JP6837652B2 - Imaging device and signal processing method - Google Patents

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Description

本発明は、低感度画素の出力信号を適切に補正しつつ、後段で画像処理すべきデータ量を減らすことが可能な撮像装置及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to an image pickup apparatus and a signal processing method capable of appropriately correcting the output signal of a low-sensitivity pixel and reducing the amount of data to be image-processed in a subsequent stage.

CCDやCMOSに代表される撮像素子の持つ特性の一つとしてダイナミックレンジがある。ダイナミックレンジとは、光電変換により生じる電荷の蓄積量の最大値と最小値の比率を意味する。このダイナミックレンジの範囲内の電荷蓄積量であれば撮像素子は適切な信号出力が行え、階調性のある画像データが得られる。 Dynamic range is one of the characteristics of image sensors such as CCD and CMOS. The dynamic range means the ratio of the maximum value and the minimum value of the accumulated amount of electric charge generated by photoelectric conversion. If the amount of charge accumulated is within the range of this dynamic range, the image sensor can output an appropriate signal, and image data with gradation can be obtained.

一方、撮像素子の飽和レベル以上の明るさの被写体領域は全て飽和レベルで変換され、白とびと呼ばれる現象となって現れる。また、輝度差の大きな被写体の場合、白とびだけでなく、暗い部分の階調性が低下する黒つぶれが発生し、さらに画質が低下してしまうことがある。 On the other hand, all the subject areas having a brightness equal to or higher than the saturation level of the image sensor are converted at the saturation level, and a phenomenon called overexposure appears. Further, in the case of a subject having a large difference in brightness, not only overexposure but also underexposure that deteriorates the gradation of dark parts may occur, and the image quality may be further deteriorated.

このように、輝度差の大きな被写体について階調性の良好な画像を得るための手法として、ダイナミックレンジを拡大させる技術が従来より提案されている。 As described above, a technique for expanding the dynamic range has been conventionally proposed as a method for obtaining an image having good gradation for a subject having a large brightness difference.

例えば、特許文献1に開示の発明では、画素センサアレイは、第1の利得を有する複数の画素センサと、第1の利得よりも少ない第2の利得を有する複数の画素センサとを含み、第1の利得を有する画素の画素値が飽和するハイライト画素において、その近傍で利用可能な不飽和通常光感度画素の平均値または加重平均値とハイライト画素値との比として算出した補正値で補正する構成としている。一般的な画素と比べて光感度が低下したフォトダイオードを製造するのに、光遮蔽体が使用され、感度を低下させるために画素に入る光の一部を阻止することになる。感度を低下させた画素は、薄黒い遮蔽材料32の層によって生成された減少した開口サイズを有する。 For example, in the invention disclosed in Patent Document 1, the pixel sensor array includes a plurality of pixel sensors having a first gain and a plurality of pixel sensors having a second gain less than the first gain. In the highlight pixel where the pixel value of the pixel having a gain of 1 is saturated, the correction value calculated as the average value or the weighted average value of the unsaturated normal light sensitivity pixels available in the vicinity and the highlight pixel value. It is configured to be corrected. A light shield is used to manufacture a photodiode whose optical sensitivity is lower than that of a general pixel, and blocks some of the light entering the pixel in order to reduce the sensitivity. Desensitized pixels have a reduced aperture size produced by a layer of dark shielding material 32.

この発明によれば、全てが同じ光感度を有する光センサを使用する従来の画像センサと異なり、異なる光感度を有するフォトダイオードを使用するセンサを提示し、特に、センサセルが、通常、飽和する明るい画像領域において画像の品質およびダイナミックレンジの両方を向上させる、としている。 According to the present invention, unlike conventional image sensors, which all use optical sensors with the same optical sensitivity, a sensor using photodiodes with different optical sensitivities is presented, in particular, the sensor cells are usually saturated and bright. It aims to improve both image quality and dynamic range in the image area.

ここで、撮像素子の構造について説明する。特許文献2に開示の撮像素子は、広く知られたベイヤー型の撮像素子とは異なり、シリコンの特性を利用した垂直色分離型の撮像素子であり、さらに、最上層(青色センサ)が、中間層(緑色センサ)および第3層(赤色センサ)の解像度よりも4倍高い解像度を持つ「114」構造のアレイとして読み出される撮像素子である。 Here, the structure of the image sensor will be described. The image sensor disclosed in Patent Document 2 is a vertical color separation type image sensor that utilizes the characteristics of silicon, unlike the widely known Bayer type image sensor, and further, the uppermost layer (blue sensor) is in the middle. It is an image sensor read out as an array of "114" structure having a resolution four times higher than the resolution of the layer (green sensor) and the third layer (red sensor).

この発明によれば、充分な解像度で最上層を読み出し、中間層及び第3層を充分な解像度より小さい解像度で読み出すことで、最上層の青色チャネルにおける高い空間解像度を保ちながら、中間層及び第3層の赤色および緑色チャネルにおける信号対ノイズ比(SN比)を増大させることができる、としている。 According to the present invention, the uppermost layer is read out at a sufficient resolution, and the intermediate layer and the third layer are read out at a resolution smaller than a sufficient resolution, so that the intermediate layer and the third layer are read out while maintaining a high spatial resolution in the blue channel of the uppermost layer. It is said that the signal-to-noise ratio (SN ratio) in the red and green channels of the three layers can be increased.

特開2013−081154号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-081154 特許5033808号公報Japanese Patent No. 5033808

ここで、特許文献2に開示の構造を有する撮像装置に特許文献1に開示の手法を適用しようとした場合を考える。この場合、114構造を持つ垂直色分離型センサを低感度化させようとすると、最上層に複数ある青色センサの全てを遮光する必要がある。これは、中間及び最下層の緑色及び赤色センサにおいても遮光による感度低下の効果を得るためである。 Here, consider a case where the method disclosed in Patent Document 1 is applied to an imaging device having a structure disclosed in Patent Document 2. In this case, in order to reduce the sensitivity of the vertical color separation type sensor having the 114 structure, it is necessary to block all of the plurality of blue sensors on the uppermost layer. This is to obtain the effect of reducing the sensitivity by shading even in the green and red sensors in the middle and bottom layers.

このように低感度の色センサの数が増えると、最終的な画像データを生成する際に補正が必要なデータ量も増加する。すなわち、通常の垂直色分離型センサである111構造であれば、後段の処理で補正処理を行うデータ量は最上層1、中間層1、第3層1で合計3つとなるところ、特許文献2に開示の114構造の場合は最上層4、中間層1、第3層1の合計6つになり補正処理が必要なデータ量が増加してしまう。 As the number of low-sensitivity color sensors increases in this way, the amount of data that needs to be corrected when generating final image data also increases. That is, in the case of the 111 structure which is a normal vertical color separation type sensor, the amount of data to be corrected in the subsequent processing is a total of three in the uppermost layer 1, the intermediate layer 1, and the third layer 1. In the case of the 114 structure disclosed in the above, the number of the uppermost layer 4, the intermediate layer 1, and the third layer 1 is six in total, and the amount of data requiring correction processing increases.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、一部の層が高解像層である垂直色分離型の低感度画素の出力信号を適切に補正しつつ、後段で画像処理すべきデータ量を減らすことが可能な撮像装置及び信号処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and image processing is performed in a subsequent stage while appropriately correcting the output signal of a vertically color-separated low-sensitivity pixel in which a part of the layers is a high-resolution layer. It is an object of the present invention to provide an image pickup apparatus and a signal processing method capable of reducing the amount of data to be output.

上記目的を達成するために、本発明を実施の撮像装置は、光軸垂直方向に複数の光電変換層を積層してなる垂直色分離構造を有する複数の画素が2次元方向に配列され、複数の画素は、複数の光電変換層のうち一部の光電変換層が2次元方向に複数の光電変換部を有してなる高解像度光電変換層である撮像素子と、撮像素子から出力信号を読み出す読出し制御部と、読み出された出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理部と、信号処理部から送られてきた出力信号に対して所定の画像処理を行う画像処理部と、を有し、複数の画素は、撮像用の出力信号を生成する通常画素と、通常画素の複数の光電変換層の感度よりもそれぞれ低感度な複数の光電変換層を有する機能画素とを含み、信号処理部は、機能画素において、高解像度光電変換層の複数の光電変換部のうち第1の光電変換部の出力信号を、高解像度光電変換層の全ての光電変換部の出力信号に基づいて算出される算出値に置換する置換処理を施す置換処理部と、高解像度光電変換層のうち第1の光電変換部を除く光電変換部の出力信号に第1の補正処理を施して撮像用の出力信号として利用可能に補正する第1の補正処理部とを有し、画像処理部は、置換処理を施した第1の光電変換部の出力信号に第2の補正処理を施して撮像用の出力信号として利用可能に補正する第2の補正処理部を有すること特徴とする。 In order to achieve the above object, in the image pickup apparatus according to the present invention, a plurality of pixels having a vertical color separation structure in which a plurality of photoelectric conversion layers are laminated in the direction perpendicular to the optical axis are arranged in a two-dimensional direction. The pixels are an image pickup element, which is a high-resolution photoelectric conversion layer in which some of the photoelectric conversion layers have a plurality of photoelectric conversion units in the two-dimensional direction, and an output signal is read from the image pickup element. A read control unit, a signal processing unit that performs predetermined signal processing on the read output signal, and an image processing unit that performs predetermined image processing on the output signal sent from the signal processing unit. The plurality of pixels include a normal pixel that generates an output signal for image processing, and a functional pixel having a plurality of photoelectric conversion layers that are each less sensitive than the sensitivity of the plurality of photoelectric conversion layers of the normal pixel. The processing unit calculates the output signal of the first photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer in the functional pixel based on the output signals of all the photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer. The output signal of the replacement processing unit that performs the replacement processing to replace the calculated value and the photoelectric conversion unit excluding the first photoelectric conversion unit of the high-resolution photoelectric conversion layer is subjected to the first correction processing and the output for imaging. It has a first correction processing unit that corrects the signal so that it can be used as a signal, and the image processing unit performs a second correction processing on the output signal of the first photoelectric conversion unit that has undergone replacement processing, and outputs an image for imaging. It is characterized by having a second correction processing unit that corrects the signal so that it can be used.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、信号処理部はハードウェア処理により処理を行い、画像処理部はソフトウェア処理により処理を行うことを特徴とする。 Further, in the above invention, the imaging apparatus according to the present invention is characterized in that the signal processing unit performs processing by hardware processing and the image processing unit performs processing by software processing.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、算出値は、高解像度光電変換層の全ての光電変換部の出力信号の単純平均値又は加重平均値であることを特徴とする。 Further, the imaging apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the calculated value is a simple average value or a weighted average value of the output signals of all the photoelectric conversion units of the high resolution photoelectric conversion layer.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、第1の補正処理部は、第1の補正処理として、高解像度光電変換層のうち第1の光電変換部を除く光電変換部の出力信号に対してゲイン補正を行い、第2の補正処理部は、第2の補正処理として算出値に対して補間補正を行うことを特徴とする。 Further, in the imaging apparatus according to the present invention, in the above invention, the first correction processing unit performs the output signal of the photoelectric conversion unit other than the first photoelectric conversion unit in the high resolution photoelectric conversion layer as the first correction processing. The gain correction is performed on the calculated value, and the second correction processing unit performs interpolation correction on the calculated value as the second correction processing.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、第2の補正処理部は、第2の補正処理として、複数の光電変換層のうち高解像度光電変換層を除く光電変換層の出力信号に対してゲイン補正又は補間補正を行うことを特徴とする。 Further, in the imaging apparatus according to the present invention, in the above invention, the second correction processing unit uses the output signal of the photoelectric conversion layer excluding the high resolution photoelectric conversion layer among the plurality of photoelectric conversion layers as the second correction processing. On the other hand, it is characterized in that gain correction or interpolation correction is performed.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、信号処理部はさらに欠陥画素判別部を有し、欠陥画素判別部は、高解像度光電変換層の複数の光電変換部が欠陥画素であるか否かの判別を行い、複数の光電変換部のいずれかが欠陥画素であった場合に、置換処理部は欠陥画素の出力信号を除外して置換処理を行うことを特徴とする。 Further, in the imaging apparatus according to the present invention, in the above invention, the signal processing unit further has a defective pixel discriminating unit, and in the defective pixel discriminating unit, whether a plurality of photoelectric conversion units of the high resolution photoelectric conversion layer are defective pixels. When any of the plurality of photoelectric conversion units is a defective pixel, the replacement processing unit excludes the output signal of the defective pixel and performs the replacement processing.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、垂直色分離構造を有する複数の画素は3層の光電変換層を積層してなり、高解像度光電変換層は最上層の光電変換層に設けられることを特徴とする。 Further, in the imaging apparatus according to the present invention, in the above invention, a plurality of pixels having a vertical color separation structure are formed by stacking three photoelectric conversion layers, and the high resolution photoelectric conversion layer is provided on the uppermost photoelectric conversion layer. It is characterized by being able to be.

さらに本発明を実施の撮像装置は、上記発明において、機能画素は、内部に入射する光量を所定の割合に制限する遮光部を最上層の光電変換層の上方に有することを特徴とする。 Further, the imaging apparatus according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the functional pixel has a light-shielding portion above the uppermost photoelectric conversion layer, which limits the amount of light incident inside to a predetermined ratio.

また、本発明を実施の信号処理方法は、光軸垂直方向に3層の光電変換層を積層し、最上層の光電変換層が2次元方向に複数の光電変換部を有する高解像度光電変換層である垂直色分離構造を有する複数の画素からなる撮像素子の信号処理方法であって、高解像度光電変換層の複数の光電変換部のうち第1の光電変換部の出力信号を、高解像度光電変換層の全ての光電変換部の出力信号の平均値に置換する置換処理を施す置換処理ステップと、高解像度光電変換層のうち第1の光電変換部を除く光電変換部の出力信号を撮像用の出力信号として利用可能に補正する第1の補正処理ステップと、置換処理を施した第1の光電変換部の出力信号を撮像用の出力信号として利用可能に補正する第2の補正処理ステップと、を有し、置換処理ステップ及び第1の補正処理ステップはハードウェア処理回路で行い、第2の補正処理ステップはソフトウェア処理回路で行うこと特徴とする。 Further, in the signal processing method according to the present invention, a high-resolution photoelectric conversion layer in which three photoelectric conversion layers are laminated in the direction perpendicular to the optical axis and the uppermost photoelectric conversion layer has a plurality of photoelectric conversion units in the two-dimensional direction. This is a signal processing method for an image pickup device composed of a plurality of pixels having a vertical color separation structure, wherein the output signal of the first photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units of the high resolution photoelectric conversion layer is converted into high resolution photoelectric. For imaging, a replacement processing step of performing a replacement process of replacing the output signals of all the photoelectric conversion units of the conversion layer with the average value, and an image pickup of the output signal of the photoelectric conversion unit other than the first photoelectric conversion unit of the high resolution photoelectric conversion layer. A first correction processing step that corrects the output signal of the first photoelectric conversion unit that has undergone replacement processing so that it can be used as an output signal of the above, and a second correction processing step that corrects the output signal of the first photoelectric conversion unit that has undergone replacement processing so that it can be used as an output signal for imaging. It has a substitution process steps and the first correction processing steps performed by a hardware processing circuit, the second correction processing step and performing the software processing circuit.

本発明を実施の撮像装置及び信号処理方法によれば、低感度画素の出力信号を適切に補正しつつ、後段で画像処理すべきデータ量を減らすことが可能となる。 According to the image pickup apparatus and the signal processing method according to the present invention, it is possible to reduce the amount of data to be image-processed in the subsequent stage while appropriately correcting the output signal of the low-sensitivity pixel.

本発明の一実施形態である撮像装置の主要な構成を示したブロック図である。It is a block diagram which showed the main structure of the image pickup apparatus which is one Embodiment of this invention. 撮像素子を説明する図であり、(a)は入射光とその吸収関係を説明する断面図、(b)は114構造を説明する模式図である。It is a figure explaining the image pickup element, (a) is the sectional view explaining the incident light and its absorption relation, and (b) is the schematic diagram explaining 114 structure. 撮像素子中の低感度画素の分布を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the distribution of low-sensitivity pixels in an image sensor. 信号処理部と画像処理部とで行われる処理を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the processing performed by a signal processing unit and an image processing unit. 信号処理部における主要な処理の流れを示したフローチャートである。It is a flowchart which showed the flow of the main processing in a signal processing part.

以下、添付の図面に従って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to this embodiment.

図1に示すブロック図には、本発明の一実施形態である撮像装置の主要な構成が示されている。本図に示す撮像装置100は、撮影光学系110と、撮像素子120と、読出し制御部130と、信号処理部140と、画像処理部150と、カメラCPU160と、ユーザインターフェース(I/F)161と、記録媒体インターフェース(I/F)163と、画像表示部170と、を備えている。撮影光学系110は、フォーカスレンズ群やズームレンズ群を含む、複数の不図示のレンズ群で構成されている。本図においては、簡単のために1枚のレンズのみ記載している。 The block diagram shown in FIG. 1 shows a main configuration of an image pickup apparatus according to an embodiment of the present invention. The image pickup device 100 shown in this figure includes a photographing optical system 110, an image pickup element 120, a read control unit 130, a signal processing unit 140, an image processing unit 150, a camera CPU 160, and a user interface (I / F) 161. A recording medium interface (I / F) 163 and an image display unit 170 are provided. The photographing optical system 110 is composed of a plurality of lens groups (not shown) including a focus lens group and a zoom lens group. In this figure, only one lens is shown for the sake of simplicity.

撮像素子120は、撮影光学系110により集光された光線を受光して光電変換し、画像信号を出力する。本実施形態の撮像素子120としては、CMOSイメージセンサが用いられている。撮像素子120の受光面は多数の画素から構成されている。これらの画素は、その内部において、入射光の波長により光電変換される深さの違いを用いることで、単一画素からRGBの各色成分信号を出力可能な垂直色分離型のイメージセンサである。垂直色分離型のイメージセンサについて詳しくは後述する。 The image sensor 120 receives the light beam focused by the photographing optical system 110, performs photoelectric conversion, and outputs an image signal. A CMOS image sensor is used as the image sensor 120 of this embodiment. The light receiving surface of the image sensor 120 is composed of a large number of pixels. These pixels are vertical color separation type image sensors capable of outputting each color component signal of RGB from a single pixel by using the difference in depth that is photoelectrically converted by the wavelength of incident light inside. The vertical color separation type image sensor will be described in detail later.

また、撮像素子120には通常画素と低感度画素とがそれぞれ複数含まれており、それらは所定の配列をもって撮像素子120を構成している。撮像素子120は内部に不図示のゲイン可変アンプ、ゲイン補正回路、A/Dコンバータを備えており、画像信号はデジタルデータとして出力される。 Further, the image pickup device 120 includes a plurality of normal pixels and a plurality of low-sensitivity pixels, each of which constitutes the image pickup device 120 with a predetermined arrangement. The image sensor 120 includes a gain variable amplifier, a gain correction circuit, and an A / D converter (not shown) inside, and the image signal is output as digital data.

低感度画素は、例えばダイナミックレンジが拡張された撮影画像(いわゆるHDR画像)を得る目的で使用される画素である。本実施形態においては、この低感度画素を機能画素の一種類として採用しているが、これに限られるものではなく、機能画素としていわゆる撮像面位相差AFを実現するための位相差検出用画素を採用してもよい。低感度画素についても詳しくは後述する。 The low-sensitivity pixel is a pixel used for the purpose of obtaining a photographed image (so-called HDR image) having an expanded dynamic range, for example. In the present embodiment, this low-sensitivity pixel is adopted as one type of functional pixel, but the present invention is not limited to this, and the phase difference detection pixel for realizing so-called imaging surface phase difference AF as a functional pixel is used. May be adopted. The low-sensitivity pixels will be described in detail later.

読出し制御部130は、撮像素子120の駆動タイミングを決定するための信号を出力する。これにより画素毎の水平駆動並びに垂直駆動が制御され、各画素からRGBの各色成分信号が読み出される。撮像素子120から出力された色成分信号は信号処理部140内に設けられているメモリ部141に記録される。メモリ部141は、この他にも各種データのバッファとして機能する。 The read-out control unit 130 outputs a signal for determining the drive timing of the image sensor 120. As a result, the horizontal drive and the vertical drive for each pixel are controlled, and each RGB color component signal is read out from each pixel. The color component signal output from the image sensor 120 is recorded in the memory unit 141 provided in the signal processing unit 140. The memory unit 141 also functions as a buffer for various data.

信号処理部140は撮像素子120から読み出されメモリ部141に記録された色成分信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理として、色成分信号に対して第1の補正処理や置換処理が施される。この第1の補正処理及び置換処理では低感度画素からの出力信号に対して補正が行われる。第1の補正処理及び置換処理について詳しくは後述する。 The signal processing unit 140 performs various signal processing on the color component signal read from the image sensor 120 and recorded in the memory unit 141. As the signal processing, the color component signal is subjected to the first correction processing and replacement processing. In this first correction process and replacement process, correction is performed on the output signal from the low-sensitivity pixel. The first correction process and replacement process will be described in detail later.

その他の処理としては、例えば、読み出した色成分信号を増幅するための増幅処理がある。 As another process, for example, there is an amplification process for amplifying the read color component signal.

この信号処理部140は撮像素子120の出力に対して前段処理を行うフロントエンド装置である。例えばFPGAやASICといった画像処理を実行するIC(半導体)で構成され、所定のハードウェア処理(専用ハードウェアによる特定のデータ処理)を行うロジック回路である。 The signal processing unit 140 is a front-end device that performs pre-stage processing on the output of the image sensor 120. For example, it is a logic circuit composed of ICs (semiconductors) that execute image processing such as FPGA and ASIC, and performs predetermined hardware processing (specific data processing by dedicated hardware).

画像処理部150は、信号処理部140から送られてきた色成分信号に対して各種の画像処理を施す。画像処理として、色成分信号に対して第2の補正処理やRAWデータ生成、HDR画像生成が施される。この第2の補正処理では低感度画素及び通常画素の出力信号の補正が行われる。第2の補正処理について詳しくは後述する。 The image processing unit 150 performs various image processing on the color component signal sent from the signal processing unit 140. As image processing, a second correction process, RAW data generation, and HDR image generation are performed on the color component signal. In this second correction process, the output signals of the low-sensitivity pixels and the normal pixels are corrected. The second correction process will be described in detail later.

その他の処理として、例えば、ホワイトバランス処理、色再現処理、JPEG形式やTIFF形式の画像データへの現像処理等がある。 Other processes include, for example, white balance processing, color reproduction processing, development processing for JPEG format and TIFF format image data, and the like.

この画像処理部150は信号処理部140から出力された信号に対して後段処理を行うバックエンド装置である。例えばDSPといった、ソフトウェアによってプログラミングされた所定のデータ処理を実行するプロセッサである。 The image processing unit 150 is a back-end device that performs post-stage processing on the signal output from the signal processing unit 140. A processor that performs certain software-programmed data processing, such as a DSP.

カメラCPU160は、撮像装置100全体の包括的な制御を行う。 The camera CPU 160 controls the entire image pickup apparatus 100 comprehensively.

ユーザI/F161は、例えば、レリーズボタン、電源ボタン、コマンドダイヤル、十字キー等の操作部材を有しており、ユーザがこれらの操作部材を操作すると、カメラCPU160は所定の動作を行う指示を出す。 The user I / F161 has, for example, operating members such as a release button, a power button, a command dial, and a cross key. When the user operates these operating members, the camera CPU 160 issues an instruction to perform a predetermined operation. ..

記録媒体I/F163は、不図示の記録媒体との間でRAWデータや現像後の画像データの記録又は読み出しを行う。この記録媒体は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。 The recording medium I / F163 records or reads RAW data and developed image data with a recording medium (not shown). This recording medium is a removable recording medium such as a semiconductor memory.

画像表示部170は、撮影画像や不図示の記録媒体から読み出された画像等を表示する。 The image display unit 170 displays a captured image, an image read from a recording medium (not shown), or the like.

なお、上述したゲイン可変アンプ、ゲイン補正回路、A/Dコンバータを内蔵していない撮像素子120を採用する場合には、これらのデバイスを個別に搭載すればよい。 When the image sensor 120 that does not have the above-mentioned gain variable amplifier, gain correction circuit, and A / D converter built-in is adopted, these devices may be mounted individually.

図2(a)は、撮像装置100に実装される垂直色分離型の撮像素子120の3層のフォトダイオードを単純化して示した断面図である。上述したように、本実施形態の撮像素子120はいわゆる垂直色分離型のイメージセンサであり、簡単には、光電変換層であるところのフォトダイオードが深さ方向に3つ積層されて構成されている。 FIG. 2A is a simplified cross-sectional view showing a three-layer photodiode of a vertical color-separated image sensor 120 mounted on the image pickup device 100. As described above, the image sensor 120 of the present embodiment is a so-called vertical color separation type image sensor, and is simply configured by stacking three photodiodes, which are photoelectric conversion layers, in the depth direction. There is.

ある画素に光が入射すると、入射光中の青色(B)成分は主に最上層に位置するBフォトダイオード121で光電変換される。同様に、入射光中の緑色(G)成分は主に中間層に位置するGフォトダイオード123で光電変換され、赤色(R)成分は主に最下層に位置するRフォトダイオード125で光電変換される。これらの垂直方向の色分離は、撮像素子120の材料として用いるシリコン(Si)の特性を利用したものである。3層のフォトダイオードは、Si基板内部の異なる深さに所定のドープ処理を行うことで形成される。具体的には、Bフォトダイオード121は約0.2〜0.5μmの間の深さに形成され、Gフォトダイオード123は約0.5〜1.5μmの間の深さに形成され、Rフォトダイオード125は約1.5〜3.0μmの間の深さに形成される。 When light is incident on a certain pixel, the blue (B) component in the incident light is photoelectrically converted mainly by the B photodiode 121 located in the uppermost layer. Similarly, the green (G) component in the incident light is photoelectrically converted mainly by the G photodiode 123 located in the intermediate layer, and the red (R) component is photoelectrically converted mainly by the R photodiode 125 located in the bottom layer. The diode. These vertical color separations utilize the characteristics of silicon (Si) used as a material for the image sensor 120. The three-layer photodiode is formed by performing predetermined doping treatments at different depths inside the Si substrate. Specifically, the B photodiode 121 is formed to a depth between about 0.2 and 0.5 μm, the G photodiode 123 is formed to a depth between about 0.5 and 1.5 μm, and the R The photodiode 125 is formed to a depth between about 1.5 and 3.0 μm.

従って、本実施形態の撮像素子120はベイヤー型イメージセンサに必須のカラーフィルタが不要でありながら、1つの画素でRGB3色の色成分信号を取得することが可能である。各画素が3色全ての波長成分を光電変換できるため、ベイヤー型イメージセンサにおいては必須の画素補間を行う必要がないというメリットもある。 Therefore, the image sensor 120 of the present embodiment can acquire the color component signals of three RGB colors with one pixel, without the need for the color filter essential for the Bayer type image sensor. Since each pixel can photoelectrically convert the wavelength components of all three colors, there is also an advantage that it is not necessary to perform pixel interpolation, which is indispensable for a Bayer type image sensor.

さらに本図(b)に示すように、本実施形態の撮像素子120は上述した特許文献2に開示の「114」構造を有している。すなわち、Bフォトダイオード121の数が対応するGフォトダイオード123及びRフォトダイオード125の数と比べて4倍になっており、GRフォトダイオードと比べてBフォトダイオード121自体の面積は小さくなっている。 Further, as shown in FIG. 3B, the image pickup device 120 of the present embodiment has the “114” structure disclosed in Patent Document 2 described above. That is, the number of B photodiodes 121 is four times that of the corresponding number of G photodiodes 123 and R photodiodes 125, and the area of the B photodiodes 121 itself is smaller than that of GR photodiodes. ..

不図示のマイクロレンズがそれぞれのBフォトダイオード121と対応するようにしてBフォトダイオード121上方に設けられている。B0、B1、B2、B3との記載は後述するBフォトダイオード121の信号読み出しの順番を示しており、そのまま各画素をそれぞれそのように呼ぶこととする。 A microlens (not shown) is provided above the B photodiode 121 so as to correspond to each B photodiode 121. The description of B0, B1, B2, and B3 indicates the order of signal reading of the B photodiode 121, which will be described later, and each pixel is referred to as such as it is.

本実施例において「画素」と記載した場合には、主に、上述したような4つのBフォトダイオード121と1つのGフォトダイオード123及びRフォトダイオードから成る114構造の最小構成を意味することとする。これによれば、1つの「画素」から合計6種類の色成分信号が得られることになる。 When the term "pixel" is used in this embodiment, it mainly means the minimum configuration of the 114 structure including the four B photodiodes 121, one G photodiode 123, and the R photodiode as described above. To do. According to this, a total of 6 types of color component signals can be obtained from one "pixel".

なお、フォトダイオードに換えて、有機物や無機物等により形成され特定の吸収特性を有する光電変換膜を光電変換層として複数積層させた構成としてもよい。 Instead of the photodiode, a plurality of photoelectric conversion films formed of an organic substance, an inorganic substance, or the like and having specific absorption characteristics may be laminated as a photoelectric conversion layer.

上述したように本実施形態の撮像素子120は通常画素と低感度画素とを有しており、どちらも上述した114構造を有している。低感度画素とは、通常画素に比べて各フォトダイオードが低感度となるように構成された画素であり、それ以外の構造は通常画素と同様であるとする。 As described above, the image sensor 120 of the present embodiment has a normal pixel and a low-sensitivity pixel, both of which have the 114 structure described above. The low-sensitivity pixel is a pixel configured so that each photodiode has a lower sensitivity than a normal pixel, and other structures are the same as those of a normal pixel.

低感度画素を得る構造としては複数考えられるが、例えば、金属等を画素上面にエッチングしてマスクとなる遮光部を形成し、これによって開口面積が制限されることで画素中のフォトダイオードに届く光量を減少させる方法がある。本実施形態の低感度画素については、最上層である4つのBフォトダイオード121のそれぞれに対応する不図示のメタルマスクを各フォトダイオード上方に設ける構成としている。 There are multiple possible structures for obtaining low-sensitivity pixels. For example, a light-shielding portion that serves as a mask is formed by etching metal or the like on the upper surface of the pixel, thereby limiting the opening area and reaching the photodiode in the pixel. There is a way to reduce the amount of light. The low-sensitivity pixel of the present embodiment has a configuration in which a metal mask (not shown) corresponding to each of the four B photodiodes 121 on the uppermost layer is provided above each photodiode.

この構成とすることで、Bフォトダイオード121全体としての入射光量を減少させられるだけでなく、それよりも下層に位置するGフォトダイオード123及びRフォトダイオード125についても同様に入射する光量を減らすことが可能となる。これにより、低感度画素の各フォトダイオードはそれぞれ通常画素の各フォトダイオードよりも低感度となる。 With this configuration, not only the amount of incident light of the B photodiode 121 as a whole can be reduced, but also the amount of incident light of the G photodiode 123 and the R photodiode 125 located in the lower layer can be reduced in the same manner. Is possible. As a result, each photodiode of the low-sensitivity pixel has a lower sensitivity than each photodiode of the normal pixel.

図3は、撮像素子120上方から見た各画素の配置を模式的に表した図であり、各矩形がそれぞれ上述した114構造の画素を表している。白い矩形が通常画素を、濃い色の矩形が低感度画素を表している。本図に示すように、低感度画素は2次元状に配置された通常画素の中に離散的に分布する構成となっている。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the arrangement of each pixel when viewed from above the image sensor 120, and each rectangle represents the pixel of the 114 structure described above. White rectangles represent normal pixels, and dark rectangles represent low-sensitivity pixels. As shown in this figure, the low-sensitivity pixels are discretely distributed among the normal pixels arranged in a two-dimensional manner.

読出し制御部130は、画素列毎に読み出しを行うために撮像素子120の駆動タイミングを決定する信号を出力する。これにより画素毎の水平駆動並びに垂直駆動が制御され、各画素からRGBの各色成分信号が読み出される。詳しくは、水平駆動信号によって選択された行において、まず、最上層の4つあるBフォトダイオード121を所定の順序に従って読み出す。撮像素子120から読み出された各色成分信号は、順次信号処理部140に送られる。 The read-out control unit 130 outputs a signal for determining the drive timing of the image pickup device 120 in order to read out for each pixel sequence. As a result, the horizontal drive and the vertical drive for each pixel are controlled, and each RGB color component signal is read out from each pixel. Specifically, in the row selected by the horizontal drive signal, first, the four B photodiodes 121 on the uppermost layer are read out in a predetermined order. Each color component signal read from the image sensor 120 is sequentially sent to the signal processing unit 140.

本実施例では上述したように、所定の読み出し順序としてB0、B1、B2、B3の順に各Bフォトダイオード121に蓄積された色成分信号を読み出す。すなわち、ある行が選択され読み出しが開始されると、まず初めにその行内の全ての画素のB0が端から順番に読み出され、B0の読み出しが完了すると次に同一行の全画素からB1が読み出され、続けてB2、さらにB3が読み出される。4種類のBフォトダイオード121からの読み出しが完了すると、続いて同一行から中間層のGフォトダイオード123の信号を読み出し、最後に最下層のRフォトダイオード125の信号を読み出す。 In this embodiment, as described above, the color component signals stored in each B photodiode 121 are read out in the order of B0, B1, B2, and B3 as a predetermined reading order. That is, when a certain row is selected and reading is started, B0 of all the pixels in the row is first read in order from the end, and when the reading of B0 is completed, B1 is read from all the pixels in the same row. It is read, and then B2 and then B3 are read. When the reading from the four types of B photodiodes 121 is completed, the signal of the intermediate layer G photodiode 123 is subsequently read from the same row, and finally the signal of the lowest layer R photodiode 125 is read.

これにより1行の全ての画素からB0、B1、B2、B3、G、Rの6種類の色成分信号が読み出されたことになる。そして、以上の読み出しを撮像素子120上の全ての行に対して行うことで、画像1フレーム分の各色成分信号の読み出しが完了する。 As a result, six types of color component signals of B0, B1, B2, B3, G, and R are read out from all the pixels in one line. Then, by performing the above reading for all the rows on the image sensor 120, the reading of each color component signal for one frame of the image is completed.

上述したように本撮像素子120では低感度画素が離散的に分布しているので、選択された行によっては読み出される色成分信号の中に低感度画素からの信号も含まれることになる。この低感度画素からの出力信号を適切に取り扱うための処理が、前段処理を担う信号処理部140と後段処理を担う画像処理部150とで施される。図4は、この信号処理部140と画像処理部150とで行われる本発明に係る処理を示した模式図である。 As described above, since the low-sensitivity pixels are discretely distributed in the image sensor 120, the signal from the low-sensitivity pixel is included in the color component signal read out depending on the selected row. Processing for appropriately handling the output signal from the low-sensitivity pixel is performed by the signal processing unit 140, which is responsible for the pre-stage processing, and the image processing unit 150, which is responsible for the post-stage processing. FIG. 4 is a schematic view showing the processing according to the present invention performed by the signal processing unit 140 and the image processing unit 150.

上述したように、信号処理部140はハードウェア処理を行うロジック回路であるので、後段の画像処理部150と比べて高速処理が可能という特徴がある。一方、画像処理部150はソフトウェア処理を行うプロセッサであるので、前段の信号処理部140と比べて処理プログラムの変更が容易に行えるという特徴がある。 As described above, since the signal processing unit 140 is a logic circuit that performs hardware processing, it is characterized in that it can perform high-speed processing as compared with the image processing unit 150 in the subsequent stage. On the other hand, since the image processing unit 150 is a processor that performs software processing, it has a feature that the processing program can be easily changed as compared with the signal processing unit 140 in the previous stage.

まず初めに信号処理部140について説明する。撮像素子120から信号処理部140に入力された色成分信号は、まず信号判別部143で所定の条件を満たすか否かが判別され、条件を満たす信号が適宜第1の補正処理部145や置換処理部147に送られる。 First, the signal processing unit 140 will be described. The color component signal input from the image sensor 120 to the signal processing unit 140 is first determined by the signal discrimination unit 143 whether or not the predetermined condition is satisfied, and the signal satisfying the condition is appropriately replaced with the first correction processing unit 145 or the replacement. It is sent to the processing unit 147.

第1の補正処理部145では、低感度画素から読み出されたB成分信号のうち、後述する代表フォトダイオードBr以外の3つのBフォトダイオード121から読み出されたB成分信号に対して所定の補正処理を行う。これらの処理が施された3つのB成分信号は画像処理部150へと送られる。 The first correction processing unit 145 determines the B component signals read from the three B photodiodes 121 other than the representative photodiode Br, which will be described later, among the B component signals read from the low-sensitivity pixels. Perform correction processing. The three B component signals subjected to these processes are sent to the image processing unit 150.

一方、置換処理部147では、低感度画素から読み出されたB成分信号のうち、例えば上述したB0に位置するBフォトダイオード121から読み出されたB成分信号に対して所定の置換処理を行う。置換処理部147において置換処理の対象となるこのB0フォトダイオードを代表フォトダイオードBrと呼ぶこととする。 On the other hand, in the replacement processing unit 147, among the B component signals read from the low-sensitivity pixels, for example, the B component signal read from the B photodiode 121 located at B0 described above is subjected to predetermined replacement processing. .. This B0 photodiode, which is the target of the replacement process in the replacement process unit 147, is referred to as a representative photodiode Br.

なお、代表フォトダイオードBrとなるのはB0に限られない。4つのBフォトダイオード121のいずれであっても代表フォトダイオードBrとして設定することが可能である。 The representative photodiode Br is not limited to B0. Any of the four B photodiodes 121 can be set as the representative photodiode Br.

代表フォトダイオードBrの信号値は信号処理部140で置換処理された後、置換信号値として画像処理部150へと送られる。 The signal value of the representative photodiode Br is replaced by the signal processing unit 140 and then sent to the image processing unit 150 as a replacement signal value.

上記の信号処理部140における主要な処理の流れを示したものが図5のフローチャートである。上述したように、信号処理部140では、色成分信号が読み出された画素やフォトダイオードの種類に応じて異なる処理が行われる。 The flowchart of FIG. 5 shows the main processing flow in the signal processing unit 140. As described above, the signal processing unit 140 performs different processing depending on the type of pixel or photodiode from which the color component signal is read.

まずステップS101では、画素から読み出された色成分信号が低感度画素から読み出された信号であるか否かの判断を行う。低感度画素から読み出された信号ではなかった場合にはフローチャートを終了し、何の処理も施すことなく後段の画像処理部150に送られる。一方、低感度画素から読み出された信号であった場合には、ステップS102に進む。 First, in step S101, it is determined whether or not the color component signal read from the pixel is a signal read from the low-sensitivity pixel. If the signal is not read from the low-sensitivity pixel, the flowchart is terminated and the signal is sent to the image processing unit 150 in the subsequent stage without performing any processing. On the other hand, if the signal is read from the low-sensitivity pixel, the process proceeds to step S102.

次にステップS102では、読み出された色成分信号がBフォトダイオード121から読み出された信号であるか否かの判断を行う。Bフォトダイオード121から読み出された信号ではなかった場合にはフローチャートを終了し、何の処理も施すことなく後段の画像処理部150に送られる。一方、Bフォトダイオード121から読み出された信号であった場合には、ステップS103に進む。 Next, in step S102, it is determined whether or not the read color component signal is a signal read from the B photodiode 121. If the signal is not read from the B photodiode 121, the flowchart is terminated and the signal is sent to the subsequent image processing unit 150 without any processing. On the other hand, if the signal is read from the B photodiode 121, the process proceeds to step S103.

次にステップS103では、読み出された色成分信号が代表フォトダイオードBrから読み出された信号であるか否かの判断を行う。代表フォトダイオードBrから読み出された信号ではなかった場合にはステップS104に進み、一方、代表フォトダイオードBrから読み出された信号であった場合にはステップS105に進む。 Next, in step S103, it is determined whether or not the read color component signal is a signal read from the representative photodiode Br. If the signal is not read from the representative photodiode Br, the process proceeds to step S104, while if the signal is read from the representative photodiode Br, the process proceeds to step S105.

フローチャートにおけるこれらの判別は、信号処理部140内に設けられた信号判別部143が行う。判別に際して信号判別部143は、例えば読み出したBフォトダイオード121の数を同一行の端からカウントし、カウントされた数と予め記憶されていた低感度画素の位置(端から何個目かについての情報)を比較することで判別を行う。 These determinations in the flowchart are performed by the signal determination unit 143 provided in the signal processing unit 140. At the time of discrimination, the signal discrimination unit 143 counts, for example, the number of read B photodiodes 121 from the end of the same row, and the counted number and the position of the low-sensitivity pixel stored in advance (the number from the end). Information) is compared to make a judgment.

ステップS104では、読み出された色成分信号に対して第1の補正処理が施される。詳しくは、信号処理部140内の第1の補正処理部145は、代表フォトダイオードBr以外の3種類のBフォトダイオード121から読み出された信号値に対して、感度低下により失われた信号値を補正した補正信号値B1’、B2’、B3’を算出する第1の補正処理を行う。この補正は、予め記憶しておいたゲイン値を用いたゲイン補正と、周囲の通常画素の信号値から当該低感度画素位置における信号値を補間する補間補正のいずれであってもよい。 In step S104, the first correction process is applied to the read color component signal. Specifically, the first correction processing unit 145 in the signal processing unit 140 refers to the signal values read from the three types of B photodiodes 121 other than the representative photodiode Br, and the signal values lost due to the decrease in sensitivity. The first correction process for calculating the correction signal values B1', B2', and B3' corrected by the above is performed. This correction may be either a gain correction using a gain value stored in advance or an interpolation correction that interpolates the signal value at the low-sensitivity pixel position from the signal values of the surrounding normal pixels.

またステップS105では、読み出された色成分信号に対して置換処理が施される。詳しくは、信号処理部140内の置換処理部147は、代表フォトダイオードBrを含む4種類のBフォトダイオード121の補正前の信号値の平均値Bavを算出し、その平均信号値Bavを代表フォトダイオードBrの信号値と置換する処理を行う。 Further, in step S105, the read color component signal is subjected to replacement processing. Specifically, the replacement processing unit 147 in the signal processing unit 140 calculates the average value Bav of the signal values before correction of the four types of B photodiodes 121 including the representative photodiode Br, and the average signal value Bav is used as the representative photo. A process of replacing the signal value of the diode Br is performed.

なお、上述した代表フォトダイオードBrは4種類のBフォトダイオード121の信号値の平均値としたが、これは単純平均値であっても加重平均値であってもよい。重み付け係数の決定は任意であるが、例えば、配線層等の画素内部構造に基づくBフォトダイオード間の感度の微小な差異を考慮して決定することができる。配線層の影響によりB0の感度が相対的に低いことが明らかな場合には、このB0に対する重み付け係数を低く設定することで、平均値Bavに対する不要なノイズの影響を低減することができる。 The representative photodiode Br described above is the average value of the signal values of the four types of B photodiode 121, but this may be a simple average value or a weighted average value. The weighting coefficient is arbitrarily determined, but can be determined in consideration of a minute difference in sensitivity between the B photodiodes based on the internal structure of the pixel such as the wiring layer. When it is clear that the sensitivity of B0 is relatively low due to the influence of the wiring layer, the influence of unnecessary noise on the average value Bav can be reduced by setting the weighting coefficient for B0 low.

以上の2種類の処理によって、低感度状態にあった4種類のBフォトダイオード121の信号値から、低感度状態の信号値が1つ(Bav)と画像データに利用可能に補正がなされた信号値が3つ(B1’、B2’、B3’)算出されたことになる。これらの信号は画像処理部150に出力される。これによって本フローチャートが終了する。 By the above two types of processing, the signal values of the four types of B photodiodes 121 that were in the low-sensitivity state are corrected to one signal value (Bav) in the low-sensitivity state so that they can be used in the image data. It means that three values (B1', B2', B3') have been calculated. These signals are output to the image processing unit 150. This ends this flowchart.

図4の説明に戻り、後段処理を担う画像処理部150について説明する。信号処理部140から入力された平均信号値BavとG成分信号及びR成分信号は、画像処理部150内部に設けられた第2の補正処理部151に送られる。また、これらの信号値は後述するHDR画像生成部155にも送られる。 Returning to the description of FIG. 4, the image processing unit 150 that is responsible for the post-stage processing will be described. The average signal value Bav, the G component signal, and the R component signal input from the signal processing unit 140 are sent to the second correction processing unit 151 provided inside the image processing unit 150. In addition, these signal values are also sent to the HDR image generation unit 155, which will be described later.

第2の補正処理部151では、信号処理部140から入力された平均信号値Bavに対して所定の補正処理が施される。この第2の補正処理部151では、同様に、低感度画素から読み出されたG成分信号及びR成分信号に対しても所定の補正処理を施す。 The second correction processing unit 151 performs a predetermined correction processing on the average signal value Bav input from the signal processing unit 140. Similarly, the second correction processing unit 151 also performs predetermined correction processing on the G component signal and the R component signal read from the low-sensitivity pixels.

第2の補正処理部151で行うこれらの補正処理は、低感度画素で得られた信号値に対して感度の低下により失われた信号値を補正する処理となっている。 These correction processes performed by the second correction processing unit 151 are processes for correcting the signal values lost due to the decrease in sensitivity with respect to the signal values obtained by the low-sensitivity pixels.

詳しくは、第2の補正処理部151は平均信号値Bavに対して公知の画素補間処理を行い、補正後の信号値Bav’を生成する。この画素補間処理とは、周囲の通常画素の信号値から当該画素位置の信号値を推定して補正する処理のことである。 Specifically, the second correction processing unit 151 performs known pixel interpolation processing on the average signal value Bav to generate the corrected signal value Bav'. This pixel interpolation process is a process of estimating the signal value of the pixel position from the signal value of the surrounding normal pixels and correcting it.

この画素補間処理は平均信号値Bavに専用の補間処理として用意することも可能であるが、いわゆる欠陥画素補正処理を適用することも可能である。欠陥画素補正処理とは、例えば工場出荷前の調整工程において欠陥状態の画素をカメラ内に登録しておき、撮影時に当該欠陥画素位置の信号値を周囲の正常な画素信号値を用いて補間補正する処理である。 This pixel interpolation processing can be prepared as a dedicated interpolation processing for the average signal value Bav, but it is also possible to apply a so-called defect pixel correction processing. The defective pixel correction process is, for example, registering a defective pixel in a camera in an adjustment process before factory shipment, and interpolating and correcting the signal value of the defective pixel position at the time of shooting using the surrounding normal pixel signal value. It is a process to do.

この欠陥画素補正処理は、一般に後段の画像処理部内で行うことが多いので、平均信号値Bavの補正についてもこの処理を適用することで開発リソースの削減やプログラム容量の圧縮等のメリットとなる。 Since this defect pixel correction process is generally performed in the image processing unit in the subsequent stage, applying this process to the correction of the average signal value Bav also has merits such as reduction of development resources and compression of program capacity.

また、低感度画素から読み出されたG成分信号及びR成分信号に対しては、第2の補正処理部151において、置換信号値に対して行った画素補間処理を行ってもいいし、予め記憶しておいたゲイン値をかけて信号値を補正するゲイン補正を行ってもいい。これにより補正後の信号値G’及びR’が生成される。 Further, the G component signal and the R component signal read from the low-sensitivity pixels may be subjected to the pixel interpolation processing performed on the replacement signal value in the second correction processing unit 151 in advance. Gain correction may be performed to correct the signal value by multiplying the stored gain value. As a result, the corrected signal values G'and R'are generated.

第2の補正処理部151で補正処理を受けた各信号値はRAWデータ生成部153に送られる。RAWデータ生成部153に入力された6種類の信号値(Bav’、B1’、B2’、B3’、G’、R’)は、低感度画素から読み出された当初は低感度状態の信号値であったものの、上述した第1の補正処理及び第2の補正処理によって信号値の補正が行われていたものである。RAWデータ生成部153では、これらの信号値と通常画素から読み出された信号値とからRAWデータを生成する。 Each signal value that has undergone correction processing by the second correction processing unit 151 is sent to the RAW data generation unit 153. The six types of signal values (Bav', B1', B2', B3', G', R') input to the RAW data generation unit 153 are initially low-sensitivity signals read from the low-sensitivity pixels. Although it was a value, the signal value was corrected by the above-mentioned first correction process and the second correction process. The RAW data generation unit 153 generates RAW data from these signal values and the signal values read from the normal pixels.

HDR画像生成部155では、必要に応じて、生成されたRAWデータと同一低感度画素から読み出された低感度状態の3種類の信号値(Bav、G、R)とを用いてHDR(ハイダイナミックレンジ)画像が生成される。HRD画像の生成については上述した特許文献1等の公知の技術を用いることができる。このHDR画像生成処理を行うか否かについては、例えばユーザがユーザI/F161を介して任意に設定することができる。 In the HDR image generation unit 155, if necessary, HDR (high) is used with the generated RAW data and three types of signal values (Bav, G, R) in the low sensitivity state read from the same low sensitivity pixel. Dynamic range) An image is generated. For the generation of the HRD image, a known technique such as Patent Document 1 described above can be used. Whether or not to perform this HDR image generation processing can be arbitrarily set by the user, for example, via the user I / F161.

生成されたRAWデータやHDR画像は、カメラCPU160を介して記憶媒体I/Fに送られて記録される。また、画像表示部170には、撮影結果の確認用画像が表示される。 The generated RAW data and HDR image are sent to the storage medium I / F via the camera CPU 160 and recorded. In addition, an image for confirming the shooting result is displayed on the image display unit 170.

以上で説明したように、114構造によりB色成分に低感度状態の信号値が複数含まれるような撮像素子120において、前段の信号処理部140ではB成分の低感度信号を1つだけ残して予め他の3つの低感度信号を補正処理しておき、残り1つのB成分低感度信号は後段の画像処理部150において補正処理することとした。このような構成とすることにより、処理速度に優れた信号処理部での処理の分担を大きくでき、その他の一般的な処理も行う画像処理部の負荷を軽減して処理遅延の発生を防ぐことが可能となる。 As described above, in the image sensor 120 in which a plurality of low-sensitivity signal values are included in the B color component due to the 114 structure, the signal processing unit 140 in the previous stage leaves only one low-sensitivity signal of the B component. It was decided that the other three low-sensitivity signals were corrected in advance, and the remaining one B component low-sensitivity signal was corrected by the image processing unit 150 in the subsequent stage. With such a configuration, it is possible to increase the division of processing in the signal processing unit having excellent processing speed, reduce the load on the image processing unit that also performs other general processing, and prevent the occurrence of processing delay. Is possible.

また、残す1つのB成分低感度信号として代表フォトダイオードBrの信号値をそのまま利用するのではなく、画素を構成するその他のBフォトダイオードの信号値を含めた4信号分の平均値Bavを置換して利用することにより、114構造とすることで相対的に増加した各Bフォトダイオードのノイズを平均化して低減することが可能となる。 Further, instead of using the signal value of the representative photodiode Br as it is as one remaining B component low-sensitivity signal, the average value Bav of four signals including the signal values of the other B photodiodes constituting the pixel is replaced. By using the 114 structure, it is possible to average and reduce the noise of each B photodiode that has increased relatively.

一方で、代表フォトダイオードBrの信号値を平均値Bavで置換せずにそのままの信号値B0を使うことも可能である。 On the other hand, it is also possible to use the signal value B0 as it is without replacing the signal value of the representative photodiode Br with the average value Bav.

次に、画素を構成するフォトダイオードが欠陥だった場合を考える。例えば、代表フォトダイオードBrであるB0が欠陥画素であった場合、その情報は撮像装置100の工場出荷前の調整工程においてカメラ内に登録されているので、信号処理部140内部に設けた不図示の欠陥画素判別部において登録情報を参照して欠陥画素を判別特定し、欠陥画素を除外したB1〜B3の3つのBフォトダイオード121の信号値から平均信号値Bavを算出する。これにより、欠陥画素であるB0が出力する異常な信号値によって平均信号値Bavが影響を受けるのを防ぐことが可能となる。 Next, consider the case where the photodiodes that make up the pixels are defective. For example, when B0, which is a representative photodiode Br, is a defective pixel, the information is registered in the camera in the adjustment process before shipment from the factory of the image pickup apparatus 100, so that the information is not shown inside the signal processing unit 140. The defective pixel discriminating unit of the above discriminates and identifies defective pixels with reference to the registration information, and calculates the average signal value Bav from the signal values of the three B photodiodes 121 of B1 to B3 excluding the defective pixels. This makes it possible to prevent the average signal value Bav from being affected by the abnormal signal value output by the defective pixel B0.

同様に、代表フォトダイオードBrであるB0と同一画素内に位置するB1〜B3の中に欠陥画素が含まれていた場合にも、信号処理部140は登録情報を参照して欠陥画素を除外して平均信号値Bavを算出することができる。 Similarly, even when defective pixels are included in B1 to B3 located in the same pixel as B0 which is the representative photodiode Br, the signal processing unit 140 excludes the defective pixels by referring to the registration information. The average signal value Bav can be calculated.

なお、代表フォトダイオードBrの信号値を平均値で置換せずにそのまま使用する構成とした場合、その代表フォトダイオードBrが欠陥画素となってしまうとHDR画像の生成に必要な情報の精度が低下してしまう。従って、代表フォトダイオードBrが欠陥画素である場合に限って同一画素内のB1〜B3の信号値の平均信号値Bavで置換する構成とすることも可能である。 In addition, when the signal value of the representative photodiode Br is used as it is without being replaced by the average value, if the representative photodiode Br becomes a defective pixel, the accuracy of the information required for generating the HDR image is lowered. Resulting in. Therefore, only when the representative photodiode Br is a defective pixel, it is possible to replace it with the average signal value Bav of the signal values of B1 to B3 in the same pixel.

なお、上述した実施形態の撮像装置ではいわゆる114構造を有した撮像素子について本発明を適用した例を示したが、これに限られるものではない。 In the image pickup apparatus of the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to an image pickup device having a so-called 114 structure is shown, but the present invention is not limited thereto.

例えば、最上層が2等分された112構造や8等分された118構造を持つ撮像素子であっても、本発明の有する効果を発揮することができる。すなわち、これらの撮像素子の場合でも上述した実施例と同様に、信号処理部において代表フォトダイオードBrの信号値を平均信号値Bavと置換し、それ以外のBフォトダイオードの信号値を補間処理すればよい。 For example, even an image sensor having a 112 structure in which the uppermost layer is bisected or a 118 structure in which the uppermost layer is bisected can exhibit the effects of the present invention. That is, even in the case of these image sensors, the signal value of the representative photodiode Br is replaced with the average signal value Bav in the signal processing unit, and the signal values of the other B photodiodes are interpolated, as in the above-described embodiment. Just do it.

さらに、上述した実施形態では最上層であるB感光層を4分割した高解像層としていたが、これに限られるものではない。すなわち、最上層以外の中間層であるG感光層や最下層であるR感光層を高解像層としてフォトダイオードを複数に分割して構成してもよい。この場合も上述した実施例と同様に、複数の光電変換部の1つを平均値で置換する処理を信号処理部にて行えばよい。 Further, in the above-described embodiment, the B photosensitive layer, which is the uppermost layer, is divided into four to form a high-resolution layer, but the present invention is not limited to this. That is, the photodiode may be divided into a plurality of layers with the G photosensitive layer, which is an intermediate layer other than the uppermost layer, and the R photosensitive layer, which is the lowest layer, as a high resolution layer. In this case as well, as in the above-described embodiment, the signal processing unit may perform a process of replacing one of the plurality of photoelectric conversion units with an average value.

以上で説明したように、本発明に記載の撮像装置によれば、一部の層が高解像層である垂直色分離型の低感度画素を有する撮像素子において、前段の信号処理部では高解像層の低感度信号のうち1つだけ残して他の低感度信号を予め補正処理しておき、残り1つの低感度信号を後段の画像処理部において補正処理することとした。 As described above, according to the image pickup apparatus described in the present invention, in an image pickup device having a vertical color separation type low-sensitivity pixel in which a part of the layers is a high-resolution layer, the signal processing unit in the previous stage is high. It was decided that only one of the low-sensitivity signals in the resolution layer was left and the other low-sensitivity signals were corrected in advance, and the remaining one low-sensitivity signal was corrected in the image processing unit in the subsequent stage.

このような構成とすることにより、処理速度に優れた信号処理部での処理の分担を大きくでき、その他の一般的な処理も行う画像処理部の負荷を軽減して処理遅延の発生を防ぐことが可能となる。 With such a configuration, it is possible to increase the division of processing in the signal processing unit having excellent processing speed, reduce the load on the image processing unit that also performs other general processing, and prevent the occurrence of processing delay. Is possible.

100 撮像装置、110 撮影光学系、120 撮像素子、121 Bフォトダイオード、123 Gフォトダイオード、125 Rフォトダイオード、130 読出し制御部、140 信号処理部、141 メモリ部、143 信号判別部、145 第1の補正処理部、147 置換処理部、150 画像処理部、151 第2の補正処理部、153 RAWデータ生成部、155 HDR画像生成部、160 カメラCPU、161 ユーザインターフェース、163 記録媒体インターフェース、170 画像表示部 100 image pickup device, 110 imaging optical system, 120 image sensor, 121 B photodiode, 123 G photodiode, 125 R photodiode, 130 read control unit, 140 signal processing unit, 141 memory unit, 143 signal discriminator unit, 145 first Correction processing unit, 147 replacement processing unit, 150 image processing unit, 151 second correction processing unit, 153 RAW data generation unit, 155 HDR image generation unit, 160 camera CPU, 161 user interface, 163 recording medium interface, 170 images. Display

Claims (9)

光軸垂直方向に複数の光電変換層を積層してなる垂直色分離構造を有する複数の画素が2次元方向に配列され、複数の前記画素は、複数の前記光電変換層のうち一部の光電変換層が2次元方向に複数の光電変換部を有してなる高解像度光電変換層である撮像素子と、
前記撮像素子から出力信号を読み出す読出し制御部と、
読み出された前記出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理部と、
前記信号処理部から送られてきた前記出力信号に対して所定の画像処理を行う画像処理部と、
を有し、
複数の前記画素は、撮像用の出力信号を生成する通常画素と、前記通常画素の複数の前記光電変換層の感度よりもそれぞれ低感度な複数の前記光電変換層を有する機能画素とを含み、
前記信号処理部は、前記機能画素において、
前記高解像度光電変換層の複数の前記光電変換部のうち第1の光電変換部の出力信号を、前記高解像度光電変換層の全ての前記光電変換部の出力信号に基づいて算出される算出値に置換する置換処理を施す置換処理部と、
前記高解像度光電変換層のうち前記第1の光電変換部を除く前記光電変換部の出力信号に第1の補正処理を施して撮像用の出力信号として利用可能に補正する第1の補正処理部と、
を有し、
前記画像処理部は、前記置換処理を施した前記第1の光電変換部の出力信号に第2の補正処理を施して撮像用の出力信号として利用可能に補正する第2の補正処理部を有する
こと特徴とする撮像装置。
A plurality of pixels having a vertical color separation structure formed by stacking a plurality of photoelectric conversion layers in the vertical direction of the optical axis are arranged in a two-dimensional direction, and the plurality of pixels are a part of the photoelectrics of the plurality of photoelectric conversion layers. An image pickup element, which is a high-resolution photoelectric conversion layer in which the conversion layer has a plurality of photoelectric conversion units in the two-dimensional direction,
A read control unit that reads an output signal from the image sensor,
A signal processing unit that performs predetermined signal processing on the read output signal, and
An image processing unit that performs predetermined image processing on the output signal sent from the signal processing unit, and
Have,
The plurality of pixels include a normal pixel that generates an output signal for imaging, and a functional pixel having a plurality of the photoelectric conversion layers having a sensitivity lower than the sensitivity of the plurality of photoelectric conversion layers of the normal pixel.
The signal processing unit in the functional pixel
A calculated value calculated based on the output signals of the first photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer, based on the output signals of all the photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer. A replacement processing unit that performs replacement processing to replace with
A first correction processing unit that performs a first correction process on the output signal of the photoelectric conversion unit excluding the first photoelectric conversion unit in the high-resolution photoelectric conversion layer so that it can be used as an output signal for imaging. When,
Have,
The image processing unit has a second correction processing unit that performs a second correction process on the output signal of the first photoelectric conversion unit that has undergone the replacement process so that it can be used as an output signal for imaging. imaging device, characterized in that.
前記信号処理部はハードウェア処理により処理を行い、前記画像処理部はソフトウェア処理により処理を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the signal processing unit performs processing by hardware processing, and the image processing unit performs processing by software processing.
前記算出値は、前記高解像度光電変換層の全ての前記光電変換部の出力信号の単純平均値又は加重平均値である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 1 or 2, wherein the calculated value is a simple average value or a weighted average value of the output signals of all the photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer.
前記第1の補正処理部は、前記第1の補正処理として、前記高解像度光電変換層のうち前記第1の光電変換部を除く前記光電変換部の出力信号に対してゲイン補正を行い、
前記第2の補正処理部は、前記第2の補正処理として前記算出値に対して補間補正を行う
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の撮像装置。
As the first correction process, the first correction processing unit performs gain correction on the output signal of the photoelectric conversion unit excluding the first photoelectric conversion unit in the high resolution photoelectric conversion layer.
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the second correction processing unit performs interpolation correction on the calculated value as the second correction processing.
前記第2の補正処理部は、前記第2の補正処理として、複数の前記光電変換層のうち前記高解像度光電変換層を除く前記光電変換層の出力信号に対してゲイン補正又は補間補正を行う
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の撮像装置。
As the second correction process, the second correction processing unit performs gain correction or interpolation correction on the output signal of the photoelectric conversion layer excluding the high resolution photoelectric conversion layer among the plurality of photoelectric conversion layers. The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記信号処理部はさらに欠陥画素判別部を有し、
前記欠陥画素判別部は、前記高解像度光電変換層の複数の前記光電変換部が欠陥画素であるか否かの判別を行い、
複数の前記光電変換部のいずれかが欠陥画素であった場合に、前記置換処理部は前記欠陥画素の出力信号を除外して前記置換処理を行う
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の撮像装置。
The signal processing unit further has a defective pixel discriminating unit.
The defective pixel determination unit determines whether or not the plurality of photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer are defective pixels.
Any of claims 1 to 5, wherein when any of the plurality of photoelectric conversion units is a defective pixel, the replacement processing unit performs the replacement processing by excluding the output signal of the defective pixel. The imaging device described in Crab.
前記垂直色分離構造を有する複数の前記画素は3層の前記光電変換層を積層してなり、
前記高解像度光電変換層は最上層の前記光電変換層に設けられる
ことを特徴とする請求項1乃至6に記載の撮像装置。
The plurality of pixels having the vertical color separation structure are formed by stacking three layers of the photoelectric conversion layer.
The imaging device according to claim 1 to 6, wherein the high-resolution photoelectric conversion layer is provided on the uppermost photoelectric conversion layer.
前記機能画素は、内部に入射する光量を所定の割合に制限する遮光部を最上層の前記光電変換層の上方に有する
ことを特徴とする請求項1乃至7に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 1 to 7, wherein the functional pixel has a light-shielding portion that limits the amount of light incident inside to a predetermined ratio above the photoelectric conversion layer on the uppermost layer.
光軸垂直方向に3層の光電変換層を積層し、最上層の前記光電変換層が2次元方向に複数の光電変換部を有する高解像度光電変換層である垂直色分離構造を有する複数の画素からなる撮像素子の信号処理方法であって、
前記高解像度光電変換層の複数の前記光電変換部のうち第1の光電変換部の出力信号を、前記高解像度光電変換層の全ての前記光電変換部の出力信号の平均値に置換する置換処理を施す置換処理ステップと、
前記高解像度光電変換層のうち前記第1の光電変換部を除く前記光電変換部の出力信号を撮像用の出力信号として利用可能に補正する第1の補正処理ステップと、
前記置換処理を施した前記第1の光電変換部の出力信号を撮像用の出力信号として利用可能に補正する第2の補正処理ステップと、
を有し、
前記置換処理ステップ及び前記第1の補正処理ステップはハードウェア処理回路で行い、前記第2の補正処理ステップはソフトウェア処理回路で行う
こと特徴とする信号処理方法
A plurality of pixels having a vertical color separation structure in which three photoelectric conversion layers are laminated in the vertical direction of the optical axis, and the uppermost photoelectric conversion layer is a high-resolution photoelectric conversion layer having a plurality of photoelectric conversion units in a two-dimensional direction. It is a signal processing method of an image sensor consisting of
Substitution processing that replaces the output signal of the first photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer with the average value of the output signals of all the photoelectric conversion units of the high-resolution photoelectric conversion layer. And the replacement process
A first correction processing step of correcting the output signal of the photoelectric conversion unit excluding the first photoelectric conversion unit of the high-resolution photoelectric conversion layer so that it can be used as an output signal for imaging.
A second correction processing step of correcting the output signal of the first photoelectric conversion unit that has undergone the replacement processing so that it can be used as an output signal for imaging, and
Have,
Signal processing method, which comprises carrying out the replacement processing step and the first correction processing steps performed by a hardware processing circuit, the second correction processing steps by software processing circuit.
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