JPWO2012153533A1 - カラーフィルタアレイ及び撮像素子 - Google Patents

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Abstract

カラーフィルタアレイ21aは分光感度特性が異なる第1のカラーフィルタを含む7種類以上のカラーフィルタを有する。7種類以上のカラーフィルタは2次元状に並べられる。7種類以上のカラーフィルタの中で少なくとも2種類以上のカラーフィルタを注目カラーフィルタとする。注目カラーフィルタから第1の方向に沿った両側に第1の間隔で配置される2つのカラーフィルタは同じ種類である。注目カラーフィルタから第1の方向と異なる第2の方向に沿った両側に第2の間隔で配置される2つのカラーフィルタは同じ種類である。カラーフィルタのうち少なくとも1種類のカラーフィルタは他の種類のカラーフィルタよりも高い密度である。これにより、マルチバンドのカラーフィルタアレイから高精度の勾配情報を取得可能にする。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2011年5月11日に出願された日本国特許出願2011−106740号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
本発明は、色再現性を向上させながら、様々な画像処理に使用される勾配情報(微分情報)を高い精度で取得可能にさせるカラーフィルタアレイ及び撮像素子に関する。
フルカラー画像を撮像するために、RGBの3色のカラーフィルタを撮像素子に設けた撮像装置が知られている。撮像した画像から様々な情報の検出や、画像に対する様々な処理に用いるために、画像の勾配情報を取得することが知られている。従来の撮像装置では、カラーフィルタのバンド数が少ないため、各バンドに対応した画像信号成分のサンプル密度は比較的高く、色補間により生成した補間画像に基づく勾配情報は十分に高い精度であった。
ところで、被写体の忠実な色再現を目的として、マルチバンド画像撮影が注目されている。マルチバンド画像撮影のために、複数のカメラを用いた撮影、または複数回の撮影を行うことが考えられる。しかし、このようなマルチバンド画像撮影には専用の撮影システムが必要であった。そこで、4バンド以上のカラーフィルタを配置した単板のマルチバンド撮像素子を用いることにより、1台の撮像装置で1枚の撮影によりマルチバンド画像撮影を実行することが提案されている(特許文献1参照)。
特開2003−87806号公報
特許文献1においては、マルチバンド化したカラーフィルタアレイ(CFA)が用いられている。しかし、バンド数の増加に伴い、単一のバンドのサンプル密度が低くなる。単一のバンドのサンプル密度が低くなると、共通の方向の勾配情報の取得が困難となり、処理の煩雑化及び、例えば、勾配情報の方向を合わせるための変換による高周波成分の情報欠落のように勾配情報の精度の低減化を生じることが問題であった。さらに、サンプル密度の高いバンドを配置すると、補間による劣化が少ない画像が得られるので画質が高くなる一方で、その他のバンドのサンプル密度が低くなる。サンプル密度が低いバンドから勾配情報を取得できないと、結果として勾配情報の精度が低減化する。勾配情報の精度の低減化は後の処理にも影響を及ぼし、例えば、偽色の発生などの原因となり得る。このような現象は、7種類以上の画素を用いたCFAの場合に顕著である。
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、7種類以上の画素を使用し、少なくとも1種類のカラーフィルタは他のカラーフィルタよりも高い密度で配置されるCFAにおいて、7種類未満の画素を使用したCFAに比べて、取得可能な勾配情報の精度の低下を抑止するRAW(モザイク)データを生成可能なカラーフィルタアレイ及び撮像素子の提供を目的とする。
上述した諸課題を解決すべく、本発明によるカラーフィルタアレイは、
2次元状に並べられ、分光感度特性が異なる、第1のカラーフィルタを含む7種類以上のカラーフィルタを備え、
7種類以上のカラーフィルタの中で少なくとも2種類以上のカラーフィルタである注目カラーフィルタにおいては、注目カラーフィルタから第1の方向に沿った両側に第1の間隔で配置される2つのカラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタであり、注目カラーフィルタから第1の方向と異なる第2の方向に沿った両側に第2の間隔で配置される2つのカラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタであって、
カラーフィルタのうち少なくとも1種類のカラーフィルタは他の種類のカラーフィルタよりも高い密度である
ことを特徴とするものである。
上記のように構成された本発明に係るカラーフィルタアレイ及び撮像素子によれば、7種類以上の画素を使用し、少なくとも1種類のカラーフィルタは他のカラーフィルタよりも高い密度で配置されるCFAにおいて、7種類未満の画素を使用したCFAに比べて、取得可能な勾配情報(微分情報)の精度低下を抑えるRAW(モザイク)データを生成可能である。
本発明の一実施形態に係るカラーフィルタアレイを有する撮像素子の概略構成を示すブロック図である。 CFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 図2のカラーフィルタの分光感度特性である。 第1の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第1の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第2の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第2の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第3の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第4の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第5の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第6の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第5の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第6の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第7の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第7の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第8の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第8の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第9の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第10の変形例のCFAのカラーフィルタの分光感度特性である。 第9の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第10の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。 第11の変形例のCFAにおけるカラーフィルタの配置を示す配列図である。
以下、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るカラーフィルタアレイを有する撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
撮像素子20は、例えばCMOSエリアセンサであり、受光部21、垂直走査回路22、水平読出回路23、及びA/Dコンバータ24によって構成される。撮影光学系(図示せず)により被写体の光学像が受光部21に形成される。
受光部21には、マトリックス状に複数の画素(図示せず)が配置される。また、受光部21上において、OB(オプティカルブラック)領域21bと有効撮影領域21eとが定められる。OB領域21bに配置されるOB画素は受光面が遮光されており、黒色の基準となる暗電流をOB画素信号として出力する。また、有効撮影領域21eはCFA(図1において図示せず)によって覆われており、各画素は7バンドのカラーフィルタのいずれかによって覆われる。
図2に示すように、CFA21aにはC1〜C7カラーフィルタの7バンドのカラーフィルタが設けられる。したがって、各画素では、対応するカラーフィルタの透過バンドの光の受光量に応じた画素信号が生成される。なお、図3に示すように、C1〜C7カラーフィルタは、異なる分光感度特性を有する。なお、本実施形態において分光感度特性が異なるとは、ピーク波長の値、または半値幅の中心値が異なることを意味する。
CFA21aでは、4行4列のカラーフィルタ繰返し単位21uが行方向及び列方向に繰返し配置される。図2に示すように、カラーフィルタ繰返し単位21u内には、4個のC1カラーフィルタ及びそれぞれ2個のC2〜C7カラーフィルタが配置される。
CFA21aでは、C1カラーフィルタは全行全列において、1画素おきに繰返し配置される。例えば、図2における左上を基準として、1、3行目には1、3列目にC1カラーフィルタが配置される。
また、C1、C2、C3カラーフィルタが並ぶ行が、列方に1画素おきに繰返し配置される。また、C4、C5、C6、C7カラーフィルタが並ぶ行が、列方向に1画素おきに繰返し配置される。
また、C1、C4、C6カラーフィルタが並ぶ列が、行方向に1画素おきに繰返し配置される。また、C2、C3、C5、C7カラーフィルタが並ぶ列が、行方向に1画素おきに配置される。
上述のようなカラーフィルタ繰返し単位21uでは、C1カラーフィルタの割合が最大であり全体の25%を占めている。また、任意の位置の画素において、斜め方向に隣接する画素に対応するカラーフィルタのバンドは等しい。
例えば、図2に示すように、いずれのC1カラーフィルタにおいても、斜方に隣接するカラーフィルタはすべてC5カラーフィルタまたはC7カラーフィルタである。したがって、任意のC1カラーフィルタの右斜め上及び左斜め下にはC5カラーフィルタが配置され、互いに同じバンドのカラーフィルタである。また、右斜め下及び左斜め上にはC7カラーフィタが配置され、互いに同じバンドのカラーフィルタである。
また、いずれのC2カラーフィルタにおいても、斜方に沿ってC4カラーフィルタまたはC6カラーフィルタによって挟まれる。詳細に説明すると、任意のC2カラーフィルタの右斜め上及び左斜め下にはC4カラーフィルタが配置され、互いに同じバンドのカラーフィルタである。また、右斜め下及び左斜め上にはC6カラーフィルタが配置され、互いに同じバンドのカラーフィルタである。
C3〜C7カラーフィルタにおいても、同様であって、斜め方向に隣接するカラーフィルタ同士は同じバンドのカラーフィルタとなる。
上述のようなCFA21aが設けられた画素において、透過したバンドの光の受光量に応じた画素信号が生成される。垂直走査回路22により画素信号を出力させる画素の行が選択され、水平読出回路23により画素信号を出力させる画素の列が選択される(図1参照)。1画素ずつ画素信号が出力されるように、垂直走査回路22及び水平読出回路23は制御される。出力された画素信号はA/Dコンバータ24によりデジタル信号に変換される。
以上のような構成の第1の実施形態のCFAによれば、7バンド以上のカラーフィルタ(画素)を有しながら、その内の少なくとも2種類のカラーフィルタは、共通する第1の方向と第1の方向に直行する第2の方向に関して、当該カラーフィルタを挟んで所定の間隔で配置されるカラーフィルタ同士が同じ種類のカラーフィルタで配置されているので、少なくともそれら同じ種類のカラーフィルタのカラー信号(画素信号)を使用して、第1の方向および第2の方向の勾配情報を取得することが可能となる。即ち、取得可能な勾配情報(微分情報)の精度低下を抑えるRAW(モザイク)データを生成可能である。
一般的に自然画像では、高周波成分においてバンド間の相関が強いことが知られている。従って、各バンドの画像は同じエッジ構造を有する。そこで、すべてのバンドの勾配情報は等しいと仮定される。それゆえ、何れの色信号成分の微分値であっても、後の画像処理などに用いるのに十分な精度が得られる。本実施形態のように微分値を取得する2色同士の相関が高い配置の場合は、より高精度な情報が得られる。
他のカラーフィルタよりもサンプル密度の高い色を市松状の4分の1の位置、または、半分の位置に配置することにより、微分値を取得する2つの方向の色が共通となり、より高精度な情報が得られる。本実施形態では、例えば、C5、C7カラーフィルタにおいては斜め方向に隣接する画素は全てC1カラーフィルタである。
さらに、全画素において共通の方向の微分値を取得することにより、画素毎に異なる方向に微分値を取得することに比べ、処理の簡素化が可能である。また、このような構成により、勾配情報の方向を合わせるための変換による高周波成分の情報欠落を低減化した精度の高い勾配情報を得ることが可能である。
精度の高い勾配情報を用いれば、欠落する色信号成分の補間に用いることによって偽色の発生を低減化する補間が可能である。さらに、精度の高い勾配情報を用いることにより、精度の高いノイズ除去処理、マルチバンドからRGBへの変換処理、色変換処理、及び色・ガンマ補正処理を実行することが可能である。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
例えば、上記の実施形態において、7バンドのカラーフィルタ配置が定められているが、任意の画素を斜方から挟む2画素のカラーフィルタが同じとなるようなカラーフィルタの配置であれば、本実施形態と同様の効果が得られる。
例えば、図4に示す分光感度を有するC1〜C7カラーフィルタを用いた、図5に示すCFA210aであっても、本実施形態と同様の効果が得られる。図5に示す例においては、何れの画素を注目画素としても微分値の算出に用いる画素に必ず相関の高い色が含まれる。すなわち、例えば、C6カラーフィルタの斜め方向には、必ずC7カラーフィルタが配置される。このように、微分値を算出する際に相関の高い色が含まれるので、より精度の高い微分値の算出が可能である。
また、本実施形態においては、注目画素を挟んで同じ種類である2画素は注目画素に隣接する構成であるが、注目画素から等間隔であれば隣接しなくてもよい。例えば、注目画素から2画素分右で2画素分上の画素と、2画素分左で2画素分下の画素との種類がおなじであってもよい。
注目画素に隣接する画素から、全画素において共通の方向に同じ種類の画素が配置されるのはカラーフィルタの種類が7種類の場合に限定される。しかし、注目画素から等間隔で同じ種類の画素を配置する場合には、カラーフィルタの種類を更に増加させることが可能である。
したがって、注目画素に隣接する2画素のカラーフィルタの種類が異なっていても、注目画素から等間隔だけ離れた2画素のカラーフィルタの種類が同じとなるようなカラーフィルタの配列であれば、本実施形態と同様の効果を得ることは可能である。
また、本実施形態においては、u方向及びv方向ともに同じ種類の画素は注目画素から1画素分の間隔を有して配置される構成であるが、u方向とv方向とで間隔が異なっていてもよい。間隔に応じた長さで除すことにより微分値を算出可能である。
また、本実施形態においては、注目画素のu方向及びv方向に対して同じ種類の画素が配置される構成であるが、同じ種類の画素が配置される方向はu方向及びv方向に限定されない。異なる2方向に同じ種類の画素が配置されるカラーフィルタ配列であれば本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
例えば、本実施形態におけるCFA21aでは、何れの画素を注目画素としても、注目画素から行方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じであり、注目画素から列方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類も同じである。
また、本実施形態においては、同じ種類の画素が配置される方向は2種類であるが、同じ種類の画素が配置される方向は2種類に限定されない。いずれの画素においても少なくとも2種類の共通の方向に同じ種類の画素が配置されるカラーフィルタ配列であれば本実施形態と同様の効果を得ることか可能である。
例えば、本実施形態におけるCFA21aでは、何れの画素を注目画素としても、注目画素から行方向にそった両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。また、本実施形態におけるCFA21aでは、注目画素から列方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。また、本実施形態におけるCFA21aでは、注目画素からu方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。また、本実施形態におけるCFA21aでは、注目画素からv方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。4方向にそれぞれ2画素分離れた2画素の画素信号に基づいて微分値を算出する構成であれば、本実施形態と同様の効果が得られる。微分値を取得する方向を増加させることにより、より精度の高い微分情報を取得可能である。
また、同じ種類の画素が配置される画素の間隔が、画素の種類毎に異なっていてもよい。例えば、図6に示す分光感度を有するC1〜C7カラーフィルタを用いた、図7に示すCFA211aにおいては、C4カラーフィルタでは注目画素から行方向および列方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。さらに、C4カラーフィルタを除く6種類のカラーフィルタにおいては、注目画素から行方向および列方向に沿った両側に1画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。
少なくとも行方向又は列方向に隣接する2つの画素のうち1画素から2方向の微分値が取得可能なので精度の高い微分情報を取得可能である。画素の種類に基づいて異なる画素間隔で微分値を算出する構成であれば、本実施形態と同様の効果が得られる。
また、少なくとも2種類のカラーフィルタのみが同じ種類のカラーフィルタに挟まれる構成であってもよい。例えば、図7におけるCFA211aでは、C1、C2、C4、C6、C7カラーフィルタでは斜め方向に1画素分離れた2画素のカラーフィルタは同じ種類である。C1カラーフィルタでは、右斜め上及び左斜め下に配置されるカラーフィルタはC3カラーフィルタであり、左斜め上及び右斜め下に配置されるカラーフィルタはC5カラーフィルタである。同じ種類のカラーフィルタに挟まれるカラーフィルタが少なくとも2種類あれば、全画素から算出した微分値に比べて精度が低下しても、後の画像処理等に用いるのに十分な精度の微分値が得られる。
また、図8に示すようなハニカム構造の撮像素子に対しても、第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。図8に示すCFA212aにおいては、何れの画素を注目画素としても、行方向から60°方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じであり、列方向から30°方向に沿った両側に2画素分離れた2画素のカラーフィルタの種類も同じである。
また、図9に示すように、行列状に配列された画素を45°傾けた構成の撮像素子に対しても、第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。図9に示すCFA213aにおいては、何れの画素を注目画素としても、注目画素から行方向及び列方向に沿った両側に離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。
また、図10および図11に示す分光感度を有するC1〜C7カラーフィルタをそれぞれ用いた、図12および図13に示すCFA214a、215aによっても、何れの画素pxにおいてもu方向及びv方向に2画素の間隔で離れた2画素のカラーフィルタの種類は同じである。
また、本実施形態では7バンドのカラーフィルタがCFA21aに設けられる構成であるが、8バンド以上のカラーフィルタが設けられてもよい。
また、図14に示す分光感度を有するC1〜C8カラーフィルタを用いた、図15に示すCFA216aによっても、何れの画素pxにおいてもu方向及びv方向に2画素の間隔で離れた2画素pxのカラーフィルタの種類は同じである。
また、図16に示す分光感度を有するC1〜C9カラーフィルタを用いた、図17に示すCFA217aによっても、何れの画素pxにおいてもu方向及びv方向に2画素の間隔で離れた画素pxのカラーフィルタの種類は同じである。
また、例えば、図18および図19に示す分光感度を有するC1〜C10カラーフィルタをそれぞれ用いた、図20および図21に示すCFA218a、219aによっても、何れの画素pxにおいてもu方向及びv方向に2画素の間隔で離れた画素pxのカラーフィルタの種類は同じである。
また、例えば、図22に示すC1〜C13のカラーフィルタの13バンドのカラーフィルタが配置されたCFA2100aによっても、いずれの画素pxにおいてもu方向及びv方向に2画素の間隔で離れた画素pxのカラーフィルタの種類は同じである。
20 撮像素子
21a、211a、212a、213a、214a、215a、216a、217a、218a、219a、2100a、 カラーフィルタアレイ(CFA)

Claims (13)

  1. 2次元状に並べられ、分光感度特性が異なる、第1のカラーフィルタを含む7種類以上のカラーフィルタを備え、
    前記7種類以上のカラーフィルタの中で少なくとも2種類以上のカラーフィルタである注目カラーフィルタにおいては、前記注目カラーフィルタから第1の方向に沿った両側に第1の間隔で配置される2つの前記カラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタであり、前記注目カラーフィルタから前記第1の方向と異なる第2の方向に沿った両側に第2の間隔で配置される2つの前記カラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタであって、
    前記カラーフィルタのうち少なくとも1種類のカラーフィルタは他の種類のカラーフィルタよりも高い密度である
    ことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  2. 請求項1に記載のカラーフィルタアレイであって、前記第1の間隔および前記第2の間隔は等しいことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  3. 請求項2に記載のカラーフィルタアレイであって、前記カラーフィルタは7種類であり、前記第1の間隔および前記第2の間隔は1画素分であることを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、
    前記カラーフィルタはマトリックス状に配置され、
    前記第1の方向及び前記第2の方向と行方向との間の角度は45°となり、前記第1の方向及び前記第2の方向と列方向との間の角度は45°となるように構成される
    ことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  5. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、前記カラーフィルタはマトリックス状に配置され、前記第1の方向は行方向と一致し、前記第2の方向は列方向と一致することを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載のカラーフィルタアレイであって、
    前記注目カラーフィルタとして配置された前記少なくとも2種類のカラーフィルタの中で2種類のカラーフィルタが隣接しており、
    互いに隣接する該2種類のカラーフィルタの一方に覆われた前記画素のみにおいて前記第1の間隔および前記第2の間隔が1画素分の間隔である
    ことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  7. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、
    前記カラーフィルタはマトリックス状に配置され、
    前記第1のカラーフィルタは、任意の画素を基準画素として、前記基準画素から、全行及び前列においてそれぞれ、行方向及び列方向に沿って1画素おきに配置される
    ことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  8. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、前記カラーフィルタはマトリックス状に配置され、前記第1のカラーフィルタは市松状に配置されることを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  9. 請求項1から請求項8のいずれかに記載のカラーフィルタアレイであって、前記第1のカラーフィルタ以外の種類のカラーフィルタが同じ割合となるように配置されることを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  10. 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、前記注目カラーフィルタから前記第1の方向に沿って両側に前記第1の間隔で配置される同じ種類の2つのカラーフィルタの分光感度特性のピーク波長は、注目カラーフィルタの分光感度特性のピーク波長に隣接することを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  11. 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、前記注目カラーフィルタから前記第1の方向に沿って両側に前記第1の間隔で配置される同じ竜類の2つのカラーフィルタの分光感度特性のピーク波長は、前記注目カラーフィルタから前記第2の方向に沿って両側に前記第2の間隔で配置される同じ種類の2つのカラーフィルタの分光感度特性のピーク波長に隣接することを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  12. 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイであって、
    前記注目カラーフィルタから、前記第1の方向および前記第2の方向のなす角を当分割する第3の方向に沿った両側に第3の間隔で配置される2つの前記カラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタであり、
    前記注目カラーフィルタから、前記第3の方向に垂直な第4の方向に沿った両側に第4の間隔で配置される2つの前記カラーフィルタは同じ種類のカラーフィルタである
    ことを特徴とするカラーフィルタアレイ。
  13. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載のカラーフィルタアレイを備えることを特徴とする撮像素子。
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