KR100878785B1

KR100878785B1 - 촬상 장치

Info

Publication number: KR100878785B1
Application number: KR1020067023113A
Authority: KR
Inventors: 마사후미 세이; 다카시 마스다
Original assignee: 어큐트로직 가부시키가이샤
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2009-01-14
Also published as: JPWO2005117453A1; US7626154B2; EP1758404A4; JP4084402B2; KR20070032946A; US20070070225A1; CN100579240C; WO2005117453A1; CN1957618A; EP1758404A1

Abstract

광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성은, 촬상 소자(5)에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중 가장 작은 샘플링 주파수 fs에 대한 나이키스트 주파수(Nyquist frequency) fa 이상의 주파수 성분 영역으로서, 촬상 소자(5)의 샘플링 주파수 fs의 나이키스트 주파수 fs/2보다 낮은 주파수 성분 영역을 통과시키는 주파수 성분의 비율을 나타낸 제1 위색 통과율이 소정값 이하로 설정되는 동시에, 촬상 소자(5)에 의해 생성된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호에 대응하도록, 촬상 소자(5)에 의해 생성된 화소 신호로부터 출력 화상 신호를 생성한다.

촬상 장치, 촬상광, 저대역 통과 필터, 화상 신호, 위색, 나이키스트 주파수, 화소, 격자 배열, 베이어 배열

Description

촬상 장치{IMAGING DEVICE}

본 발명은, 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 장치에 관한 것이며, 특히 단판식 촬상 소자에 의해 피사체를 촬상하는 촬상 장치에 관한 것이다.

종래부터, 컬러 화상의 촬상 장치를 단판식의 촬상 소자에 의해 구성하는 경우, 포토 다이오드(화소)를 정사각형 격자형이나 이것을 45°로 경사지게 한 정사각형 격자형으로 배열시키는 동시에, 각 포토 다이오드의 수광면 상에 R색(적색), G색(녹색) 및 B색(청색) 등의 색 성분에 대응하는 컬러 필터를, 예를들면, RGGB 등과 같이 규칙적으로 배치하고 있다. 그리고, 정사각형 격자 배열의 경우는, 1화소의 촬상 소자로부터 1화소분의 출력 화상 신호를 출력하고, 45°경사 정사각형 격자 배열의 경우는, 1화소의 촬상 소자로부터 2화소분의 출력 화상 신호를 출력하여, 출력 화상을 생성하도록 되어 있다.

전술한 바와 같은 컬러 화상을 촬영하는 촬상 장치에 있어서 정확한 출력 화상을 생성하기 위해서는, 촬상 소자의 샘플링 주파수가 피사체의 공간 주파수의 2배 이상일 필요가 있다. 즉, 피사체의 공간 주파수가, 촬상 소자의 나이키스트 주파수(Nyquist frequency, 샘플링 주파수의 1/2 주파수)를 넘는 경우, 피사체의 명 암의 경계 등에 위색(color moire)이 발생할 우려가 있다. 그러므로, 통상 촬상 소자의 나이키스트 주파수를 컷오프 주파수로 설정한 광학 저대역 통과 필터를 광로 중에 설치하고, 촬상 소자에 입사하는 촬상광을 필터링하고 있다.

단판식의 촬상 소자로 구성된 종래의 촬상 장치로서는, 일본국 특개평 6-141330호 공보에 기재된 발명이 제안되어 있다(특허 문헌 1). 상기 공보에 기재된 발명은, 주로, 단판 또는 2판 타입의 촬상 소자와, 차단 주파수가 샘플링 주파수의 1/2 이하의 주파수로서 비디오 앰프 회로 출력으로부터 유효한 R성분, G성분, B성분을 검출하는 저대역 통과 필터를 가지고 있다.

[특허 문헌 1]: 일본국 특개평 6-141330호 공보

그러나, 일본국 특개평 6-141330호 공보에 기재된 발명을 포함하여, 종래 제안된 단판식의 촬상 소자의 경우, 촬상 소자와 출력 화상의 화소는 1 : 1 또는 1 : 2의 관계하에서 출력 화상이 구성되어 있다. 그러므로, 출력 화상을 구성하는 각 화소는, 촬상 소자로부터 R색, G색 및 B색 중 어느 하나의 색의 출력 신호를 받을 뿐이며, 다른 2색의 신호를 해당 화소 주변의 다른 화소로부터 보간함으로써, 말하자면 출력 색을 추정하도록 되어 있다. 따라서, 3판식의 촬상 소자에서는, 각 화소 마다 R색, G색 및 B색의 신호를 취득하기 때문에, 위색이 발생할 수 없는데 비해, 단판식의 촬상 소자에서는, 완전하게 정확한 색을 재현하기가 곤란하고, 위색이 발생하기 쉽다.

위색이 발생하기 쉬운 메카니즘에 대하여 더 검토하면, 도 2 또는 도 4에 나타낸 바와 같이, 종래 광학 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수 fc는, 모든 색의 샘 플링 주파수의 1/2 주파수(나이키스트 주파수) 미만으로 설정되어 있지 아니라는 문제점이 있다.

예를 들면, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 정사각형 격자 배열된 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어(Bayer) 배열되어 있는 촬상 소자(화소 피치: d)의 경우, 광학 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수 fc는, 모든 색의 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수 미만으로 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 현실적으로는, 해상도를 희생하고 싶지 않기 때문에, 시각(視覺)에 끼치는 영향이 큰 G색의 종횡 방향에서의 샘플링 주파수에 맞추어 fs/2(fs: 촬상 소자의 샘플링 주파수) 정도로 설정된다. 그러므로, 컷오프 주파수 fc는, G색의 종횡 방향으로 불필요한 높은 주파수를 제거할 수 있지만, R색 및 B색의 종횡 방향에서의 나이키스트 주파수, 및 R색, G색 및 B색에서의 경사 방향의 나이키스트 주파수보다 높은 주파수를 투과시키므로, 이들 색에 관한 화소 신호가 정확하게 추정되지 않고, 위색이 발생하기 쉬운 결점이 있다.

그리고, 광학 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수 fc를 R색, G색 및 B색 중 가장 작은 샘플링 주파수인, R색 및 B색의 종횡 방향에서의 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수 미만으로 설정하면 각 색의 위색 발생을 방지할 수 있지만, G색 성분의 신호가 부족하고, 생성되는 출력 화상의 해상도가 저하되어 흐릿하게 되는 결점이 있다.

또한, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 정사각형 격자를 45°경사지게 하여 배열한 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어 배열되어 있는 촬상 소자(화소 피 치: d)의 경우, 광학 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수 fc는, 모든 색의 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수 미만으로 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 현실적으로는, 해상도를 희생하고 싶지 않기 때문에, 시각에 주는 영향이 큰 G색의 경사 방향에서의 샘플링 주파수에 맞추어 fs/2(fs: 촬상 소자의 샘플링 주파수) 정도로 설정된다. 그러므로, 컷오프 주파수 fc는, G색의 경사 방향으로 불필요한 높은 주파수를 제거할 수 있지만, 그 외의 종횡 방향이나 다른 R색 및 B색의 종횡 방향 및 경사 방향에서의 나이키스트 주파수보다 높은 주파수를 투과시키므로, 전술한 정사각형 격자 배열과 마찬가지로, 이들 색에 관한 화소 신호가 정확하게 추정되지 않고, 위색이 발생하기 쉬운 결점이 있다. 역으로, 컷오프 주파수 fc를 R색 및 B색 성분의 샘플링 주파수에 맞추면, 위색의 발생을 방지할 수 있지만, 출력 화상의 해상도가 저하되어 흐릿하게 되는 문제점이 생긴다.

그리고, 촬상 소자를 3판식으로 구성하면 단판식과 같은 위색의 문제는 생기지 않지만, 기구가 복잡하고 대형화나 중량 증가와 결부되기 때문에 컴팩트화의 요구에 부응하지 못하므로, 결과적으로 다른 큰 문제가 생기게 된다. 또한, 3판식의 경우라도 각 3색의 촬상 소자로부터 출력되는 신호의 합성이 잘 되지 않으면, 화상이 쉽게 나빠지고, 단판식보다 엄격한 장착 위치 정밀도가 필요한 문제점이 있다.

본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 간단한 단판식의 촬상 소자이면서 색의 재현 능력과 해상 능력을 3판식의 촬상 소자와 같은 수준으로 높일 수 있는 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 촬상 장치의 특징은, 소정의 주파수 특성을 가지는 광학적 저대역 통과 필터를 구비한 촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계를 통과한 촬상광을 소정의 색 성분으로 분해하는 베이어 배열의 컬러 필터와, 상기 컬러 필터를 통과한 촬상광을 광전 변환하여 화소 신호를 생성하는 단판식의 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터 취득한 화소 신호에 기초하여 출력 화상 신호를 생성하는 출력 화상 신호 생성부를 구비한 촬상 장치로서, 상기 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성은, 상기 촬상 소자에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중 가장 작은 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수 이상의 주파수 성분 영역에서, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수 성분 영역을 통과시키는 주파수 성분의 비율을 나타낸 제1 위색 통과율이 0보다 크고 0.372892484 이하인 값으로 설정되어 있는 동시에, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호에 대응하도록, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 화소 신호로부터 출력 화상 신호를 생성하는 점에 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 제1 위색 통과율이 0.4 이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 촬상 장치의 특징은, 소정의 주파수 특성을 가지는 광학적 저대역 통과 필터를 구비한 촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계를 통과한 촬상광을 소정의 색 성분으로 분해하는 베이어 배열의 컬러 필터와, 상기 컬러 필터를 통과한 촬상광을 광전 변환하여 화소 신호를 생성하는 단판식의 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터 취득한 화소 신호에 기초하여 출력 화상 신호를 생성하는 출력 화상 신호 생성부를 구비한 촬상 장치로서, 상기 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성은, 상기 촬상 소자에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중 가장 작은 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수와, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수와의 중간 주파수 이상의 주파수 성분 영역에서, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수 성분 영역을 통과시키는 주파수 성분의 비율을 나타낸 제2 위색 통과율이 0보다 크고 0.194113388 이하인 값으로 설정되어 있는 동시에, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호에 대응하도록, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 화소 신호로부터 출력 화상 신호를 생성하는 점에 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 제2 위색 통과율이 0.2 이하로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수를 fs, 상기 출력 화상 신호에 의해 구성되는 출력 화상의 샘플링 주파수를 Fs로 했을 때, N = (fs/Fs)²

의 관계가 된다.

본 발명에 의하면, 간단한 단판식의 촬상 소자이면서 색의 재현 능력과 해상 능력의 양쪽을 3판식의 촬상 소자와 같은 수준으로 높일 수 있다.

도 1은, 종래의 정사각형 격자 배열에서의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 2는, 종래의 정사각형 격자 배열에서의 광학적 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수와 각 색의 나이키스트 주파수의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 3은, 종래의 45°경사 정사각형 격자 배열에서의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 4는, 종래의 45°경사 정사각형 격자 배열에서의 광학적 저대역 통과 필터의 컷오프 주파수와 각 색의 나이키스트 주파수의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 5는, 본 발명에 따른 촬상 장치의 실시 형태를 나타내는 모식도이다.

도 6은, 본 실시 형태의 촬상 소자에 있어서, 베이어 배열시킨 컬러 필터를 나타내는 모식도이다.

도 7은, 본 실시 형태의 촬상 소자에 있어서, (a) 정사각형 격자 배열, 및 (b) 45°경사 정사각형 격자 배열시킨 화소를 나타내는 모식도이다.

도 8은, 촬상 소자에 있어서 발생하는 위색과 공간 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.

도 9는, 본 실시 형태에 있어서, 광학적 저대역 통과 필터를 주체로 하여 위색을 저감하는 경우의 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.

도 10은, 제1 위색 통과율 및 제2 위색 통과율을 설명하기 위해 수정을 실장한 저대역 통과 필터의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.

도 11은,본 실시 형태에 있어서, CPU에 의한 화상 처리를 우선하여 광학적 저대역 통과 필터에 의한 필터링을 가볍게 걸어서 위색을 저감하는 경우의 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.

도 12는, 정사각형 격자 배열된 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어 배열되어 있는 촬상 소자에서의 (a) 촬상 화소 피치, (b) G색의 세로 방향 및 가로 방향의 샘플링 간격, (c) R색 및 B색의 세로 방향 및 가로 방향의 샘플링 간격, (d) G색의 경사 방향의 샘플링 간격, (e) R색 및 B색의 경사 방향의 샘플링 간격을 나타내는 모식도이다.

도 13은, 45°경사 정사각형 격자 배열된 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어 배열되어 있는 촬상 소자에서의 (a) 촬상 화소 피치, (b) G색의 세로 방향 및 가로 방향의 샘플링 간격, (c) R색 및 B색의 세로 방향 및 가로 방향의 샘플링 간격, (d) G색의 경사 방향의 샘플링 간격, (e) R색 및 B색의 경사 방향의 샘플링 간격을 나타내는 모식도이다.

도 14는, 본 실시예 1의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 15는, 본 실시예 2의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 16은, 본 실시예 3의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 17은, 본 실시예 4의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 18은, 본 실시예 5의 촬상 소자와 출력 화상의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 19는, 본 실시 형태의 실시예 1 ~ 5에서의 촬상 소자에 의해 생성된 화소 신호의 주파수와 출력 화상에 있어서 표현할 수 있는 최대 주파수 Fs/2의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 촬상 장치(1)의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

도 5는, 본 발명에 따른 촬상 장치(1)의 실시 형태의 주요 구성부를 나타낸 도면이다. 본 실시 형태의 촬상 장치(1)는, 광학적 저대역 통과 필터(2)를 구비한 촬상 광학계(3)와, 상기 촬상 광학계(3)로부터 출력된 촬상광을 소정의 색 성분으로 분해하는 컬러 필터(4)와, 상기 컬러 필터(4)를 통과한 촬상광을 광전 변환하여 화소 신호를 생성하는 촬상 소자(5)와, 상기 촬상 소자(5)로부터 취득한 화소 신호에 기초하여 출력 화상 신호를 생성하는 출력 화상 신호 생성부(6)을 구비하고 있다.

본 실시 형태의 각 구성부에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 광학적 저대역 통과 필터(2)는, 촬상광의 높은 공간 주파수 성분을 억제하는 역할을 한다. 광학적 저대역 통과 필터(2)는, 소정의 주파수 특성을 가지고, 촬상 광의 광로 상에서 촬상 소자(5)의 전방에 배치된다. 광학적 저대역 통과 필터(2)는, 수정 필터나 회절 격자 등과 같이 소정의 고주파수의 촬상광을 차단할 수 있는 것이면 모든 구 조의 수단을 적용할 수 있다. 또한, 그와 같이 고주파의 촬상광을 차단하는 구조로 한정하지 않고, 촬상 소자(5)에 입사하는 촬상광의 핀트를 모호하게 하는 수단이라도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 촬상 소자(5)에서의 샘플링에 의해 발생하는 위색을 저감하기 위해, 상기 위색의 원인이 되는 주파수 성분을 억제하도록 광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성을 후술하는 바와 같이 소정값으로 설정하고 있다.

촬상 광학계(3)는, 촬상광을 촬상 소자(5)에 안내하는 역할을 한다. 본 실시 형태에서는, 광학적 저대역 통과 필터(2)를 포함하고, 촬영 렌즈나, 적외선 제거 필터 등으로 구성되어 있다. 그리고, 적외선 제거 필터는, 포토 다이오드에 입사되는 적외선을 차단하기 위한 것이며, 광학적 저대역 통과 필터(2)의 전방에 배치되고, 1개의 유리 블록으로 구성되어 있다.

컬러 필터(4)는, 촬상 소자(5)를 구성하는 각 화소의 수광면 상에 소정 패턴으로 규칙적으로 배치되고, 촬상광을 소정의 색 성분에 필터링하는 역할을 한다. 본 실시 형태에서는, 컬러 필터(4)를 구성하는 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 3개의 색으로서 R색, G색 및 B색의 원색 필터를 사용하고 있다. 그러나, 이들에 한정되지 않고, C(청록색), M(적자색), Y(황색)로 구성되는 보색 필터나 다른 색의 조합이라도 된다. 또한, 에메랄드색의 필터를 3색 필터에 추가해도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 컬러 필터(4)의 배열 패턴으로서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, G색 필터를 체크무늬로 배치함과 동시에, R색 필터 및 B색 필터를 각 행에 교대로 배치하는 베이어 배열을 채용하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

촬상 소자(5)는, 수광한 촬상광을 전기적인 화상 정보로 광전 변환하여 전하량으로서 저장하고, 이것을 전기 신호로서 출력 화상 신호 생성부(6)에 출력하는 역할을 한다. 촬상 소자(5)는, 소정 패턴으로 배열된 복수개의 화소(포토 다이오드)를 가지고 있고, 이 각 화소의 수광면 상에 컬러 필터(4)를 소정 패턴으로 규칙적으로 배치하고 있다. 화소의 배열 패턴으로서는, 도 7a에 나타낸 바와 같은 정사각형 격자 배열이나, 상기 정사각형 격자 배열을 45°경사지게 한 도 7b에 나타낸 바와 같은 45°경사 정사각형 격자 배열이 일반적으로 알려져 있다.

출력 화상 신호 생성부(6)는, 촬상 소자(5)의 각 화소로부터 취득한 화소 신호를 A/D 변환하는 동시에, 각종 화상 처리를 행하고, 출력 화상 신호를 생성하는 역할을 한다. 출력 화상 신호 생성부(6)는, A/D 컨버터(7)와 CPU(8)(Central Processing Unit)에 의해 구성되어 있고, 촬상 소자(5)와 전기적으로 접속되어 있다. A/D 컨버터(7)는, 아날로그 전기 신호인 화소 신호를 디지털 데이터로 변환한다. 또, CPU(8)는, A/D변환된 화소 신호에 옵티컬 블랙(optical black) 처리, 화이트 밸런스(white balance) 처리, 색 보정 처리, 색 보간 처리, 노이즈 억제 처리, 윤곽 강조 처리, γ보정 처리 및 해상도 변환 처리 등의 각종 화상 처리를 행하고, 출력 화상 신호를 생성하도록 되어 있다. 이 때, 해상도 변환 처리의 변환 비율은, A/D변환된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호에 대응하도록 설정된다.

그리고, 본 실시 형태에서는, CPU(8)에 의해 출력 화상 신호 생성부(6)를 구성하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, DSP(Digital Signal Processor)나 하드 와이드 로직에 의해 구성해도 되고, 또는 A/D변환된 화소 신호를 PC(Personal Computer)에서 판독하여 각종 프로그램에 의해 전술한 화상 처리시켜도 된다.

다음에, 광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성과 CPU(8)에 의한 해상도 변환 처리의 변환 비율의 관계에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 촬상 소자(5)에서의 샘플링에 의해 발생하는 위색을 가능한 한 저감하기 위하여, 종래의 촬상 장치에서는 통과시킨 촬상 소자(5)의 샘플링 주파수 fs에 대한 나이키스트 주파수(이하, 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2)보다 낮은 주파수 성분도 통과시키지 않도록 하고 있다.

상세하게 설명하면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 촬상 소자(5)에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중, 가장 작은 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수(이하, 최소 나이키스트 주파수 fa) 이상의 주파수 성분이 위색의 원인이 될 수 있기 때문에, 상기 최소 나이키스트 주파수 fa 이상의 주파수 성분을, 광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성과 CPU(8)의 화상 처리에 의해 억제하고 있다.

그러나, 촬상 소자(5)의 샘플링 주파수 fs의 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수 성분을 억제함으로써, 촬상 소자(5)에 의해 생성되는 화소 신호의 해상도는 낮아지게 된다. 이러한 해상도의 저하를 방지하기 위해서, 본 실시 형태에서는, CPU(8)에 의한 해상도 변환 처리의 변환 비율을, 촬상 소자(5)에 의해 생성되는 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가, 1개의 출력 화상 신호에 대응하도록 설정하고 있다. 이로써, 출력 화상의 1화소에 상당하는 촬상 소자(5)에서의 샘플링수가 2 이상이 되고, 출력 화상 신호에 의해 표현할 수 있는 최대의 주파수(출력 화상의 샘플링 주파수 Fs에 대한 나이키스트 주파수 Fs/2)까지, 출력 화상의 해상도를 높일 수 있다.

다음에, 광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 실시 형태의 촬상 장치(1)의 특징은, 위색 발생의 원인이 되는 최소 나이키스트 주파수 fa 이상의 주파수 성분을 차단하는 점에 있다. 따라서, 이상적으로는, 최소 나이키스트 주파수 fa 이상의 주파수 성분을 완전하게 차단하는 것이 바람직하지만, 현실적으로는 광학적 저대역 통과 필터(2)에서는 완전하게 차단하기 곤란하다. 그래서, 실시 형태에서는, 종래의 촬상 장치에 있어서 통과시키던 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2보다 낮은 주파수 성분을 어느 정도의 비율로 차단시킬 것인지의 관점에 따라서 광학적 저대역 통과 필터(2)의 주파수 특성을 설정하고 있다. 이 때, 최소 나이키스트 주파수 fa 이상의 주파수 성분을 광학적 저대역 통과 필터(2)를 주체로 하여 억제하는 경우와, CPU(8)의 화상 처리에 의한 억제를 가능한 한 사용하고, 화상 처리에서는 다 억제할 수 없는 주파수 성분을 광학적 저대역 통과 필터(2)를 사용하여 억제하는 경우를 상정하고, 각각의 경우에 대하여, 바람직한 주파수 특성의 값을 설정하도록 했다.

먼저, 광학적 저대역 통과 필터(2)를 주체로 하여 위색을 저감하는 경우, 광 학적 저대역 통과 필터(2)는, 도 9에 나타낸 바와 같은 주파수 특성을 가지고 있다. 구체적으로, 최소 나이키스트 주파수 fa 이상이며, 또한, 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2보다 낮은 주파수 성분을 제1 위색 발생 영역으로 설정했을 때, 상기 제1 위색 발생 영역에 있어서 통과되는 주파수 성분의 비율을 제1 위색 통과율로 정의한다. 그리고, 도 9에서 나타낸 제1 위색 발생 영역을 통과하는 주파수 성분을 제1 위색 통과 영역이라 하면, 제1 위색 통과율은, 상기 제1 위색 발생 영역의 면적에 대한 상기 제1 위색 통과 영역의 면적의 비율에 의해 산출된다.

본 실시 형태에서는, 상기 제1 위색 통과율이 0.4 이하가 되도록 설정한다. 광학적 저대역 통과 필터(2)가, 통상적으로, 수정의 복굴절을 이용하여 실장되므로, 이것을 상정하여 제1 위색 통과율을 산출하였다. 즉, 광선을 수정을 통과시킴으로써 2개로 분리되는 저대역 통과 필터를 설치하고, 분리된 상기 2개의 촬상 광의 거리를 촬상 소자의 화소 피치 d라 하면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 눌점(null point) 주파수가 1/2d의 주파수 특성을 가지게 된다.

그러나, 종래의 단판식 디지털 카메라에 있어서는, 눌점 주파수를 1/2d로 설정하면 해상도가 너무 낮아지기 때문에, 저대역 통과 필터의 효과를 약화시키도록, 눌점 주파수의 값을 높게 설정하고 있다. 이에 비해, 본 발명에 따른 실시 형태에서는, 촬상 소자(5)에서 샘플링하는 단계에서의 해상도가 낮아도, 출력 화상 신호 생성부(6)에 의해 출력 화상 신호의 해상도를 상대적으로 높일 수 있으므로, 종래의 단판식 디지털 카메라와는 반대로, 저대역 통과 필터의 효과를 강하게 해도, 해상도를 저하시키지 않고도 위색을 억제할 수 있다.

따라서, 광학적 저대역 통과 필터(2)로 화소 피치 d 만큼 광선을 분리시키도록 하는 위치가, 종래의 촬상 장치와 본 실시 형태에 따른 촬상 장치의 경계가 된다. 그리고, 정사각형 격자 배열된 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어 배열되어 있는 촬상 소자의 경우 및 45° 경사진 정사각형 격자 배열된 촬상 화소 상에 컬러 필터가 베이어 배열되어 있는 촬상 소자의 경우와 함께, fs/2 = 1/2d, fa = 1/4d이므로, 제1 위색 통과율을 계산하면, 제1 위색 통과율 = 0.372892484≒ 0.4가 된다.

따라서, 본 실시 형태의 제1 위색 통과율은 0.4 이하의 값으로 설정되어 있다. 이 경우, 광학적 저대역 통과 필터(2)를 강하게 설정하게 되지만, 화상 처리를 행하는 CPU(8)의 부담이 경감되는 이점이 있다. 그리고, 위색을 발생시키는 요인은 촬상 소자(5)의 샘플링에 의해 일어나는 높은 주파수 성분의 왕복에 의하는 것 뿐만은 아니기 때문에, 어떠한 경우라도 어느 정도의 화상 처리는 필요하게 된다.

한편, 광학적 저대역 통과 필터(2)에 의한 필터링을 너무 강하게 걸지 말고 , CPU(8)에 의한 화상 처리를 적극적으로 이용함으로써 위색을 저감하는 경우, 광학적 저대역 통과 필터(2)는, 도 11에 나타낸 바와 같은 주파수 특성을 가지고 있다. 구체적으로는, 최소 나이키스트 주파수 fa와 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2의 중간 주파수(fa＋fs/2)/2 이상이면서, 또한, 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2보다 낮은 주파수 성분을 제2 위색 발생 영역으로 설정할 때, 상기 제2 위색 발생 영역에 있어서 통과되는 주파수 성분의 비율을 제2 위색 통과율로 정의한다. 이것은, 최소 나이키스트 주파수 fa 측의 주파수 성분은 화상 처리에 의해 억제하 기 쉽고, 촬상 소자 나이키스트 주파수 fs/2 측의 주파수 성분은 화상 처리에 의해 억제하기 곤란하여서 전술한 바와 같이 결정한 것이다. 그리고, 도 11에서 나타내는 제2 위색 발생 영역을 통과하는 주파수 성분을 제2 위색 통과 영역이라 하면, 상기 제2 위색 통과율은, 상기 제2 위색 발생 영역의 면적에 대한 상기 제2 위색 통과 영역의 면적의 비율로 산출한다.

본 실시 형태에서는, 상기 제2 위색 통과율이 0.2 이하가 되도록 설정한다. 이 수치는, 전술한 제1 위색 통과율과 마찬가지의 근거에 의하여 구하고, 계산상 제2 위색 통과율 = 0.194113388 ≒ 0.2가 된다. 따라서, 이 경우, CPU(8)의 화상 처리를 엄밀하게 행할 필요가 있지만, 광학적 저대역 통과 필터(2)를 약하게 설정해도 되는 이점이 있다.

다음에, 최소 나이키스트 주파수 fa에 대하여 설명한다. 도 12는 촬상 소자(5)가 정사각형 격자 배열될 경우를 나타낸다. 이 경우, 도 12a에 나타낸 바와 같이, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d를 사용하면, G색의 가로 방향의 샘플링 간격은 d이며(도 12b), R색(및 B색)의 가로 방향의 샘플링 간격은 2d이며(도 12c), G색의 경사 방향의 샘플링 간격은 (√2)×d이며(도 12d), R색(및 B색)의 경사 방향의 샘플링 간격은 (√2)×d이다(도 12e). 따라서, 이들 중 가장 긴 샘플링 간격은, R색 및 B색의 종횡 방향의 샘플링 간격(2d)이므로, 최소 나이키스트 주파수 fa는, R색 및 B색의 종횡 방향의 나이키스트 주파수인 1/(4d)이 된다.

또한, 도 13은 촬상 소자(5)가 45°경사 정사각형 격자 배열되는 경우를 나타낸다. 이 경우, 도 13a에 나타낸 바와 같이, 화소 피치 d로서 촬상 소자(5)의45°경사 방향에서의 화소 피치를 사용하면, G색의 가로 방향의 샘플링 간격은 (√2)×d이며(도 13b), R색(및 B색)의 가로 방향의 샘플링 간격은 (√2)×d이며(도 13c), G색의 경사 방향의 샘플링 간격은 d이며(도 13d), R색(및 B색)의 경사 방향의 샘플링 간격은 2d이다(도 13e). 이들 중 가장 긴 샘플링 간격은, R색 및 B색의 경사 방향의 샘플링 간격인 2d이다. 따라서, 최소 나이키스트 주파수 fa는, R색 및 B색의 경사 방향의 나이키스트 주파수인 1/(4d)이 되어, 정사각형 격자 배열된 촬상 소자(5)와 마찬가지가 된다.

이상, 본 실시 형태에서는, 정사각형 격자 배열 및 45°경사 정사각형 격자 배열된 촬상 소자(5)(화소 피치: d)를 사용하여 출력 화상을 생성하는 경우, 제1 위색 발생 영역이 1/(4d) 이상이면서, 또한, 1/(2d)보다 작은 값의 범위가 되고, 상기 제1 위색 통과율 또는 제2 위색 통과율의 조건을 만족시키는 광학적 저대역 통과 필터(2)를 선택한다.

다음에, 실시 형태의 촬상 장치(1)에 의한 촬상 방법에 대하여 설명한다.

본 실시 형태의 촬상 장치(1)에 의해 피사체를 촬상하는 경우, 먼저, 피사체로부터의 촬상광을 촬상 광학계(3)를 통하여 광학적 저대역 통과 필터(2)에 입사시킨다. 광학적 저대역 통과 필터(2)에 입사된 촬상광은, 소정의 주파수 특성에 따라, 촬상 소자(5)의 최소 나이키스트 주파수 fa로부터 고주파역의 공간 주파수가 주로 차단된다. 광학적 저대역 통과 필터(2)를 투과한 촬상광은, 컬러 필터(4)에 의해, R색, G색 및 B색 성분으로 각각 분해되어 촬상 소자(5)의 수광면에 결상된다. 이 때, 종래의 단판식의 촬상 장치에 비해, 광학적 저대역 통과 필터(2)에 의 해 위색 성분을 많이 제거하기 때문에, 출력 화상의 색 재현성이 현격히 향상된다.

촬상 소자(5)에서는, 각 화소를 구성하는 포토 다이오드에 입사된 촬상광을 전하로서 저장하고, 이것을 화소 신호로서 출력 화상 신호 생성부(6)에 공급한다. 이 때, 촬상광은 컬러 필터(4)에 의해, R, G, B의 3원색으로 분해되어 있으므로, 각 화소의 화소 신호는, 어느 하나의 색에 관한 휘도 정보로서 판독된다. 판독된 화소 신호는, A/D 컨버터(7)에 의해 디지털 데이터로 변환된 후, CPU(8)에 건내준다. CPU(8)는, 건내받은 화소 신호에 기초하여, 출력 화상의 각 화소를 구성하는 출력 화상 신호를 생성한다. 이 때, 종래의 단판식의 촬상 장치에 비해, 출력 화상의 각 화소를 생성하는데 사용하는 촬상 소자(5)의 대응하는 화소수가 많이 설정되어 있으므로, 출력 화상의 해상도가 현격하게 향상된다.

이상과 같이 얻어진 출력 화상 신호는, 본 실시 형태의 촬상 장치(1)를 구비한 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라의 출력 신호로서 공급된다.

다음에, 본 실시 형태의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 이하의 각 실시예 1 ~ 5에서는, 촬상 소자(5)의 화소 배열 및 촬상 소자(5)의 화소 피치 d(=1/fs)에 대한 출력 화상의 화소 피치 D(= 1/Fs)의 비 k(D = kd)가 각각 상이한 경우에 대하여, CPU(8)의 해상도 변환 처리에서의 변환 비율, 즉, 1화소의 출력 화상 신호를 생성하는데 사용하는 화소 신호의 대응하는 수 N을 구한다. 그리고, 이하의 각 실시예 1 ~ 5에서는, 전술한 바와 같이, 제1 위색 통과율 또는 제2 위색 통과율의 조건을 만족시키는 주파수 특성을 가지는 광학적 저대역 통과 필터(2)를 사용하고 있다. 또한, 컬러 필터(4)는 베이어 배열을 사용하고 있다.

＜실시예 1＞

실시예 1에서는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 정사각형 격자 배열된 화소를 가지고, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d에 대한 출력 화상의 화소 피치 D의 비 k가 1.5(D = 1.5d)인 촬상 소자(5)를 사용한다. 도 14로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1화소의 출력 화상 신호에 대하여 2. 25개의 화소 신호가 샘플링되어 있으므로, N은 2.25이다.

＜실시예 2＞

실시예 2에서는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 정사각형 격자 배열된 화소를 가지고, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d에 대한 출력 화상의 화소 피치 D의 비 k가 2(D = 2d)인 촬상 소자(5)를 사용한다. 도 15로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1화소의 출력 화상 신호에 대하여 4개의 화소 신호가 샘플링되어 있으므로, N은 4이다.

＜실시예 3＞

실시예 3에서는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 정사각형 격자 배열된 화소를 가지고, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d에 대한 출력 화상의 화소 피치 D의 비 k가 4(D = 4d)인 촬상 소자(5)를 사용한다. 도 16으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1화소의 출력 화상 신호에 대하여 16개의 화소 신호가 샘플링되어 있으므로, N은 16이다.

＜실시예 4＞

실시예 4에서는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 45°경사 정사각형 격자 배열된 화소를 가지고, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d에 대한 출력 화상의 화소 피치 D의 비 k가 √2(D = (√2)×d)인 촬상 소자(5)를 사용한다. 도 17로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1화소의 출력 화상 신호에 대하여 2개의 화소 신호가 샘플링되어 있으므로, N은 2이다.

＜실시예 5＞

실시예 5에서는, 도 18에 나타낸 바와 같이, 45°경사 정사각형 격자 배열된 화소를 가지고, 촬상 소자(5)의 화소 피치 d에 대한 출력 화상의 화소 피치 D의 비 k가 2√2(D = (2√2)×d)인 촬상 소자(5)를 사용한다. 도 18로부터도 알 수 있는 바와 같이, 1화소의 출력 화상 신호에 대하여 8개의 화소 신호가 샘플링되어 있으므로, N은 8이다.

이상의 실시예 1 ~ 5로부터, 1개의 출력 화상 신호에 대응하는 촬상 소자(5)에 의해 생성되는 화소 신호의 수 N은, 촬상 소자(5)의 배열 방법과 관계없이,

N = k² = (D/d)² = (fs/Fs)²···식(1)

로 나타내어지는 것을 알 수 있다. 또한, 출력 화상의 샘플링 주파수 Fs는,

Fs = 1/D = 1/(kd) = fs/k···식(2)

로 나타내어진다. 따라서, 실시예 1 ~ 5에 있어서, 촬상 소자(5)에 의해 생성된 화소 신호의 주파수와 출력 화상에 있어서 나타낼 수 있는 최대 주파수 fs/2의 관계는, 도 19에 나타낸 관계가 된다. 또한, 출력 화상의 주파수 F는 촬상 소자(5)에 의해 생성된 화소 신호의 주파수 f와 비례 관계에 있으므로, F = f/k가 된 다. 이상으로부터, k를 1.0보다 크게 설정하면, 출력 화상의 주파수 F를 나타내기 위하여, 촬상 소자(5)의 주파수 f가 작아도 되므로, 상대적으로 출력 화상의 해상도를 향상시킬 수 있다.

전술한 바와 같은 실시예에 의하면, 종래의 제품에 비해, 출력 화상의 각 화소에 대한 촬상 소자(5)의 화소수가 많이 설정되어 있고, 또한, 광학적 저대역 통과 필터(2)에 의해 위색 성분을 많이 제거하므로, 간단한 단판식의 촬상 소자(5)이면서 색의 재현 능력과 해상 능력을 3판식의 촬상 소자와 같은 수준으로 높일 수 있는, 종래에는 얻을 수 없는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 촬상 장치(1)는, 전술한 실시예에 한정되지 않고, 적절하게 변경할 수 있다.

예를 들면, 실시예에서는, 정사각형의 화소를 기본으로 하는 출력 화상에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 직사각형의 화소를 기본으로 하는 출력 화상을 설정하여 출력할 수도 있다. 이 경우, 세로 방향과 가로 방향에서의 샘플링 주파수가 상이하게 된다. 또한, 촬상 소자(5)는, 촬상 화소를 정사각형 격자 배열 또는 45°경사 정사각형 격자 배열했을 경우를 예시하고, 컬러 필터(4)는 베이어 배열시켰을 경우를 예시하고 있지만, 이들에 한정되지 않고, 다른 배열 방법을 선택한 경우에도 적용 할 수 있다.

본 발명은, 단판식의 촬상 소자에 의해 피사체를 촬상하는 촬상 장치에 유용하다.

Claims

소정의 주파수 특성을 가지는 광학적 저대역 통과 필터(Low Pass Filter)를 구비한 촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계를 통과한 촬상광을 소정의 색 성분으로 분해하는 베이어 배열의 컬러 필터와, 상기 컬러 필터를 통과한 촬상광을 광전 변환하여 화소 신호를 생성하는 단판식의 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터 취득한 상기 화소 신호에 기초하여 출력 화상 신호를 생성하는 출력 화상 신호 생성부를 구비한 촬상 장치로서,

상기 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성은, 상기 촬상 소자에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중 가장 작은 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수(Nyquist frequency) 이상의 주파수 성분 영역에서, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수 성분 영역을 통과시키는 주파수 성분의 비율을 나타내는 제1 위색(color moire) 통과율이 0보다 크고 0.372892484 이하인 값으로 설정되어 있는 동시에,

상기 촬상 소자에 의해 생성된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호와 대응하도록, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 화소 신호로부터 출력 화상 신호를 생성하는, 촬상 장치.
제1항에 있어서,

상기 촬상 소자의 샘플링 주파수를 fs, 상기 출력 화상 신호에 의해 구성되는 출력 화상의 샘플링 주파수를 Fs로 설정할 때,

N = (fs/Fs)²

의 관계가 되는, 촬상 장치.
소정의 주파수 특성을 가지는 광학적 저대역 통과 필터를 구비한 촬상 광학계와, 상기 촬상 광학계를 통과한 촬상광을 소정의 색 성분으로 분해하는 베이어 배열의 컬러 필터와, 상기 컬러 필터를 통과한 촬상광을 광전 변환하여 화소 신호를 생성하는 단판식의 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터 취득한 상기 화소 신호에 기초하여 출력 화상 신호를 생성하는 출력 화상 신호 생성부를 구비한 촬상 장치로서,

상기 광학적 저대역 통과 필터의 주파수 특성은, 상기 촬상 소자에서의 각 색 성분에 대한 세로 방향, 가로 방향 및 경사 방향의 샘플링 주파수 중 가장 작은 샘플링 주파수에 대한 나이키스트 주파수와, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수의 중간 주파수 이상의 주파수 성분 영역에서, 상기 촬상 소자의 샘플링 주파수의 나이키스트 주파수보다 낮은 주파수 성분 영역을 통과시키는 주파수 성분의 비율을 나타내는 제2 위색 통과율이 0보다 크고 0.194113388 이하인 값으로 설정되어 있는 동시에,

상기 촬상 소자에 의해 생성된 N(N은 2 이상의 실수)개의 화소 신호가 1개의 출력 화상 신호와 대응하도록, 상기 촬상 소자에 의해 생성된 화소 신호로부터 출력 화상 신호를 생성하는, 촬상 장치.
제3항에 있어서,

상기 촬상 소자의 샘플링 주파수를 fs, 상기 출력 화상 신호에 의해 구성되는 출력 화상의 샘플링 주파수를 Fs로 설정할 때,

N = (fs/Fs)²

의 관계가 되는, 촬상 장치.
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