JP4342149B2 - 固体撮像素子と撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている従来の固体撮像素子の平面図である。この固体撮像素子は、所謂、ハニカム画素配置と呼ばれ、多数の緑（Ｇ）の色フィルタを持つフォトダイオードが縦横に所定間隔で配置され、その各行，各列の各フォトダイオードに対して、１／２ピッチづつずらした位置に、青（Ｂ）と赤（Ｒ）の各色フィルタを持つフォトダイオードが交互に配置される構造となっている。図示する例では、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」と記載された８角形の枠が夫々赤，緑，青の色フィルタを示し、対応するフォトダイオードは、その下側（紙面の下側）に配置される。より正確には、８角形の枠がフォトダイオードの形を表し、赤，緑，青の色フィルタは、８角形の枠より大きなサイズ（例えば８角形や４角形）で設けられる。
【０００３】
光が各色フィルタを通して入射することで各フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、矢印ａに示す様に各フォトダイオードの脇に形成されている垂直転送路２０に読み出され、この信号電荷は、矢印ｂに示す様に垂直転送路２０に沿って転送されて水平転送路２１に至り、今度は矢印ｃに示す様に水平転送路２１に沿って転送され、固体撮像素子から読み出される。各画素（フォトダイオード）から読み出される信号電荷量は、各フォトダイオードの受光光量に応じた値となる。
【０００４】
この様に、固体撮像素子の各フォトダイオードの表面には色フィルタが重ねて設けられるが、この色フィルタは、例えば顔料や染料を用いて製造される。図１２は、従来の各色フィルタを設けたフォトダイオードの分光感度を示し、各色フィルタＲ，Ｇ，Ｂは夫々赤色，緑色，青色に相当する波長の光を透過し、それ以外の波長の光をカットする様になっている。即ち、図１２に示すように従来の赤色フィルタＲは、波長５８０ｎｍ以上の光を透過し、それより低い波長の光は一律にカットする様に製造されている。尚、図１２の赤色フィルタＲで５３０ｎｍ付近に小さなピークがあるが、これはあまり意味がないため、以下、このピークは無視して説明する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置で各種シーンを撮影する場合、様々な照明光源の下で撮影が行われるため、どの様な光源の下で撮影されてもホワイトバランスが合うように、カメラが自動的にＲ，Ｇ，Ｂ信号のゲイン調整を行ったり、あるいは撮影者が手動でホワイトバランスを合わせる様にしている。
【０００６】
しかし、ホワイトバランスが精度良く合わせられていても、Ｆ６光源といわれる普通型白色蛍光灯の下で撮影が行われると、肌色がＹＧ（黄緑）味になってしまうことが良く知られている。これは、太陽光の下で撮影された時の肌色が良好な肌色になるようにリニアマトリクスや色差マトリクスが調整されていても、Ｆ６光源の分光分布が５８０ｎｍ付近の波長域に偏っているために起きる現象である。また同様に、Ｆ１２光源といわれる電球色蛍光灯の下での撮影においても、肌色がＹＧ味になる傾向がある。
【０００７】
本発明の目的は、太陽光の下での撮影では従来通り良好な肌色の色再現性を保ち、Ｆ６光源やＦ１２光源の下での撮影では肌色のＹＧ味を軽減して色再現性を高めた固体撮像素子を搭載した撮像装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する撮像装置は、赤色の光を透過する赤色フィルタと緑色の光を透過する緑色フィルタと青色の光を透過する青色フィルタとが設けられた固体撮像素子を搭載し、太陽光撮影で最適化された色差マトリクスを用いて肌色再現を行う撮像装置において、前記赤色フィルタを設けたフォトダイオードのピーク感度値を値１００としたとき、該赤色フィルタ付フォトダイオードの分光感度として波長４２０ｎｍの光に対して値５以上９．４２以下の感度を有し、且つ、波長４３５ｎｍの光に対する感度（Ｓ４３５）と波長４２０ｎｍの光に対する感度との比（Ｓ４３５／Ｓ４２０）の値を０．０６以上０．５以下とした固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
【０００９】
この構成により、赤色フィルタを通して得られる「赤色」の信号電荷量が、赤色より低い波長域の光によって増量され、しかも、撮影光源（蛍光灯）のピーク波長と異なる波長域の光で増量されるため、蛍光灯の光で撮影した場合にはホワイトバランスゲインに大きな影響を与えることがないので、太陽光撮影で最適化された色差マトリクスを用いたときの、蛍光灯撮影時の赤味不足が抑制される。
【００１１】
更に好適には、前記赤色フィルタ付フォトダイオードは、波長５４５ｎｍにおける感度の値が２．７以上１５以下であることを特徴とする。この構成により、波長５４５ｎｍの光による赤色としての信号電荷量の増量が抑制され、肌色の色相悪化が抑制でき、肌色の再現性が一層良好となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
先ず、Ｆ６光源（普通型白色蛍光灯）やＦ１２光源（電球色蛍光灯）の下で肌色がＹＧ味となる理由を考察する。図１３は、太陽光（Ｄ６５光源）とＦ６光源とＦ１２光源の同一照度における分光放射分布を示す図である。Ｆ６光源もＦ１２光源も、約５４５ｎｍ，約４３５ｎｍ，約４０５ｎｍに鋭いピークをもっている（図１３で、点線で示すＦ６光源の約４０５ｎｍ，約４３５ｎｍのピークと、実線で示すＦ１２光源の約４０５ｎｍ，約４３５ｎｍのピークは重なっている。）。
【００１５】
一方、太陽光（Ｄ６５光源）にはその様なピークは存在せず、おおむねなだらかな分光分布となっている。即ち、Ｆ６光源やＦ１２光源の上記のピーク位置における放射エネルギは、同じ波長における太陽光の放射エネルギより大きい。ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子の赤色に対する分光感度（赤色フィルタ付フォトダイオードの分光感度）が、Ｆ６光源やＦ１２光源のピーク波長に対して感度を有していると、Ｆ６光源やＦ１２光源の下で撮影したとき、肌色から赤味が失われ、結果としてＹＧ（黄緑）味の肌色になってしまう。
【００１６】
それは、赤色の分光感度として上記３本のピーク波長に対する感度を持った場合、その分を含めたホワイトバランスをとれば、当然に、３本のピーク波長に対する感度を持たなかった場合に比べて赤色信号に掛けられるホワイトバランスのゲインが小さくなるためである。
【００１７】
更に、太陽光の下で撮影した時に肌色その他の色全般に渡って色再現性が良好になるように色差マトリクスが決められるが、この色差マトリクスの機能によって、赤色分光感度として上記３本のピーク波長に対する感度を多少有していても、良好な色再現性が得られる様になっている。
【００１８】
具体的には、上記３本のピーク波長に対する感度の分と、ホワイトバランスゲインとが変更になったことにより、肌色中の赤色信号値が適正値からずれても、これを適正値に戻す様に色差マトリクスが決定されるためである。このようにして、太陽光の下での肌色再現性は良好な状態になる。
【００１９】
しかし、Ｆ６光源やＦ１２光源の下で撮影した場合、夫々のホワイトバランスを合わせると、赤色信号に掛けられるホワイトバランスゲインの大きさは、上記３本のピーク波長に対する感度を持たなかった場合に比べて小さくなり、太陽光の場合よりも一層小さくなってしまう。これは、上記３本のピーク波長に対する感度による赤色出力値の増加量が太陽光撮影の場合よりも大きくなっているからである。このため、上記の様に太陽光で決めた色差マトリクスを用い、Ｆ６光源やＦ１２光源で撮影して得た肌色を再現すると、肌色中の赤色信号値は適正値より小さくなってしまい、赤味不足のＹＧ味の肌色になってしまう。
【００２０】
そこで、本実施形態では、Ｆ６光源やＦ１２光源のピーク波長の谷間に副感度（赤色の光に対する感度を主感度といい、赤色以外の光に対する感度を副感度ということとする。）を持たせ、ＹＧ味になっているＦ６光源やＦ１２光源での撮影時に得られた肌色の赤味を増し、良好な肌色を再現するようにする。具体的には、４００ｎｍ以下および４１０ｎｍ〜４３０ｎｍの波長域に副感度を持たせる。
【００２１】
更に具体的には、副感度の大きさとしては、４３５ｎｍと４０５ｎｍで感度値が低く、４００ｎｍ以下および４１０ｎｍ〜４３０ｎｍでは感度値を高くするのが望ましい。実質的には、Ｆ６光源やＦ１２光源の４０５ｎｍでのピークエネルギは、太陽光（Ｄ６５）との差がさほど大きくないので、４３５ｎｍの副感度の値を低くし、且つ、４３０ｎｍ以下の副感度の値を高くするのが良い。
【００２２】
特に検討の結果、赤色分光感度（主感度）の最大値を“１００”（図１２参照）としたとき、Ｓ４２０（“Ｓ”を付けることで、この例では４２０ｎｍでの感度を意味するものとして使用する。以下、同じ）を“５”以上とし、Ｓ４３５／Ｓ４２０の比を“０．５”以下としたとき、最も好ましい結果が得られる。
【００２３】
また、Ｆ１２光源に関しては、５４５ｎｍ±５ｎｍでの放射エネルギが極めて高いので、ここに赤色分光感度を持たせることは極めて好ましくなく、Ｓ５４５の値は小さいほど、具体的には“１５”以下が良い。
【００２４】
次に、本発明の具体的な実施形態について説明する。図１は、低波長域に副感度を持たせた本発明の２つの実施形態（イ）（ロ）に係る赤色フィルタ付フォトダイオードの分光感度を示すグラフである。赤色フィルタ付フォトダイオードの特性しか図示していないが、緑色フィルタ付フォトダイオードと青色フィルタ付フォトダイオードの分光感度特性は、図１２に示す従来のものと同じである。
【００２５】
これらの実施形態（イ）（ロ）に係る赤色フィルタは、従来の赤色フィルタと比較して、５６０ｎｍ以上の波長に対しては同じであるが、それ以下の波長の光に対し、特に、４３５ｎｍ以下の波長に対して副感度を設けている（図１２参照）。即ち、青色の波長域の光も赤色フィルタを透過させ、透過光量に応じてフォトダイオードに蓄積される信号電荷量を増量させている。しかも、副感度を設ける波長域として光源（蛍光灯）のピーク波長の谷間の波長域を選択し、副感度を設けたことで、蛍光灯撮影の場合にはホワイトバランスゲインに与える影響を小さくしている。
【００２６】
図２は、上述した実施形態（イ）（ロ）の赤色フィルタを有する固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラの分光感度特性を示すグラフである。比較のために、図１２の従来の赤色フィルタＲ（従来）を搭載したカメラの分光感度特性も一緒に示している。このデジタルスチルカメラでは、太陽光（Ｄ６５光源）にてホワイトバランスをとった後、色再現性が良好になるように夫々最適な色差マトリクスを決めている。
【００２７】
次の表１に、固体撮像素子及びデジタルスチルカメラの赤色（Ｒ）分光感度の、上記“Ｓ４２０”，“Ｓ４３５／Ｓ４２０”，“Ｓ５４５”の値の一覧を従来例と共に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図３は、図２に示す夫々のカメラ分光感度を持つデジタルスチルカメラで肌色を撮影したときの再現色をシミュレーションで求めたグラフである。撮影光源としては、各種太陽光（Ｄ５０，Ｄ５５，Ｄ６５，Ｄ７５）の他に、Ｆ６光源、昼光蛍光灯、Ｆ１２光源、白熱灯を用いており、縦軸に、Ｄ６５光源による撮影で得られる肌色の色相角を基準とした肌色の色相角を示す。
【００３０】
この図３によれば、本実施形態に係る固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラを用い、Ｆ６光源下やＦ１２光源下で肌色を撮影した場合、従来に比べて色相角がプラス方向（ＹＧ味方向）にずれにくいことが分かる。これは、赤色フィルタの下側にあるフォトダイオードが、赤色の光の他に、本来は赤色ではない波長４２０ｎｍ付近の光を受光することで受光光量が増し（「赤色」として得られる信号電荷量が増し）、これにより、撮像画像データの赤味が増すためである。
【００３１】
図３に示すグラフ上では、本実施形態と従来例との間の色相角のＹＧ味方向に対するズレの差は小さいが、人間の目は肌色に対しては敏感なため、肌色の再現色を人の目で見たとき、赤味が不足するか否かは大きな差として認識される。
【００３２】
上述した本実施形態（イ）（ロ）に係る赤色フィルタを製造する場合、従来はＰＲ２５４番とＰＹ１３９番の顔料（Ｐはピグメントの略、Ｒは赤の略、Ｙはイエローの略である。）を混合していたのに対し、実施形態（イ）ではＰＲ２５４番とＰＹ１８５番を混合することで容易に得ることができる。また、実施形態（ロ）の赤色フィルタは、ＰＲ２５４番を多目に、ＰＹ１８５番を少な目にすることで得ることができる。
【００３３】
図４，図５，図６は、色差がどの程度あれば良いかを調べたシミュレーション結果を示す図である。今、図４に示す様に、デジタルスチルカメラの赤色の分光感度のうち青色波長領域（特に、波長４５０ｎｍ以下）における洩れを少しずつ変えた３種類の特性をＲ１，Ｒ２，Ｒ３とする。
【００３４】
色相差が“０．３”以下の場合、２色の差は認知されず、５０％の確率で色相差を認知するには色相差として“０．６”が必要である（例えば、財団法人、日本色彩研究所編「色彩ワンポイント」２巻参照）。つまり、肌色の色相を改善するに当たって、改善前の色相に対して“０．６”以上の色相差の絶対値が確保できれば、改善効果があるといえる。
【００３５】
そこで、このシミュレーションでは、従来型の赤色分光感度に対して、短波長部分のみに赤色の分光感度Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３）を図４の様に付与し、どれだけの色相改善がなされるかを検証する。赤のピーク波長６０５ｎｍの感度を“１００”としたときの各分光感度Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の“Ｓ４２０”，“Ｓ４３５／Ｓ４２０”，“Ｓ５４５”の値を従来例と比較して示した表が、次の表２である。
【００３６】
【表２】

【００３７】
従来型の赤色（Ｒ）分光感度と、感度特性Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を用いた場合、太陽光（Ｄ６５光源）での撮影時において、夫々、肌色および一般色が忠実に再現されるように色差マトリクスを最適化する。そして、各種の撮影光源の下で撮影をした時に再現される肌色の色度を計算する（このときの青（Ｂ），緑（Ｇ）の感度は図１２と同じである。）。
【００３８】
この計算結果を示すのが図５であり、Ｆ６光源やＦ１２光源での肌色の色相角は好ましい方向に改善されていることが分かる。どの程度の改善がなされたかを色相差で表したのが図６である。この図６において、横軸がＲ分光感度のＳ４２０であり、縦軸が色相差である。この図６によれば、Ｆ１２光源において、Ｄ６５光源を基準としたとき、色相差の絶対値が“０．６”となるのはＳ４２０の値が略“５．０”となるときであることが分かる。即ち、“Ｓ４２０≧５．０”となるＲ分光感度を用いれば、Ｆ１２光源で撮影した肌色が有意に改善されることになる。同様に、この図６によれば、“Ｓ４２０≧８．０”にすると、Ｆ６光源の肌色も有意に改善されることが分かる。
【００３９】
図７，図８は、Ｓ４３５／Ｓ４２０の値がどの程度の値であれば有意に肌色の色相が改善されるかを調べたシミュレーション結果を示す図である。図７に示す様に、このシミュレーションでも感度特性Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃの３つを定める。感度特性Ｒａとして、３９５ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲において値“１０．６”の副感度（図中に台形上の特性として示される。）を付与する。
【００４０】
感度値“１０．６”は、図４〜図６のシミュレーションで説明したように、Ｆ６光源による肌色が有意に改善される範囲の感度値である。そして、４３５ｎｍに感度を付与した感度特性Ｒｂ，Ｒｃ（Ｒｂ＜Ｒｃ）を作る。感度特性Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃの“Ｓ４２０”，“Ｓ４３５／Ｓ４２０”，“Ｓ５４５”の値の一覧を従来例と共に表にしたのが、次の表３である。
【００４１】
【表３】

【００４２】
このシミュレーションでも、Ｄ６５光源による撮影で肌色及び一般色が忠実に再現されるように色差マトリクスを最適化し、その上で、各種光源の下で撮影した時に再現される肌色の色度を計算する。この計算の結果得られたデータが図８に示すグラフである。この図８は、Ｆ６光源の下で撮影した肌色の色相改善度を示し、横軸がＳ４３５／Ｓ４２０の値であり、縦軸が色相差である。この図８によれば、色相差の絶対値が“０．６”以上であるのは、Ｓ４３５／Ｓ４２０の値が“０．５”以下の場合であることが分かる。
【００４３】
図９，図１０は、Ｓ５４５が存在することでＦ１２光源での撮影で肌色の色相が悪化することを検証したシミレーション結果を示す図である。図９に示す実線の感度特性Ｒ２は、図４に示した感度特性Ｒ２と同一である。この感度特性Ｒ２に対して、Ｓ５４５の値を変えた２種類の感度特性Ｒ２２，Ｒ２１（Ｒ２２＞Ｒ２１）を作る。感度特性Ｒ２，Ｒ２１，Ｒ２２の“Ｓ４２０”，“Ｓ４３５／Ｓ４２０”，“Ｓ５４５”の値を一覧表示したのが、次の表４である。
【００４４】
【表４】

【００４５】
夫々のＲ感度（Ｇ感度，Ｂ感度は従来と同様である。）において、Ｄ６５光源での撮影時に肌色および一般色が忠実に再現される様に色差マトリクスを最適化し、その上で各種光源で撮影したときに再現される肌色の色度を計算する。この計算結果を示すグラフが図１０であり、横軸がＳ５４５の値であり、縦軸が色相差である。この図１０によれば、Ｆ１２光源において肌色が有意に改善されるのは、即ち、色相差の絶対値が“０．６”以上となるのは、Ｓ５４５の値が“１５”以下であることが分かる。
【００４６】
上述した赤色フィルタを設ける固体撮像素子は、図１１で説明したハニカム配列構造のＣＣＤに限らず、ベイヤー方式のＣＣＤでもよく、また、ＣＣＤに限らず、ＣＭＯＳセンサでも良く、Ｆ６光源，Ｆ１２光源での撮影時に肌色の再現性が向上する。また、これらの固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置で肌色を撮像した場合、光源がＦ６光源やＦ１２光源であっても肌色の再現性が優れた画像を撮像することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｆ６光源やＦ１２光源の下で肌色を撮影した場合でも肌色の再現色が赤味不足で黄緑（ＹＧ）味になるのを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態（イ）（ロ）に係る固体撮像素子で用いる赤色フィルタ付フォトダイオードの分光感度特性を示すグラフである。
【図２】図１に示す実施形態（イ）（ロ）の赤色フィルタ付固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラの分光感度特性を示すグラフである。
【図３】図２に示す分光感度特性を持つデジタルスチルカメラでの肌色の色相角の変動を示すグラフである。
【図４】青色領域の波長に対する洩れを少しずつ変えた複数のＲ感度特性を示すグラフである。
【図５】図４に示すＲ感度特性Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３による肌色の色相角変動量を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例を適用したときに蛍光灯で撮影した肌色の色相改善度を示すグラフである。
【図７】Ｒ分光感度のうちＳ４３５／Ｓ４２０を少しずつ変化させた分光感度特性を示すグラフである。
【図８】図７に示す感度特性Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃによる肌色色相の改善度を示すグラフである。
【図９】Ｒ分光感度のうちＳ５４５を少しずつ変化させた分光感度特性を示すグラフである。
【図１０】図９に示す感度特性Ｒ２，Ｒ２１，Ｒ２２による肌色色相の改善度を示すグラフである。
【図１１】ハニカム配列構造を持つ固体撮像素子の説明図である。
【図１２】従来の各色フィルタを搭載した固体撮像素子の分光感度特性を示すグラフである。
【図１３】Ｄ６５光源，Ｆ６光源，Ｆ１２光源の放射エネルギ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｄ６５ 太陽光光源
Ｆ６ 普通型白色蛍光灯
Ｆ１２ 電球色蛍光灯
Ｒ（イ），Ｒ（ロ） Ｒ分光感度特性
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ シミュレーションで用いたＲ分光感度特性

Claims (2)

1. 赤色の光を透過する赤色フィルタと緑色の光を透過する緑色フィルタと青色の光を透過する青色フィルタとが設けられた固体撮像素子を搭載し、太陽光撮影で最適化された色差マトリクスを用いて肌色再現を行う撮像装置において、前記赤色フィルタを設けたフォトダイオードのピーク感度値を値１００としたとき、該赤色フィルタ付フォトダイオードの分光感度として波長４２０ｎｍの光に対して値５以上９．４２以下の感度を有し、且つ、波長４３５ｎｍの光に対する感度（Ｓ４３５）と波長４２０ｎｍの光に対する感度との比（Ｓ４３５／Ｓ４２０）の値を０．０６以上０．５以下とした固体撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。
2. 前記赤色フィルタ付フォトダイオードは、波長５４５ｎｍにおける感度の値が２．７以上１５以下であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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