WO2015137144A1 - 固体撮像素子 - Google Patents

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    • H04N25/134—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements
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    • H04N9/03—Circuitry for demodulating colour component signals modulated spatially by colour striped filters by frequency separation

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device.
  • pixel data of an original image having a predetermined color arrangement (below, also referred to as a Bayer arrangement since a Bayer arrangement is common) is used to perform a filtering process in units of lines to obtain luminance data and color difference data.
  • a solid-state imaging device is known that extracts two sets of data, resizes the extracted luminance data and color difference data by independently applying a band limiting filter, and then reconstructs the original Bayer array. (For example, refer to Patent Document 1). According to this solid-state imaging device, the above processing maintains the sense of resolution while reducing false signals such as moire and false colors.
  • FIG. 12 shows a two-dimensional spatial frequency coordinate system representing the limit band of a full-resolution Bayer image and a reduced Bayer image reduced to 1/2 in both vertical and horizontal directions.
  • fs indicates the Nyquist frequency corresponding to the pixel pitch (sampling period) of the full resolution image.
  • the reproduction band of the G signal in the Bayer array is a rhombus whose reproduction band in the oblique 45 ° direction is lower than that in the vertical and horizontal directions, and the reproduction band in the oblique 45 ° direction has been reduced. Furthermore, the reproduction band of the R / B signal is the same as that of the G signal in the direction of 45 ° obliquely, but the reproduction band in the vertical and horizontal directions is half that of the G signal, and can be reproduced by comparison with the G signal. The significant frequency band has been greatly reduced.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a solid-state imaging device capable of obtaining a reduced full-color multi-channel signal while minimizing the reduction in the frequency band that can be reproduced originally.
  • the purpose is to do.
  • a photoelectric conversion unit in which pixels of a plurality of colors having a predetermined periodicity are arranged in a two-dimensional array in a color array, and a pixel signal acquired by the photoelectric conversion unit are expressed as n ⁇ a pixel mixture readout unit that mixes pixels of the same color in n (n is an arbitrary integer of 2 or more) blocks and outputs a reduced image signal of a multi-channel with a reduction ratio of 1 / n, and the pixel mixture readout unit
  • n is an arbitrary integer of 2 or more
  • the light from the subject incident on the photoelectric conversion unit is photoelectrically converted into an electrical image signal for each pixel periodically arranged in color, and the acquired image signal is n ⁇ n.
  • Each pixel of the same color in each block is mixed in the pixel mixture reading unit, and a multi-channel reduced image signal having a reduction ratio of 1 / n is output.
  • the multi-channel reduced image signal mixed for each color includes a shift according to the color arrangement of the pixels. By correcting by the inter-channel shift correction unit, a multi-channel reduced image signal with no shift is output. can do.
  • the photoelectric conversion unit includes the pixels arranged in a Bayer array, and the pixel mixture readout unit coordinates the mixed pixel signals of the same color at the barycentric positions of the pixels of the same color in the block.
  • the inter-channel deviation correction unit calculates a positional deviation correction unit that corrects the positional deviation of the reduced image signal so that the coordinates of the reduced image signal of each color coincide with each other when n is an even number. You may have.
  • the block mixed by the pixel mixing and reading unit includes an even number of pixels
  • the barycentric position of pixels of the same color in the block is shifted between colors in the image signal acquired by each pixel of the photoelectric conversion unit arranged in the Bayer array.
  • the photoelectric conversion unit includes the pixels arranged in a Bayer array, and the inter-channel shift correction unit calculates a difference in characteristics of pixels of the same color between adjacent rows when n is an odd number. You may provide the gain correction
  • the image signal acquired by each pixel of the photoelectric conversion unit arranged in the Bayer array is obtained between the colors at the centroid positions of the same color pixels in the block when the block mixed by the pixel mixture reading unit includes an odd number of pixels. Although there is no positional shift, it is shifted due to the difference in the spectral characteristics of the filters in the two types of G channels. According to this aspect, the gain correction unit of the channel misalignment correction unit can correct the spectral characteristic shift of the filter and output a reduced image signal of a multi-channel with less noise.
  • the photoelectric conversion unit includes the pixels arranged in a Bayer array, and the pixel mixture reading unit arranges the mixed pixel signals of the same color at the center of gravity of the pixels of the same color in the block.
  • the inter-channel misalignment correction unit corrects the misalignment of the reduced image signal so that the coordinates of the reduced image signal of each color coincide with each other when n is an even number.
  • a gain correction unit that corrects a difference in characteristics of pixels of the same color between adjacent rows when n is an odd number.
  • the channel misalignment correcting unit corrects the shift of the reduced image signal between the channels and outputs it. be able to.
  • the multi-channel reduced image signal corrected by the inter-channel shift correction unit is separated into a luminance signal and a color difference signal, and a color conversion unit that limits a signal band of the color difference signal;
  • a pixel thinning unit that thins out the color difference signals output from the conversion unit may be provided.
  • the multi-channel reduced image signal corrected by the inter-channel misalignment correction unit is subjected to gradation conversion, and output as an image signal expressed with a bit width smaller than the bit width after AD conversion.
  • a gradation conversion unit that performs the above may be provided. In this way, the amount of data output from the gradation conversion unit can be reduced.
  • a pixel signal acquired by a photoelectric conversion unit formed by two-dimensionally arranging pixels of a plurality of colors having a predetermined periodicity in a color array vertically and horizontally is represented by n ⁇ n (n Is an arbitrary integer greater than or equal to 2) which is mixed for each pixel of the same color in each block and outputs a multi-channel reduced image signal with a reduction ratio of 1 / n, and is output by the pixel mixture reading unit
  • a channel-to-channel shift correction unit that corrects and outputs a shift of the reduced image signal between channels.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the pixel arrangement
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a photoelectric conversion unit and an image reading unit of the solid-state imaging device in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating R-channel pixels and their barycentric positions in the block of FIG. 4.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating G-channel pixels and their centroid positions in the block of FIG. 4.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a B-channel pixel and its barycentric position in the block of FIG. 4.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a shift of the barycentric position of pixels of different channels shown in FIGS. It is a figure explaining the thinning-out amount of (a) 4: 2: 2 format and (b) 4: 2: 0 format by the pixel thinning-out part of the solid-state image sensor of FIG.
  • It is a block diagram which shows the solid-state image sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a figure explaining the four mixed patterns of the block read by the image reading part of the solid-state image sensor of FIG. It is a graph explaining the reproduction band of various reduced image signals.
  • a solid-state imaging device 1 according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment generates a reduced three-plate image signal having a vertical / horizontal size of (1 / even) from a full-resolution Bayer image signal. Will be described.
  • the actual size of the image reduced by 1 / n in the vertical and horizontal directions is 1 / n 2.
  • the 1 / n reduction means reducing the vertical and horizontal size by 1 / n. It means that.
  • the solid-state imaging device 1 includes a plurality of color pixels arranged in a Bayer arrangement in two dimensions, and photoelectric conversion that converts light incident on each pixel into an electrical signal.
  • Unit 2 an image reading unit (pixel mixing reading unit) 3 that reads out pixel signals composed of electrical signals acquired in photoelectric conversion unit 2, mixes them for the same color, and outputs a multi-channel reduced image signal, and the image
  • An inter-channel shift correction unit 4 that corrects a positional shift of the reduced image signal between channels with respect to the reduced image signal output from the reading unit 3, and a tone conversion such as ⁇ correction with respect to the corrected reduced image signal.
  • a gradation conversion unit 5 a YC conversion unit (color conversion unit) 6 that separates the reduced image signal output from the gradation conversion unit 5 into a luminance signal and a color difference signal, and the YC conversion unit 6 Reduce the amount of data by thinning out color difference signals And a pixel thinning unit 7 for performing.
  • the photoelectric conversion unit 2 is a two-dimensional array of a set of Bayer-arranged R channel pixels, Gr channel pixels, Gb channel pixels, and B channel pixels, as shown in FIG. It is arranged in an array. As shown in FIG. 4, each pixel includes a photodiode 8 that photoelectrically converts incident light, and a charge transfer unit 9 that transfers charges output from the photodiode 8.
  • the image reading unit 3 mixes image signals of pixels of the same color for every 4 ⁇ 4 pixel regions (blocks) 10 of a full resolution Bayer image as shown in FIG. 3 channel (3 plates) reduced image signals are output.
  • Each block 10 includes four R channel pixels R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and eight G channel pixels Gr 1 , Gr 2 , Gr 3 , Gr 4 , Gb 1 , Gb 2 , Gb 3. , Gb 4 and four B channel pixels B 1 , B 2 , B 3 , B 4 are included.
  • Pixels R 1 of the four R-channel in the block 10 of FIG. 4, R 2, R 3, R 4, corresponds to the photodiode of FIG.
  • the image reading unit 3 is provided for every two pixels, and an averaging circuit 11 that averages the charges transferred from the two charge transfer units 9 and a charge transfer unit that transfers the charges averaged by the averaging circuits 11 12, an averaging circuit 13 that is provided for every four pixels, averages the charges transferred from the two charge transfer units 12, and a charge transfer unit 14 that transfers the charges output from the averaging circuit 13.
  • the charge signal read by the readout circuit 16 is converted into a voltage signal by a floating diffusion amplifier (not shown), and further converted into a digital image signal by an A / D converter (not shown).
  • the inter-channel misalignment correction unit 4 matches the coordinates of the R channel reduced image signal and the B channel reduced image signal mixed and read by the image reading unit 3 with the coordinates of the G channel reduced image signal. It is a position shift correction unit that corrects the position shift. Specifically, as shown in FIG. 5, the four R channel pixels R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 in the block 10 of FIG. 3 are located on the upper left side in the same block. Therefore, the mixed output of the pixels R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 is output as a reduced image signal having coordinates at the center of gravity position Or. The center-of-gravity position Or in this case, coincides with the second column of the coordinate pixel B 1 from the top in the second column from the left.
  • the four B-channel pixels B 1 , B 2 , B 3 , B 4 in the block 10 of FIG. 3 are located on the lower right side in the block. Therefore, the mixed output of the pixels B 1 , B 2 , B 3 , and B 4 is output as a reduced image signal having coordinates at the center of gravity position Ob.
  • the center-of-gravity position Ob cases are consistent from below in the second column from the right in the second row of the coordinate pixels R 1.
  • the position Og coincides with the center position of the block 10.
  • the reduced image signal of the G channel is output as a signal having the center position of the block 10 as coordinates.
  • the reduced image signals of the R channel and the B channel are reduced images of the G channel. It has coordinates shifted diagonally up or down by 1 / (2n) pixels with respect to the coordinates of the signal.
  • the inter-channel misalignment correction unit 4 corrects this misalignment, and performs four-point interpolation according to the following equation 1 on the reduced image signals of the R channel and the B channel.
  • the coordinates (i, j) indicate the coordinates where the G channel pixel exists.
  • the four coordinates (ib, jb), (ib, j + a), (i + a, jb), (i + a, j + a) are the nearest R channel to the coordinate (i, j)
  • the coordinates where the B channel pixel exists are shown. This operation can be realized using a line memory and some arithmetic operators. Note that the inter-channel misalignment correction unit 4 and subsequent processes are performed on the digital image signal, and are calculated by a logic circuit mounted in the solid-state imaging device 1.
  • the gradation conversion unit 5 performs gradation conversion represented by ⁇ correction or the like on each reduced image signal of the input RGB channel, and then reduces the bit accuracy of the image signal somewhat (for example, A / D). The amount of data is reduced by compressing the bit precision after conversion to 8 bits compared to 12 bits).
  • the YC converter 6 converts the RGB channel image signal after gradation conversion by the gradation converter 5 into a luminance signal (Y) and a color difference signal (Cb / Cr) signal.
  • Y luminance signal
  • Cb / Cr color difference signal
  • the image thinning unit 7 thins out the color difference signal (Cb / Cr) converted by the YC conversion unit 6 at a predetermined interval to reduce the data amount.
  • the thinning-out amount is 4: 2: 2 format as shown in FIG. 9A (Y signal is 1 and Cb / Cr signal is 1/2), or 4 as shown in FIG. 9B. : 2: 0 format (Y signal is 1 and Cb / Cr signal is 1/4).
  • a circular symbol is a Y signal
  • a square symbol is a Cb signal
  • a triangular symbol is a Cr signal.
  • Table 1 shows the data amount of intermediate output and final output for various reduction ratios when the number of pixels of full resolution is 36 million pixels (36 megapixels).
  • bit accuracy at the time of reading is 12 bits and the output of the gradation conversion unit is 8 bits.
  • the amount of data output by the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment is shown in the D column (in the case of 4: 2; 2 format) or the E column (in the case of 4: 2: 0 format).
  • the D column in the case of 4: 2; 2 format
  • the E column in the case of 4: 2: 0 format.
  • the solid-state imaging device 1 since a multi-channel reduced image signal is output instead of a reduced Bayer image, reproducibility that has conventionally occurred to reconstruct a reduced Bayer image is possible. Therefore, there is an effect that a high-definition image can be reproduced while reducing the data transfer amount without causing a significant frequency band reduction.
  • the amount of data output from the gradation conversion unit 5 can be reduced, and the YC conversion unit 6 and the pixel thinning unit 7 thin out color difference signals that are difficult to identify by human vision, thereby changing the image. There is an advantage that the amount of data can be reduced while suppressing.
  • the solid-state imaging device 20 according to the present embodiment outputs a reduced three-plate image having a vertical / horizontal size of (1 / odd) from a full-resolution Bayer image. An example will be described.
  • the solid-state imaging device 20 includes a gain correction unit (specific channel gain correction unit) 21 instead of the inter-channel shift correction unit 4. This is different from the solid-state imaging device 1 according to the embodiment.
  • the gain correction unit 21 multiplies the G-channel reduced image signal by the gain among the reduced image signals mixed and read out by the image reading unit 3.
  • the image reading unit 3 mixes image signals of pixels of the same color for every 5 ⁇ 5 pixel regions (blocks) 22 of a full resolution Bayer image as shown in FIGS. 11 (a) to 11 (d).
  • a reduced image signal of 3 channels (3 plates) of R, G, and B is output.
  • Each block 22 includes 4, 6 or 9 R pixels, 12 or 13 G pixels, and 4, 6 or 9 B pixels.
  • the block 22 can take four mixed patterns as shown in FIGS. 11 (a) to 11 (d) depending on the cutout method.
  • the center-of-gravity positions of the R channel pixel, the G channel pixel, and the B channel pixel in each mixed pattern coincide with the center positions of the 5 ⁇ 5 blocks 22 in any case. Therefore, it is not necessary to correct the displacement of the center of gravity position as in the first embodiment.
  • the number of Gr pixels that are G channel pixels in the RG column differs from the number of Gb pixels that are G channel pixels in the BG column. ing.
  • the mixed patterns of FIGS. 11A and 11C include 6 Gr pixels and 6 Gb pixels, and the mixed pattern of FIG. 11B includes 4 Gr images and 9 Gb pixels. In the mixed pattern (d), 9 Gr pixels and 4 Gb pixels are included.
  • the green filter of the RG column Gr pixel and the Gb pixel of the BG column are mainly used. It is known that there is a case where a difference occurs between an image signal obtained from a Gr pixel and an image signal obtained from a Gb pixel.
  • the gain correction unit calculates the correction gain from the number of Gr pixels and Gb pixels and the count based on the difference in spectral characteristics, and the reduced image signal and Gb read from the Gr pixel.
  • the reduced image signals read from the pixels are multiplied by different correction gains. Thereby, generation
  • the solid-state imaging device 1 it is possible to suppress the noise by correcting the shift of the reduced image signal between channels, and as shown in Table 1, the same amount as the data amount of the reduced Bayer image.
  • the position correction unit or the gain correction unit as the inter-channel shift correction unit has been described.
  • the number of pixels of the block to be selected is an even number.
  • the position correction unit or the gain correction unit may be selected and applied depending on whether it is an odd number or an odd number.
  • the photoelectric conversion unit in which pixels of a plurality of colors are arranged in a Bayer is illustrated, but the present invention is not limited to this, and pixels of a plurality of colors having a predetermined periodicity in the color array are arranged vertically and horizontally.
  • the present invention can be applied to a case where an arbitrary photoelectric conversion unit arranged two-dimensionally is provided.
  • the cases of the reduction magnifications 1/4 and 1/5 have been illustrated, instead of this, the present invention may be applied to any reduction magnifications of 1 / even and 1 / odd.

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Abstract

本来再現可能な周波数帯域の削減を最小限に抑えて、原画像を縮小処理する。色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる光電変換部（２）と、該光電変換部（２）によって取得された画素信号を、ｎ×ｎ（ｎは２以上の任意の整数）個のブロック内の同色の画素ごとに混合し、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号を出力する画素混合読出部（３）と、該画素混合読出部（３）により出力されたチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力するチャネル間ズレ補正部（４）を備える固体撮像素子（１）である。

Description

固体撮像素子
　本発明は、固体撮像素子に関するものである。
　従来、所定の色配列（ベイヤ配列が一般的であるため、以下、ベイヤ配列とも言う。）を有する原画像の画素データに対し、ライン単位でフィルタ処理を行うことにより輝度データと色差データとの２系統のデータを抽出し、抽出された輝度データおよび色差データにそれぞれ独立に帯域制限フィルタを適用してリサイズを行った後に、元のベイヤ配列を再現するように再構成する固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この固体撮像素子によれば、上記処理により、モアレや偽色等の偽信号を低減しながら解像感を保持することとしている。
特許第５２８０４４８号公報
　しかしながら、特許文献１の固体撮像素子では、リサイズ後にベイヤ配列に再構成するので、本来再現可能な周波数帯域まで削減されてしまう不都合がある。
　図１２に、フル解像度のベイヤ画像と、縦横とも１／２に縮小した縮小ベイヤ画像の限界帯域を２次元の空間周波数座標系に表したものを示す。ここで、ｆｓはフル解像度画像の画素ピッチ（サンプリング周期）に対応するナイキスト周波数を示している。
　図１２によれば、ベイヤ配列におけるＧ信号の再現帯域は、垂直および水平方向に比べて斜め４５°方向の再現帯域が低い菱形となり、斜め４５°方向の再現帯域が削減されてしまっている。さらに、Ｒ／Ｂ信号の再現帯域は、斜め４５°方向についてはＧ信号と同じであるが、垂直および水平方向の再現帯域はＧ信号の半分となり、Ｇ信号と比較しても、本来再現可能な周波数帯域が大幅に削減されてしまっている。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、本来再現可能な周波数帯域の削減を最小限に抑えて、縮小されたフルカラーの多チャネル信号を得ることができる固体撮像素子を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の一態様は、色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる光電変換部と、該光電変換部によって取得された画素信号を、ｎ×ｎ（ｎは２以上の任意の整数）個のブロック内の同色の画素ごとに混合し、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号を出力する画素混合読出部と、該画素混合読出部により出力されたチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力するチャネル間ズレ補正部とを備える固体撮像素子である。
　本態様によれば、光電変換部に入射した被写体からの光が、周期的に色配列された画素毎に光電変換されて電気的な画像信号に変換され、取得された画像信号がｎ×ｎ個のブロック内の同色の画素ごとに画素混合読出部において混合され、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号が出力される。色ごとに混合された多チャネルの縮小画像信号は、画素の色配列に応じたズレを含んでいるので、チャネル間ズレ補正部により補正することで、ズレのない多チャネルの縮小画像信号を出力することができる。縮小ベイヤ画像ではなく、多チャネルの縮小画像信号を出力するので、従来、縮小ベイヤ画像に再構成するために生じていた再現可能な周波数帯域の削減が発生せず、データ転送量を削減しつつ高精細な画像を再現することができる。
　上記態様においては、前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、前記画素混合読出部が、混合された同色の画素信号を前記ブロック内の同色の画素の重心位置に配置される座標の縮小画像信号として算出し、前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが偶数である場合に、各色の縮小画像信号の座標を一致させるように縮小画像信号の位置ズレを補正する位置ズレ補正部を備えていてもよい。
　ベイヤ配列された光電変換部の各画素により取得される画像信号は画素混合読出部により混合されるブロックが偶数の画素を含む場合に、ブロック内の同色の画素の重心位置が色間でずれることになる。本態様によれば、チャネル間ズレ補正部の位置ズレ補正部により、位置ズレを補正して座標を一致させた多チャネルの縮小画像信号を出力することができる。
　また、上記態様においては、前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが奇数である場合に、隣接する行間における同色の画素の特性の差を補正するゲイン補正部を備えていてもよい。
　ベイヤ配列された光電変換部の各画素により取得される画像信号は、画素混合読出部により混合されるブロックが奇数の画素を含む場合に、ブロック内の同色の画素の重心位置の色間での位置ズレは生じないが、２種類のＧチャネルにおけるフィルタの分光特性の相違によりずれることになる。本態様によれば、チャネル間ズレ補正部のゲイン補正部により、フィルタの分光特性のずれを補正してノイズの少ない多チャネルの縮小画像信号を出力することができる。
　また、上記態様においては、前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、前記画素混合読出部が、混合された同色の画素信号を前記ブロック内の同色の画素の重心位置に配置される座標の縮小画像信号として算出し、前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが偶数である場合に、各色の縮小画像信号の座標を一致させるように縮小画像信号の位置ズレを補正する位置ズレ補正部と、ｎが奇数である場合に、隣接する行間における同色の画素の特性の差を補正するゲイン補正部とを備えていてもよい。
　このようにすることで、画素混合読出部により混合されるブロックの画素数が偶数であっても奇数であってもチャネル間ズレ補正部によりチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力することができる。
　また、上記態様においては、前記チャネル間ズレ補正部により補正された多チャネルの縮小画像信号を、輝度信号と色差信号とに分離し、色差信号の信号帯域を制限する色変換部と、該色変換部から出力された色差信号を間引く画素間引部とを備えていてもよい。
　このようにすることで、人の視覚によって識別しにくい色差信号を間引くので、画像上の変化を抑えつつデータ量を削減することができる。
　また、上記態様においては、前記チャネル間ズレ補正部により補正された多チャネルの縮小画像信号に対して階調変換を行い、ＡＤ変換後のビット幅より小さいビット幅で表現される画像信号として出力する階調変換部を備えていてもよい。
　このようにすることで、階調変換部から出力されるデータ量を削減することができる。
　また、本発明の他の態様は、色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる光電変換部によって取得された画素信号を、ｎ×ｎ（ｎは２以上の任意の整数）個のブロック内の同色の画素毎に混合し、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号を出力する画素混合読出部と、該画素混合読出部により出力されたチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力するチャネル間ズレ補正部とを備える固体撮像素子である。
　本発明によれば、本来再現可能な周波数帯域の削減を最小限に抑えて、縮小されたフルカラーの多チャネル信号を得ることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子を示すブロック図である。 図１の固体撮像素子の光電変換部の画素配列を示す図である。 図１の固体撮像素子の画像読出部により読み出されるブロックを説明する図である。 図１の固体撮像素子の光電変換部と画像読出部を説明するブロック図である。 図４のブロックにおけるＲチャネルの画素とその重心位置を示す図である。 図４のブロックにおけるＧチャネルの画素とその重心位置を示す図である。 図４のブロックにおけるＢチャネルの画素とその重心位置を示す図である。 図５～図７に示される異なるチャネルの画素の重心位置のズレを説明する図である。 図１の固体撮像素子の画素間引部による（ａ）４：２：２フォーマット、（ｂ）４：２：０フォーマットの間引き量を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子を示すブロック図である。 図１０の固体撮像素子の画像読出部により読み出されるブロックの４つの混合パターンを説明する図である。 各種縮小画像信号の再現帯域を説明するグラフである。
　本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子１について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る固体撮像素子１は、フル解像度ベイヤ画像信号から縦横サイズが（１／偶数）となる縮小３板化画像信号を生成するものであり、ここでは、縦横１／４縮小するものとして説明する。一般には縦横１／ｎ縮小した画像の実際のサイズは１／ｎ２となるが、本実施形態の説明においては、特に追記がない限り、１／ｎ縮小とは縦横サイズを１／ｎ縮小することを意味するものとする。
　本実施形態に係る固体撮像素子１は、図１に示されるように、ベイヤ配列された複数色の画素が縦横２次元に配列され、各画素に入射された光を電気信号に変換する光電変換部２と、該光電変換部２において取得された電気信号からなる画素信号を読み出して同色毎に混合し多チャネルの縮小画像信号を出力する画像読出部（画素混合読出部）３と、該画像読出部３から出力された縮小画像信号に対し、チャネル間の縮小画像信号の位置ズレを補正するチャネル間ズレ補正部４と、補正された縮小画像信号に対しγ補正等の階調変換を行う階調変換部５と、該階調変換部５から出力された縮小画像信号を輝度信号と色差信号とに分離するＹＣ変換部（色変換部）６と、該ＹＣ変換部６において変換された色差信号を間引いてデータ量の削減を行う画素間引部７とを備えている。
　光電変換部２は、図２に示されるように、ベイヤ配列されたＲチャネルの画素，Ｇｒチャネルの画素，Ｇｂチャネルの画素，Ｂチャネルの画素の集合を図３に示されるように、２次元的に配列して構成されている。各画素は、図４に示されるように、入射光を光電変換するフォトダイオード８、フォトダイオード８から出力された電荷を転送する電荷転送部９を備えている。
　画像読出部３は、例えば、図３に示されるようなフル解像度のベイヤ画像の４×４個の画素領域（ブロック）１０毎に、同色の画素の画像信号を混合し、Ｒ，Ｇ，Ｂの３チャネル（３板）の縮小画像信号を出力するようになっている。各ブロック１０には４個のＲチャネル画素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、８個のＧチャネルの画素Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４，Ｇｂ１，Ｇｂ２，Ｇｂ３，Ｇｂ４および４個のＢチャネルの画素Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が含まれている。
　ここでは、４個のＲチャネルの画素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４からの画像信号の混合を例に挙げて説明する。図４のブロック１０中の４個のＲチャネルの画素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が、図４のフォトダイオードに対応している。画像読出部３は、２画素ごとに設けられて２つの電荷転送部９から転送されてきた電荷を平均する平均化回路１１と、各平均化回路１１によって平均された電荷を転送する電荷転送部１２と、４画素ごとに設けられ、２つの電荷転送部１２から転送されてきた電荷を平均化する平均化回路１３と、該平均化回路１３から出力された電荷を転送する電荷転送部１４と、該電荷転送部１４により転送されてきた電荷を蓄積する電荷蓄積回路１５と、該電荷蓄積回路１５から電荷信号を読み出す読出回路１６とを備えている。
　読出回路１６により読み出された電荷信号はフローティングディフュージョンアンプ（図示略）にて電圧信号に変換され，さらにＡ／Ｄ変換器（図示略）によってデジタル画像信号に変換されるようになっている。
　チャネル間ズレ補正部４は、画像読出部３により混合されて読み出されたＲチャネルの縮小画像信号およびＢチャネルの縮小画像信号の座標を、Ｇチャネルの縮小画像信号の座標に一致させるように位置ズレを補正する位置ズレ補正部である。
　具体的には、図５に示されるように、図３のブロック１０の中の４個のＲチャネルの画素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は同ブロックの中で左上側に位置しているため、それらの画素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の混合出力はそれらの重心位置Ｏｒに座標を有する縮小画像信号として出力される。この場合の重心位置Ｏｒは、左から２列目で上から２列目の画素Ｂ１の座標に一致している。
　また、図７に示されるように、図３のブロック１０の中の４個のＢチャネルの画素Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は同ブロックの中で右下側に位置しているため、それらの画素Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の混合出力はそれらの重心位置Ｏｂに座標を有する縮小画像信号として出力される。この場合の重心位置Ｏｂは、右から２列目で下から２列目の画素Ｒ１の座標に一致している。
　一方、図６に示されるように、図４のブロック１０の中の８個のＧチャネルの画素Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４，Ｇｂ１，Ｇｂ２，Ｇｂ３，Ｇｂ４の重心位置Ｏｇは、ブロック１０の中心位置に一致している。
　したがって、Ｇチャネルの縮小画像信号は、ブロック１０の中心位置を座標とする信号として出力されるが、図８に示されるように、ＲチャネルおよびＢチャネルの縮小画像信号は、Ｇチャネルの縮小画像信号の座標に対して１／（２ｎ）画素分斜め上または斜め下にずれた座標を有している。
　チャネル間ズレ補正部４は、この位置ズレを補正するものであり、ＲチャネルおよびＢチャネルの縮小画像信号に対して以下の数１による４点補間を行うようになっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数１において、座標（ｉ，ｊ）はＧチャネルの画素が存在する座標を示している。４点の座標（ｉ－ｂ，ｊ－ｂ）、（ｉ－ｂ，ｊ＋ａ）、（ｉ＋ａ，ｊ－ｂ）、（ｉ＋ａ，ｊ＋ａ）は座標（ｉ，ｊ）に対して最近傍のＲチャネルまたはＢチャネルの画素が存在する座標を示している。この演算はラインメモリといくつかの算術演算器を用いて実現可能である。
　なお、チャネル間ズレ補正部４以降は、デジタル画像信号に対する処理となり、固体撮像素子１内に搭載された論理回路にて演算されるようになっている。
　階調変換部５は、入力されたＲＧＢチャネルの各縮小画像信号に対してγ補正等に代表される階調変換を行い、その後に画像信号のビット精度をいくらか削減する（例えば、Ａ／Ｄ変換後のビット精度が１２ビットであるのに対して８ビットに圧縮する等）ことにより、データ量を削減するようになっている。
　ＹＣ変換部６は階調変換部５による階調変換後のＲＧＢチャネルの画像信号を輝度信号（Ｙ）と色差信号（Ｃｂ／Ｃｒ）信号に変換するようになっている。ＩＴＵ－Ｒ　ＢＴ．６０１方式による一般的な変換式は数２に示す通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　画像間引部７は、ＹＣ変換部６により変換された色差信号（Ｃｂ／Ｃｒ）を所定の間隔で間引き、データ量の削減を行うようになっている。間引き量は、図９（ａ）に示されるような４：２：２フォーマット（Ｙ信号が１に対してＣｂ／Ｃｒ信号が１／２）や、図９（ｂ）に示されるような４：２：０フォーマット（Ｙ信号が１に対してＣｂ／Ｃｒ信号が１／４）等が代表的なものである。図中、円形の記号はＹ信号、四角形の記号はＣｂ信号、三角形の記号はＣｒ信号である。
　表１は、フル解像度の画素数を仮に３６００万画素（３６メガピクセル）とした場合の、各種縮小率に対する中間出力および最終出力のデータ量を示したものである。ここで、読み出し時のビット精度を１２ビット、階調変換部の出力を８ビットと仮定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　これによれば、本実施形態に係る固体撮像素子１により出力されるデータ量はＤ列（４：２；２フォーマットの場合）、もしくはＥ列（４：２：０フォーマットの場合）に示すものとなり、縮小ベイヤ画像のデータ量（Ａ列）と同程度で高解像の３板化画像信号を転送することができることが分かる。
　このように、本実施形態に係る固体撮像素子１によれば、縮小ベイヤ画像ではなく、多チャネルの縮小画像信号を出力するので、従来、縮小ベイヤ画像に再構成するために生じていた再現可能な周波数帯域の削減が発生せず、データ転送量を削減しつつ高精細な画像を再現することができるという効果を奏する。また、階調変換部５から出力されるデータ量を削減することができるとともに、ＹＣ変換部６および画素間引部７により、人の視覚によって識別しにくい色差信号を間引いて、画像上の変化を抑えつつデータ量を削減することができるという利点がある。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子２０について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る固体撮像素子１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る固体撮像素子２０は、フル解像度のベイヤ画像から縦横サイズが（１／奇数）となる縮小３板化画像を出力するものであり、以降は基本的に縦横を１／５縮小するものを例示して説明する。
　図１０に示されるように、本実施形態に係る固体撮像素子２０は、チャネル間ズレ補正部４に代えて、ゲイン補正部（特定チャネルゲイン補正部）２１を有している点で、第１の実施形態に係る固体撮像素子１と相違している。
　このゲイン補正部２１は、画像読出部３により混合読み出しされた縮小画像信号の内、Ｇチャネルの縮小画像信号にゲインを乗算するものである。
　画像読出部３は、例えば、図１１（ａ）～（ｄ）に示されるようなフル解像度のベイヤ画像の５×５個の画素領域（ブロック）２２毎に、同色の画素の画像信号を混合し、Ｒ，Ｇ，Ｂの３チャネル（３板）の縮小画像信号を出力するようになっている。各ブロック２２には４個、６個または９個のＲ画素、１２個または１３個のＧ画素、および４個、６個または９個のＢ画素が含まれている。そして、ブロック２２は、その切り出し方によって、図１１（ａ）～（ｄ）に示されるように、４つの混合パターンをとることができる。
　本実施形態の場合には、各混合パターンにおけるＲチャネルの画素、Ｇチャネルの画素およびＢチャネルの画素の重心位置は、いずれの場合においても、５×５個のブロック２２の中心位置に一致しているので、第１の実施形態のように重心位置の位置ズレを補正する必要はない。しかしながら、各混合パターンにおいて縮小画像信号を構成するためのＧチャネルにおいて、Ｒ－Ｇ列のＧチャネルの画素であるＧｒ画素と、Ｂ－Ｇ列のＧチャネルの画素であるＧｂ画素の個数が異なっている。
　すなわち、図１１（ａ）、（ｃ）の混合パターンでは、６個のＧｒ画素と６個のＧｂ画素を含み、（ｂ）の混合パターンでは、４個のＧｒ画像と９個のＧｂ画素を含み、（ｄ）の混合パターンでは、９個のＧｒ画素と４個のＧｂ画素を含んでいる。
　一般的なベイヤ配列の固体撮像素子においては、明るさと色成分が一様な被写体を撮像した場合であっても、主にＲ－Ｇ列のＧｒ画素の緑色フィルタとＢ－Ｇ列のＧｂ画素の緑色フィルタとは分光特性が異なっており、Ｇｒ画素から得られる画像信号とＧｂ画素から得られる画像信号との間に差が生じる場合があることが知られている。
　そこで、本実施形態においては、ゲイン補正部により、Ｇｒ画素とＧｂ画素のそれぞれの個数と分光特性の相違に基づく計数とから補正ゲインを計算しておき、Ｇｒ画素から読み取った縮小画像信号およびＧｂ画素から読み取った縮小画像信号に対して、それぞれ異なる補正ゲインを乗算することとしている。
　これにより、緑色フィルタの分光特性が異なることによる格子状または縞状のノイズの発生を抑制することができる。
　すなわち、本実施形態に係る固体撮像素子１においても、チャネル間の縮小画像信号のズレを補正してノイズを抑制することができ、表１に示されるように、縮小ベイヤ画像のデータ量と同程度のデータ量で、高解像度の画像を再現可能な縮小３板化画像信号を出力することができるという利点がある。
　なお、上記実施形態においては、チャネル間ズレ補正部として、位置補正部またはゲイン補正部のいずれかを有する場合について説明したが、これに代えて、両者を備え、選択するブロックの画素数が偶数か奇数かによって位置補正部またはゲイン補正部を選択して適用することにしてもよい。
　また、本実施形態においては、複数色の画素がベイヤ配列された光電変換部について例示したが、これに限定されるものではなく、色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる任意の光電変換部を有する場合に適用することができる。
　また、縮小倍率１／４と１／５の場合を例示したが、これに代えて、任意の１／偶数および１／奇数の縮小倍率の場合に適用してもよい。
　１，２０　固体撮像素子
　２　光電変換部
　３　画素混合読出部（画像読出部）
　４　位置補正部（チャネル間ズレ補正部）
　５　階調変換部
　６　ＹＣ変換部（色変換部）
　７　画素間引部
　１０，２２　ブロック
　２１　ゲイン補正部（チャネル間ズレ補正部）

Claims (7)

  1. 　色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる光電変換部と、
    　該光電変換部によって取得された画素信号を、ｎ×ｎ（ｎは２以上の任意の整数）個のブロック内の同色の画素毎に混合し、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号を出力する画素混合読出部と、
    　該画素混合読出部により出力されたチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力するチャネル間ズレ補正部とを備える固体撮像素子。
  2. 　前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、
    　前記画素混合読出部が、混合された同色の画素信号を前記ブロック内の同色の画素の重心位置に配置される座標の縮小画像信号として算出し、
    　前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが偶数である場合に、各色の縮小画像信号の座標を一致させるように縮小画像信号の位置ズレを補正する位置ズレ補正部を備える請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、
    　前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが奇数である場合に、隣接する行間における同色の画素の特性の差を補正するゲイン補正部を備える請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 　前記光電変換部が、前記画素をベイヤ配列してなり、
    　前記画素混合読出部が、混合された同色の画素信号を前記ブロック内の同色の画素の重心位置に配置される座標の縮小画像信号として算出し、
    　前記チャネル間ズレ補正部は、ｎが偶数である場合に、各色の縮小画像信号の座標を一致させるように縮小画像信号の位置ズレを補正する位置ズレ補正部と、ｎが奇数である場合に、隣接する行間における同色の画素の特性の差を補正するゲイン補正部とを備える請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 　前記チャネル間ズレ補正部により補正された多チャネルの縮小画像信号を、輝度信号と色差信号とに分離し、色差信号の信号帯域を制限する色変換部と、該色変換部から出力された色差信号を間引く画素間引部とを備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  6. 　前記チャネル間ズレ補正部により補正された多チャネルの縮小画像信号に対して階調変換を行い、ＡＤ変換後のビット幅より小さいビット幅で表現される画像信号として出力する階調変換部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子。
  7. 　色配列に所定の周期性を有する複数色の画素を縦横に２次元的に配列してなる光電変換部によって取得された画素信号を、ｎ×ｎ（ｎは２以上の任意の整数）個のブロック内の同色の画素毎に混合し、縮小率１／ｎの多チャネルの縮小画像信号を出力する画素混合読出部と、
    　該画素混合読出部により出力されたチャネル間の縮小画像信号のズレを補正して出力するチャネル間ズレ補正部とを備える固体撮像素子。
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