JPWO2014007281A1 - カラー撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
θ=tan−1(1/2)・・・式(1)
第2の色の各色に対応する第2のフィルタのそれぞれは、カラーフィルタの配列内の第3の方向及び第4の方向のフィルタライン内に1つ以上配置されることが好ましい。これにより、第3及び第4の方向に高周波成分を有する入力像によって発生しうる色モワレ(偽色)を低減することができる。
θ=tan−1(1/2)・・・式(1)
カラーフィルタが正方形状である場合に、第3の方向及び第4の方向は第1の方向及び第2の方向に対してそれぞれ45°異なることが好ましい。
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(撮像装置)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)、及び(6)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、5×5画素に対応する正方配列パターンとなる基本配列パターンP1を含み、この基本配列パターンP1が水平方向(H)及び垂直方向(V)に繰り返し配置されている。従って、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が所定の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では、その水平(H)、垂直(V)、及び斜め(NE,NW)方向の各フィルタライン内にGフィルタ23Gが配置されている。ここで、NEは斜め右上(左下)方向を意味し、本発明の第3の方向及び第4の方向のうちの一方向に相当する。また、NWは斜め右下(左上)方向を意味し、本発明の第3の方向及び第4の方向のうちの他方向に相当する。RGBフィルタ23R,23G,23Bは正方形状であるので、NE方向及びNW方向は水平方向、垂直方向に対してそれぞれ45°の方向となる。なお、この角度は、RGBフィルタ23R,23G,23Bの水平方向や垂直方向の各辺の長さの増減に応じて増減し得る。例えば、正方形状以外の矩形状のカラーフィルタを用いた場合には、その対角線方向が斜め(NE,NW方向)となる。なお、カラーフィルタが正方形状以外の矩形状であっても、このカラーフィルタあるいは画素を正方格子状に配置した場合には、NE方向及びNW方向は水平方向、垂直方向に対してそれぞれ45°の方向となる。さらに、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(NE,NW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の水平(H)、垂直(V)、及び斜め(NE,NW)方向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5画素、15画素、5画素になる。従って、RGB画素の各画素数の比率は1:3:1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の水平方向(H)、及び垂直方向(V)の各フィルタライン内に1つ配置されている。
上記の特徴(4)を満たすRフィルタ23Rは、その水平(H)、垂直(V)、及び斜め(NE,NW)方向の各方向(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、RBフィルタ23R,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(特徴(5))。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。
=tan−1(1/2)≒26°・・・式(2)
図5に戻って、カラーフィルタ配列22には、斜めフィルタ列27R,27Bがそれぞれ垂直方向(V)に沿って等間隔で配置される。その結果、カラーフィルタ配列22内には、RBフィルタ23R,23Bがそれぞれ均等(ほぼ均等を含む)に配置される。
また、上記の特徴(4)、(5)を満たすようにRBフィルタ23R,23Bをカラーフィルタ配列22内に配置した場合には、カラーフィルタ配列22の斜め方向(NE,NW)フィルタライン上にもRBフィルタ23R,23Bがそれぞれ1以上配置される。すなわち、各斜め(NE,NW)方向において、Rフィルタ23RとBフィルタ23Bを含むフィルタラインが隣接して周期的に配列している。ここで、斜め方向においてフィルタラインが隣接するとは、1辺の長さが1の正方形であるフィルタを使用した場合、フィルタラインとフィルタラインの間が√2/2画素間隔であることを意味する。
なお、図7に示すように、基本配列パターンP1を水平方向(H)、及び垂直方向(V)にそれぞれ1画素ずつシフトした基本配列パターンをP1’、それぞれ2画素ずつシフトした基本配列パターンをP1”とすると、これらの基本配列パターンP1’,P1”を水平方向(H)及び垂直方向(V)に繰り返し配置しても、同じカラーフィルタ配列22になる。このように、図3に示したカラーフィルタ配列22を構成可能な基本配列パターンは複数存在する。第1の実施形態では、図3及び図4に示した基本配列パターンP1を、便宜上、基本配列パターンという。
次に、図8を用いて本発明の第2実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第2の実施形態のカラー撮像素子は、上記特徴(5)及び(6)の代わりに下記の特徴(5a)及び特徴(7)を有するカラーフィルタ配列30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30は、RGBフィルタ23R,23G,23Bが5×5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P2を含み、この基本配列パターンP2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30は前述の特徴(1)を有する。
カラーフィルタ配列30では、Rフィルタ23Rの各方向(H,V,NE,NW)に異なる色のフィルタが隣接して配置されているが、Bフィルタ23Bの斜め(NE,NW)方向には同色のBフィルタ23Bが配置されている。
図8に戻って、前述の特徴(2)〜(4)、(5a)を有するカラーフィルタ配列30の基本配列パターンP2には、Gフィルタ23Gが設けられた2×2画素に対応する正方配列32が含まれている。
前述の特徴(1)〜(4)、(5a)、(7)を有するカラーフィルタ配列は、図8に示した配列パターンを有するものに限定されず、これら各特徴を満たす範囲内で適宜変更してもよい。
上記カラーフィルタ配列30,34では、Rフィルタ23Rの各方向(H,V,NE,NW)に異なる色のフィルタを隣接配置しているが、Bフィルタ23Bの各方向(H,V,NE,NW)に異なる色のフィルタを隣接配置してもよい。この場合には、基本配列パターンP2’(図11参照)または基本配列パターンP3’(図12参照)によりカラーフィルタ配列を構成する。
上各記実施形態では、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同様の効果が得られる。
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13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3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36を備えている。カラーフィルタ配列36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5×5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P4を含み、この基本配列パターンP4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36は前述の特徴(1)を有する。
次に、図15を用いて本発明の第4実施形態のカラー撮像素子について説明を行う。なお、第4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4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40を備えている。カラーフィルタ配列40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5×5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P5を含み、この基本配列パターンP5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40は前述の特徴(1)を有する。
次に、図17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を行う。なお、第5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5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44を備えている。カラーフィルタ配列44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5×5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P6を含み、この基本配列パターンP6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44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5×5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、図19に示すカラーフィルタ配列48の基本配列パターンP7、及び図20に示すカラーフィルタ配列50の基本配列パターンP8のように、7×7画素に対応する配列パターンで配列されていてもよい。
Claims (16)
- 第1の方向及び第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の方向及び第2の方向にN×N(Nは5以上の奇数)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の方向及び第2の方向に繰り返されて配置されてなり、
前記カラーフィルタは、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、かつ前記第1のフィルタに対応する前記第1の色の全画素数の比率が、前記第2のフィルタに対応する前記第2の色の各色の画素数の比率よりも大きくなり、
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の方向と、前記第2の方向と、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の方向とを含む各方向のフィルタライン内に1つ以上配置され、
前記第2の色の各色の前記第2のフィルタのそれぞれは、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つずつ配置され、
前記カラーフィルタの配列内で少なくとも1色の前記第2のフィルタには、その前記第1の方向から前記第4の方向の各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び第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の方向及び第2の方向にN×N(Nは5以上の奇数)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の方向及び第2の方向に繰り返されて配置されてなり、
前記カラーフィルタは、透過率のピークが波長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の外にある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、かつ前記第1のフィルタに対応する第1の色の全画素数の比率が、前記第2のフィルタに対応する第2の色の各色の画素数の比率よりも大きくなり、
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の方向と、前記第2の方向と、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の方向とを含む各方向のフィルタライン内に1つ以上配置され、
前記第2の色の各色の前記第2のフィルタのそれぞれは、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つずつ配置され、
前記カラーフィルタの配列内で少なくとも1色の前記第2のフィルタには、その前記第1の方向から前記第4の方向の各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び第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の方向及び第2の方向にN×N(Nは5以上の奇数)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の方向及び第2の方向に繰り返されて配置されてなり、
前記カラーフィルタは、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、かつ前記第1のフィルタに対応する第1の色の全画素数の比率が、前記第2のフィルタに対応する第2の色の各色の画素数の比率よりも大きくなり、
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の方向と、前記第2の方向と、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の方向とを含む各方向のフィルタライン内に1つ以上配置され、
前記第2の色の各色の前記第2のフィルタのそれぞれは、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つずつ配置され、
前記カラーフィルタの配列内で少なくとも1色の前記第2のフィルタには、その前記第1の方向から前記第4の方向の各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されているカラー撮像素子。 - 第1の方向及び第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の方向及び第2の方向にN×N(Nは5以上の奇数)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の方向及び第2の方向に繰り返されて配置されてなり、
前記カラーフィルタは、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色以上の第2の色に対応する第2のフィルタとを含み、かつ前記第1のフィルタに対応する前記第1の色の各色の全画素数の比率が、前記第2のフィルタに対応する前記第2の色の各色の画素数の比率よりも大きくなり、
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の方向と、前記第2の方向と、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の方向とを含む各方向のフィルタライン内に1つ以上配置され、
前記第2の色の各色の前記第2のフィルタのそれぞれは、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つずつ配置され、
前記カラーフィルタの配列内で少なくとも1色の前記第2のフィルタには、その前記第1の方向から前記第4の方向の各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されているカラー撮像素子。 - 輝度信号を得るための前記第1の色の寄与率は50%以上であり、輝度信号を得るための前記第2の色の寄与率は50%未満である請求項1記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターン内では、前記第2の色の各色の前記第2のフィルタの前記各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されている請求項1から5のいずれか1項記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターンは、前記第1のフィルタ及び前記第2の色の各色に対応する前記第2のフィルタを前記第1の方向に配列させてなるフィルタ列を含み、かつ複数の前記フィルタ列を前記第2の方向に配列させてなるものであり、
前記基本配列パターン内の前記フィルタ列毎に前記第2の色の各色に対応する前記第2のフィルタの位置を前記第1の方向にずらして配置している請求項6記載のカラー撮像素子。 - 前記第1の方向に対して式(1)で示されるθ°異なる方向を第5の方向としたときに、前記カラーフィルタの配列には、前記第2の色の各色に対応する前記第2のフィルタを別々に前記第5の方向に沿って等間隔で配置してなる各色の斜めフィルタ配列が、それぞれ前記第2の方向に沿って等間隔で配置されている請求項7記載のカラー撮像素子。
θ=tan−1(1/2)・・・式(1) - 前記第2の色の各色に対応する前記第2のフィルタのそれぞれは、前記カラーフィルタの配列内の前記第3の方向及び前記第4の方向のフィルタライン内に1つ以上配置される請求項6から8のいずれか1項記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターン内では、前記第2の色の各色のうちの1色の前記第2のフィルタの各方向に、当該第2のフィルタとは異なる色の前記第2のフィルタまたは前記第1のフィルタが隣接して配置されている請求項1から5のいずれか1項記載のカラー撮像素子。
- 前記基本配列パターンは、前記第1のフィルタで構成される2×2画素に対応する正方配列を含む請求項10記載のカラー撮像素子。
- 前記第1の方向に対して式(1)で示されるθ°異なる方向を第5の方向としたときに、前記カラーフィルタの配列には、前記第2の色の各色のうちの1色の前記第2のフィルタを前記第5の方向に沿って等間隔で配置してなる斜めフィルタ配列が、前記第2の方向に沿って等間隔で配置されている請求項10または11記載のカラー撮像素子。
θ=tan−1(1/2)・・・式(1) - 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°異なる請求項1から12のいずれか1項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13のいずれか1項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14のいずれか1項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15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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