JP4232086B2 - 二色フォトディテクタのアレイを含むディジタルイメージセンサ、及び二色フォトディテクタのアレイのデモザイク方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にディジタルカラーイメージセンサに関し、より具体的には単一のフォトディテクタ(光検出器)位置で2つの色を検出可能な二色フォトディテクタ及び二色フォトディテクタアレイのデモザイク法(demosaicing)に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディジタルカラーイメージセンサには、CCD(電化結合素子)とCMOS−APS(相補型金属酸化物半導体−アクティブフォトディテクタセンサ)の主に二種類がある。通常、どちらのタイプのセンサも、行及び列に配置されるかまたは他のパターンに配置されるフォトディテクタ(例えばピクセル)のアレイを含んでおり、これによって画像中の色をサンプリングする。各フォトディテクタは、1つまたは複数の知覚色に対応する1つ又は複数の波長範囲内の光の強度を測定する。
【0003】
加えて、両タイプのセンサとも、参照により本明細書に援用されるBayerによる従来例(以下、単に「ベイヤー」と呼ぶ)のようなカラーフィルタアレイ(CFA)を含むことができる(特許文献1参照)。各フォトディテクタは、ベイヤーのCFAを用いて、赤、緑又は青に対応する1つの波長範囲のみを検出する。単一のフォトディテクタにおいて三原色全てのセンサ値を得るには、隣接するフォトディテクタからカラーセンサ値を補間しなければならない。この補間処理はデモザイク処理と呼ばれる。デモザイク処理された画像は、CFAを用いて適合されたイメージセンサにおいては、本質的に存在する色のアンダーサンプリングによるカラーエイリアシングアーチファクト(歪み)を呈することが多い。カラーエイリアシングアーチファクトに関連する問題の一部を解決するために、他のセンサ設計が提案されている。
【0004】
例えば、CFAを用いない他のセンサ設計の1つとして、同じフォトディテクタ位置において特殊なプリズムにより三原色を分割して補足するものがあり、これは、参照により本明細書に援用されるRichard F. Lyonによる従来例に記載されている(非特許文献1参照)。しかしながら、この手法ではプリズムや光学部品のコストが非常に高くなる。加えて、3つのセンサと光学部品のアライメントをフォトディテクタの幅の数分の一よりも小さな単位(3μm程度)でX、Y方向に手動で行わなければならず、多くの画像形成アプリケーションには適用することができない。
【0005】
参照により本明細書に援用されるStiebigらによる従来例及びMerillによる従来例は、いずれも他のタイプのセンサ設計について記載している(特許文献2及び特許文献3参照)。Stiebigら及びMerillのセンサは、3つの別個のカラーフォトダイオードを重ね合わせ、これらのフォトダイオードを電気的に接続することにより、単一の空間位置で三原色全てを検出することができる1つのフォトディテクタを形成するというものである。しかしながら、Stiebigら及びMerillのセンサは共通の陽極(アノードコモン)を持っているため、1つの三色フォトディテクタ位置から出力される電流は2つ以上のフォトダイオード電流の組み合わせということになる(すなわち、フォトディテクタが相互に電気的に絶縁されていない)。したがって、3つのフォトダイオード全てから出力される電流の差を測定するには相当な量の回路が必要となり、コスト的にも面積的にも許容されない場合がある。
【0006】
さらに他のセンサ設計として、参照により本明細書に援用されるK. M. Findlaterらによる従来例がある(非特許文献2参照)。Findlaterらの論文は、Stiebigら及びMerillにより記載された「三色フォトディテクタ」のかわりに、「二色フォトディテクタ」について述べている。Findlaterのセンサにおいては、各フォトディテクタはバルクシリコン中に存在する背中合わせの(back to back)2つのフォトダイオードを含んでいる。さらに、Findlaterのセンサは非ベイヤーのカラーフィルタアレイ(CFA)モザイクに覆われている。したがって、2つのフォトディテクタ毎に4つの異なるカラー値が抽出されるのである。
【0007】
【特許文献1】
米国特許第3,971,065号
【特許文献2】
米国特許第5,998,806号
【特許文献3】
米国特許第5,965,875号
【非特許文献1】
Richard F. Lyon, “Prism-Based Color Separation for Professional Digital Photography”, Proceedings of 2000 PICS Conference, IS&T, p.50-54
【非特許文献2】
K. M. Findlater et al., “Buried Double Junction Photo-detector Using Green and Magenta Filters”, 1999 IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensors, p.60-64
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
Findlaterの設計は従来のベイヤーパターンと比べるとより正確に色を再生できるが、センサ各々の吸収スペクトル(すなわち、感度領域)が固定されているため、2つのバルクフォトダイオードの色の分離は悪い。加えて、Findlaterの設計では、各フォトディテクタの2つのフォトダイオード及び全ての回路がバルクシリコン中に集積化されているため、フォトディテクタ自体が大きく、領域及びコストの両方が増大することになる。そこで、Findlaterの設計と比べて色分離が改善され面積が小さく、従来の三色センサ設計と比べてフォトディテクタ間の電気的絶縁性が改善された、各フォトディテクタ位置において2つ以上の色をサンプリングすることができる新たなセンサ設計が必要とされている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バルクシリコン中にある下部フォトディテクタ素子と、その下部フォトディテクタ素子の上に高架された上部フォトディテクタ素子とを有する二色フォトディテクタを含むセンサを提供する。これにより、センサは各フォトディテクタ位置において2つ以上の色をサンプリングすることができる。各フォトディテクタ素子の色感度は、上部フォトディテクタ素子の吸収曲線、及び上部フォトディテクタ素子とカラーフィルタアレイ(使用する場合)の厚さにより決まる。
【0010】
一部の実施形態においては、高架された上部フォトディテクタ素子は、上部フォトディテクタ素子及び下部フォトディテクタ素子の両方に必要とされる回路上に配置することができる。他の実施形態においては、カラーフィルタアレイを用いることなく2つのカラーフォトディテクタアレイ内の色を正確にサンプリングするために、隣接する2つのフォトディテクタの上部フォトディテクタ素子が2つの異なる厚さにされる。これにより、アレイ内の二色フォトディテクタ対のそれぞれが4つの異なる色(例えば、青と青の補色及び赤と赤の補色)を検出することができる。
【0011】
他の実施形態においては、圧縮・保存用に生のカラー値を処理するために、二色フォトディテクタの2x2ブロックに色変換マトリクスを使用して4色(8つのカラー値)をYCbCr(4:1:1)等の新たな色空間に変換することができる。したがって、隣接画素処理(neighborhood operation)を用いたデモザイクにより各フォトディテクタ位置において全4色を補間し、その後YCbCr(4:1:1)色空間へと変換する代わりに、隣接画素処理を全く必要とせず、生のカラー値自体からYCbCr(4:1:1)色空間へと直接変換できる、より簡単なデモザイク方法を実施することができる。
【0012】
さらに、二色フォトディテクタ中の2つのフォトディテクタ素子は互いから電気的に絶縁されているため、各フォトディテクタ素子のダイナミックレンジが向上する。2つのフォトディテクタ素子間の電気的絶縁により、2つのフォトディテクタ素子間の色分離を改善することもできる。また、一方のフォトディテクタ素子をもう一方のフォトディテクタ素子及び回路の上に高架されたことにより、従来の二色センサ設計と比べて、二色フォトディテクタを製作するための空間を小さくすることができる。
【0013】
本発明は、上述した特徴及び利点に付加される、又はこれらに代わる他の特徴及び利点を持つ実施形態をも提供する。これらの特徴及び利点の多くは、図面と共に以下の説明を参照することにより明らかとなる。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施形態を参照して本発明の新たな教示内容を説明する。しかしながら、これらの実施形態は、本発明に含まれる教示内容の多数の有利な用法のうちの一部のみを提供するものであることを理解されたい。
【0015】
図1は、ディジタルイメージセンサ10について、二色フォトディテクタ(例えば、ピクセル)5の2x2ブロックの一例を示した図である。図2において、4つのフォトディテクタ領域内に8個のフォトディテクタ素子(例えばフォトダイオード、フォトコンダクタまたはフォトトランジスタ)がある。各フォトディテクタは、それぞれ異なる色を検出する2個のフォトディテクタ素子を含む二色フォトディテクタ5である。二色フォトディテクタ5の2x2ブロック内には、2種類の二色フォトディテクタが存在する。二色フォトディテクタの一方のタイプは、それぞれ第1及び第2の波長範囲内の光(すなわち、赤の補色及び赤)を受けてこれを吸光し、この結果得られる電荷を集めることができる第1及び第2のフォトディテクタ素子12、13を有する。二色フォトディテクタのもう一方のタイプは、それぞれ第3及び第4の波長範囲内の光(すなわち、青及び青の補色)を受けてこれを吸光し、この結果得られる電荷を集めることができる第3及び第4のフォトディテクタ素子21、22を有する。本技術分野で理解されているように、ここで言うフォトディテクタ素子とは、フォトコンダクタまたはフォトダイオードと考えることができる。本明細書ではフォトディテクタ素子12及び13が第1及び第2の波長範囲(例えば赤色及びその補色の波長)を吸収し、他の二色フォトディテクタ素子21及び22が第3及び第4の波長範囲(例えば青色及びその補色の波長)を吸収するものとして説明しているが、センサ10の設計及び用途に応じて、どのフォトディテクタ素子も任意の波長範囲を吸収可能であることは理解されよう。さらに、フォトディテクタ素子12及び13に吸収されるそれぞれの波長範囲がフォトディテクタ素子21及び22に吸収される波長範囲と部分的に重なっていても良く、センサ10の感度に大きい影響を与えないことも理解されよう。
【0016】
適正な厚さを持つアモルファスシリコン(αSi:H)(点線で図示)の単層が、各二色フォトディテクタの上部フォトディテクタ素子12又は21として働く。二色フォトディテクタの下部フォトディテクタ素子13又は22は、バルクシリコン(実線で図示)中にある。図からわかるように、各二色フォトディテクタの上部フォトディテクタ素子12又は21は、各二色フォトディテクタの下部フォトディテクタ素子13又は22に対して「高架された(elevated)」位置関係(すなわち、下部フォトディテクタ素子の上部に空間をあけて置かれる関係)にある。上部フォトディテクタ素子は、アモルファスシリコン以外の材料で形成できることに注意されたい。
【0017】
しかしながら、各二色フォトディテクタの上部フォトディテクタ素子にアモルファスシリコンを用いると、上部フォトディテクタ素子12、21と下部フォトディテクタ素子13、22を独立して制御することができる。さらに、アモルファスシリコンの利用により、アモルファスシリコン層の厚さを介して色応答(color response)の調整が可能となる。各二色フォトディテクタの色応答を調整するためには、上部フォトディテクタ素子12又は21のアモルファスシリコン層の厚さを変化させれば良い。例えば、薄いアモルファスシリコン層を上部フォトディテクタ素子12に使用すると青色のみを吸収し、その下にあるバルクシリコン内の下部フォトディテクタ素子13は青の補色(例えば黄色)を吸収するようになる。一方、上部フォトディテクタ素子12のアモルファスシリコン層を厚くすると、上部フォトディテクタ素子12は赤色の補色(例えばシアン)を抽出し、バルクシリコン内の下部フォトディテクタ素子13は赤色を吸収するようになる。
【0018】
種々のアモルファスシリコン層の厚さについて、波長に対する吸収率を図3に示す。図3から明らかなように、5000Å厚のアモルファスシリコン層はスペクトルの青色部分(波長500nm付近)を100%、緑色部分(波長約575から650nm)の40から80%、そして赤色部分(波長約675から750nm)の20%未満を吸収する。
【0019】
図1に示した例には、カラーフィルタが示されていない。しかしながら、二色フォトディテクタ5の応答を調節するためにカラーフィルタを用いても良いことは理解されよう。例えば、二色フォトディテクタ5の1タイプはマゼンタフィルタを含んでも良く、二色フォトディテクタ5の別のタイプはシアンフィルタを含んでも良い。マゼンタフィルタは、スペクトルのうち赤色及び青色部分のみを2つのフォトディテクタ(すなわち12及び13)へと通す。スペクトルの青色部分は上部フォトディテクタ素子12により吸収され、スペクトルの赤色部分は下部フォトディテクタ素子13により吸収される。シアンフィルタは、スペクトルのうち青色及び緑色部分のみを2つのフォトディテクタ(すなわち21及び22)へと通す。スペクトルの青色部分は上部フォトディテクタ21により吸収され、スペクトルの緑色部分は下部フォトディテクタ素子22により吸収される。しかしながら、センサ10に求められる色空間及び色サンプリングに応じて、他のカラーフィルタも使用できることは理解されよう。
【0020】
図2は、図1に示した例示的な二色フォトディテクタ5の断面図である。カラーフィルタ30は酸化インジウム錫のような透明金属導体40上にある。透明金属導体40の下には、高架されたフォトダイオード12があるが、これはP層12a、I層12b及びN層12cを含む。逆バイアスがかけられた場合、高架されたフォトダイオード12は受光すると電荷を収集する。
【0021】
二酸化シリコン(SiO2)等の誘電体50(層間金属誘電体として図示)は、高架されたフォトダイオードをバルクシリコンフォトダイオード13から分離している。誘電体50は、2つのフォトダイオード12及び13の各々から出る電流を分離するために(そしてこれによりフォトダイオード間を電気的に絶縁するために)、フォトダイオード12及び13の陽極を分離する。バルクシリコンフォトダイオード13は、シリコン基板60中に形成される。P型シリコン基板60中に浅いN+領域が形成され、これにより高架されたフォトダイオード12が検出する光の波長よりも長い波長を持つ光が検出される。これに加え、図示していないが、バルクシリコンフォトダイオード13に隣接して、高架されたフォトダイオード12とバルクシリコンフォトダイオード13を駆動する回路がバルクシリコン内に存在する。
【0022】
二色フォトディテクタアレイから生成された生のカラー値を圧縮・保存する目的で処理するために、いくつかの異なる種類のデモザイク処理及び色空間変換アルゴリズムを元の生のカラー値に適用することができる。カラーフィルタを用いた場合、各フォトディテクタ位置において3つのカラー値(すなわち赤色、青色及び緑色、あるいはシアン、マゼンタ及びイエロー)を補間するために、周知のデモザイク技術のいずれをも採用することができる。各フォトディテクタは三色のうちの二色を検出するので、デモザイク処理の結果は従来のベイヤーCFAパターンよりも正確なものとなるはずである。生のカラー値及び補間カラー値は、既知の変換処理のいずれかによって他の色空間へと変換することができる。
【0023】
カラーフィルタを使用しない場合、アレイ内の二色フォトディテクタ対の各々は、4つの異なる色(すなわち、青と青の補色及び赤と赤の補色)を検出する。図1に示したような二色フォトディテクタの2x2ブロックを処理するためには、4つのカラー値を補間し、さらに例えばJPEG(Joint Photographic Expert Group)を用いてカラー値を圧縮に適した色空間へと変換するための、新たなデモザイク技術が必要となる。JPEG技術については、参照により本明細書に援用される、W. Pennebaker及びJ. Mitchellによる“JPEG:Still Image Data Compression Standard”(New York: Van Nostrand Reinhold, 1993)に記載されている。
【0024】
図4A及び図4Bに示すように、一実施形態おいては、2x2ブロックの二色フォトディテクタ5が生成した8個の生のカラー値a 11 、a22、b11、b22、c12、c21、d12及びd21が、YCbCr(4:1:1)等のカラー値y11、y12、y21、y22、cb及びcrを持つ新しい色空間へとデモザイクなしで直接的に変換される。以下では、4つの異なる色(すなわち、赤と赤の補色及び青と青の補色)を、A、B、C及びDとして示す。従って、図4Aに示した2x2ブロックの二色フォトディテクタ5の構成は以下の通りとなる。
【0025】
左上のフォトディテクタ:基底関数A、係数a11、及び基底関数B、係数b11
右上のフォトディテクタ:基底関数C、係数c12、及び基底関数D、係数d12
左下のフォトディテクタ:基底関数C、係数c21、及び基底関数D、係数d21
右下のフォトディテクタ:基底関数A、係数a22、及び基底関数B、係数b22
【0026】
図4Bに示すように、上記の8個のカラー値から6個の新たなカラー値y11、y12、y21、y22、cb及びcrが求められる。より具体的には、求める必要がある新たなカラー値は以下の通りである。
【0027】
左上のフォトディテクタ:基底関数Y、係数y11
右上のフォトディテクタ:基底関数Y、係数y12
左下のフォトディテクタ:基底関数Y、係数y21
右下のフォトディテクタ:基底関数Y、係数y22
フォトディテクタ群の中心:基底関数Cb、係数cb;基底関数Cr、係数cr
【0028】
図5は、図4A及び図4Bに示した直接逆デモザイク法(direct inversion demosaicing)を実施するステップの一例を説明するフローチャートである。最初に、ABCD空間からYCbCr空間への色変換マトリクスが生成される(ステップ500)。色変換マトリクスを得る最も単純な方法は、「最大無知法(maximum ignorance method)」であり、これは基底関数(例えば色)のスペクトル感度曲線しか必要としないものである。最大無知法を使用して色変換マトリクスを得るには、単純な擬似逆行列計算が行われる。例えば、最大無知法を実施した結果、以下の4x3マトリクス([E])により4つの色A、B、C及びDをY、Cb及びCrカラー値へと変換することができる。
【0029】
【数1】
【0030】
人の目は、8つのカラー値を生成する2x2ブロックの二色フォトディテクタに対して輝度よりもクロミナンス(chrominance)の高周波変化に対する感度が低いため、次式のように、上述のマトリクスを拡張したものによってこれらの8つの値を6つの値(例えば4つのY値、1つのCr値、1つのCx値)へと変換することができる(ステップ510)。
【0031】
【数2】
【0032】
生のカラー値を取得すると(ステップ520)、これらの生のカラー値が上記マトリクスへと適用される(ステップ530)。例えば、図4Aの左上の二色フォトディテクタの生のカラー値を上記マトリクスに適用すると、次式が得られる。
【0033】
【数3】
(式1)
(式2)
【0034】
図4Aの右上の二色フォトディテクタの生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式が得られる。
【0035】
【数4】
(式3)
(式4)
【0036】
図4Aの左下の二色フォトディテクタの生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式が得られる。
【0037】
【数5】
(式5)
(式6)
【0038】
最後に、図4Aの右下の二色フォトディテクタの生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式が得られる。
【0039】
【数6】
(式7)
(式8)
【0040】
上記8つの式は6つの未知の値(y11、y12、y21、y22、cb、cr)を含む。これらの8つの式は、最小二乗法を使用して解くことができ、6つの未知の値が求められる(ステップ540)。ここで説明したYCrCbのかわりに、Lab(L*a*b*)等の他の色空間を使用しても良いことは理解されよう。また、あらゆる新たな色空間に対して値が4:1:1でサンプリングされる点を理解されたい。すなわち、成分の1つが4つの値を持ち、他の2つがそれぞれ1つの値を持つということである。
【0041】
デモザイクのかわりに、各フォトディテクタ位置において四色全てを補間し、その後生のカラー値自体からYCbCr(4:1:1)色空間へと変換する隣接画素処理を用いても良い。このような圧縮前の画像処理はセンサ自体で実施することが可能であり、これによりセンサが出力しなければならないデータ量を削減することができる。
【0042】
他の実施形態では、二色フォトディテクタアレイにより生成される生のカラー値にエッジ加重補間(edge weighted interpolation)を適用することができる。画像内には光の強度が急峻に変化するエッジが多数ある。シャープな出力画像を生成するためには、エッジをまたいだ色補間よりもエッジに沿った色補間に向けられるべきである。各フォトディテクタ位置についてエッジをまたぐ色補間を回避するために、図7に関連して以下に説明するエッジ加重デモザイク法により、そのフォトディテクタがエッジにあるか否かが判断され、もしそうであればエッジの向きが推定される。本明細書において「エッジ」という語は、強度変化が急峻な画像特徴のオブジェクト又は他の境界に関連する値を生成するフォトディテクタを指す。「エッジ」という語は、画像の4つの自然境界の1つに位置するフォトディテクタ(すなわち、センサ自体の端部に位置するフォトディテクタ)を意味するものではない。
【0043】
図6に示すように、二色フォトディテクタアレイにおいて、色C及びDを検出する二色フォトディテクタ5は、色A及びBを検出する4つの二色フォトディテクタ5によって水平方向及び垂直方向に囲まれている。例えば、色Aの値をC/Dフォトディテクタ位置で補間するために、次式を適用することができる。
【0044】
【数7】
A={(A2+A3)/2*Ay+(A1+A4)/2*Ax}/(1+Ax+Ay)
(式9)
ここで、Ax及びAyは水平方向及び垂直方向における勾配である。すなわち、以下の通りである。
【0045】
【数8】
(式10)
(式11)
【0046】
エッジ加重デモザイク処理は、最も変化の小さい方向において近隣からの補間を行って、エッジをぼやけさせるリスクを最小化するので、他よりも大きい勾配の1つがあると、反対側のフォトディテクタ対により大きい加重が割り当てられる。例えば、水平方向の勾配が垂直方向の勾配よりも大きい場合、AxよりもAyにより大きな加重が割り当てられる。C/Dフォトディテクタ位置におけるB値の補間にも同様の式を使用することができる。
【0047】
図7はエッジ加重デモザイク法の一例を示すフローチャートである。生のカラー値が取得されると(ステップ700)、各二色フォトディテクタ位置について2つのカラー値が補間される(ステップ710)。2つの欠損(missing)カラー値をフォトディテクタ位置から補間する前に、上記の式10及び11を使用して水平方向の勾配及び垂直方向の勾配が求められる(ステップ720)。その後、上記式9を用いて2つの欠損値のエッジ加重補間が実施される(ステップ730)。各フォトディテクタ位置の欠損フォトディテクタ値は、全て同様の方法で計算される(ステップ710からステップ730)。
【0048】
各二色フォトディテクタ位置について4つのカラー値が揃うと(ステップ710)、各二色フォトディテクタ位置の4つのカラー値が以下の色変換マトリクス(上述した変換マトリクスと同一のもの)に適用され、各二色フォトディテクタの4つの値がYCbCr等の他の色空間へと変換される(ステップ740)。
【0049】
【数9】
ここで、マトリクス[E]は、基底関数(例えば色)のスペクトル感度曲線しか必要としない最大無知法から導出される。マトリクスを適用した結果、各二色フォトディテクタ位置はその位置に関連するY値、Cb値及びCr値を持つことになる。当分野において周知の通り、YCbCr(4:1:1)色空間への変換を完了するためにはCb及びCr値の追加サブサンプリングが必要である(ステップ750)。
【0050】
エッジ加重デモザイク法は、直接逆デモザイク法よりもシャープな画像を生成することができるが、エッジ加重デモザイク法は2x2フォトディテクタ上の閉じたオペレーションではない。従って、エッジ加重デモザイク法で画像をデモザイクするためには何らかのバッファリング(すなわち、2ラインバッファリング)が必要となる。
【0051】
本発明には例として以下の実施形態が含まれる。
【0052】
1.第1の波長範囲内の光を吸収可能な第1のフォトディテクタ素子(12)と第2の波長範囲内の光を吸収可能な第2のフォトディテクタ素子(13)とを有する二色フォトディテクタ(5)を含み、
前記第1のフォトディテクタ素子は前記第2のフォトディテクタ素子の上に高架された関係にあり、
前記第1のフォトディテクタ素子は前記第2のフォトディテクタ素子から電気的に絶縁されていることを特徴とする、ディジタルイメージセンサ(10)。
【0053】
2.基板(60)をさらに含み、前記第2のフォトディテクタ素子(13)が前記基板中に形成されている、上記1に記載のディジタルイメージセンサ。
【0054】
3.前記第1のフォトディテクタ素子(12)と前記第2のフォトディテクタ素子(13)との間に誘電体層(50)をさらに含み、前記誘電体層は前記第1のフォトディテクタ素子を前記第2のフォトディテクタ素子から電気的に絶縁する、上記2に記載のディジタルイメージセンサ。
【0055】
4.前記第1のフォトディテクタ素子(12)は、前記第1の波長範囲内の光を吸収すると共に前記第2の波長範囲内の光を通過させるように選択された厚さを持つアモルファスシリコンから形成されており、
前記第2のフォトディテクタ素子(13)は、前記第1のフォトディテクタ素子が通過させた前記第2の波長範囲内の光を検出する、上記1に記載のディジタルイメージセンサ。
【0056】
5.前記第1のフォトディテクタ素子(12)と前記第2のフォトディテクタ素子(13)を駆動するための回路をさらに含み、前記第1のフォトディテクタ素子は前記回路の上に高架された関係にある、上記1に記載のディジタルイメージセンサ。
【0057】
6.二色フォトディテクタ(5)のアレイのデモザイク方法であって、
前記二色フォトディテクタのアレイ内にある4個の二色フォトディテクタから成るブロックから8つのカラー値を生成するステップ(ステップ520)であって、前記4個の二色フォトディテクタから成るブロック内にある各二色フォトディテクタは、下部フォトディテクタ素子(13)の上に高架された関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォトディテクタ素子(12)を含み、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第1の対は前記8つのカラー値のうち受光した第1の波長範囲内の光に関連する2つのカラー値と、前記8つのカラー値のうち受光した第2の波長範囲内の光に関連する2つのカラー値とを生成し、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第2の対は前記8つのカラー値のうち受光した第3の波長範囲内の光に関連する2つのカラー値と、前記8つのカラー値のうち受光した第4の波長範囲内の光に関連する2つのカラー値とを生成し、前記8つのカラー値は第1の色空間を構成する、ステップと、
前記第1の色空間を第2の色空間へと変換するための色変換マトリクスを求めるステップ(ステップ500と510)であって、前記第2の色空間は、輝度色平面、第1のクロミナンス色平面、及び第2のクロミナンス色平面を含む、ステップと、
前記8つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用することにより、前記8つのカラー値を、前記輝度色平面内の4つの輝度値、前記第1のクロミナンス色平面内の1つの第1のクロミナンスカラー値、及び前記第2のクロミナンス色平面内の1つの第2のクロミナンスカラー値へと変換するステップ(ステップ530、540)と、
を含むデモザイク方法。
【0058】
7.前記適用するステップが、
前記8つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用することにより、前記4つの輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値及び前記1つの第2のクロミナンス値に対応する6つの未知の値を含む8つの式を得るステップ(ステップ530)と、
最小二乗法を用いて前記8つの式を解いて、前記6つの未知の値を求めるステップ(ステップ540)と、
をさらに含む、上記6に記載のデモザイク方法。
【0059】
8.前記色変換マトリクスを求めるステップが、
前記第1の色空間と前記第2の色空間との間で変換を行うための基本色変換マトリクスを求めるステップであって、前記基本色変換マトリクスは、前記第1、第2、第3及び第4の波長範囲からのカラー値を、前記輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値及び前記1つの第2のクロミナンス値へと変換するものである、ステップ(ステップ500)と、
前記基本色変換マトリクスを、前記8つのカラー値を前記4つの輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値、及び前記1つの第2のクロミナンスカラー値へと変換可能な前記色変換マトリクスへと拡張するステップ(ステップ510)と、
をさらに含む、上記7に記載のデモザイク方法。
【0060】
9.行及び列に配列された複数の二色フォトディテクタ(5)のフォトディテクタ位置を持つイメージセンサ(10)から得られたディジタルイメージをデモザイクする方法であって、
前記二色フォトディテクタの各々が、下部フォトディテクタ素子(13)から高架された関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォトディテクタ素子(12)を含み、前記イメージセンサが4つの異なる波長範囲内の光に関連するカラー値を生成するものであるとき、
前記方法が、
前記4つの異なる波長範囲内の光に関連するカラー値のセットを受け取るステップ(ステップ700)と、
前記4つの異なる波長範囲のうち第1及び第2の波長範囲に関連する前記カラー値のセット内の第1及び第2のカラー値を生成する選択されたフォトディテクタ位置について、前記カラー値のセットを使用して前記4つの異なる波長範囲の第3の波長範囲に関連する水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を求めるステップであって、前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配が前記フォトディテクタ位置の前記行及び列の配置に対応する、ステップ(ステップ720)と、
前記選択されたフォトディテクタ位置について前記第3の波長範囲内の光に関連する欠損した第3のカラー値を、前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を用いて補間するステップ(ステップ730)と、
を含むデモザイク方法。
【0061】
10.前記補間するステップ(ステップ730)が、
前記水平方向の勾配と、前記第3の波長範囲内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテクタ位置に垂直方向に隣接するフォトディテクタ位置に関連する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを乗じるステップと、
前記垂直方向の勾配と、前記第3の波長範囲内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテクタ位置に水平方向に隣接するフォトディテクタ位置に関連する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを乗じるステップと、
をさらに含む、上記9に記載のデモザイク方法。
【0062】
当業者には明らかなように、本明細書に述べた新たな概念は幅広いアプリケーションに対して変更及び改変可能である。したがって、本発明は記載した実施形態における特定の教示内容に限られない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による二色フォトディテクタアレイ用のフォトディテクタの2x2ブロックの一例を表す図である。
【図2】図1に示した種類の二色フォトディテクタの断面図である。
【図3】アモルファスシリコンの様々な厚さに対する、波長対吸収率を示した図である。
【図4A】二色フォトディテクタの2x2ブロックから得られる生のカラー値を示す図である。
【図4B】本発明の一実施形態による、図4Aに示した生のカラー値のデモザイク処理の結果を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態による 直接変換デモザイク法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図6】二色フォトディテクタアレイから得られた生のカラー値を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態によるエッジ加重デモザイク法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
5 二色フォトディテクタ
10 ディジタルイメージセンサ
12 第1のフォトディテクタ素子
13 第2のフォトディテクタ素子
21 第3のフォトディテクタ素子
22 第4のフォトディテクタ素子
30 カラーフィルタ
40 透明金属導体
50 誘電体層
60 基板
Claims (10)
- 二色フォトディテクタのアレイを含むディジタルイメージセンサであって、
前記二色フォトディテクタのアレイ内にある4個の二色フォトディテクタから成るブロック内に含まれる各二色フォトディテクタが、第1の波長範囲内の光を吸収可能な第1のフォトディテクタ素子と、第2の波長範囲内の光を吸収可能な第2のフォトディテクタ素子とを有し、
前記第1のフォトディテクタ素子は前記第2のフォトディテクタ素子の上に高架された関係にあり、
前記第1のフォトディテクタ素子は前記第2のフォトディテクタ素子から電気的に絶縁されており、
前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第1の対における各第1のフォトディテクタ素子は、前記4個の二色フォトディテクタから生成される8つのカラー値のうち受光した第1の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第1の対における各第2のフォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第2の波長範囲内の光であって前記第1の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成し、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第2の対における各第1のフォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第3の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第2の対における各第2のフォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第4の波長範囲内の光であって前記第3の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成する、ディジタルイメージセンサ。 - 基板をさらに含み、前記第2のフォトディテクタ素子が前記基板中に形成されている、請求項1に記載のディジタルイメージセンサ。
- 前記第1のフォトディテクタ素子と前記第2のフォトディテクタ素子との間に誘電体層をさらに含み、前記誘電体層は前記第1のフォトディテクタ素子を前記第2のフォトディテクタ素子から電気的に絶縁する、請求項2に記載のディジタルイメージセンサ。
- 前記第1のフォトディテクタ素子が、前記第1の波長範囲内の光を吸収すると共に前記第2の波長範囲内の光を通過させるように選択された厚さを持つアモルファスシリコンから形成されており、
前記第2のフォトディテクタ素子が、前記第1のフォトディテクタ素子が通過させた前記第2の波長範囲内の光を検出する、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のディジタルイメージセンサ。 - 前記第1のフォトディテクタ素子および前記第2のフォトディテクタ素子を駆動するための回路をさらに含み、前記第1のフォトディテクタ素子が前記回路の上に高架された関係にある、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のディジタルイメージセンサ。
- 二色フォトディテクタのアレイのデモザイク方法であって、
前記二色フォトディテクタのアレイ内にある4個の二色フォトディテクタから成るブロックから8つのカラー値を生成するステップであって、前記4個の二色フォトディテクタから成るブロック内にある各二色フォトディテクタは、下部フォトディテクタ素子と、該下部フォトディテクタ素子の上に高架された関係にありかつ該下部フォトディテクタ素子から電気的に絶縁された上部フォトディテクタ素子とを含み、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第1の対における各上部フォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第1の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第1の対における各下部フォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第2の波長範囲内の光であって前記第1の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成し、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある二色フォトディテクタの第2の対における各上部フォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第3の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第2 の対における各下部フォトディテクタ素子は、前記8つのカラー値のうち受光した第4の波長範囲内の光であって前記第3の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成し、前記8つのカラー値は第1の色空間を構成する、ステップと、
前記第1の色空間を第2の色空間へと変換するための色変換マトリクスを求めるステップであって、前記第2の色空間は、輝度色平面、第1のクロミナンス色平面、及び第2のクロミナンス色平面を含む、ステップと、
前記8つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用することにより、前記8つのカラー値を、前記輝度色平面内の4つの輝度値、前記第1のクロミナンス色平面内の1つの第1のクロミナンスカラー値、及び前記第2のクロミナンス色平面内の1つの第2のクロミナンスカラー値へと変換するステップと、
を含むデモザイク方法。 - 前記適用するステップが、
前記8つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用することにより、前記4つの輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値及び前記1つの第2のクロミナンス値に対応する6つの未知の値を含む8つの式を得るステップと、
最小二乗法を用いて前記8つの式を解いて、前記6つの未知の値を求めるステップと、をさらに含む、請求項6に記載のデモザイク方法。 - 前記色変換マトリクスを求めるステップが、
前記第1の色空間と前記第2の色空間との間で変換を行うための基本色変換マトリクスを求めるステップであって、前記基本色変換マトリクスは、前記第1、第2、第3及び第4の波長範囲からのカラー値を、前記輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値及び前記1つの第2のクロミナンス値へと変換するものである、ステップと、
前記基本色変換マトリクスを、前記8つのカラー値を前記4つの輝度値、前記1つの第1のクロミナンス値、及び前記1つの第2のクロミナンスカラー値へと変換可能な前記色変換マトリクスへと拡張するステップと、
をさらに含む、請求項7に記載のデモザイク方法。 - 行及び列に配列された複数の二色フォトディテクタのフォトディテクタ位置を持つイメージセンサから得られたディジタルイメージをデモザイクする方法であって、
前記二色フォトディテクタの各々は、下部フォトディテクタ素子と、該下部フォトディテクタ素子から高架された関係にありかつ該下部フォトディテクタ素子から電気的に絶縁された上部フォトディテクタ素子とを含んでおり、行及び列に配列された4個の二色フォトディテクタのブロック内にある、斜め方向に隣接する二色フォトディテクタの第1の対における各上部フォトディテクタ素子は、受光した第1の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第1の対における各下部フォトディテクタ素子は、受光した第2の波長範囲内の光であって前記第1の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成し、前記4個の二色フォトディテクタのブロック内にある、前記斜め方向とは異なる斜め方向に隣接する二色フォトディテクタの第2の対における各上部フォトディテクタ素子は、受光した第3の波長範囲内の光に対応するカラー値を生成し、前記第2の対における各下部フォトディテクタ素子は、受光した第4の波長範囲内の光であって前記第3の波長範囲内の光とは補色の関係にある光に対応するカラー値を生成し、
前記方法が、
前記第1乃至第4の波長範囲内の各光に対応するカラー値のセットを受け取るステップと、
前記第1及び第2の波長範囲内の各光に対応する、前記カラー値のセット内の第1及び第2のカラー値、を生成する選択されたフォトディテクタ位置について、前記カラー値のセットを使用して前記第1乃至第4の波長範囲のうちの第3の波長範囲に対応する水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を求めるステップであって、前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配が前記フォトディテクタ位置の前記行及び列の配置に対応する、ステップと、
前記選択されたフォトディテクタ位置について、前記第3の波長範囲内の光に対応する、前記第1及び第2のカラー値とは異なる第3のカラー値を、前記選択されたフォトディ テクタ位置に対して水平方向及び垂直方向にそれぞれ隣接するフォトディテクタから受け取った第3のカラー値と、前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配とを用いて補間するステップと、
を含み、
前記補間するステップは、前記水平方向の勾配が前記垂直方向の勾配よりも大きい場合、前記選択されたフォトディテクタ位置に対して垂直方向に隣接するフォトディテクタから受け取った前記第3のカラー値に、より大きな加重を割り当てるように補間し、一方、前記垂直方向の勾配が前記水平方向の勾配よりも大きい場合、前記選択されたフォトディテクタ位置に対して水平方向に隣接するフォトディテクタから受け取った前記第3のカラー値に、より大きな加重を割り当てるように補間する、デモザイク方法。 - 前記補間するステップが、
前記水平方向の勾配と、前記選択されたフォトディテクタ位置に対して垂直方向に隣接する各フォトディテクタから受け取った前記第3のカラー値の平均とを乗じるステップと、
前記垂直方向の勾配と、前記選択されたフォトディテクタ位置に対して水平方向に隣接する各フォトディテクタから受け取った前記第3のカラー値の平均とを乗じるステップと、
をさらに含む、請求項9に記載のデモザイク方法。
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