JP6461868B2 - 低密度の青色を有するカラーフィルターアレイ - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサーのカラーフィルターアレイに関するものである。

電子カラー画像化において、３個の色平面、通常、赤色、緑色および青色で、イメージデータを同時に捕捉することが望まれる。３個の色平面が組み合わされるとき、高品質のカラー画像を生成することが可能である。これらの三組のイメージデータの捕捉は、複数の方法で実施することができる。電子フォトグラフィにおいて、赤色、緑色および青色フィルターのパターンにより被覆されるセンサーの単一二次元アレイを用いることにより実現できる。この種のセンサーは、カラーフィルターアレイまたはＣＦＡとして知られる。図１は、従来のベイヤパターン(Bayer pattern)を示す図である。図１は、赤色(Ｒ)、緑色(Ｇ)および青色(Ｂ)画素が、一般に、ＣＦＡセンサー上で、ベイヤパターンに配置されることを示す。

カラー画像が、ＣＦＡを用いて捕捉されるとき、赤色、緑色および青色値を補間する必要があるため、各センサー位置に対し、全部で３個の明度の推定値がある。一旦、補間が行われると、各ピクチャエレメントまたは画素は３個の明度を有し、且つ、システムの需要に基づいて、各種既知のイメージ処理技術により処理される。処理する理由は、画像の鮮明化、色補正または半調色を行うことである。

以下の図面は、赤色、緑色および青色画素が、“ベイヤパターン”と称される特定のカラーフィルターアレイパターンでどのよう配列されるかを示す。赤色、緑色および青色フィルターは、入射光の三分の二を吸収するので、このようなＣＦＡセンサーは、光度的(photometrically)に遅い傾向がある。

このほか、青色錐体（blue cone）は、人の目の窩（小さなくぼみ：fovea）の中心で低密度なので、青色光の最大鋭敏度（maximum acuity for blue light）は、別の色より低い。したがって、青色の低密度のカラーフィルターアレイに対する需要があり、よって、イメージセンサーにより捕捉されるイメージにおける原色コンポーネンツの全体の鋭敏度を増加する。

本発明の課題は、高イメージ品質のイメージを得るための、イメージセンサーのカラーフィルターアレイを提供することである。

一実施態様において、低密度の青色を有するカラーフィルターアレイが提供される。カラーフィルターアレイは、３×３アレイに配置される複数のカラーフィルターユニットを有する。カラーフィルターユニットは、青色フィルターおよび複数のその他のフィルターを有し、青色フィルターは、各３×３アレイ中央に設置され、青色フィルターの数量は、各３×３アレイの各種別のフィルターより少ない。

本実施態様において、各３×３アレイ中のその他のフィルターは、４個の赤色フィルターおよび４個の緑色フィルターを有する。たとえば、赤色フィルターは、青色フィルターに、垂直および水平に隣接するように設置され、４個の緑色フィルターは、３×３アレイの四隅に設置される。あるいは、赤色フィルターは、青色フィルターに、垂直および水平に隣接するように設置され、４個の緑色フィルターは、３×３アレイの四隅に設置される。

別の実施態様において、各３×３アレイのその他のフィルターは、二個の赤色フィルター、二個の緑色フィルターおよび４個の白色／透明フィルターを有する。

たとえば、二個の赤色フィルターは、青色フィルターに水平に隣接するように設置され、二個の緑色フィルターは、青色フィルターに垂直に隣接するように設置され、４個の白色／透明フィルターは、３×３アレイの四隅に設置される.

あるいは、二個の緑色フィルターは、青色フィルターに水平に隣接するように設置され、二個の赤色フィルターは、青色フィルターに垂直に隣接するように設置され、４個の白色／透明フィルターは、３×３アレイの四隅に設置される。

あるいは、４個の白色／透明フィルターは、青色フィルターに、垂直および水平に隣接するように設置され、二個の赤色フィルターは、３×３アレイの主対角線の二隅に設置され、二個の緑色フィルターは、３×３アレイの反対角の二隅に設置される。

あるいは、４個の白色／透明フィルターは、青色フィルターに、垂直および水平に隣接するように設置され、二個の緑色フィルターは、３×３アレイの主対角線の二隅に設置され、二個の赤色フィルターは、３×３アレイの反対角の二隅に設置される。

高イメージ品質のイメージを得ることができる。

従来のベイヤパターンを示す図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様によるＣＦＡの平面図である。 本発明の一実施態様による複数のカラーフィルターユニットを有する３×３アレイを用いるイメージセンサーの平面図である。 本発明の一実施態様による複数のカラーフィルターユニットを有する３×３アレイを用いるイメージセンサーの平面図である。

以下の記述は本発明の一般的原理を説明するために記載されたものであり、これに限定するものではない。

図２Ａと図２Ｂは、本発明の実施態様によるＣＦＡの平面図である。図２Ａ中のＣＦＡ２００は、４個の緑色フィルター、４個の赤色フィルターおよび１個の青色フィルターの三種のカラーフィルターユニットを有する単一の３×３アレイを有する。たとえば、青色フィルター２０１は、ＣＦＡ２００の３×３アレイの中央に位置し、緑色と赤色フィルターは、青色フィルター２０１周辺に、対称に位置する。特に、青色フィルター２０１は、ＣＦＡ２００の３×３アレイの中央に位置し、赤色フィルター２０２は、青色フィルター２０１に対して、水平方向および垂直方向に隣接するように設置される。緑色フィルター２０３は、ＣＦＡ２００の３×３アレイの四隅に設置される。

あるいは、図２Ｂに示されるＣＦＡ２１０も、４個の緑色フィルター、４個の赤色フィルターおよび１個の青色フィルターの三種のカラーフィルターユニットを有する単一の３×３アレイを有する。同様に、青色フィルター２１１は、ＣＦＡ２１０の３×３アレイの中央に設置され、緑色と赤色フィルターは、青色フィルター２１１周辺に、対称に位置する。特に、青色フィルター２１１は、ＣＦＡ２００の３×３アレイの中央に位置し、緑色フィルター２１３は、青色フィルター２１１に対して水平方向および垂直方向に隣接するように設置される。赤色フィルター２１２は、ＣＦＡ２１０の３×３アレイの四隅に設置される。

図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の実施態様によるＣＦＡの平面図である。図３Ａ〜図３Ｄに示される各ＣＦＡ３００〜３３０は、二個の緑色フィルター、二個の赤色フィルター、４個の白色／透明フィルターおよび１個の青色フィルター等の４種のカラーフィルターユニットを有する単一の３×３アレイを有する。つまり、白色／透明 (Ｗ)、赤色(Ｒ)、緑色(Ｇ)および青色フィルター(Ｂ)の数量の比率は、Ｗ:Ｒ:Ｇ:Ｂ =４:２:２:１である。注意すべきことは、透明材料が白色フィルターに用いられ、赤色、緑色および青色光は、白色／透明フィルターを通過する。たとえば、図３Ａに示されるように、青色フィルター３０１は、ＣＦＡ３００の３×３アレイ中央に位置し、緑色、赤色および白色／透明フィルターは、青色フィルター２０１周辺に、対称に位置する。特に、白色／透明フィルター３０４は、青色フィルター３０１に対して垂直方向および水平方向に隣接するように設置され、緑色フィルター３０２および赤色フィルター３０３は、ＣＦＡ３００の３×３アレイの対角線の二隅に、それぞれ設置される。

たとえば、緑色フィルター３０２は、３×３アレイの主対角線 (すなわち、左上から右下の対角線：第１対角線)の二隅に設置され、赤色フィルター３０３は、ＣＦＡ３００の３×３アレイの反対角(すなわち、右上から左下への対角線：第１対角線とは異なる第２対角線)の二隅に設置される。図３Ｂに示されるＣＦＡ３１０の配置は、図３ＡのＣＦＡ３００と同じで、異なる点は、緑色フィルター３１２と赤色フィルター３１３が、ＣＦＡ３１０の３×３アレイの異なる対角線の二隅に設置されることである。特に、赤色フィルター３１３は、ＣＦＡ３１０の３×３アレイの主対角線(すなわち、左上から右下の対角線：第３対角線)の二隅に設置され、緑色フィルター３１２は、ＣＦＡ３１０の３×３アレイの反対角 (すなわち、右上から左下への対角線：第３対角線とは異なる第４対角線)の二隅に設置される。

他の例として、ＣＦＡ３２０とＣＦＡ３３０の３×３アレイのカラーフィルターユニットの配置は、ＣＦＡ３００と３１０と異なる。たとえば、図３Ｃに示されるように、青色フィルター３２１は、ＣＦＡ３２０の３×３アレイの中央に位置し、緑色、赤色および白色／透明フィルター３２４は、青色フィルター３２１の周辺に、対称に設置される。赤色フィルター３２３は、青色フィルター３２１に対して水平方向に隣接するように設置され、緑色フィルター３２２は、青色フィルター３２１に対して垂直方向に隣接するように設置される。一方、白色／透明フィルター３２４は、ＣＦＡ３２０の３×３アレイの四隅に設置される。

ＣＦＡ３３０の３×３アレイのカラーフィルターユニットに関し、緑色フィルター３３２は、青色フィルター３３１に対して水平方向に隣接するように設置され、赤色フィルター３３３は、青色フィルター３３１に対して垂直方向に隣接するように設置される。一方、白色／透明フィルター３３４は、ＣＦＡ３３０の３×３アレイの四隅に設置される。

上記表示において、各種ＣＦＡパターンが開示される。一般に、本開示の各ＣＦＡは、低密度の青色を有し、別の原色コンポーネンツ、たとえば、緑色と赤色と比較するとき、人の目で感知されにくい。注意すべきことは、説明目的のため、図２Ａと図２Ｂおよび図３Ａ〜図３Ｄ中の各ＣＦＡは、単一の３×３アレイで示されることである。当業者なら理解できるように、ＣＦＡは複数の３×３アレイを有し、各３×３アレイは、複数のカラーフィルターユニットを有する。

このほか、緑、青、赤色を有する白色／透明画素 (すなわち、クリア画素)の助けにより、イメージセンサーは、各画素の高い平均感度を得る。たとえば、もし、白色／透明画素、緑画素、赤色画素および青色画素の各感度が、１、１/３、１/３および１/３ならば、図１に示されるベイヤパターンの平均感度全体は、((１/３)*４)/４画素 =３３%（光線／画素）である。図３Ａ〜図３Ｄに示されるＣＦＡ３００〜３３０において、平均感度全体は、((１/３)*５ + １*４)/９画素 =６３%（光線／画素）である。したがって、図３Ａ〜図３ＤのＣＦＡパターンは、青色フィルターの低密度のため、感度が顕著に増加するので、ユーザーは、さらに明るいイメージを認識する。注意すべきことは、異なる色の感度の数字は説明目的のためであることである。実際、緑色は光線の三分の一を超え、赤色および青色は、光線の約三分の一に達する。たとえば、６５０nmのＩＲ-カットフィルターを用いた青、緑および赤色の感度の比率は、約１１:２２:１９である。つまり、さらに多くの緑色と赤色カラーフィルターユニットが用いられて、青色フィルターを代替する場合、さらに多くの光線が、イメージセンサーにより集光される。

注意すべきことは、画素が１um²より小さい製品の開発において、回析限界の状態になり、３×３アレイを用いたＣＦＡパターンは、幅広く用いられるベイヤパターンを代替するためによい選択となることである。注意すべきことは、白色／透明色および原色コンポーネンツ、たとえば、緑色、青色および赤色は、同時に、本発明において開示されるＣＦＡパターン３００〜３３０に存在することで、当業者が、各画素中で、失われたカラーコンポーネンツを回復させるのにさらに有意義であり、その結果として、高いイメージ品質のイメージを得る。注意すべきことは、図２Ａと図２Ｂと図３Ａ〜図３Ｄ中の実施態様中で記述されるＣＦＡにおいて、青色フィルターの数量は、各種別のフィルター、たとえば、赤色フィルター、緑色フィルターおよび／または白色／透明フィルターより少ないことである。

図４Ａと図４Ｂは、本発明の一実施態様による複数のカラーフィルターユニットを有する３×３アレイを用いたイメージセンサーの平面図である。一実施態様において、図２Ａと図２Ｂおよび図３Ａ〜図３Ｄの上記実施態様で記述される、異なるカラーフィルターユニットを有する３×３アレイは、イメージセンサーまたはフォトダイオードアレイで繰り返し設置される。たとえば、図３Ｃに示す基本３×３アレイが、ＣＦＡ３２０中の３×３アレイとする場合には、図４Ａに示されるように、ＣＦＡ３２０の３×３アレイは、イメージセンサー４００中で、繰り返し並べられて、９×９アレイ４００に設置ならびに配列される。同様に、図３Ｄに示す基本３×３アレイが、ＣＦＡ３３０中の３×３アレイとする場合には、図４Ｂに示されるように、ＣＦＡ３３０の３×３アレイは、イメージセンサー中で、繰り返し並べられて、１２×１２アレイ４１０に設置ならびに配列される。このほか、アレイ４００と４１０は、イメージセンサーまたはフォトダイオードアレイ中で、カラーフィルターアレイの基本アレイとしても用いられる。同様に、ＣＦＡ３２０の３×３アレイは、３Ｎ×３Ｎアレイに配置され、つまり、新しいカラーフィルターアレイの基本アレイとして用いられ、Ｎは正の整数である。たとえば、アレイ４００に対し、Ｎ＝３で、アレイ４１０に対し、Ｎ＝４である。

注意すべきことは、ＣＦＡ３２０とＣＦＡ３３０は説明のための一例であり、当業者なら理解できるように、上記の実施態様中で開示されるＣＦＡの任意の一つ中の３×３アレイは、イメージセンサーまたはフォトダイオードアレイ中で繰り返し設置されることである。

本発明では好ましい実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の思想を脱しない範囲内で各種変形を加えることができる。

２００、２１０、３００〜３３０…ＣＦＡ
２０１、２１１、３０１、３１１、３２１、３３１…青色フィルター
２０２、２１２、３０３、３１３、３２３、３３３…赤色フィルター
２０３、２１３、３０２、３１２、３２２…緑色フィルター
３０４、３１４、３２４、３３４…白色／透明フィルター
イメージセンサー…４００

Claims (10)

1. カラーフィルターアレイであって、
   複数の３×３アレイを備え、
   各３×３アレイは、複数のカラーフィルターユニットをそれぞれ有し、
   前記複数のカラーフィルターユニットは、青色フィルターおよび複数の別のフィルターを有し、
   前記青色フィルターは、前記各３×３アレイの中心にそれぞれ設置され、
   前記青色フィルターの数は、各３×３アレイの前記別のフィルターより少なく、
   前記複数の３×３アレイは、少なくとも横方向に、互いに直接隣接して配置されていることを特徴とするカラーフィルターアレイ。
2. 前記３×３アレイに含まれる前記別のフィルターは、４個の赤色フィルターおよび４個の緑色フィルターを有することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターアレイ。
3. 前記４個の赤色フィルターは、前記青色フィルターに対して垂直方向および水平方向に隣接するように設置され、前記４個の緑色フィルターは、前記３×３アレイの四隅に設置されることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルターアレイ。
4. 前記４個の緑色フィルターは、前記青色フィルターに対して垂直方向および水平方向に隣接するように設置され、前記４個の赤色フィルターは、前記３×３アレイの四隅に設置されることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルターアレイ。
5. 前記３×３アレイに含まれる前記別のフィルターは、二個の赤色フィルター、二個の緑色フィルターおよび４個の白色／透明フィルターを有することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターアレイ。
6. 前記二個の赤色フィルターは、前記青色フィルターに対して水平方向に隣接するように設置され、前記二個の緑色フィルターは、前記青色フィルターに対して垂直方向に隣接するように設置され、前記４個の白色／透明フィルターは、前記３×３アレイの四隅に設置されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルターアレイ。
7. 前記二個の緑色フィルターは、前記青色フィルターに水平に隣接するように設置され、前記二個の赤色フィルターは、前記青色フィルターに垂直に隣接するように設置され、前記４個の白色／透明フィルターは、前記３×３アレイの四隅に設置されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルターアレイ。
8. 前記４個の白色／透明フィルターは、前記青色フィルターに対して垂直方向および水平方向に隣接するように設置され、前記二個の赤色フィルターは、前記３×３アレイの主対角線の二隅に設置され、前記二個の緑色フィルターは、前記３×３アレイの反対角の二隅に設置されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルターアレイ。
9. 前記４個の白色／透明フィルターは、前記青色フィルターに対して垂直方向および水平方向に隣接するように設置され、前記二個の緑色フィルターは、前記３×３アレイの主対角線の二隅に設置され、前記二個の赤色フィルターは、前記３×３アレイの反対角の二隅に設置されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルターアレイ。
10. 前記３×３アレイは、複数の３Ｎ×３Ｎアレイに配列されることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルターアレイ。
    ただし、Ｎは正の奇数とする。

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