+IR)画素は、受光素子と当該受光素子の上に配置された(R+IR)透過フィルタ111とを備え、(G+IR)画素は、受光素子と当該受光素子の上に配置された(G+IR)透過フィルタ112とを備え、(B+IR)画素は、受光素子と当該受光素子の上に配置された(B+IR)透過フィルタ113とを備え、IR画素は、受光素子と当該受光素子の上に配置されたIR透過フィルタ114とを備える。   The plurality of unit pixels 115 receive (R + IR) pixels that receive red light and near infrared light, (G + IR) pixels that receive green light and near infrared light, and receive blue light and near infrared light (B + IR). A pixel and four pixels (IR) pixels that receive near-infrared light are defined as one unit. The (R + IR) pixel includes a light receiving element and an (R + IR) transmission filter 111 disposed on the light receiving element, and the (G + IR) pixel is a (G + IR) transmission disposed on the light receiving element and the light receiving element. The (B + IR) pixel includes a light receiving element and a (B + IR) transmission filter 113 disposed on the light receiving element, and the IR pixel is disposed on the light receiving element and the light receiving element. IR transmission filter 114.

(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112、(B+IR)透過フィルタ113は、それぞれ、可視光(R、G、Bの何れか)と近赤外光(IR)とを透過する色フィルタである。また、IR透過フィルタ114は、可視光を抑制し近赤外光を透過する近赤外フィルタである。単位画素115は、カラー画像または白黒画像における1画素に対応する。   The (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113 are color filters that transmit visible light (any one of R, G, and B) and near-infrared light (IR), respectively. It is. The IR transmission filter 114 is a near-infrared filter that suppresses visible light and transmits near-infrared light. The unit pixel 115 corresponds to one pixel in a color image or a monochrome image.

固体撮像素子101は、2次元配列された単位画素115の各画素行を垂直シフトレジスタ121により選択し、選択された画素行に属する単位画素の画素信号を、ノイズ除去回路123でノイズ除去した後、水平シフトレジスタ122により選択して、単位画素115毎のカラー信号を出力アンプ124から信号処理部201へ出力する。垂直シフトレジスタ121、水平シフトレジスタ122および選択回路125は、上記色フィルタを透過して光電変換された複数種類の色信号と、上記近赤外フィルタを透過して光電変換された近赤外信号とを複数の受光素子から読み出す読み出し部として機能する。   The solid-state imaging device 101 selects each pixel row of the unit pixels 115 arranged two-dimensionally by the vertical shift register 121, and removes noise from the pixel signals of the unit pixels belonging to the selected pixel row by the noise removal circuit 123. The color signal is selected by the horizontal shift register 122 and the color signal for each unit pixel 115 is output from the output amplifier 124 to the signal processing unit 201. The vertical shift register 121, the horizontal shift register 122, and the selection circuit 125 are a plurality of types of color signals that are photoelectrically converted through the color filter, and near-infrared signals that are photoelectrically converted through the near-infrared filter. And function as a reading unit that reads from a plurality of light receiving elements.

なお、(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112、(B+IR)透過フィルタ113、およびIR透過フィルタ114を有する画素の構成を容易に実現するために、フォトニック結晶カラーフィルタを固体撮像素子101上に集積することが好ましい。低屈折率と高屈折率の材料を交互に積層して得られる光学多層膜は、特定の波長の光が透過しない禁止帯が生じる。本実施の形態では、近赤外光が透過するように透過帯を調節することによりIR透過フィルタが形成されている。   In order to easily realize the configuration of the pixel having the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, the (B + IR) transmission filter 113, and the IR transmission filter 114, a photonic crystal color filter is used as a solid-state imaging device. It is preferable to accumulate on 101. An optical multilayer film obtained by alternately laminating low refractive index and high refractive index materials has a forbidden band that does not transmit light of a specific wavelength. In the present embodiment, the IR transmission filter is formed by adjusting the transmission band so that near-infrared light is transmitted.

(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112、および(B+IR)透過フィルタ113は、低屈折率および高屈折率の材料が交互にλ/4(λ:波長)の膜厚で積層された光学多層膜に、膜厚がλ/4とは異なる“欠陥層”を導入することにより形成される。つまり、この欠陥層により光学的な周期性に乱れが生じ、禁止帯の中に透過帯を生じさせることができる。よって、欠陥層の膜厚を適切に設計することで、所望の波長帯域の透過帯を実現できる。すなわち、赤色光と近赤外光とが透過する(R+IR)透過フィルタ111、緑色光と近赤外光とが透過する(G+IR)透過フィルタ112、青色光と近赤外光とが透過する(B+IR)透過フィルタ113、および近赤外光のみが透過するIR透過フィルタ114を容易に設計できる。   In the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113, materials having a low refractive index and a high refractive index are alternately laminated with a film thickness of λ / 4 (λ: wavelength). The optical multilayer film is formed by introducing a “defect layer” having a film thickness different from λ / 4. In other words, the defect layer disturbs the optical periodicity, and a transmission band can be generated in the forbidden band. Therefore, a transmission band having a desired wavelength band can be realized by appropriately designing the thickness of the defect layer. That is, the transmission filter 111 that transmits red light and near infrared light (R + IR), the transmission filter 112 that transmits green light and near infrared light (G + IR), and the blue light and near infrared light transmit ( B + IR) transmission filter 113 and IR transmission filter 114 that transmits only near-infrared light can be easily designed.

ここで、IR透過フィルタ114が配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離は、(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112および(B+IR)透過フィルタ113が配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離より短いことが好ましい。   Here, the focal length of the condensing lens formed on the light receiving element on which the IR transmission filter 114 is arranged has the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113 arranged thereon. It is preferable that the focal length of the condensing lens formed on the light receiving element is shorter.

波長が長いほど焦点距離が短くなることから、上記焦点距離の関係より、波長が可視光より長いIR信号を効率よく受光素子に入射できる。   Since the focal length becomes shorter as the wavelength becomes longer, an IR signal having a wavelength longer than that of visible light can be efficiently incident on the light receiving element due to the relation of the focal length.

また、IR透過フィルタ114が配置された受光素子上に形成された集光レンズは、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を有してもよい。   In addition, the condensing lens formed on the light receiving element on which the IR transmission filter 114 is disposed has an effective refraction caused by a light transmission film having a concentric structure divided by a line width equal to or shorter than the wavelength of incident light. It may have a rate distribution.

これにより、斜め入射光での集光効率の増加ならびに解像度および感度の向上が図られ、高精細でかつ色再現性が高い固体撮像素子を実現できる。   As a result, the light collection efficiency with obliquely incident light is increased and the resolution and sensitivity are improved, and a solid-state imaging device with high definition and high color reproducibility can be realized.

また、IR透過フィルタ114が配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率は、(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112および(B+IR)透過フィルタ113が配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率より大きくしてもよい。   The refractive index of the condensing lens formed on the light receiving element on which the IR transmission filter 114 is arranged is such that the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113 are received. You may make it larger than the refractive index of the condensing lens formed on the element.

屈折率が大きいほど焦点距離が短くなることから、上記集光レンズの屈折率の大小関係により、波長が可視光より長いIR信号を効率よく受光素子に入射できる。   Since the focal length becomes shorter as the refractive index increases, an IR signal having a wavelength longer than that of visible light can be efficiently incident on the light receiving element due to the relationship of the refractive index of the condenser lens.

また、IR透過フィルタ114が配置された受光素子上に形成された層間膜は、(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112および(B+IR)透過フィルタ113が配置された受光素子上に形成された層間膜より屈折率が大きくてもよい。   The interlayer film formed on the light receiving element on which the IR transmission filter 114 is arranged is formed on the light receiving element on which the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113 are arranged. The refractive index may be larger than the interlayer film formed.

波長が可視光より長い近赤外光用の受光素子上に形成された層間膜の屈折率は、(可視光+近赤外光)用の受光素子上に形成された層間膜の屈折率より大きいので、波長が可視光より長いIR信号を効率よく受光素子に入射できる。   The refractive index of the interlayer film formed on the near-infrared light receiving element whose wavelength is longer than that of visible light is higher than the refractive index of the interlayer film formed on the light-receiving element for (visible light + near infrared light). Since it is large, an IR signal having a wavelength longer than that of visible light can be efficiently incident on the light receiving element.

撮像制御部301は、露出時間制御部311と、絞り制御部312とを備え、近赤外信号制御部221からの制御信号に基づいて、絞り502と単位画素115の露出時間とを調整する。   The imaging control unit 301 includes an exposure time control unit 311 and a diaphragm control unit 312, and adjusts the diaphragm 502 and the exposure time of the unit pixel 115 based on a control signal from the near infrared signal control unit 221.

光源制御部401は、近赤外信号制御部221からの制御信号に基づいて、IR光源411の照射量を調整する。   The light source control unit 401 adjusts the irradiation amount of the IR light source 411 based on the control signal from the near infrared signal control unit 221.

レンズ501は、入射した光を固体撮像素子101の撮像領域上に結像させる。   The lens 501 forms an image of incident light on the imaging area of the solid-state imaging device 101.

信号処理部201は、OB計算部211と、ローパスフィルタ(LPF)212と、4×4行列演算部213と、ホワイトバランス部214と、色差計算部215と、ゲイン調整部216と、γ補正部217と、近赤外信号制御部221と、k算出部222と、輝度計算部223とを備え、固体撮像素子101の有する単位画素115から出力された4種類の画素信号に画像信号処理を施すDSP等である。   The signal processing unit 201 includes an OB calculation unit 211, a low-pass filter (LPF) 212, a 4 × 4 matrix calculation unit 213, a white balance unit 214, a color difference calculation unit 215, a gain adjustment unit 216, and a γ correction unit. 217, a near-infrared signal control unit 221, a k calculation unit 222, and a luminance calculation unit 223, and performs image signal processing on the four types of pixel signals output from the unit pixel 115 of the solid-state imaging device 101. DSP.

信号処理部201は、入力された上記4種類の画像信号をOB計算部211で暗電流などのオフセット除去を行う。色信号は続いてローパスフィルタ212でノイズ成分を除去される。   The signal processing unit 201 performs offset removal such as dark current on the four types of input image signals using the OB calculation unit 211. Subsequently, the noise signal is removed from the color signal by the low-pass filter 212.

4×4行列演算部213は、(R+IR)画素、(G+IR)画素、および(B+IR)画素の原信号から、比重をかけたIR信号を差分して、R信号、G信号およびB信号を得る。このとき、比重係数は、近赤外光が消失するように調整されている。つまり4×4行列演算部213は、(R+IR)信号、(G+IR)信号、(B+IR)信号、IR信号に対して、4×4の行列演算を施すことによってR信号、G信号およびB信号を出力する。   The 4 × 4 matrix calculation unit 213 obtains an R signal, a G signal, and a B signal by subtracting the IR signal multiplied by the specific gravity from the original signals of the (R + IR) pixel, the (G + IR) pixel, and the (B + IR) pixel. . At this time, the specific gravity coefficient is adjusted so that near infrared light disappears. That is, the 4 × 4 matrix operation unit 213 performs the 4 × 4 matrix operation on the (R + IR) signal, the (G + IR) signal, the (B + IR) signal, and the IR signal to obtain the R signal, the G signal, and the B signal. Output.

ホワイトバランス部214は、通常の3原色と同様に、ホワイトバランスを行い3原色間の色補正を行う。   The white balance unit 214 performs white balance and performs color correction between the three primary colors in the same manner as the normal three primary colors.

色差計算部215は、複数種類の色信号、つまり、R信号、G信号およびB信号、ならびに、輝度計算部223で算出された輝度信号Yを用いて、複数の色成分信号(R−Y信号、B−Y信号)を計算して出力する色成分計算部である。   The color difference calculation unit 215 uses a plurality of types of color signals, that is, the R signal, the G signal, and the B signal, and the luminance signal Y calculated by the luminance calculation unit 223 to generate a plurality of color component signals (RY signals). , BY signal) is calculated and output.

γ補正部217から出力された色信号は、輝度計算部223から出力された輝度信号と併せて、表示装置等に画像信号として出力される。   The color signal output from the γ correction unit 217 is output as an image signal to a display device or the like together with the luminance signal output from the luminance calculation unit 223.

本実施の形態では、輝度信号を作成する演算において、IR透過フィルタ114が配置された受光素子から出力された信号が用いられている。輝度信号は、以下の式1により計算される。   In the present embodiment, a signal output from the light receiving element in which the IR transmission filter 114 is arranged is used in the calculation for creating the luminance signal. The luminance signal is calculated by the following equation 1.

輝度信号Y=(R+IR)画素の輝度信号+(G+IR)画素の輝度信号+(B+IR)画素の輝度信号+k×(IR)画素の輝度信号 (式1)   Luminance signal Y = (R + IR) pixel luminance signal + (G + IR) pixel luminance signal + (B + IR) pixel luminance signal + k × (IR) pixel luminance signal (Equation 1)

つまり、Y=(R+IR)+(G+IR)+(B+IR)+kIRで計算される。ここで、kは、((R+IR)+(G+IR)+(B+IR))信号に対するIR信号の混合率を示す混合係数であり、あるいは、輝度信号Yに対するIR信号の混合率を示す混合係数である。この場合、kは−3以上+1以下の範囲内で定められる。   That is, Y = (R + IR) + (G + IR) + (B + IR) + kIR. Here, k is a mixing coefficient indicating the mixing ratio of the IR signal with respect to the ((R + IR) + (G + IR) + (B + IR)) signal or a mixing coefficient indicating the mixing ratio of the IR signal with respect to the luminance signal Y. . In this case, k is determined within a range of −3 to +1.

k=−3の場合、IR信号が完全に除去された輝度信号Yを得ることができる。これは昼モードでは撮像に適している。k=+1の場合、IR信号の全部を含む輝度信号Yを得ることができる。これは白黒画像の生成に適している。kが−3から+1の中間的な値のとき、カラー画像が生成され、kに応じてカラー化の程度が決まる。これは、夜モードでカラー化するのに適している。   When k = −3, the luminance signal Y from which the IR signal is completely removed can be obtained. This is suitable for imaging in the daytime mode. When k = + 1, the luminance signal Y including the entire IR signal can be obtained. This is suitable for generating black and white images. When k is an intermediate value between -3 and +1, a color image is generated, and the degree of colorization is determined according to k. This is suitable for colorizing in the night mode.

図2は、k算出部222における混合係数算出処理の一例を示すフローチャートである。同図において、Ave(IR)は、1フレーム前のフレーム内のIR信号の平均値であり、Th1〜Th4は、Th1>Th2>Th3>Th4を満たす閾値である。   FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of the mixing coefficient calculation process in the k calculation unit 222. In the figure, Ave (IR) is an average value of IR signals in the previous frame, and Th1 to Th4 are threshold values satisfying Th1> Th2> Th3> Th4.

まず、k算出部222は、AVE(IR)が閾値Th1より大きい場合(S21でYes)、混合係数k=k1を設定する(S22)。   First, the k calculation unit 222 sets the mixing coefficient k = k1 when AVE (IR) is larger than the threshold Th1 (Yes in S21) (S22).

次に、AVE(IR)が閾値Th1以下であり(S21でNo)、かつ、閾値Th2より大きい場合(S23でYes)、混合係数k=k2を設定する(S24)。   Next, when AVE (IR) is equal to or smaller than the threshold Th1 (No in S21) and larger than the threshold Th2 (Yes in S23), the mixing coefficient k = k2 is set (S24).

次に、AVE(IR)が閾値Th2以下であり(S23でNo)、かつ、閾値Th3より大きい場合(S25でYes)、混合係数k=k3を設定する(S26)。   Next, when AVE (IR) is equal to or smaller than the threshold Th2 (No in S23) and larger than the threshold Th3 (Yes in S25), the mixing coefficient k = k3 is set (S26).

次に、AVE(IR)が閾値Th3以下であり(S25でNo)、かつ、閾値Th4より大きい場合(S27でYes)、混合係数k=k4を設定する(S28)。   Next, when AVE (IR) is equal to or smaller than the threshold Th3 (No in S25) and larger than the threshold Th4 (Yes in S27), the mixing coefficient k = k4 is set (S28).

次に、AVE(IR)が閾値Th4以下である場合、混合係数k=k5を設定する(S29)。ここで、k1、k2、k3、k4は、例えば、+1、0、−1、−2、−3である。なお、混合係数は、3段階以上であれば何段階であってもよいし、連続的な値としてもよい。   Next, when AVE (IR) is equal to or less than the threshold Th4, the mixing coefficient k = k5 is set (S29). Here, k1, k2, k3, and k4 are, for example, +1, 0, -1, -2, and -3. The mixing coefficient may be any number as long as it is three or more levels, or may be a continuous value.

このように、k算出部222は、IR透過フィルタ114が配置された受光素子と当該受光素子に隣接する(G+IR)透過フィルタ112および(B+IR)透過フィルタ113が配置された受光素子とで構成される単位画素ごとに、固体撮像素子101から読み出された(R+IR)信号、(G+IR)信号および(B+IR)信号に対するIR信号の混合率を示す混合係数kを、IR信号の信号量に応じて算出する係数算出部である。   As described above, the k calculation unit 222 includes the light receiving element in which the IR transmission filter 114 is arranged and the light receiving element in which the (G + IR) transmission filter 112 and the (B + IR) transmission filter 113 are arranged adjacent to the light receiving element. For each unit pixel, a mixing coefficient k indicating the mixing ratio of the IR signal with respect to the (R + IR) signal, (G + IR) signal, and (B + IR) signal read from the solid-state imaging device 101 is determined according to the signal amount of the IR signal. It is a coefficient calculation part to calculate.

輝度計算部223は、k算出部222で算出された混合係数kを用いて、固体撮像素子101から読み出された(R+IR)信号、(G+IR)信号および(B+IR)信号とIR信号とを混合し、当該混合され信号を輝度信号Yとして出力する。   The luminance calculation unit 223 uses the mixing coefficient k calculated by the k calculation unit 222 to mix the (R + IR) signal, (G + IR) signal, (B + IR) signal, and IR signal read from the solid-state imaging device 101. Then, the mixed signal is output as the luminance signal Y.

近赤外信号制御部221は、信号処理部201での画像信号の演算処理に用いられるIR信号の成分量を(1単位画素毎に)所定の値に制御する。具体的には、近赤外信号制御部221は、k算出部222で用いられるIR信号をk算出部222へ出力する。   The near-infrared signal control unit 221 controls the component amount of the IR signal used for image signal calculation processing in the signal processing unit 201 to a predetermined value (for each unit pixel). Specifically, the near-infrared signal control unit 221 outputs the IR signal used by the k calculation unit 222 to the k calculation unit 222.

また、近赤外信号制御部221は、輝度信号演算に用いられるIR信号の成分量に応じて、撮像制御部301を制御し、固体撮像素子101の露光量を所定の値に制御する。具体的には、近赤外信号制御部221は、露出時間制御部311を制御し、固体撮像素子101の露出時間を所定の値に調整する。また、近赤外信号制御部221は、絞り制御部312を制御し、レンズ501の絞り502を調整することにより入射光量を所定の値に調整する。あるいは、近赤外信号制御部221は、光源制御部401を制御し、被写体に所定の近赤外光を照射するIR光源411の照射量を調整する。   Further, the near-infrared signal control unit 221 controls the imaging control unit 301 according to the component amount of the IR signal used for the luminance signal calculation, and controls the exposure amount of the solid-state imaging device 101 to a predetermined value. Specifically, the near-infrared signal control unit 221 controls the exposure time control unit 311 to adjust the exposure time of the solid-state imaging device 101 to a predetermined value. Further, the near-infrared signal control unit 221 controls the diaphragm control unit 312 to adjust the amount of incident light to a predetermined value by adjusting the diaphragm 502 of the lens 501. Alternatively, the near infrared signal control unit 221 controls the light source control unit 401 to adjust the irradiation amount of the IR light source 411 that irradiates the subject with predetermined near infrared light.

これにより、輝度信号に印加される近赤外光量の成分量が、近赤外信号制御部221により画素毎に制御されることで、同一フレーム内にカラー画像を出力する画素と近赤外光による輝度成分を主とする白黒画像を出力する画素とを、最小1画素単位で切り替えることが可能となる。   Thus, the near-infrared light component component amount applied to the luminance signal is controlled for each pixel by the near-infrared signal control unit 221, so that the pixel and the near-infrared light that output a color image in the same frame It is possible to switch the pixel that outputs a black and white image mainly including the luminance component by the unit of one pixel.

また、近赤外信号制御部221は、色信号成分に印加されるIR信号成分の成分量をホワイトバランス部214の出力に応じてゲイン調整部216を制御し利得を調整する。特に、車載カメラやセキュリティカメラで要求される標識などの赤色の色再現性を得るために、R信号の利得を最大とするようにIR信号成分の成分量を制御する。つまり、近赤外信号制御部221は、IR信号の信号量に応じて特定色を強調または抑制するための色ゲインを決定する。   Further, the near-infrared signal control unit 221 adjusts the gain by controlling the gain adjustment unit 216 according to the output of the white balance unit 214 for the component amount of the IR signal component applied to the color signal component. In particular, in order to obtain red color reproducibility such as signs required for in-vehicle cameras and security cameras, the component amount of the IR signal component is controlled so as to maximize the gain of the R signal. That is, the near-infrared signal control unit 221 determines a color gain for enhancing or suppressing the specific color according to the signal amount of the IR signal.

ゲイン調整部216は、色ゲインに従って色差計算部215により算出された複数の色成分信号のゲインを調整する。   The gain adjustment unit 216 adjusts the gains of the plurality of color component signals calculated by the color difference calculation unit 215 according to the color gain.

これにより、信号処理部201は、各受光素子のIR信号成分を除いた可視光成分のみからなる色再生信号を生成する工程において、例えば、R信号成分に最大の利得を与えることが可能となる。なお、近赤外信号制御部221は、ユーザ操作に基づく特定色である赤色の強調指示を外部から受け付け、受け付けた色に対するゲインを相対的に増加させる処理を行ってもよい。   Thereby, the signal processing unit 201 can give the maximum gain to the R signal component, for example, in the step of generating the color reproduction signal composed of only the visible light component excluding the IR signal component of each light receiving element. . Note that the near-infrared signal control unit 221 may receive a red enhancement instruction that is a specific color based on a user operation from the outside, and perform a process of relatively increasing the gain for the received color.

また、特定色の強調の代わりに、受け付けた色以外の抑制を行うようにしてもよい。この場合特定色のゲインを相対的に減少させればよい。   Further, instead of emphasizing a specific color, suppression other than the accepted color may be performed. In this case, the gain of the specific color may be relatively decreased.

また、近赤外信号制御部221は、ユーザ操作に基づく特定色である赤色の強調指示を外部から受け付け、受け付けた色に対し近赤外信号の輝度信号を優先的に加算させる処理を行うことにより、受け付けた色の強調を行ってもよい。   Further, the near-infrared signal control unit 221 receives a red enhancement instruction that is a specific color based on a user operation from the outside, and performs a process of preferentially adding the luminance signal of the near-infrared signal to the received color. Thus, the received color may be emphasized.

上記構成および信号処理により、信号処理部201は、固体撮像素子101が出力する4種類の画素信号からR信号、G信号およびB信号を生成し、また、単位画素115ごとにIR信号を生成する。そして、輝度信号と2つの色差信号とからなるカラー画像を生成する。輝度信号は単独では白黒画像を表す。   With the above configuration and signal processing, the signal processing unit 201 generates an R signal, a G signal, and a B signal from the four types of pixel signals output from the solid-state imaging device 101, and generates an IR signal for each unit pixel 115. . Then, a color image composed of a luminance signal and two color difference signals is generated. The luminance signal alone represents a black and white image.

なお、固体撮像素子101が出力する画素信号からR信号、G信号およびB信号を生成するには、例えば、R信号を生成する場合には、(R+IR)画素の出力信号である(R+IR)画素信号からIR画素の出力信号であるIR画素信号を差し引くことによりR信号を導出する。   In order to generate the R signal, the G signal, and the B signal from the pixel signal output from the solid-state imaging device 101, for example, when generating the R signal, the (R + IR) pixel that is the output signal of the (R + IR) pixel. The R signal is derived by subtracting the IR pixel signal that is the output signal of the IR pixel from the signal.

上記構成および信号処理を利用すれば、IR信号の信号量に応じて混合係数kを算出することにより、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して、画像をカラー化することができる。言い換えれば、輝度信号に占める赤外信号の割合を、赤外信号量に応じて調整可能にする。例えば、混合係数を小さくすれば(輝度信号に占める赤外信号の割合を小さくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に大きくなり、画像を白黒からカラーに近づけることができる。逆に、混合係数を大きくすれば(輝度信号に占める赤外信号の割合を大きくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に小さくなり画像をカラーから白黒に近づけることができる。   If the above configuration and signal processing are used, the mixing coefficient k is calculated according to the signal amount of the IR signal, so that the color component signal is effectively left even if the visible light signal is weak, and the image is colored. be able to. In other words, the ratio of the infrared signal to the luminance signal can be adjusted according to the amount of infrared signal. For example, if the mixing coefficient is decreased (the ratio of the infrared signal to the luminance signal is decreased), the color component signal (for example, the color difference signal) is relatively increased, and the image can be made closer to color from black and white. Conversely, if the mixing coefficient is increased (if the ratio of the infrared signal in the luminance signal is increased), the color component signal (for example, the color difference signal) is relatively reduced, and the image can be made closer to color from black and white.

例えば、昼間では、近赤外光成分を含んだ赤、緑および青の原信号からIR画素のIR信号成分を差分することで、赤、緑および青の各信号を得ることが出来る。よって、昼間であっても、機械式IRカットフィルタが不要である。一方、夜間では、全ての画素の信号を用いることで近赤外光の画像を得る。つまり、IR画像の解像度は、(R+IR)画素、(G+IR)画素および(B+IR)画素のIR成分を用いるため、昼間でのRGB画像よりも高い。   For example, in the daytime, the red, green, and blue signals can be obtained by subtracting the IR signal component of the IR pixel from the red, green, and blue original signals including the near infrared light component. Therefore, a mechanical IR cut filter is unnecessary even during the daytime. On the other hand, at night, a near-infrared light image is obtained by using signals of all pixels. That is, the resolution of the IR image is higher than that of the RGB image in the daytime because the IR components of (R + IR) pixels, (G + IR) pixels, and (B + IR) pixels are used.

本実施の形態における撮像装置100によれば、白黒画像、白黒に近いカラー画像、白黒とカラー画像の中間的な画像、カラーに近い白黒画像、カラー画像を混合係数に応じて生成することができる。デイナイトカメラ等、夜間に近赤外光を受光することで撮像する固体撮像素子において、可視光信号が微弱な環境の夜間モードにおいても、可視カラー画像を出力する撮像装置を実現することができる。特に夜間に近赤外光を利用した擬似カラーモードでの画像出力時でも、1単位画素ごとに画像信号を制御することで、特定注目領域のみを高解像度IR白黒にする(たとえば車のナンバープレート)や、赤色を強調する(たとえば標識)ことで、注目物体を認識しやすくなる。   The imaging apparatus 100 according to the present embodiment can generate a black and white image, a color image close to black and white, an intermediate image between black and white and a color image, a black and white image close to color, and a color image according to the mixing coefficient. . An imaging device that outputs a visible color image even in a night mode in an environment where a visible light signal is weak can be realized in a solid-state imaging device that captures an image by receiving near-infrared light at night, such as a day / night camera. Even when an image is output in pseudo color mode using near infrared light at night, by controlling the image signal for each unit pixel, only a specific region of interest is made to have high resolution IR monochrome (for example, a car license plate). ) Or by emphasizing red (for example, a sign), the object of interest can be easily recognized.

なお、本発明は、上述した特徴的な手段を備える撮像装置100として実現することができるだけでなく、撮像装置100に含まれる特徴的な手段をステップとする画像信号処理方法として実現することができる。以下、撮像装置100において行われる画像信号処理方法について説明する。   Note that the present invention can be realized not only as the imaging apparatus 100 including the above-described characteristic means, but also as an image signal processing method using the characteristic means included in the imaging apparatus 100 as a step. . Hereinafter, an image signal processing method performed in the imaging apparatus 100 will be described.

図3は、本発明の実施の形態1に係る画像信号処理方法を説明する動作フローチャートである。   FIG. 3 is an operation flowchart for explaining the image signal processing method according to the first embodiment of the present invention.

まず、信号処理部201は、固体撮像素子101の有する(R+IR)透過フィルタ111、(G+IR)透過フィルタ112、および(B+IR)透過フィルタ113を透過して光電変換された(R+IR)信号、(G+IR)信号および(B+IR)信号と、IR透過フィルタ114を透過して光電変換されたIR信号とを複数の受光素子から読み出す(S01:読み出しステップ)。   First, the signal processing unit 201 passes through the (R + IR) transmission filter 111, the (G + IR) transmission filter 112, and the (B + IR) transmission filter 113 included in the solid-state imaging device 101, and (R + IR) signals photoelectrically converted and (G + IR) ) Signal, (B + IR) signal, and IR signal that has been subjected to photoelectric conversion through the IR transmission filter 114 are read out from a plurality of light receiving elements (S01: read step).

次に、k算出部222は、単位画素ごとに、ステップS01にて読み出された(R+IR)信号、(G+IR)信号および(B+IR)信号に対するIR信号の混合率を示す混合係数kを、IR信号の信号量に応じて算出する(S02:係数算出ステップ)。   Next, the k calculator 222 calculates, for each unit pixel, a mixing coefficient k indicating the mixing ratio of the IR signal with respect to the (R + IR) signal, the (G + IR) signal, and the (B + IR) signal read in step S01, as IR Calculation is performed according to the signal amount of the signal (S02: coefficient calculation step).

次に、輝度計算部223は、ステップS01にて読み出された(R+IR)信号、(G+IR)信号および(B+IR)信号とIR信号とを、ステップS02にて算出された混合係数kに基づいて単位画素ごとに混合し、当該混合され信号を輝度信号Yとして出力する(S03:輝度出力ステップ)。   Next, the luminance calculation unit 223 uses the (R + IR) signal, (G + IR) signal, (B + IR) signal, and IR signal read out in step S01 based on the mixing coefficient k calculated in step S02. Each unit pixel is mixed, and the mixed signal is output as a luminance signal Y (S03: luminance output step).

最後に、色差計算部215は、ステップS01にて読み出された(R+IR)信号、(G+IR)信号、(B+IR)信号およびIR信号、ならびに輝度信号Yを用いて、単位画素ごとに複数の色成分信号を計算して当該複数の色成分信号を出力する(S04:色成分出力ステップ)。   Finally, the color difference calculation unit 215 uses the (R + IR) signal, the (G + IR) signal, the (B + IR) signal and the IR signal, and the luminance signal Y read out in step S01 to generate a plurality of colors for each unit pixel. The component signal is calculated and the plurality of color component signals are output (S04: color component output step).

上述した画像信号処理方法によれば、IR信号の信号量に応じて混合係数kを算出することにより、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して、画像をカラー化することができる。例えば、混合係数を小さくすれば(輝度信号に占める赤外信号の割合を小さくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に大きくなり、画像を白黒からカラーに近づけることができる。逆に、混合係数を大きくすれば(輝度信号に占める赤外信号の割合を大きくすれば)、色成分信号(例えば色差信号)が相対的に小さくなり画像をカラーから白黒に近づけることができる。よって、夜間モードにおいても、可視カラー画像を出力することができる。   According to the above-described image signal processing method, by calculating the mixing coefficient k according to the signal amount of the IR signal, the color component signal is effectively left even if the visible light signal is weak, and the image is colored. be able to. For example, if the mixing coefficient is decreased (the ratio of the infrared signal to the luminance signal is decreased), the color component signal (for example, the color difference signal) is relatively increased, and the image can be made closer to color from black and white. Conversely, if the mixing coefficient is increased (if the ratio of the infrared signal in the luminance signal is increased), the color component signal (for example, the color difference signal) is relatively reduced, and the image can be made closer to color from black and white. Therefore, a visible color image can be output even in the night mode.

なお、ステップS02では、同一フレーム画像内の第1の領域が白黒画像となるように混合係数kを算出し、第1の領域と異なる第2の領域がカラー画像となるように混合係数kを算出してもよい。   In step S02, the mixing coefficient k is calculated so that the first area in the same frame image becomes a black and white image, and the mixing coefficient k is set so that the second area different from the first area becomes a color image. It may be calculated.

これにより、カラー画像を、夜間および昼間に関係なく常に出力することが可能となる。よって、特に、夜間に近赤外光を利用した擬似カラーモードでの画像出力時でも、単位画素ごとに画像信号を制御することで、特定注目領域のみを高解像度IR白黒にする(たとえば車のナンバープレート)や、赤色を強調する(たとえば標識)ことで、注目物体を認識しやすくすることが可能となる。さらに、特定注目領域のみ、高解像度の白黒画像またはカラー画像にすることができるので、解像度または視認性を向上させることが可能となる。   This makes it possible to always output a color image regardless of nighttime or daytime. Therefore, even when an image is output in pseudo color mode using near infrared light at night, by controlling the image signal for each unit pixel, only a specific attention area is made to be a high resolution IR monochrome (for example, a car It is possible to make it easier to recognize the object of interest by emphasizing red (for example, a license plate) or red (for example, a sign). Furthermore, since only the specific attention area can be a high-resolution black-and-white image or color image, the resolution or visibility can be improved.

また、(R+IR)信号、(G+IR)信号、(B+IR)信号およびIR信号は、それぞれ、正規化された値を有し、ステップS02では、混合係数kを、−3から+1の範囲内の値において算出してもよい。   Further, the (R + IR) signal, the (G + IR) signal, the (B + IR) signal, and the IR signal each have a normalized value, and in step S02, the mixing coefficient k is set to a value within a range from -3 to +1. You may calculate in.

これにより、輝度信号Yの算出を、上記式1による簡単な計算により生成することができる。   Thereby, the calculation of the luminance signal Y can be generated by a simple calculation according to the above Equation 1.

また、ステップS04では、複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、近赤外信号制御部221によりIR信号成分の成分量を調整することで、当該複数の色成分信号を出力してもよい。   In step S04, the near-infrared signal control unit 221 adjusts the component amount of the IR signal component so that the gain of the red component signal among the plurality of color component signals is maximized, whereby the plurality of colors. A component signal may be output.

これにより、色信号処理において注目領域の赤色に近赤外信号を優先的に加算することで可視光が微弱な領域でも赤色を強調して表示し、視認性を向上することができる。   As a result, the near-infrared signal is preferentially added to the red color of the attention area in the color signal processing, whereby the red color is emphasized and displayed even in the area where the visible light is weak, thereby improving the visibility.

また、ステップS04では、複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、近赤外信号制御部221によりR信号の利得を他の色信号の利得よりも増加させることで、当該複数の色成分信号を出力してもよい。   In step S04, the near-infrared signal control unit 221 increases the gain of the R signal over the gains of the other color signals so as to maximize the gain of the red component signal among the plurality of color component signals. Thus, the plurality of color component signals may be output.

これにより、可視光が微弱な領域でも赤色を強調して表示し、視認性を向上することができる。   As a result, even in a region where the visible light is weak, red is highlighted and the visibility can be improved.

また、ステップS02では、1フレーム内の最小1画素行ごとに、混合係数kを、IR信号の信号量に応じて算出してもよい。   In step S02, the mixing coefficient k may be calculated for each minimum pixel row in one frame according to the signal amount of the IR signal.

これにより、フレーム内の画素行ごとに最適な混合係数を得ることができ、1フレーム内で白黒画像とカラー画像を生成するので、両者の長所をもつ画像をユーザに提供することができる。   As a result, an optimum mixing coefficient can be obtained for each pixel row in the frame, and a monochrome image and a color image are generated in one frame, so that an image having the advantages of both can be provided to the user.

(実施の形態2)
本実施の形態では、第1に、輝度計算部が、さらに、赤外信号を抑制するためのダミー混合係数kdを用いて、複数種類の色信号と近赤外信号とを混合することによりダミーの輝度信号Ydを計算し、色差計算部215が、ダミーの輝度信号Ydを用いて2つの色差信号を色成分信号として生成する例について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, first, the luminance calculation unit further mixes a plurality of types of color signals and near-infrared signals by using a dummy mixing coefficient kd for suppressing the infrared signals. An example in which the luminance signal Yd is calculated and the color difference calculation unit 215 generates two color difference signals as color component signals using the dummy luminance signal Yd will be described.

また、第2に、輝度計算部が、交互に繰り返される第1所定数の連続行と第2所定数の連続行とに対して、第1所定数の連続行が白黒画像となるように混合係数を算出し、第2所定数の連続行がカラー画像となるように混合係数を算出する構成について説明する。   Second, the luminance calculation unit mixes the first predetermined number of consecutive rows and the second predetermined number of consecutive rows that are alternately repeated so that the first predetermined number of consecutive rows become a monochrome image. A configuration for calculating the coefficient and calculating the mixing coefficient so that the second predetermined number of continuous rows is a color image will be described.

また、第3に、近赤外信号制御部221が、近赤外信号の信号量に応じて特定色を強調または抑制するための色ゲインを決定し、ゲイン調整部216が、当該色ゲインに従い、色差計算部215により算出された複数の色成分信号のゲインを調整する例について説明する。   Third, the near-infrared signal control unit 221 determines a color gain for emphasizing or suppressing a specific color according to the signal amount of the near-infrared signal, and the gain adjustment unit 216 determines according to the color gain. An example of adjusting the gains of a plurality of color component signals calculated by the color difference calculation unit 215 will be described.

まず、本発明の実施の形態2に係る撮像装置(カメラ)の構成について説明する。   First, the configuration of an imaging apparatus (camera) according to Embodiment 2 of the present invention will be described.

図4は、本発明の実施の形態2に係る撮像装置の主要な機能構成を示すブロック図である。同図に記載された撮像装置200は、固体撮像素子101と、信号処理部251と、撮像制御部301と、光源制御部401と、IR(近赤外光)光源411と、レンズ501と、絞り502とを備える。同図に記載された撮像装置200は、図1に記載された撮像装置100と比較して、輝度計算部223の代わりに輝度計算部423を備える点が構成として異なっている。以下、本実施の形態に係る撮像装置200について、撮像装置100と同じ点は説明を省略して、異なる点を中心に説明する。   FIG. 4 is a block diagram showing the main functional configuration of the imaging apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. The imaging apparatus 200 shown in the figure includes a solid-state imaging device 101, a signal processing unit 251, an imaging control unit 301, a light source control unit 401, an IR (near infrared light) light source 411, a lens 501, A diaphragm 502 is provided. The imaging apparatus 200 illustrated in the figure is different from the imaging apparatus 100 illustrated in FIG. 1 in that a luminance calculation unit 423 is provided instead of the luminance calculation unit 223 as a configuration. Hereinafter, the imaging apparatus 200 according to the present embodiment will be described with a focus on different points while omitting the description of the same points as the imaging apparatus 100.

輝度計算部423は、輝度計算部223の機能に加えて、ダミーの輝度信号Ydを計算し、当該計算されたダミーの輝度信号Ydを、輝度信号Yとして色差計算部215に供給する。ここで、ダミーの輝度信号は、IR信号が完全に抑圧された輝度信号であり、k=−3のときの輝度信号Yである。   In addition to the function of the luminance calculation unit 223, the luminance calculation unit 423 calculates a dummy luminance signal Yd, and supplies the calculated dummy luminance signal Yd to the color difference calculation unit 215 as the luminance signal Y. Here, the dummy luminance signal is a luminance signal in which the IR signal is completely suppressed, and is the luminance signal Y when k = −3.

これにより、色差計算部215は、混合係数が大きいときでも、IR信号が完全に抑圧された場合の色差信号を算出することになる。これにより、色再現性のよい2つの色差信号を生成することができる。   Thereby, the color difference calculation unit 215 calculates the color difference signal when the IR signal is completely suppressed even when the mixing coefficient is large. Thereby, two color difference signals with good color reproducibility can be generated.

さらに、輝度計算部423は、輝度計算部223と比べて、第1所定数の連続行が白黒画像となるように混合係数を算出し、第2所定数の連続行がカラー画像となるように混合係数を算出する点が異なっている。   Further, the luminance calculation unit 423 calculates a mixing coefficient so that the first predetermined number of continuous rows become a black and white image, and the second predetermined number of continuous rows become a color image, as compared with the luminance calculation unit 223. The difference is that the mixing coefficient is calculated.

図5は、輝度計算部423における混合係数算出処理の一例を示すフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the mixing coefficient calculation process in the luminance calculation unit 423.

まず、輝度計算部423は、ループ1において第1所定数の連続行に対して、図2と同様にkを算出する(S51〜S53)。これにより第1所定数の連続行はカラー画像になる。   First, the luminance calculation unit 423 calculates k for the first predetermined number of consecutive rows in the loop 1 as in FIG. 2 (S51 to S53). As a result, the first predetermined number of consecutive rows becomes a color image.

次に、輝度計算部423は、ループ2において第2所定数の連続フレームに対して、k=1と決定する(S54〜S55)。これにより、第2所定数の連続フレームは白黒画像になる。   Next, the luminance calculation unit 423 determines k = 1 for the second predetermined number of consecutive frames in the loop 2 (S54 to S55). As a result, the second predetermined number of consecutive frames become a monochrome image.

なお、(第1所定数、第2所定数)は、ともに1以上の整数であり、例えば(1、1)、(1、2)、(2、1)等であってよい。   Note that (the first predetermined number and the second predetermined number) are both integers of 1 or more, and may be (1, 1), (1, 2), (2, 1), or the like.

上記構成及び信号処理により、白黒画像とカラー画像とを、所定の行数ごとに交互に生成するので、両者の長所をもつ画像をユーザに提供することができる。   By the above configuration and signal processing, the black and white image and the color image are alternately generated for each predetermined number of rows, so that an image having the advantages of both can be provided to the user.

なお、近赤外信号制御部221は、ユーザ操作に基づく特定色である赤色の強調指示を外部から受け付け、受け付けた色に対し近赤外信号の輝度信号を優先的に加算させる処理を行って、受け付けた色の強調を行ってもよい。   The near-infrared signal control unit 221 receives a red enhancement instruction that is a specific color based on a user operation from the outside, and performs a process of preferentially adding a luminance signal of the near-infrared signal to the received color. The received color may be emphasized.

これにより、色信号処理において注目領域の赤色に近赤外信号を優先的に加算することで可視光が微弱な領域でも赤色を強調して表示し、視認性を向上させることができる。   As a result, the near-infrared signal is preferentially added to the red color of the attention area in the color signal processing, whereby the red color is emphasized and displayed even in the area where the visible light is weak, thereby improving the visibility.

また、輝度計算部423は、第1所定数を1行が白黒画像となるように混合係数を算出し、第2所定数を1行がカラー画像となるように混合係数を算出し、例えば1行毎に白黒画像とカラー画像を切り替えてもよい。   In addition, the luminance calculation unit 423 calculates the mixing coefficient so that the first predetermined number is a monochrome image on one line, and calculates the mixing coefficient so that the second predetermined number is a color image. A monochrome image and a color image may be switched for each row.

これにより、フレーム内の画素行ごとに最適な混合係数を得ることができ、1フレーム内で白黒画像とカラー画像を生成するので、両者の長所をもつ画像をユーザに提供することができる。   As a result, an optimum mixing coefficient can be obtained for each pixel row in the frame, and a monochrome image and a color image are generated in one frame, so that an image having the advantages of both can be provided to the user.

なお、輝度計算部423が、第1所定数の連続フレームが白黒画像となるように混合係数を算出し、第2所定数の連続フレームがカラー画像となるように混合係数を算出するフレーム毎の制御をしてもよい。   Note that the luminance calculation unit 423 calculates the mixing coefficient so that the first predetermined number of consecutive frames become a monochrome image, and calculates the mixing coefficient so that the second predetermined number of consecutive frames become a color image. You may control.

なお、本発明に係る撮像装置は、上記実施の形態1および2に限定されるものではない。実施形態1および2における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態1および2に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。   The imaging device according to the present invention is not limited to the first and second embodiments. Other embodiments realized by combining arbitrary components in the first and second embodiments, and various modifications conceivable by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention to the first and second embodiments. Variations obtained and various devices incorporating the imaging device according to the present invention are also included in the present invention.

本発明の撮像装置は、可視光信号が微弱であっても色成分信号を有効に残して画像をカラー化できるカメラに適用でき、特に、監視カメラ、ネットワークカメラ、車載カメラ、デジタルカメラ、携帯電話などに利用可能であり、夜間における撮像画像の画質向上を実現可能とする。   The imaging apparatus of the present invention can be applied to a camera that can colorize an image by effectively leaving a color component signal even if the visible light signal is weak, and in particular, a surveillance camera, a network camera, an in-vehicle camera, a digital camera, a mobile phone It is possible to improve the image quality of captured images at night.

100、200 撮像装置
101 固体撮像素子
111 (R+IR)透過フィルタ
112 (G+IR)透過フィルタ
113 (B+IR)透過フィルタ
114 IR透過フィルタ
115 単位画素
121 垂直シフトレジスタ
122 水平シフトレジスタ
123 ノイズ除去回路
124 出力アンプ
125 選択回路
201、251 信号処理部
211 OB計算部
212 ローパスフィルタ(LPF)
213 4×4行列演算部
214 ホワイトバランス部
215 色差計算部
216 ゲイン調整部
217 γ補正部
221 近赤外信号制御部
222 k算出部
223、423 輝度計算部
301 撮像制御部
311 露出時間制御部
312 絞り制御部
401 光源制御部
411 IR(近赤外光)光源
501 レンズ
502 絞り
100, 200 Imaging device 101 Solid-state imaging device 111 (R + IR) transmission filter 112 (G + IR) transmission filter 113 (B + IR) transmission filter 114 IR transmission filter 115 Unit pixel 121 Vertical shift register 122 Horizontal shift register 123 Noise removal circuit 124 Output amplifier 125 Selection circuit 201, 251 Signal processing unit 211 OB calculation unit 212 Low-pass filter (LPF)
213 4 × 4 matrix calculation unit 214 White balance unit 215 Color difference calculation unit 216 Gain adjustment unit 217 γ correction unit 221 Near infrared signal control unit 222 k calculation unit 223 423 Brightness calculation unit 301 Imaging control unit 311 Exposure time control unit 312 Aperture control unit 401 Light source control unit 411 IR (near infrared light) light source 501 Lens 502 Aperture

Claims (11)

二次元状に配置され、入射光を光電変換する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の上に配置された、可視光と近赤外光とを透過する複数種類の色フィルタおよび近赤外光のみを透過する近赤外フィルタと、
前記色フィルタを透過して光電変換された複数種類の色信号と、前記近赤外フィルタを透過して光電変換された近赤外信号とを前記複数の受光素子から読み出す読み出し部と、
前記近赤外フィルタが配置された受光素子と当該受光素子に隣接する前記色フィルタが配置された受光素子とで構成される単位画素ごとに、前記読み出し部から読み出された前記複数種類の色信号に混合すべき前記近赤外信号の割合を表す混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出する係数算出部と、
前記読み出し部から読み出された前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記係数算出部で算出された前記混合係数に基づいて前記単位画素ごとに混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力する輝度計算部と、
前記複数種類の色信号および前記近赤外信号、ならびに前記輝度信号を用いて、前記単位画素ごとに複数の色成分信号を計算して出力する色成分計算部とを備える
撮像装置。
A plurality of light receiving elements that are two-dimensionally arranged and photoelectrically convert incident light; and
A plurality of types of color filters that transmit visible light and near-infrared light, and a near-infrared filter that transmits only near-infrared light, disposed on the plurality of light-receiving elements;
A readout unit that reads out from the plurality of light receiving elements a plurality of types of color signals that have been photoelectrically converted through the color filter, and a near-infrared signal that has been photoelectrically converted through the near-infrared filter,
The plurality of types of colors read from the readout unit for each unit pixel composed of a light receiving element in which the near-infrared filter is arranged and a light receiving element in which the color filter adjacent to the light receiving element is arranged A coefficient calculation unit that calculates a mixing coefficient representing a ratio of the near-infrared signal to be mixed with a signal according to a signal amount of the near-infrared signal;
The plurality of types of color signals read from the reading unit and the near-infrared signal are mixed for each unit pixel based on the mixing coefficient calculated by the coefficient calculation unit, and the mixed signal is A luminance calculation unit for outputting as a luminance signal;
An image pickup apparatus comprising: a color component calculation unit that calculates and outputs a plurality of color component signals for each unit pixel using the plurality of types of color signals, the near-infrared signal, and the luminance signal.
前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの焦点距離より短い
請求項1に記載の撮像装置。
The focal length of the condensing lens formed on the light receiving element on which the near-infrared filter is arranged is shorter than the focal length of the condensing lens formed on the light receiving element on which the plurality of types of color filters are arranged. Item 2. The imaging device according to Item 1.
前記集光レンズは、
入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心構造の光透過膜により生じる実効屈折率分布を有する
請求項2に記載の撮像装置。
The condenser lens is
The imaging device according to claim 2, wherein the imaging device has an effective refractive index distribution generated by a light transmission film having a concentric structure divided by a line width equal to or shorter than a wavelength of incident light.
前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された集光レンズの屈折率よりも大きい
請求項1に記載の撮像装置。
The refractive index of the condensing lens formed on the light receiving element on which the near-infrared filter is disposed is larger than the refractive index of the condensing lens formed on the light receiving element on which the plurality of types of color filters are disposed. The imaging device according to claim 1.
前記近赤外フィルタが配置された受光素子上に形成された層間膜の屈折率は、前記複数種類の色フィルタが配置された受光素子上に形成された層間膜の屈折率よりも大きい
請求項1に記載の撮像装置。
The refractive index of the interlayer film formed on the light receiving element in which the near-infrared filter is disposed is larger than the refractive index of the interlayer film formed on the light receiving element in which the plurality of types of color filters are disposed. The imaging apparatus according to 1.
二次元状に配置され入射光を光電変換する複数の受光素子と、当該複数の受光素子の上に配置された、可視光と近赤外光とを透過する複数種類の色フィルタおよび近赤外光のみを透過する近赤外フィルタとを備える撮像装置において行われる画像信号処理方法であって、
前記色フィルタを透過して光電変換された複数種類の色信号と、前記近赤外フィルタを透過して光電変換された近赤外信号とを前記複数の受光素子から読み出す読み出しステップと、
前記近赤外フィルタが配置された受光素子と当該受光素子に隣接する前記色フィルタが配置された受光素子とで構成される単位画素ごとに、前記読み出しステップにて読み出された前記複数種類の色信号に混合すべき前記近赤外信号の割合を表す混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出する係数算出ステップと、
前記読み出しステップにて読み出された前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記係数算出ステップにて算出された前記混合係数に基づいて前記単位画素ごとに混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力する輝度出力ステップと、
前記複数種類の色信号、前記近赤外信号および前記輝度信号、ならびに前記輝度信号を用いて、前記単位画素ごとに複数の色成分信号を計算して当該複数の色成分信号を出力する色成分出力ステップとを含む
画像信号処理方法。
A plurality of light receiving elements that are two-dimensionally arranged to photoelectrically convert incident light, and a plurality of types of color filters and near infrared light that are disposed on the plurality of light receiving elements and transmit visible light and near infrared light An image signal processing method performed in an imaging device including a near-infrared filter that transmits only light,
A readout step of reading out from the plurality of light receiving elements a plurality of types of color signals that have been photoelectrically converted through the color filter and a near-infrared signal that has been photoelectrically converted through the near-infrared filter;
The plurality of types read out in the readout step for each unit pixel composed of a light receiving element in which the near infrared filter is arranged and a light receiving element in which the color filter adjacent to the light receiving element is arranged. A coefficient calculating step for calculating a mixing coefficient representing a ratio of the near-infrared signal to be mixed with a color signal in accordance with a signal amount of the near-infrared signal;
The plurality of types of color signals read in the reading step and the near-infrared signal are mixed for each unit pixel based on the mixing coefficient calculated in the coefficient calculating step, and the mixing is performed. A luminance output step for outputting the signal as a luminance signal;
A color component that calculates a plurality of color component signals for each unit pixel and outputs the plurality of color component signals using the plurality of types of color signals, the near-infrared signal, the luminance signal, and the luminance signal An image signal processing method including an output step.
前記係数算出ステップでは、
同一フレーム画像内の第1の領域が白黒画像となるように前記混合係数を算出し、
前記第1の領域と異なる第2の領域がカラー画像となるように前記混合係数を算出する
請求項6に記載の画像信号処理方法。
In the coefficient calculation step,
Calculating the mixing coefficient so that the first region in the same frame image is a black and white image;
The image signal processing method according to claim 6, wherein the mixing coefficient is calculated so that a second area different from the first area is a color image.
前記複数種類の色信号および前記赤外信号は、それぞれ、正規化された値を有し、
前記輝度出力ステップにて出力される前記輝度信号をY、前記複数種類の色信号のうち赤色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(R+IR)、緑色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(G+IR)、青色の前記色フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号を(B+IR)、前記近赤外フィルタを有する受光素子から読み出された輝度信号をIR、前記混合係数をkとすると、
Y=(R+IR)+(G+IR)+(B+IR)+k×IR
で表され、
前記係数算出ステップでは、前記混合係数を、−3から+1の範囲内の値において算出する
請求項6または7に記載の画像信号処理方法。
The plurality of types of color signals and the infrared signals each have normalized values;
The luminance signal output in the luminance output step is Y, the luminance signal read from the light receiving element having the color filter of red among the plurality of types of color signals (R + IR), and the color filter of green The luminance signal read from the light receiving element having (G + IR), the luminance signal read from the light receiving element having the blue color filter (B + IR), and read from the light receiving element having the near infrared filter If the luminance signal is IR and the mixing coefficient is k,
Y = (R + IR) + (G + IR) + (B + IR) + k × IR
Represented by
The image signal processing method according to claim 6 or 7, wherein, in the coefficient calculation step, the mixing coefficient is calculated at a value within a range of -3 to +1.
前記色成分出力ステップでは、
複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、前記複数種類の色信号および前記近赤外信号が含む近赤外信号成分の成分量を調整して当該複数の色成分信号を出力する
請求項6に記載の画像信号処理方法。
In the color component output step,
The plurality of colors are adjusted by adjusting the component amounts of the near-infrared signal components included in the plurality of types of color signals and the near-infrared signal so as to maximize the gain of the red component signal among the plurality of color component signals. The image signal processing method according to claim 6, wherein a component signal is output.
前記色成分出力ステップでは、
複数の色成分信号のうちの赤色成分信号の利得を最大とするように、前記複数種類の色信号のうちの赤色信号の利得を他の色信号の利得よりも増加させて当該複数の色成分信号を出力する
請求項6に記載の画像信号処理方法。
In the color component output step,
In order to maximize the gain of the red component signal of the plurality of color component signals, the gain of the red signal of the plurality of types of color signals is increased more than the gain of the other color signals, and the plurality of color components The image signal processing method according to claim 6, wherein a signal is output.
前記係数算出ステップでは、1フレーム内の最小1画素行ごとに、前記混合係数を、前記近赤外信号の信号量に応じて算出し、
前記輝度出力ステップでは、前記複数種類の色信号と前記近赤外信号とを、前記混合係数に基づいて混合し、当該混合され信号を輝度信号として出力し、
前記色成分出力ステップでは、前記複数種類の色信号、前記近赤外信号及び前記輝度信号を用いて、複数の色成分信号を計算して当該複数の色成分信号を出力することにより、カラー画像と近赤外光による輝度成分を主とする白黒画像とを1フレーム内の最小1行単位で切り替えて表示させる
請求項6に記載の画像信号処理方法。
In the coefficient calculating step, the mixing coefficient is calculated according to the signal amount of the near-infrared signal for every one pixel row in one frame,
In the luminance output step, the plurality of types of color signals and the near-infrared signal are mixed based on the mixing coefficient, and the mixed signal is output as a luminance signal.
In the color component output step, a color image is calculated by calculating a plurality of color component signals using the plurality of types of color signals, the near infrared signal, and the luminance signal, and outputting the plurality of color component signals. The image signal processing method according to claim 6, wherein a black-and-white image mainly including a luminance component by near-infrared light is switched and displayed in units of at least one line in one frame.
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