JP4967432B2 - Imaging apparatus and camera system - Google Patents
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Description
本発明は、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの固体撮像素子を備えた撮像装置およびカメラシステムに係り、特に、複数の色フィルタを用いた2次元画素アレイを有する撮像装置およびカメラシステムに関するものである。 The present invention relates to an imaging apparatus and a camera system including a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, and in particular, has a two-dimensional pixel array using a plurality of color filters. The present invention relates to an imaging apparatus and a camera system.
撮像素子の色フィルタの配列としては、色再現性が良好な、色の3原色のうち緑(G)を2つ、赤(R)、青(B)を一つずつ用いたベイヤー配列が知られている。
このベイヤー配列は、色よりも輝度の解像度を重視した配列である。
As a color filter arrangement of the image sensor, a Bayer arrangement using two green (G), one red (R), and one blue (B) of the three primary colors with good color reproducibility is known. It has been.
This Bayer array is an array in which luminance resolution is more important than color.
ところで、このような色フィルタ配列において、良好な色再現性を保持しながら、感度アップをできるように、透明なフィルタを配置した画素配列を有する撮像装置が提案されている(たとえば特許文献1参照)。 By the way, in such a color filter array, an imaging apparatus having a pixel array in which a transparent filter is arranged so as to increase sensitivity while maintaining good color reproducibility has been proposed (for example, see Patent Document 1). ).
また、透明なフィルタ配置を改善することにより、画素を微細化しても、信号電荷量および色解像度を確保するようにした撮像装置が提案されている(たとえば特許文献2参照)。
しかしながら、上述した撮像装置においては、解像度の向上、色再現性の向上には限界がある。
また、イメージセンサ画素の微細化により、センサの撮像素子の集光量が減り、感度が低下するという不利益がある。
また、感度を改善するため、透明なフィルタを原色/補色と混載して固体撮像素子に搭載する場合、平均透過率が違うフィルタを搭載した撮像素子から出力された映像信号のレベルがばらつき、画像品質に影響を及ぼすという不利益がある。
However, in the above-described imaging apparatus, there is a limit to improvement in resolution and color reproducibility.
Further, there is a disadvantage that the fineness of the image sensor pixel reduces the amount of light collected by the image sensor of the sensor and lowers the sensitivity.
In addition, in order to improve sensitivity, when a transparent filter is mounted on a solid-state image sensor mixed with primary / complementary colors, the level of the video signal output from the image sensor equipped with a filter with a different average transmittance varies, and the image There is a disadvantage of affecting the quality.
本発明は、解像度の向上を図れ、しかも撮像素子の特性のばらつきを防止でき、画質改善を図ることができる撮像装置およびカメラシステムを提供することにある。 It is an object of the present invention to provide an imaging apparatus and a camera system that can improve resolution, prevent variation in characteristics of imaging elements, and improve image quality.
本発明の第1の観点の撮像装置は、分光感度特性の異なる複数の画素がアレイ状に配列され、上記画素を透過した光を電気信号に変換する画素アレイ部と、上記画素アレイ部から読み出された信号レベルの調整を行う信号処理部と、を有し、上記画素アレイ部は、色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある第1の色フィルタ画素、ピークが青色にある第2の色フィルタ画素、ピークが緑色にある第3の色フィルタ画素がアレイ状に配列され、かつ、当該アレイ画素配列の任意の行、列の任意の位置に、上記第1の色フィルタ画素、上記第2の色フィルタ画素、および上記第3の色フィルタ画素に対して透過率の高いクリア画素が配置され、上記信号処理部は、上記各色フィルタ画素の読み出し信号から輝度信号を生成し、上記クリア画素の読み出し信号と生成した輝度信号の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比を求め、クリア画素信号または輝度信号を基準とした比をゲイン値として当該ゲイン値に基づいて、または、上記輝度信号と各色フィルタ画素の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比をそれぞれ求めてゲイン値として当該各ゲイン値およびクリア画素信号に基づいて、上記輝度信号並びに上記各色フィルタ画素信号または上記クリア画素信号、または、上記輝度信号以外の上記各色フィルタ画素信号の信号レベルを調整する。 An image pickup apparatus according to a first aspect of the present invention includes a pixel array unit in which a plurality of pixels having different spectral sensitivity characteristics are arranged in an array, and converts light transmitted through the pixels into an electrical signal, and reads from the pixel array unit. A signal processing unit that adjusts a signal level that is output, and the pixel array unit includes a first color filter pixel in which a peak of a spectral sensitivity characteristic including a color filter is in red, and a first in which a peak is in blue. Two color filter pixels, a third color filter pixel whose peak is green, is arranged in an array, and the first color filter pixel at any position in any row or column of the array pixel arrangement, A clear pixel having a high transmittance with respect to the second color filter pixel and the third color filter pixel is disposed, and the signal processing unit generates a luminance signal from a read signal of each color filter pixel, Chestnut Obtains the ratio of the signal level of a predetermined band removed low frequency component of the luminance signal generated and read signals of the pixels, based on the gain value ratio relative to the clear pixel signal or luminance signal as a gain value, or, The luminance signal and the low-frequency component of each color filter pixel are taken out to obtain a ratio between the signal levels in a predetermined band, and based on each gain value and clear pixel signal as a gain value, the luminance signal and each color filter pixel signal or The signal level of each color filter pixel signal other than the clear pixel signal or the luminance signal is adjusted.
本発明の第2の観点のカメラシステムは、撮像装置と、上記撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、上記撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、上記撮像装置は、分光感度特性の異なる複数の画素がアレイ状に配列され、上記画素を透過した光を電気信号に変換する画素アレイ部と、上記画素アレイ部から読み出された信号レベルの調整を行う信号処理部と、を有し、上記画素アレイ部は、色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある第1の色フィルタ画素、ピークが青色にある第2の色フィルタ画素、ピークが緑色にある第3の色フィルタ画素がアレイ状に配列され、かつ、当該アレイ画素配列の任意の行、列の任意の位置に、上記第1の色フィルタ画素、上記第2の色フィルタ画素、および上記第3の色フィルタ画素に対して透過率の高いクリア画素が配置され、上記信号処理部は、上記各色フィルタ画素の読み出し信号から輝度信号を生成し、上記クリア画素の読み出し信号と生成した輝度信号の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比を求め、クリア画素信号または輝度信号を基準とした比をゲイン値として当該ゲイン値に基づいて、または、上記輝度信号と各色フィルタ画素の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比をそれぞれ求めてゲイン値として当該各ゲイン値およびクリア画素信号に基づいて、上記輝度信号並びに上記各色フィルタ画素信号または上記クリア画素信号、または、上記輝度信号以外の上記各色フィルタ画素信号の信号レベルを調整する。 The second aspect camera system of the present invention includes an imaging device, an optical system for guiding incident light to the imaging unit of the imaging device, a signal processing circuit for processing an output signal of the imaging device, the upper The imaging apparatus includes a plurality of pixels having different spectral sensitivity characteristics arranged in an array, a pixel array unit that converts light transmitted through the pixels into an electrical signal, and adjustment of a signal level read from the pixel array unit The pixel array unit includes a first color filter pixel in which a peak of spectral sensitivity characteristics including a color filter is red, a second color filter pixel in which a peak is blue, a peak Are arranged in an array, and the first color filter pixel and the second color filter pixel are located at any position in any row or column of the array pixel array. , And the third color frame High transmittance clear pixels are arranged with respect to filter pixel, the signal processing unit generates a luminance signal from the read signal of each color filter pixels, the low-frequency component of the luminance signal and the generated read signal of the clear pixels the calculated ratio of the signal level of a predetermined band removed, based on the gain value of the ratio based on the clear pixel signal or luminance signal as a gain value, or takes out the luminance signal and the low frequency component of each color filter pixels A ratio of signal levels in a predetermined band is obtained as a gain value based on each gain value and the clear pixel signal, and the brightness signal and each color filter pixel signal or the clear pixel signal, or the other than the brightness signal. The signal level of each color filter pixel signal is adjusted.
本発明によれば、解像度の向上を図れ、しかも撮像素子の特性のばらつきを防止でき、画質改善を図ることができる。 According to the present invention, Hakare the increased resolution, yet can prevent variations in characteristics of an imaging device, it is possible to image quality improvement.
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置の要部の構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a main part of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
本撮像装置10は、図1に示すように、画素アレイ部(ARY)11、クリア画素用水平スキャン回路(CHSCAN)12、カラー画素用水平スキャン回路(CLRHSCAN)13、垂直スキャン回路(VSCAN)14−1,14−2、タイミング制御部15、電源部16、クリア画素用アナログフロントエンド部(CAFE)17、カラー画素用アナログフロントエンド部(CLRAFE)18、および信号処理部(SPRC)20を有する。
As shown in FIG. 1, the
画素アレイ部11は、たとえばセンサ単位画素が所定の配列形態をもってアレイ状に配列されている。
また、画素アレイ部11には、画素配列の各行(ロウ)に転送選択線、リセット線、セレクト線が配線され、画素配列の各列(カラム)に信号線が配線されている。
In the
In the
図2は、本実施形態の単位画素の一例を示す回路図である。図2では、CMOSセンサを一例として示している。 FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a unit pixel according to the present embodiment. In FIG. 2, a CMOS sensor is shown as an example.
図2の単位画素110は、フォトダイオード111、転送トランジスタ112、増幅トランジスタ113、セレクトトランジスタ114、リセットトランジスタ115、およびフローティングノードND111を有している。
The
フォトダイオード111は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷(たとえば電子)に光電変換して蓄積する。
転送トランジスタ112は、フォトダイオード111のカソードとフローティングノードND111との間に接続され、ゲートが転送選択線TRFLに接続されており、導通(オン)することにより、フォトダイオード111に蓄積されている信号電荷をフローティングノードND111に転送する機能を有している。
増幅トランジスタ113とセレクトトランジスタ114は電源電位VDDと信号線SGNLとの間に直列に接続されている。
増幅トランジスタ113はゲートがフローティングノードND111に接続され、フローティングノードND111の電位を増幅しセレクトトランジスタ114を介して信号線SGNLに出力する。
セレクトトランジスタ114のゲートはセレクト線SELLに接続されている。
リセットトランジスタ115は、ソースがフローティングノードND111に接続され、ドレインが所定電位線に接続され、ゲートがリセット線RSTLに接続され、フローティングノードND111の電位をリセットする機能を有している。
The
The
The
The amplifying
The gate of the
The
画素配列の各行に配線される転送選択線TRFL、セレクト線SELL、リセット線RSTLは、垂直スキャン回路14(−1,−2)により選択的に駆動され、信号線SGNLはクリア画素用水平スキャン回路12、カラー画素用水平スキャン回路13に画素から読み出した信号を選択的転送する。
水平スキャン回路12,13、垂直スキャン回路14は、タイミング制御部15により駆動タイミングが制御される。
The transfer selection line TRFL, the select line SELL, and the reset line RSTL wired in each row of the pixel array are selectively driven by the vertical scan circuit 14 (-1, -2), and the signal line SGNL is a horizontal pixel scan circuit for clear pixels. 12. Selectively transfer the signal read from the pixel to the color pixel
The
図3は、本実施形態の画素アレイ部11の画素配列の一例を模式的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of a pixel array of the
図3の画素アレイ部11は、図3に示すように、斜め画素配列を採用し、かつ、色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある色フィルタ画素R、ピークが緑色にある色フィルタ画素G、ピークが青色にある色フィルタ画素Bに対して透過率の高いクリア画素Cを上下斜め方向に均等に挿入し、解像度の偏りをなくすようにした画素配列として形成されている。
なお、クリア画素Cは白色である必要はない。
図3の画素配列においては、第0行、第0列を含む偶数行、偶数列は、色フィルタ画素のみで形成され、奇数行、奇数列はクリア画素Cのみで形成されている。
As shown in FIG. 3, the
Note that the clear pixel C does not have to be white.
In the pixel array of FIG. 3, the even-numbered rows and even-numbered columns including the 0th row and the 0th column are formed by only the color filter pixels, and the odd-numbered rows and odd-numbered columns are formed by only the clear pixels C.
図4は、各色フィルタ画素R,G,Bとクリア画素Cの分光特性を概念的に示す図である。
図4において、横軸が波長を、縦軸が相対出力をそれぞれ示している。
図4から分かるように、クリア画素Cは可視光領域(波長360nmから700nm)の略全域にわたって感度を持っている。
すなわち、クリア画素Cでは、広い波長領域成分を持っていることから(全ての色信号は含まれる)クリア画素との境目の色再現をしやすい。
FIG. 4 is a diagram conceptually showing the spectral characteristics of the color filter pixels R, G, B and the clear pixel C.
In FIG. 4, the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the relative output.
As can be seen from FIG. 4, the clear pixel C has sensitivity over substantially the entire visible light region (wavelength 360 nm to 700 nm).
That is, since the clear pixel C has a wide wavelength region component (all color signals are included), it is easy to reproduce the color at the boundary with the clear pixel.
以下、画素アレイ部11の特徴的な構成について、図5から図9に関連付けてさらに具体的に説明する。
Hereinafter, the characteristic configuration of the
本実施形態の画素アレイ部11は、図5に示すように、いわゆる正方単位画素RGPXLを、カラム方向軸CAXを中心として所定角度θ(θ=0度〜90度の間)回転させたいわゆる斜め画素OBLPXLとして配置している。
As shown in FIG. 5, the
このような斜め画素OBLPXLの配列を採用することによる利点を、図6に関連付けて説明する。なお、図6では、ベイヤー配列を例としている。
正方画素RGPXLの画素ピッチPTCを1とすると、斜め画素OBLPXLの画素ピッチは、回転角度θが45度のとき1/√2となり、画素の大きさを変えずに画素ピッチを小さくできる。
The advantage of adopting such an array of oblique pixels OBLPXL will be described with reference to FIG. In FIG. 6, a Bayer array is taken as an example.
When 1 pixel pitch PTC square pixel RGPXL, pixel pitch in the diagonal pixel OBLPXL is, 1 / √2 next when the rotational angle θ is 45 degrees, the pixel pitch without changing the size of the pixel can be reduced.
そして、本実施形態においては、図7に示すように、この斜め画素配列のベイヤー配列の4つの色フィルタ画素R,G,G,Bの真ん中にクリア画素Cを挿入して、基本的な斜め画素配列ユニットが形成されている。
ベイヤー配列を残しておくことで、信号処理系の色の補間処理が容易にできる。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, a basic pixel is formed by inserting a clear pixel C in the middle of the four color filter pixels R, G, G, and B in the Bayer array of the diagonal pixel array. A pixel array unit is formed.
By leaving the Bayer array, it is possible to easily perform color interpolation processing in the signal processing system.
以上の構成を有する画素アレイ部11に対する駆動時の読み出し方式として、クリア画素Cと、色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bとを、別のチャネルによって読み出す。
本実施形態においては、たとえば、図8に示すように、クリア画素専用読み出しチャネルCH−Aと色フィルタ画素専用読み出しチャネルCH−Bを別にし、クリア画素Cと色フィルタ画素R,G,Bの読み出しを独立に行うように構成されている。
図8の例では、図中の上側にクリア画素用水平スキャン回路12がチャネルCH−Aの読み出し処理系として配置され、図中の下側に色フィルタ画素(カラー画素)用水平スキャン回路13がチャネルCH−Bの読み出し系として配置されている。
そして、本実施形態においては、奇数列に配線されている信号線SGNL−Oがクリア画素用水平スキャン回路12に接続され、偶数列に配線されている信号線SGNL−Eが色フィルタ画素(カラー画素)用水平スキャン回路13に接続される。
As a readout method for driving the
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 8, the clear pixel dedicated read channel CH-A and the color filter pixel dedicated read channel CH-B are separated, and the clear pixel C and the color filter pixels R, G, B are separated. Reading is performed independently.
In the example of FIG. 8, the clear scan
In this embodiment, the signal line SGNL-O wired in the odd-numbered column is connected to the clear pixel
さらに、本実施形態においては、クリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bを別チャネルで読み出す方式を採用していることに加えて、電子シャッター(ローリングシャッター)の時間、速度、後段の処理でのゲインを、クリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bで独立に変えるように構成される。 Further, in the present embodiment, in addition to adopting a method of reading the clear pixel C and the color filter pixels (color pixels) R, G, and B with different channels, the time and speed of the electronic shutter (rolling shutter) The gain in the subsequent processing is configured to be changed independently between the clear pixel C and the color filter pixels (color pixels) R, G, and B.
図9は、本実施形態における電子シャッターの駆動方式を模式的に示す図である。 FIG. 9 is a diagram schematically showing a driving method of the electronic shutter in the present embodiment.
本実施形態においては、図9に示すように。ローリングシャッターの時間をクリア画素とカラー画素の蓄積時間を変えて読み出すことができる。
また、シャッター速度をクリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bとで、独立に変えることもできる。
たとえば、明るい所ではクリア画素のシャッターを早く切り、クリア画素の飽和を防ぎ、暗い所では逆にクリア画素のシャッターを遅く切ることで、感度を上げる。
このように構成することにより、明るい所では色情報を多く、暗い所では色情報を少なくし、自然な色を作ることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. The rolling shutter time can be read by changing the accumulation time of clear pixels and color pixels.
Further, the shutter speed can be changed independently between the clear pixel C and the color filter pixels (color pixels) R, G, and B.
For example, the clear pixel shutter is quickly turned off in a bright place to prevent clear pixel saturation, and the clear pixel shutter is turned off late in a dark place to increase sensitivity.
With this configuration, it is possible to create a natural color by increasing the color information in a bright place and reducing the color information in a dark place.
このような構成を有する画素アレイ部11から読み出したクリア画素Cの読み出し信号は水平スキャン回路12を介してクリア画素用AFE17に転送される。
また、色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bの読み出し信号は水平スキャン回路13を介してクリア画素用AFE18に転送される。
AFE17,18において、読み出し信号に対して増幅処理等のアナログ処理を行い、デジタル信号に変換されて後段の信号処理部20に転送される。
The read signal of the clear pixel C read from the
The read signals of the color filter pixels (color pixels) R, G, B are transferred to the
In the
図10は、本実施形態の信号処理部の構成例を示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of the signal processing unit of the present embodiment.
この信号処理部20は、図10に示すように、ホワイトバランス調整部21、カラー画素部の補間処理部22、輝度調整部23、およびクリア画素部の補間処理部24を有する。
As shown in FIG. 10, the
ホワイトバランス調整部21は,AFE17,18から転送されたクリア画素信号C、色フィルタ画素(カラー画素)信号R,G,Bに基づいてホワイトバランス調整を行う。
The white
図11は、本実施形態における明るい場所でのホワイトバランス調整処理を説明するための図である。
図12は、本実施形態における暗い場所でのホワイトバランス調整処理を説明するための図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining white balance adjustment processing in a bright place in the present embodiment.
FIG. 12 is a diagram for explaining white balance adjustment processing in a dark place in the present embodiment.
ホワイトバランス調整部21は、明るい場所の場合では、色フィルタ画素(カラー画素)Gの信号を基準にして、クリア画素C、他の色フィルタ画素(カラー画素)R,Bの信号を調整する。
一方、ホワイトバランス調整部21は、暗い場所では、クリア画素Cの信号を基準にして、色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bの信号を調整する。
The white
On the other hand, the white
補間処理部22は、ホワイトバランス調整後の色フィルタ画素(カラー画素)部のみで補間処理を行い、カラー情報(RGB)と輝度情報とに分けて、輝度信号Yを輝度調整部23に供給し、RGB信号を補間処理部24に供給する。
The
輝度調整部23は、色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bの輝度信号と、クリア画素Cの輝度信号の調整を行い、輝度信号Yを出力する。
The
補間処理部24は、輝度信号Yを基にホワイト(クリア)画素での補間処理を行い、色信号SCを出力する。
The
以下、本実施形態の信号処理部の輝度調整部と補間処理部の具体的な構成および機能について説明する。
輝度調整部23と補間処理部24は、協同して輝度調整および補間処理を行い、信号レベルを調整して輝度信号Yおよび色信号SC(色差信号Cr,Cb)を生成する。
以下、輝度調整部23と補間処理部24を一つの信号レベル調整回路として説明する。
Hereinafter, specific configurations and functions of the luminance adjustment unit and the interpolation processing unit of the signal processing unit of the present embodiment will be described.
The
Hereinafter, the
信号レベル調整回路は、上述した構成を有する画素アレイ部11から読み出された画像信号の感度差を吸収する回路を含み、感度差または撮像素子の特性のばらつきを防ぎ、画像品質を改善する機能を有している。
信号レベル調整回路は、RGB信号から輝度信号Yを生成し、各色信号の位相差を吸収可能なフィルタであるローパスフィルタ(LPF)において、クリア画素C、輝度信号Yの低域成分を取り出し、低域信号レベルの比を求め、CあるいはY信号を基準にゲインを調整する機能を有する。
また、信号レベル調整回路は、クリア画素Cの信号を基準にする場合、輝度信号Y以外の、RGB信号レベルを調整する。
The signal level adjustment circuit includes a circuit that absorbs the sensitivity difference between the image signals read from the
The signal level adjustment circuit generates a luminance signal Y from the RGB signal, extracts a low-frequency component of the clear pixel C and the luminance signal Y in a low-pass filter (LPF) that is a filter that can absorb the phase difference of each color signal, It has a function of obtaining the ratio of the area signal levels and adjusting the gain with reference to the C or Y signal.
The signal level adjustment circuit adjusts the RGB signal levels other than the luminance signal Y when the signal of the clear pixel C is used as a reference.
図13は、本実施形態に係る信号レベル調整回路の要部の一構成例を示す回路図である。 FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration example of a main part of the signal level adjustment circuit according to the present embodiment.
図13の信号レベル調整回路30は、LPF31,32、除算器33、ゲイン調整部34、乗算器35〜39、および輝度合成部40を有する。
The signal
LPF31は、輝度画素Yの低域成分Ylpfを取り出し、除算器33に出力する。
LPF32は、クリア画素C信号の低域成分C(W)lpfを取り出し、除算器33に出力する。
The
The
除算器33は、LPF32およびLPF32による低域成分Clpf、Ylpfの比を演算して、信号レベル調整のためのゲイン値Kyを生成し、ゲイン調整部34に出力する。
信号レベルの調整はC(W)基準、Y基準の2通りがある。
The divider 33 calculates the ratio of the low frequency components Clpf and Ylpf by the
There are two types of signal level adjustment: C (W) standard and Y standard.
ゲイン調整部34は、信号レベルの調整の基準を輝度信号Yとする場合には、除算器33で求めたゲイン値Kyを乗算器35に供給し、乗算器36〜39にはY、RGBのレベルを調整する必要がないため、定数「1」を供給する。
ゲイン調整部34は、信号レベルの調整の基準をクリア画素Cの信号とする場合には、乗算器35には定数「1」を供給し、除算器33で求めたゲイン値Kyを乗算器36〜39に供給する。
When the signal level adjustment reference is the luminance signal Y, the
When the signal level adjustment reference is the signal of the clear pixel C, the
乗算器35は、ゲイン調整部34から供給されるゲイン値Kyまたは定数「1」をクリア画素Cの信号に乗算し、その結果をC'として輝度合成部40に出力する。
乗算器36は、ゲイン調整部34から供給されるゲイン値Kyまたは定数「1」を輝度信号Yに乗算し、その結果をY'として輝度合成部40に出力する。
乗算器37は、ゲイン調整部34から供給されるゲイン値Kyまたは定数「1」を信号Rに乗算し、その結果をR'として出力する。
乗算器38は、ゲイン調整部34から供給されるゲイン値Kyまたは定数「1」を信号Gに乗算し、その結果をG'として出力する。
乗算器39は、ゲイン調整部34から供給されるゲイン値Kyまたは定数「1」を信号Bに乗算し、その結果をB'として出力する。
The
The
The
The
The
輝度合成部40は、乗算器35の出力信号C'と乗算器36の出力信号Y'に基づき合成処理を行って最終的な輝度信号Y"を生成する。
The
信号レベル調整回路30のレベル調整を行う場合の動作を、C(W)基準、Y基準の2通りに分けて説明する。
The operation when the signal
Y基準にクリア画素Cの信号レベルを調整する場合、除算器33においてゲイン値Ky次式で演算される。 When the signal level of the clear pixel C is adjusted based on the Y reference, the gain value Ky is calculated by the divider 33 in the following equation.
[数1]
Ky=Ylpf/Wlpf
[Equation 1]
Ky = Ylpf / Wlpf
この場合、ゲイン値Kyが乗算器35に供給される。乗算器35においては、調整後の信号C’が次式で求められ、輝度合成部40に出力される。
In this case, the gain value Ky is supplied to the
[数2]
C'=C*Ky
[Equation 2]
C '= C * Ky
この場合、信号R、G、Bを調整する必要がないため、定数「1」が乗算器36〜39に供給される。その結果、R'=R、G'=G、B'=Bとして得られ、色信号が得られる。
In this case, since it is not necessary to adjust the signals R, G, and B, the constant “1” is supplied to the
C基準にY、R、G、Bを調整する場合、除算器33においてゲイン値Kyは次式で演算される。 When adjusting Y, R, G, and B to the C reference, the gain value Ky is calculated by the following equation in the divider 33.
[数3]
Ky=Wlpf/Ylpf
[Equation 3]
Ky = Wlpf / Ylpf
そして、ゲイン値Kyが乗算器36〜39に供給される。乗算器35〜39においては、調整後の信号Y'、R'、G'、B'が下記のようにして演算される。また、信号Y'は輝度合成部40に出力される。
Then, the gain value Ky is supplied to the
[数4]
Y'=Y*Ky
R'=R*Ky
G'=G*Ky
B'=B*Ky
[Equation 4]
Y '= Y * Ky
R '= R * Ky
G '= G * Ky
B '= B * Ky
そして、最終的な輝度信号Y"は輝度合成部40において信号C'とY'より生成される。また、色差信号はR'、G'、B'より生成される。
Then, the final luminance signal Y ″ is generated from the signals C ′ and Y ′ in the
以上のように、図13の信号レベル調整回路30は、信号レベルを調整するのに2通りの基準、すなわちC基準とY基準とを選択することが可能である。
たとえば、図14に示すように、制御信号CTLにより2通りの基準を明るさに応じて切り替えて選択することにより、より自然に近い画像を得ることが可能となる。
図14の例では、たとえば明るい場所ではY基準を採用した信号レベル調整回路30Aの出力をセレクタ41で選択し、暗い場所では、C基準を採用した信号レベル調整回路30Bの出力をセレクタ41で選択する。
As described above, the signal
For example, as shown in FIG. 14, it is possible to obtain a more natural image by switching and selecting two types of reference according to the brightness according to the control signal CTL.
In the example of FIG. 14, for example, the output of the signal
図15は、本実施形態に係る信号レベル調整回路の要部の他の構成例を示す回路図である。 FIG. 15 is a circuit diagram showing another configuration example of the main part of the signal level adjustment circuit according to the present embodiment.
図15の信号レベル調整回路50は、LPF51〜54、除算器55〜57、および乗算器58〜60を有する。
なお、図15の信号レベル調整回路50においては、輝度信号の合成処理部分は省略している。
The signal
In the signal
LPF51は、輝度信号Yの低域成分Ylpfを取り出し、除算器55〜57に出力する。
LPF52は、色フィルタ画素(カラー画素)信号Rの低域成分Rlpfを取り出し、除算器55に出力する。
LPF53は、色フィルタ画素(カラー画素)信号Gの低域成分Glpfを取り出し、除算器56に出力する。
LPF54は、色フィルタ画素(カラー画素)信号Bの低域成分Blpfを取り出し、除算器57に出力する。
The
The
The
The
除算器55は、LPF52およびLPF51による低域成分Rlpf、Ylpfの比を演算して、信号レベル調整のためのゲイン値Krを次式に基づいて生成し、乗算器58に出力する。
The
[数5]
Kr=Rlpf/Ylpf
[Equation 5]
Kr = Rlpf / Ylpf
除算器56は、LPF53およびLPF51による低域成分Glpf、Ylpfの比を演算して、信号レベル調整のためのゲイン値Kgを次式に基づいて生成し、乗算器59に出力する。
The
[数6]
Kg=Glpf/Ylpf
[Equation 6]
Kg = Glpf / Ylpf
除算器57は、LPF54およびLPF51による低域成分Blpf、Ylpfの比を演算して、信号レベル調整のためのゲイン値Kbを次式に基づいて生成し、乗算器60に出力する。
The
[数7]
Kb=Blpf/Ylpf
[Equation 7]
Kb = Blpf / Ylpf
乗算器58は、除算器55から供給されるゲイン値Krを信号Cに乗算し、その結果をR'として出力する。
乗算器59は、除算器56から供給されるゲイン値Kgを信号Cに乗算し、その結果をG'として出力する。
乗算器60は、除算器57から供給されるゲイン値Kbを信号Cに乗算し、その結果をB'として出力する。
The
The
The
図15の信号レベル調整回路50は、R/G/B信号の調整のために、R/G/BをLPF52〜54に通過させ、それぞれ低域成分としてRlpf/Glpf/Blpfを取り出す。
そして、R/G/B信号レベル調整ゲイン値をKr、Kg、Kbとするとき、除算器55〜57において、Kr=Rlpf/Ylpf、Kg=Glpf/Ylpf、Kb=Blpf/Ylpfが演算される。
Signal
When the R / G / B signal level adjustment gain values are Kr, Kg, and Kb, the
次に、乗算器58〜60において、次式によりR'、G'、B'が求められる。
Next, in
[数8]
R'=C*Kr
G'=C*Kg
B'=C*Kb
[Equation 8]
R ′ = C * Kr
G '= C * Kg
B '= C * Kb
図16は、図15の信号レベル調整回路の変形例を示す回路図である。 FIG. 16 is a circuit diagram showing a modification of the signal level adjustment circuit of FIG.
図16の信号レベル調整回路50Aが図15の信号レベル調整回路50と異なる点は、クリア画素信号CのLPF61を通過させて低域成分Clpfを取り出し、乗算器58〜60に供給するように構成したことにある。
この場合、乗算器58〜60では、次の演算が行われる。
The signal
In this case, the
[数9]
R'=Wlpf*Kr
G'=Wlpf*Kg
B'=Wlpf*Kb
[Equation 9]
R '= Wlpf * Kr
G '= Wlpf * Kg
B '= Wlpf * Kb
以上説明したように、本実施形態によれば、RGB信号から輝度信号Yを生成し、各色信号の位相差を吸収可能なフィルタであるローパスフィルタ(LPF)において、クリア画素C、輝度信号Yの低域成分を取り出し、低域信号レベルの比を求め、CあるいはY信号を基準にゲインを調整する機能を有し、クリア画素Cの信号を基準にする場合、輝度信号Y以外の、RGB信号レベルを調整する機能を有する信号レベル調整回路30,50,50Aを設けたので、感度差または撮像素子の特性のばらつきを防ぎ、画像品質を改善することができる。
すなわち、図13〜図15の回路において、上記の調整により、CとRGB信号のレベルを合わせると同時に、C、Yにより輝度信号を合成することで、高い輝度解像度が得られる。
また、C基準にY/R/G/Bを調整することで、感度を高め、S/Nを改善する効果がある。
さらに、図16の回路のように、R/G/B信号をLPFに通過させ、低域成分を取り出してClpfとともに、R'/G'/B'の調整に利用する場合、色差ノイズを抑制する効果が得られる。
As described above, according to the present embodiment, the luminance signal Y is generated from the RGB signals, and the clear pixel C and the luminance signal Y of the luminance signal Y are obtained in the low-pass filter (LPF) that can absorb the phase difference of each color signal. The low-frequency component is extracted, the ratio of the low-frequency signal level is obtained, and the gain is adjusted based on the C or Y signal. When the clear pixel C signal is used as a reference, the RGB signal other than the luminance signal Y Since the signal
That is, in the circuits of FIGS. 13 to 15, by adjusting the levels of the C and RGB signals by the above adjustment, the luminance signal is synthesized by C and Y, thereby obtaining a high luminance resolution.
Further, adjusting Y / R / G / B to the C standard has the effect of increasing sensitivity and improving S / N.
Further, as in the circuit of FIG. 16, when the R / G / B signal is passed through the LPF, the low frequency component is extracted and used together with Clpf to adjust R ′ / G ′ / B ′, the color difference noise is suppressed. Effect is obtained.
また、本実施形態によれば、画素アレイ部11は、斜め画素配列を採用し、かつ、色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある色フィルタ画素R、ピークが緑色にある色フィルタ画素G、ピークが青色にある色フィルタ画素Bに対して透過率の高いクリア画素Cを上下斜め方向に均等に挿入し、解像度の偏りをなくすようにした画素配列として形成され、クリア画素専用読み出しチャネルCH−Aと色フィルタ画素専用読み出しチャネルCH−Bを別にし、クリア画素Cと色フィルタ画素R,G,Bの読み出しを独立に行うように構成され、クリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bを別チャネルで読み出す方式を採用していることに加えて、電子シャッター(ローリングシャッター)の時間、速度、後段の処理でのゲインを、クリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,G,Bで独立に変えるように構成されていることから、以下の効果を得ることができる。
In addition, according to the present embodiment, the
画素を、たとえば45度回転させることで、画素ピッチを1/√2にし、解像度を上げることができる。また一般的な画素配列で同じピッチにするよりも面積を二倍にすることができ、感度をあげることができ、かつ、この斜め画素配列のカラーコーティングにクリア(透明)な画素を入れることでさらなる感度の向上が可能になる。
また、ベイヤー配列の真ん中にクリア画素を配置した場合、色の補間処理が容易になる。
また、クリア画素Cと色フィルタ画素(カラー画素)R,B,Gでは独立にシャッター時間やゲインを変えることができるので、明るい所ではクリア画素の出力を控えめにし、暗い所では出力を大きくして、目で見ている時と同じようなより自然な絵を作り出せる。
このように、感度が向上することによりS/N比の改善を図ることが可能となり、感度向上による低照度での高速読み出しを実現することができる。
By rotating the pixel by 45 degrees, for example, the pixel pitch can be reduced to 1 / √2 and the resolution can be increased. In addition, the area can be doubled compared to the same pitch in a general pixel array, the sensitivity can be increased, and clear (transparent) pixels are included in the color coating of this diagonal pixel array. Further improvement in sensitivity becomes possible.
In addition, when the clear pixel is arranged in the middle of the Bayer array, color interpolation processing is facilitated.
In addition, the clear pixel C and color filter pixels (color pixels) R, B, and G can change the shutter time and gain independently, so the output of the clear pixel is conservative in bright places and the output is increased in dark places. And you can create a more natural picture similar to what you see with your eyes.
As described above, it is possible to improve the S / N ratio by improving the sensitivity, and it is possible to realize high-speed reading with low illuminance by improving the sensitivity.
なお、上述の説明においては、画素アレイ部11は、図3に示すように、斜め画素配列を採用し、かつ、色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある色フィルタ画素R、ピークが緑色にある色フィルタ画素G、ピークが青色にある色フィルタ画素Bに対して透過率の高いクリア画素Cを上下斜め方向に均等に挿入し、解像度の偏りをなくすようにした画素配列として形成されている例を説明した。
しかし、本発明は図3の画素配列に限らず、クリア画素を挿入した画素配列として種々の形態を採用することが可能であり、上述の効果と同様の効果を得ることが可能である。
In the above description, as shown in FIG. 3, the
However, the present invention is not limited to the pixel array of FIG. 3, and various forms can be adopted as a pixel array into which clear pixels are inserted, and the same effects as those described above can be obtained.
以上、斜め画素配列の構成例について説明したが、信号レベル調整回路を適用できる構成、また、画素配列において、カラー画素の部分とは独立にシャッターを切ることができ、また独立に読み出すことができるといった特徴的な構成は、斜め画素配列のみではなく、たとえば図17に示すような、正方配列の画素配列にも適用でき、斜め配列の場合と同様の効果を得ることができる。
図17の例は図3の斜め画素配列を正方配列とした例を示している。
As described above, the configuration example of the diagonal pixel array has been described. However, in the configuration in which the signal level adjustment circuit can be applied, and in the pixel array, the shutter can be released independently from the color pixel portion, and can be read out independently. Such a characteristic configuration can be applied not only to a diagonal pixel array but also to a square pixel array as shown in FIG. 17, for example, and the same effect as in the diagonal array can be obtained.
The example of FIG. 17 shows an example in which the diagonal pixel arrangement of FIG. 3 is a square arrangement.
図18は、本発明の実施形態に係るカメラシステムの構成の概略を示すブロック図である。 FIG. 18 is a block diagram showing an outline of the configuration of the camera system according to the embodiment of the present invention.
本カメラシステム70は、撮像デバイス71と、この撮像デバイス71の画素領域に入射光を導く光学系、たとえば入射光(像光)を撮像面上に結像させるレンズ72と、撮像デバイス71を駆動する駆動回路73と、撮像デバイス71の出力信号を処理する信号処理回路74などを有する構成となっている。
The
このカメラシステム70において、撮像デバイス71として、上記実施形態に係る撮像装置が用いられる。
In this
駆動回路73は、図1におけるタイミング制御部にも相当する回路であって、撮像デバイス71を駆動する。
信号処理回路74は、撮像デバイス71の出力信号Voutに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。
The
The
このように、本カメラシステムによれば、先述した実施形態に係る撮像装置を撮像デバイス71として用いることにより、高速動作を確保できることから、小回路規模・低消費電力にて雑音の少ない、高画質の撮像画像を得ることができる。
As described above, according to this camera system, since the high-speed operation can be secured by using the imaging apparatus according to the above-described embodiment as the
なお、本発明の撮像装置は、1チップとして形成された撮像装置であっても、複数のチップの集合体として形成されたモジュールタイプの撮像装置であってもよい。複数チップの集合体として形成された撮像装置である場合、撮像を行うセンサチップ、デジタル信号処理を行う信号処理チップなどに分かれて形成され、さらに、光学系を含むこともある。 The imaging device of the present invention may be an imaging device formed as a single chip or a module type imaging device formed as an aggregate of a plurality of chips. In the case of an imaging device formed as an assembly of a plurality of chips, the imaging device is divided into a sensor chip that performs imaging, a signal processing chip that performs digital signal processing, and the like, and may further include an optical system.
10・・・撮像装置、11・・・画素アレイ部(ARY)、12・・・クリア画素用水平スキャン回路(CHSCAN)、13・・・カラー画素用水平スキャン回路(CLRHSCAN)、14・・・垂直スキャン回路(VSCAN)、15・・・タイミング制御部、16・・・電源部、17・・・クリア画素用アナログフロントエンド部(CAFE)、18・・・カラー画素用アナログフロントエンド部(CLRAFE)、20・・・信号処理部、21・・・ホワイトバランス調整部、22・・・カラー画素部の補間処理部、23・・・輝度調整部、24・・・補間処理部、30,30A,30B,50,50A・・・信号レベル調整回路、31,32,51〜54,61・・・LPF、33,55〜57・・・除算器、34・・・ゲイン調整部、35〜39,58〜60・・・乗算器、40・・・輝度合成部、70・・・カメラシステム、71・・・撮像デバイス、72・・・レンズ、73・・・駆動回路、74・・・信号処理回路。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記画素アレイ部から読み出された信号レベルの調整を行う信号処理部と、を有し、
上記画素アレイ部は、
色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある第1の色フィルタ画素、ピークが青色にある第2の色フィルタ画素、ピークが緑色にある第3の色フィルタ画素がアレイ状に配列され、かつ、
当該アレイ画素配列の任意の行、列の任意の位置に、上記第1の色フィルタ画素、上記第2の色フィルタ画素、および上記第3の色フィルタ画素に対して透過率の高いクリア画素が配置され、
上記信号処理部は、
上記各色フィルタ画素の読み出し信号から輝度信号を生成し、上記クリア画素の読み出し信号と生成した輝度信号の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比を求め、クリア画素信号または輝度信号を基準とした比をゲイン値として当該ゲイン値に基づいて、または、上記輝度信号と各色フィルタ画素の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比をそれぞれ求めてゲイン値として当該各ゲイン値およびクリア画素信号に基づいて、上記輝度信号並びに上記各色フィルタ画素信号または上記クリア画素信号、または、上記輝度信号以外の上記各色フィルタ画素信号の信号レベルを調整する
撮像装置。 A plurality of pixels having different spectral sensitivity characteristics are arranged in an array, and a pixel array unit that converts light transmitted through the pixels into an electrical signal;
A signal processing unit that adjusts the signal level read from the pixel array unit,
The pixel array section is
A first color filter pixel having a spectral sensitivity characteristic peak including a color filter in red, a second color filter pixel having a peak in blue, and a third color filter pixel having a peak in green are arranged in an array, And,
A clear pixel having a high transmittance with respect to the first color filter pixel, the second color filter pixel, and the third color filter pixel is located at an arbitrary position of the row and column of the array pixel array. Arranged,
The signal processor is
Generate a luminance signal from the readout signal of each color filter pixel, extract the low-frequency component of the readout signal of the clear pixel and the generated luminance signal, obtain the ratio of the signal level of the predetermined band, and use the clear pixel signal or the luminance signal as a reference and the ratio based on the gain value as a gain value, or, the respective gain values and the gain value respectively determined the ratio of the signal level of a predetermined band removed the luminance signal and the low frequency component of each color filter pixels clear An image pickup apparatus that adjusts signal levels of the luminance signal and the color filter pixel signals or the clear pixel signal or the color filter pixel signals other than the luminance signal based on a pixel signal .
請求項1記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein when the luminance signal is used as a reference, the signal processing unit adjusts the level of the clear pixel signal with the gain value and holds the signal level of each color filter pixel as it is.
請求項1記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the signal processing unit adjusts the level of the luminance signal and each color filter pixel signal with the gain value when the clear pixel signal is used as a reference.
請求項1記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the signal processing unit is capable of selecting level adjustment based on a clear signal or level adjustment based on a luminance signal in accordance with a control signal.
請求項1記載の撮像装置。 When the signal processing unit is based on the clear pixel signal, a ratio of the luminance signal and a signal level of a predetermined band of each color filter pixel is obtained as a gain value, and based on the gain value and the clear pixel signal, The imaging apparatus according to claim 1, wherein the level of each color filter pixel signal other than the luminance signal is adjusted.
請求項1記載の撮像装置。 When the clear pixel signal is used as a reference, the signal processing unit obtains a ratio of the luminance signal and a signal level of a predetermined band of each color filter pixel to obtain a gain value, and the gain value and the low frequency component of the clear pixel signal The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the level of each color filter pixel signal other than the luminance signal is adjusted based on the image signal.
請求項1から6のいずれか一に記載の撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 6, wherein the pixel array unit includes the color filter pixels and the clear pixels arranged in an oblique pixel arrangement method.
上記撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
上記撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、
上記撮像装置は、
分光感度特性の異なる複数の画素がアレイ状に配列され、上記画素を透過した光を電気信号に変換する画素アレイ部と、
上記画素アレイ部から読み出された信号レベルの調整を行う信号処理部と、を有し、
上記画素アレイ部は、
色フィルタを含む分光感度特性のピークが赤色にある第1の色フィルタ画素、ピークが青色にある第2の色フィルタ画素、ピークが緑色にある第3の色フィルタ画素がアレイ状に配列され、かつ、
当該アレイ画素配列の任意の行、列の任意の位置に、上記第1の色フィルタ画素、上記第2の色フィルタ画素、および上記第3の色フィルタ画素に対して透過率の高いクリア画素が配置され、
上記信号処理部は、
上記各色フィルタ画素の読み出し信号から輝度信号を生成し、上記クリア画素の読み出し信号と生成した輝度信号の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比を求め、クリア画素信号または輝度信号を基準とした比をゲイン値として当該ゲイン値に基づいて、または、上記輝度信号と各色フィルタ画素の低域成分を取り出して所定帯域の信号レベルの比をそれぞれ求めてゲイン値として当該各ゲイン値およびクリア画素信号に基づいて、上記輝度信号並びに上記各色フィルタ画素信号または上記クリア画素信号、または、上記輝度信号以外の上記各色フィルタ画素信号の信号レベルを調整する
カメラシステム。 An imaging device;
An optical system for guiding incident light to the imaging unit of the imaging device;
A signal processing circuit for processing an output signal of the imaging device,
Above Symbol imaging device,
A plurality of pixels having different spectral sensitivity characteristics are arranged in an array, and a pixel array unit that converts light transmitted through the pixels into an electrical signal;
A signal processing unit that adjusts the signal level read from the pixel array unit,
The pixel array section is
A first color filter pixel having a spectral sensitivity characteristic peak including a color filter in red, a second color filter pixel having a peak in blue, and a third color filter pixel having a peak in green are arranged in an array, And,
A clear pixel having a high transmittance with respect to the first color filter pixel, the second color filter pixel, and the third color filter pixel is located at an arbitrary position of the row and column of the array pixel array. Arranged,
The signal processor is
Generate a luminance signal from the readout signal of each color filter pixel, extract the low-frequency component of the readout signal of the clear pixel and the generated luminance signal, obtain the ratio of the signal level of the predetermined band, and use the clear pixel signal or the luminance signal as a reference and the ratio based on the gain value as a gain value, or, the respective gain values and the gain value respectively determined the ratio of the signal level of a predetermined band removed the luminance signal and the low frequency component of each color filter pixels clear A camera system that adjusts signal levels of the luminance signal and the color filter pixel signals or the clear pixel signal or the color filter pixel signals other than the luminance signal based on a pixel signal .
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