JP5702892B2 - カラー撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明に係るカラー撮像素子を備えるデジタルカメラ9のブロック図である。デジタルカメラ9は、大別して、撮影光学系10、カラー撮像素子12、撮影処理部14、画像処理部16、駆動部18、制御部20などを備えている。
図2に示すように、カラー撮像素子12の撮像面には、水平方向及び垂直方向に2次元配列された光電変換素子PDで構成される複数の画素21が設けられている。ここで、水平方向は本発明の第1の方向及び第2の方向のうちの一方向に相当し、垂直方向は本発明の第1の方向及び第2の方向のうちの他方向に相当する。
カラーフィルタ配列22は、下記の特徴(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、及び(7)を有している。
図3及び図4に示すように、カラーフィルタ配列22は、10×10画素に対応する正方配列パターンである基本配列パターンP1を含み、この基本配列パターンP1が第1の方向H(水平方向)及び第2の方向V(垂直方向)に繰り返し配置されている。即ち、カラーフィルタ配列22では、各色のRフィルタ23R、Gフィルタ23G、Bフィルタ23Bが周期性をもって配列されている。このため、カラー撮像素子12から読み出されるR、G、B信号のデモザイク処理等を行う際に、繰り返しパターンにしたがって処理を行うことができる。その結果、従来のランダム配列に比べて後段の処理を簡略化することができる。
カラーフィルタ配列22内で、第1の方向H、第2の方向V、第3の方向NE,及び第4の方向NWの各フィルタライン内にGフィルタ23G(第1のフィルタ)が1つ以上配置されている。本例では、第1の方向Hは水平方向であり、第2の方向Vは垂直方向であり、第3の方向NEは斜め右上(左下)方向であり、第4の方向はNWは斜め右下(左上)方向である。第1の方向Hと第2の方向とは直交している。第3の方向NE及び第4の方向NWは、第1の方向H、第2の方向Vに対してそれぞれ45°の方向である。これは、複数の画素及びカラーフィルタが水平方向及び垂直方向に正方格子状に配列されているからである。従って、複数の画素及びカラーフィルタが矩形格子状に配列されている場合には、その矩形格子の対角線の方向が、斜め右上方向及び斜め右下方向に対応する。
このようなGフィルタ23Gが、カラーフィルタ配列22の第1の方向H、第2の方向V、第3の方向NE、及び第4の方向NWの各フィルタライン内に配置されるため、入力像において高周波となる方向によらず高周波領域でのデモザイク処理の再現精度を向上させることができる。
基本配列パターンP1内のRGBフィルタ23R,23G,23Bに対応するR画素、G画素、B画素の画素数は、それぞれ18画素、64画素、18画素になる。従って、RGB画素の各画素数の比率は9:32:9になるので、輝度信号を得るために最も寄与するG画素の画素数の比率は、R画素、B画素のそれぞれの画素数の比率よりも大きくなる。
Rフィルタ23R及びBフィルタ23Bは、それぞれ基本配列パターンP1内においてカラーフィルタ配列22の第1の方向H、及び第2の方向Vの各フィルタライン内に1つ以上配置されている。
上記の特徴(4)を満たすRフィルタ23Rは、その第1の方向H、第2の方向V、第3の方向NE、及び第4の方向NWの各方向(以下、適宜「各方向(H,V,NE,NW)」と略す)に、Gフィルタ23GまたはBフィルタ23Bが隣接して配置されている。また、上記の特徴(4)を満たすBフィルタ23Bは、その各方向(H,V,NE,NW)にGフィルタ23GまたはRフィルタ23Rが隣接して配置されている。従って、Rフィルタ23R、及びBフィルタ23Bには、それぞれ異なる色のフィルタが各方向(H,V,NE,NW)に隣接して配置されている。すなわち、同色のRフィルタ23R同士または同色のBフィルタ23B同士が、各方向(H,V,NE,NW)に隣接して配置されることはない。
基本配列パターンP1は、図4に示すように、3×3画素に対応した4つの正方パターン(QR,QB)を有する。ひとつの正方パターンQR,QBは、中心に配置された1つの第2のフィルタ(Rフィルタ23R又はBフィルタ23B)と、その第2のフィルタ(23R又は23B)の八方を囲んで配置された8つの第1のフィルタ(Gフィルタ23G)とからなる。すなわち、中心のフィルタ23Rまたは23Bに隣接して、図4における上、斜め右上、右、斜め右下、下、斜め左下、左、及び斜め左上のそれぞれに、Gフィルタ23Gが配置されている。
図3及び図6に示すように、第1の方向Hの格子フィルタラインHGは1画素幅の2本のフィルタライン25及び26からなり、第2の方向Vの格子フィルタラインVGは1画素幅の2本のフィルタライン27及び28からなる。つまり、互いに直交する第1の方向Hの格子フィルタラインHG及び第2の方向Vの格子フィルタラインVGは、2画素幅である。
図3及び図6に示すように、第1の方向Hの格子フィルタラインHG及び第2の方向Vの格子フィルタラインVGにおいて、第2のフィルタ(Rフィルタ23R及びBフィルタ23B)は1画素又は2画素おきに配置されている。第1のフィルタ(Gフィルタ)は1画素おき又は隣接して配置されている。
図8に示すように、第2実施形態のカラーフィルタ配列30は、基本配列パターンP1とは異なる基本配列パターンP2を、互いに直交する第1の方向H及び第2の方向Vに、繰り返し配置させて構成されている。基本配列パターンP2は、第1の方向Hの格子フィルタラインHG(25と26)及び第2の方向Vの格子フィルタラインVG(27と28)の配置が異なる点(第1の方向Hの格子フィルタラインHGの「25」と「26」が入れ替り、第2の方向Vの格子フィルタラインVGの「27」と「28」が入れ替わっている点)を除けば、第1実施形態の基本配列パターンP1と基本的には同じである。即ち、格子フィルタラインHG,VGにおけるRフィルタ23R及びBフィルタ23Bの並び順が異なるだけである。このため、第2実施形態のカラーフィルタ配列30は、前述の第1実施形態のカラーフィルタ配列22と同様の特徴を有しており、カラーフィルタ配列22と同様の効果が得られる。
次に、図9を用いて本発明の第3実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第3実施形態のカラー撮像素子は、上記特徴(7−3)の代わりに下記の特徴(7−3a)を有し、かつ上記特徴(7−4)の代わりに下記の特徴(7−4a)をするカラーフィルタ配列32を備える点を除けば、上記第1実施形態と基本的には同じ構成である。このため、上記第1実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
カラーフィルタ配列32は、RGBフィルタ23R,23G,23Bが8×8画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンP3を含み、この基本配列パターンP3が水平方向(H)及び垂直方向(V)に繰り返し配置されている。このため、カラーフィルタ配列32は前述の特徴(1)を有する。
図9及び図12に示すように、第1の方向Hの格子フィルタラインHGは1画素幅の1本のフィルタライン35、36が、正方パターンQB,QRを挟んで交互に配置され、第2の方向Vの格子フィルタラインVGは1画素幅の1本のフィルタライン37、38が、正方パターンQB,QRを挟んで交互に配置されている。つまり、互いに直交する第1の方向Hの格子フィルタラインHG及び第2の方向Vの格子フィルタラインVGは、1画素幅である。
また、図9及び図12に示すように、第1の方向Hの格子フィルタラインHG及び第2の方向Vの格子フィルタラインVGにおいて、第1のフィルタ(Gフィルタ23G)が1画素おきに配置されている。言い換えると、格子フィルタラインHG,VGにおいて第2のフィルタ(Rフィルタ23R及びBフィルタ23B)が1画素おきに配置されている。
図14に示すように、第4実施形態のカラーフィルタ配列42は、基本配列パターンP3とは異なる基本配列パターンP4を、互いに直交する第1の方向H及び第2の方向Vに、繰り返し配置させて構成されている。
次に、図15を用いて本発明の第5実施形態のカラー撮像素子について説明する。なお、第5の実施形態におけるカラーフィルタ配列52は、格子フィルタラインHG、VGにおけるフィルタ23R、23G、23Bの並び順が異なる点を除けば、第3実施形態の基本配列パターンP3と基本的には同じである。このため、上記第3実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
次に、図17を用いて本発明の第6実施形態のカラー撮像素子について説明する。なお、第6の実施形態におけるカラーフィルタ配列62は、格子フィルタラインHG、VGにおけるフィルタ23R、23G、23Bの並び順が異なる点を除けば、第3実施形態の基本配列パターンP3と基本的には同じである。このため、上記第3実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
上記各実施形態では、本発明の第1の色を有する第1のフィルタとしてG色のGフィルタ23Gを例に挙げて説明を行ったが、Gフィルタ23Gの代わりに、あるいはGフィルタ23Gの一部に代えて、下記条件(1)から条件(4)のいずれかを満たすフィルタを用いてもよい。
条件(1)は、輝度信号を得るための寄与率が50%以上であることである。この寄与率50%は、本発明の第1の色(G色など)と、第2の色(R、B色など)とを区別するために定めた値であって、輝度データを得るための寄与率がR色、B色などよりも相対的に高くなる色が「第1の色」に含まれるように定めた値である。G色の寄与率は上記式(1)に示したように60%となるので条件(1)を満たす。また、G色以外の色の寄与率についても実験やシミュレーションにより取得可能である。従って、G色以外で寄与率が50%以上となる色を有するフィルタについても、本発明の第1のフィルタとして用いることができる。なお、寄与率が50%未満となる色は本発明の第2色(R色、B色など)となり、この色を有するフィルタが本発明の第2のフィルタとなる。
条件(2)は、フィルタの透過率のピークが波長480nm以上570nm以下の範囲内にあることである。フィルタの透過率は、例えば分光光度計で測定された値が用いられる。この波長範囲についても、本発明の第1の色(G色など)と、第2の色(R、B色など)とを区別するために定められた範囲であって、前述の寄与率が相対的に低くなるR色、B色などのピークが含まれず、かつ寄与率が相対的に高くなるG色などのピークが含まれるように定められた範囲である。従って、透過率のピークが波長480nm以上570nm以下の範囲内にあるフィルタを第1のフィルタとして用いることができる。なお、透過率のピークが波長480nm以上570nm以下の範囲外となるフィルタが本発明の第2のフィルタ(Rフィルタ23R、Bフィルタ23B)となる。
条件(3)は、波長500nm以上560nm以下の範囲内での透過率が第2のフィルタ(Rフィルタ23RやBフィルタ23B)の透過率よりも高いことである。この条件(3)においても、フィルタの透過率は例えば分光光度計で測定された値が用いられる。この条件(3)の波長範囲も、本発明の第1の色(G色など)と、第2の色(R、B色など)とを区別するために定められた範囲であって、R色やB色などよりも前述の寄与率が相対的に高くなる色を有するフィルタの透過率が、RBフィルタ23R、23Bなどの透過率よりも高くなる範囲である。従って、透過率が波長500nm以上560nm以下の範囲内で相対的に高いフィルタを第1のフィルタとして用い、透過率が相対的に低いフィルタを第2のフィルタとして用いることができる。
条件(4)は、3原色のうち最も輝度信号に寄与する色(例えばRGBのうちのG色)と、この3原色とは異なる色とを含む2色以上のフィルタを、第1のフィルタとして用いることである。この場合には、第1のフィルタの各色以外の色に対応するフィルタが第2のフィルタとなる。
次に、図19を用いて本発明の第7実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第7の実施形態のカラー撮像素子は、RGB画素以外に白色光(可視光の波長域の光)を受光する白色画素(クリア画素ともいう)を備える点を除けば、上記第1実施形態と基本的には同じ構成である。このため、上記第1実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
第7実施形態のカラー撮像素子は、第1実施形態とは異なるカラーフィルタ配列63を備えている。カラーフィルタ配列63は、前述のRGBフィルタ23R,23G,23B、及び透明フィルタ23W(第1のフィルタ)が8×8画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンP7を含み、この基本配列パターンP7が水平及び垂直方向(H、V)に繰り返し配置されている。このため、カラーフィルタ配列63は前述の特徴(1)を有する。
次に、図21を用いて本発明の第8実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第8の実施形態のカラー撮像素子は、2種類のG画素を備えている点を除けば、上記第1実施形態と基本的には同じ構成である。このため、上記第1実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
第8実施形態のカラー撮像素子は、第1実施形態とは異なるカラーフィルタ配列64を備えている。カラーフィルタ配列64は、Rフィルタ23R、第1Gフィルタ23G1及び第2Gフィルタ23G2(第1のフィルタ)、Bフィルタ23Bが8×8画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンP8を含み、この基本配列パターンP8が水平及び垂直方向(H、V)に繰り返し配置されている。このため、カラーフィルタ配列64は前述の特徴(1)を有する。
次に、図23を用いて本発明の第9実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第9の実施形態のカラー撮像素子は、RGB画素以外に、本発明の第4色に対応するエメラルド(E)色の光を受光するE画素を備える点を除けば、上記第1実施形態と基本的には同じ構成である。このため、上記第1実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。
第9実施形態のカラー撮像素子は、第1実施形態とは異なるカラーフィルタ配列66を備えている。カラーフィルタ配列66は、前述のRGBフィルタ23R,23G,23B、及びEフィルタ23E(第1のフィルタ)が8×8画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンP9を含み、この基本配列パターンP9が水平及び垂直方向(H、V)に繰り返し配置されている。このため、カラーフィルタ配列66は前述の特徴(1)を有する。
上記各施形態の各カラーフィルタ配列は、その基本配列パターンが10×10画素または8×8画素に対応する配列パターンで配列されているが、例えば、8×10画素、10×8画素、9×10画素、10×9画素、8×9画素、又は9×8画素に対応する基本配列パターンを含むカラーフィルタ配列としてもよい。また、第1の方向H及び第2の方向Vに10画素よりも数の多い画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンでもよい。
Claims (15)
- 第1の方向及び当該第1の方向に垂直な第2の方向に配列された光電変換素子で構成される複数の画素上にカラーフィルタが配設されてなる単板式のカラー撮像素子であって、
前記カラーフィルタの配列は、前記カラーフィルタが前記第1の方向及び前記第2の方向にM×N(M、Nは8以上)画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンを含み、かつ当該基本配列パターンが前記第1の方向及び前記第2の方向に繰り返されて配置され、
前記基本配列パターンは、1色以上の第1の色に対応する第1のフィルタと、輝度信号を得るための寄与率が前記第1の色よりも低い2色以上の第2の色に対応する第2のフィルタとを含み、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、当該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素に対応した正方パターンを4つ以上有し、
前記カラーフィルタの配列内で、前記正方パターンの四方を囲んで、前記第1のフィルタと前記第2のフィルタとを並べた第1の方向の格子フィルタライン及び第2の方向の格子フィルタラインが配置され、
前記カラーフィルタの配列内で、前記第1のフィルタは、前記カラーフィルタの配列の前記第1の方向及び前記第2の方向の各フィルタライン内と、前記第1の方向及び第2の方向に対して傾いた第3の方向及び第4の方向の各フィルタライン内とに配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び当該第1の方向に垂直な第2の方向に配列された光電変換素子で構成される複数の画素上にカラーフィルタが配設されてなる単板式のカラー撮像素子であって、
前記カラーフィルタの配列は、前記カラーフィルタが前記第1の方向及び前記第2の方向にM×N(M、Nは8以上)画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンを含み、かつ当該基本配列パターンが前記第1の方向及び前記第2の方向に繰り返されて配置され、
前記基本配列パターンは、透過率のピークが480nm以上570nm以下の範囲内にある1色以上の第1の色に対応する第1のフィルタと、透過率のピークが前記範囲外にある2色以上の第2の色に対応する第2のフィルタとを含み、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素の正方パターンを複数有し、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、当該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素に対応した正方パターンを4つ以上有し、
前記カラーフィルタの配列内で、前記正方パターンの四方を囲んで、前記第1のフィルタと前記第2のフィルタとを並べた第1の方向の格子フィルタライン及び第2の方向の格子フィルタラインが配置され、
前記カラーフィルタの配列内で、前記第1のフィルタは、前記カラーフィルタの配列の前記第1の方向及び前記第2の方向の各フィルタライン内と、前記第1の方向及び第2の方向に対して傾いた第3の方向及び第4の方向の各フィルタライン内とに配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び当該第1の方向に垂直な第2の方向に配列された光電変換素子で構成される複数の画素上にカラーフィルタが配設されてなる単板式のカラー撮像素子であって、
前記カラーフィルタの配列は、前記カラーフィルタが前記第1の方向及び前記第2の方向にM×N(M、Nは8以上)画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンを含み、かつ当該基本配列パターンが前記第1の方向及び前記第2の方向に繰り返されて配置され、
前記基本配列パターンは、1色以上の第1の色に対応する第1のフィルタと、波長500nm以上560nm以下の範囲内で透過率が前記第1のフィルタよりも低くなる2色以上の第2の色に対応する第2のフィルタとを含み、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、当該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素の正方パターンを4つ以上有し、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、当該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素に対応した正方パターンを4つ以上有し、
前記カラーフィルタの配列内で、前記正方パターンの四方を囲んで、前記第1のフィルタと前記第2のフィルタとを並べた第1の方向の格子フィルタライン及び第2の方向の格子フィルタラインが配置され、
前記カラーフィルタの配列内で、前記第1のフィルタは、前記カラーフィルタの配列の前記第1の方向及び前記第2の方向の各フィルタライン内と、前記第1の方向及び第2の方向に対して傾いた第3の方向及び第4の方向の各フィルタライン内とに配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び当該第1の方向に垂直な第2の方向に配列された光電変換素子で構成される複数の画素上にカラーフィルタが配設されてなる単板式のカラー撮像素子であって、
前記カラーフィルタの配列は、前記カラーフィルタが前記第1の方向及び前記第2の方向にM×N(M、Nは8以上)画素に対応する配列パターンで配列されてなる基本配列パターンを含み、かつ当該基本配列パターンが前記第1の方向及び前記第2の方向に繰り返されて配置され、
前記基本配列パターンは、3原色のうち最も輝度信号に寄与する色と前記3原色とは異なる色の第4色とを含む2色以上の第1の色に対応する第1のフィルタと、前記第1の色以外の2以上の第2の色に対応する第2のフィルタとを含み、
前記基本配列パターンは、中心の1つの前記第2のフィルタと、当該第2のフィルタの八方を囲む8つの前記第1のフィルタとからなる3×3画素に対応した正方パターンを4つ以上有し、
前記カラーフィルタの配列内で、前記正方パターンの四方を囲んで、前記第1のフィルタと前記第2のフィルタとを並べた第1の方向の格子フィルタライン及び第2の方向の格子フィルタラインが配置され、
前記カラーフィルタの配列内で、前記第1のフィルタは、前記カラーフィルタの配列の前記第1の方向及び前記第2の方向の各フィルタライン内と、前記第1の方向及び第2の方向に対して傾いた第3の方向及び第4の方向の各フィルタライン内とに配置されているカラー撮像素子。 - 前記M及びNは10であり、前記第1の方向及び第2の方向の前記格子フィルタラインは2画素幅であり、前記第1の方向及び第2の方向のそれぞれにおいて、前記第2のフィルタが1画素又は2画素おきに配置されている請求項1から4のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記M及びNは8であり、前記第1の方向及び第2の方向の前記格子フィルタラインは1画素幅であり、前記第1の方向及び第2の方向のそれぞれにおいて、前記第1のフィルタが1画素おきに配置されている請求項1から4のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターン内で、前記第1の方向の格子フィルタライン及び第2の方向の格子フィルタラインは、前記第2の色の各色のフィルタが同比率存在する請求項1から6のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記正方パターンの四辺の各一辺に隣接して前記第1の色のフィルタが少なくとも1つ配置され、かつ前記正方パターンの四辺の各一辺に隣接して前記第2の色の各色のフィルタが1つずつ配置されている請求項1から7のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記カラーフィルタの配列は、前記第1の方向及び前記第2の方向のそれぞれにおいて互いに最も近い前記正方パターン同士で、前記正方パターンの中心に配置された前記第2のフィルタの色が互いに異なる請求項1から8のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記カラーフィルタの配列内において、前記正方パターンの中心に配置された前記第2のフィルタの各色の画素が同比率存在する請求項1から9のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターン内に、前記第2の色の各色に対応する前記第2のフィルタは、前記基本配列パターン内の前記第1の方向及び第2の方向の各フィルタライン内に1つ以上配置されている請求項1から10のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記カラーフィルタが正方形状である場合に、前記第3の方向及び第4の方向は前記第1の方向及び第2の方向に対してそれぞれ45°傾いている請求項1から11のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記第1の色は、緑及び透明のうち少なくともいずれかを含む請求項1から12のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 前記第2の色は、赤と青を含む請求項1から13のいずれか1項に記載のカラー撮像素子。
- 撮影光学系と、
前記撮影光学系を介して被写体像が結像するカラー撮像素子と、
前記結像した被写体像を示す画像データを生成する画像データ生成部と、
を備え、
前記カラー撮像素子は請求項1から14のいずれか1項に記載のカラー撮像素子である、
撮像装置。
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