JP2006041913A - カラー撮像装置及びカラー撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 モアレの少ない高画質の画像を得ることが可能なカラー撮像装置及びカラー撮像システムを提供する。
【解決手段】 同じ画素を2度以上読み出す動作と、これらの読み出された画素信号を用いて同色の信号を加算することによって、加算後における色信号間のサンプリング重心を等ピッチにする。また、加算時に使用する同色の信号に対し、各色毎に加算する領域を変更する。更に、色画素信号の加算前後で各色の空間的配列は同じとする。
【選択図】 図5
【解決手段】 同じ画素を2度以上読み出す動作と、これらの読み出された画素信号を用いて同色の信号を加算することによって、加算後における色信号間のサンプリング重心を等ピッチにする。また、加算時に使用する同色の信号に対し、各色毎に加算する領域を変更する。更に、色画素信号の加算前後で各色の空間的配列は同じとする。
【選択図】 図5
Description
本発明は、カラー撮像装置及びそれを用いたカラー撮像システムに係り、特に、撮像素子内で複数の画素信号の加算読み出し動作と、撮像素子からの画素信号を複数回読み出すことが可能なカラー撮像装置に関するものである。
近年、デジタルスチルカメラにおける画素数は、コンパクトデジタルカメラでは500万画素以上のものが、一眼レフデジタルカメラでは1000万画素以上のものが出回っている。また、その一方で、デジタルカムコーダにおいてもスチル&ムービーの概念のもと鮮明な動画像以上に高精彩の静止画も求められている。
このようなデジタルカムコーダの用途において、静止画時は高解像度を必要とするため撮像素子から全信号を読み出し、動画時は低解像度で構わないため、低画素数で読み出すのが一般的である。
また、この低解像度撮影において、カメラの電池消耗を防ぐため、また撮影枚数を増やすために画素信号の間引き読み出しや、画素信号の間引きと加算の両方が行われている。このような公知例としては、例えば、特開2001−36920号公報(特許文献1)に開示された撮像装置がある。同公報のものでは、4×4画素を1グループとして、加算前の各色の空間的色配置と、加算後の各色の空間的色配置が同じになるように複数の画素信号を加算している。
特開2001−36920号公報
特許文献1のものでは、1グループ内で加算前後での各色の空間的配置が同じになるように複数の画素信号を加算しているが、撮像画像を拡大するとモアレが発生する。これは加算前後での各色のサンプリング重心が等ピッチになっていないためである。このように従来技術のものでは、各色のサンプリングピッチまでを考慮していないためモアレが発生するという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、モアレの少ない高画質の画像を得ることが可能なカラー撮像装置及びカラー撮像システムを提供することにある。
本発明のカラー撮像装置は、水平方向、垂直方向の複数の画素信号を加算して読み出すカラー固体撮像装置において、同じ画素を2度以上読み出す動作と、これらの読み出された画素信号を用いて同色の信号を加算することによって、加算後における色信号間のサンプリング重心を等ピッチにする手段を有することを特徴とする。
また、本発明のカラー撮像システムは、上記記載のカラー撮像装置と、被写体光を結像する光学系と、前記カラー撮像装置から出力される画像信号を信号処理する画像処理手段とを有することを特徴とする。
また、本発明の撮像装置は、複数画素信号の加算を行う固体撮像装置において、同一の画素信号を複数のメモリに記録した後に加算を行うことを特徴とする。
また、本発明の撮像装置は、複数画素信号の加算を行う固体撮像装置において、同一の画素信号を非破壊読み出しを行い加算を行うことを特徴とする。
本発明によれば、加算後における色信号間のサンプリング重心を等ピッチにすることにより、画像のモアレを低減することができる。また、画像の状況に基づいてよりノイズの少ない補正が可能となるため、ゲインを上げることが出来、結果として感度を上げることが可能となる。
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。図1は本実施形態で用いる加算前のカラーフィルターの配列を示すものである。Rは赤フィルターを示し、Gr、Gbは緑フィルターを示し、Bは青フィルターを示す。また、GrはRの隣(左右)の緑フィルターであり、GbはBの隣(左右)の緑フィルターを示す。図1に示すフィルター配列を単位ユニットとし、撮像素子の各フォトダイオード上に2次元的に配列しているものとする。
図2(a)は同色の画素信号における4×4画素加算の加算例を示す。Rに関しては図2(b)に示すように横n〜n+6、縦m〜m+6までの領域の計16画素を加算する。この時、加算後の重心はn+3、m+3の位置にある(丸で標記)。同様に、Grに関しては図2(c)に示すように横n+5〜n+11、縦m〜m+6までの領域計16画素を用いる。この時、加算後の重心はn+8、m+3の位置となる。
Gbに関しては図2(d)に示すように横n〜n+6、縦m+5〜m+11までの領域の計16画素を用いる。この時、加算後の重心はn+3、m+8の位置となる。Bに関しては図2(e)に示すように横n+5〜n+11、縦m+5〜m+11までの領域の計16画素を用いる。この時、加算後の重心はn+8、m+8の位置となる。これらの構成を単位ユニットとし、次々に加算することで、加算後の結果として、加算前のRGRG…と同じ並びの画素信号を得ることが出来る。これにより、加算前と加算後で各色の空間的配列が同じとなる。
また、同様な加算を行うことによって得られる次のRは、横n+8〜n+14、縦m〜m+6となり、加算後の重心位置としてn+11、m+3となる。これにより加算によって最初に得られるのRの重心(n+3、m+3)と、最初に得られるGrの重心(n+8、m+3)間のピッチ(距離)は5画素分に値するが、そのGrの重心と次に得られるRの重心(n+11、m+3)との間のピッチ(距離)は3画素分に値し、R−Gr間とGr−R間のピッチが異なっている。このことは、従来例にも述べたように加算後の重心位置が等ピッチにならない例である(垂直方向も同様なので説明を省略する)。
図3は図2の問題点を考慮し、加算後の配列重心を等ピッチにするために重心合わせを行ったものである。図3(b)、図3(c)、図3(d)、図3(e)に示すようにR、Gr、Gb、Bの各色の加算領域を色毎に変化させることによって、結果として図3(a)に示すような全体イメージになる。この特徴として、Gに関してはGr、Gbともに20画素分の加算を行っているのに対し、Rは4×4の計16画素分での加算であり、Bは5×5の計25画素分の加算を行っている。
また、同様な加算を行うことによって得られる次に読み出される各色の加算領域は、Rは複数回読み出すことを行わずに加算可能であるのに対し、Grではn+11列のGr信号を加算に再度使用しなければならない領域であり、Gbではm+11行のGb信号を加算に再度使用しなければならない領域である。また、Bに関してはn+11列とm+11行のB信号を加算に再度使用しなければならない領域となっている。
このことは、つまり、赤以外の色に関して、画素信号を複数回読み出すことによって加算後の重心を等ピッチにしている。また、この特徴として、以上のような加算を行っても、加算後の信号の並び(GRGR…)は加算前(GRGR…)と同じ並びになっていることである。
同様に、図4はGr、Gbに関して20画素分の加算を行うのに対し、Rは25画素加算、Bは16画素加算となっており、青は複数回読み出すことを行わずに加算可能であるのに対し、Gr、Gb、Rは複数回読み出すことによって加算領域を変更している。つまり、青以外の色に関して、画素信号を複数回読み出すことによって加算後の重心を等ピッチにしている例である。また、同様に加算前と加算後で信号の出力並びを同じにしている。
次に、上記加算方法を実現するための本実施形態によるカラー撮像装置の内部構成について説明する。図5は本発明による撮像装置のブロック図である。図5において、撮像領域101には図6に示すような光電変換するフォトダイオードと画素アンプからなる画素部がマトリックス状に配置接続されている。
この撮像領域101の画素部は垂直走査回路(V−SR)102からの複数の駆動パルスによって制御される。撮像領域101の奇数列目の垂直信号線は図において下方のCDS、AMP103に接続され、偶数列目の垂直信号線は図の上方に接続されているが、以後、図において撮像領域の上下の回路は同一の構成であるので、下方の回路ブロックについて説明する。
画素部からの信号はCDS、AMP103で画素部のノイズが除去され、信号成分のみが増幅された後にメモリ104に一時蓄積される。本撮像装置が加算読み出しモードではなく、全画素読み出しモードの場合には、メモリ104の信号は水平走査回路(H−SR)105からの走査パルスφHn(nは整数)により制御され、出力信号線に読み出される。加算読み出しモードの場合には、メモリ104の信号は加算回路106に導かれる。この加算回路106はメモリ104からの同色の信号を加算する。加算された信号はメモリ107によって一時蓄積され、水平走査回路(H−SR)105からの走査パルスφHAn(nは整数)によって制御され、出力信号線より読み出される。
図6は画素部の単位画素回路図、図7は撮像領域からの画素信号読み出し信号処理回路の一部の回路図を示す。また、図8、図9は画素信号の加算タイミングを示す。これらの図を利用して画素部からの信号読み出しと信号加算を説明する。また、この実施形態では図5のブロック図及び図7の信号処理回路において、4×4画素加算を基本ユニットとした構成での加算例を示す。
図6の画素部は、光電変換部であるフォトダイオードPD1,PD2と、フォトダイオードからの信号電荷を転送する転送スイッチMTX1,MTX2と、2つの転送スイッチに接続された画素アンプMSFと、MSFのゲート部(フローティングディフュージョン)の残留電荷をリセットするリセットスイッチMRESと、画素アンプからの信号転送を制御するセレクトスイッチMSELとからなる。また画素部から信号は垂直信号線Vn(nは整数)に出力される。
図7の読み出し信号処理回路について説明する。垂直信号線に接続された容量CとクランプスイッチMC、基準電圧源Vr1、増幅器AMPからなる回路が画素部のノイズを除去するCDS回路である。CDSされた4列もしくは5列の信号を一時蓄積するのがメモリ104のメモリ容量CTa1、CTb1、CTc1、CTd1、CTe1である。メモリ104の4もしくは5つの信号を加算し一時蓄積するのがメモリ容量CAa1である。同様に異なる水平画素行の加算信号を一時蓄積するのがメモリ容量CAb1、CAc1、CAd1、CAe1である。これらメモリ容量CAa1、CAb1、CAc1、CAd1、CAe1の4行もしくは5行の信号を加算し一時蓄積するのがメモリ107の容量CT1である。
次に、図8のタイミング図を用いて加算について説明する。任意の露光時間が過ぎると、まず、各回路部のノードにある残留電荷が各パルスの制御によりリセットされる。時刻t1に画素アンプMSFのゲート部がパルスφRESにより、CDS、AMP103がパルスφCL,φTS1,φTS2によりVr1電圧にリセットされる。またメモリ104内の残留電荷も、φCL,φTS1,φTS2をオンすると同時に、メモリ転送スイッチφTS3,φTS4をオンすることでメモリリセットを行う。
同様に加算回路106における一時蓄積容量CAa1からCAe1の残留電荷は、φTS5,φTS6,φCRを同時にオンすることでVr2電圧にリセットでき、同様にメモリ107内の残留電荷もφTS7,φCRをオンすることでメモリリセットを行う。
時刻t2ではパルスφCLのオフ時に画素アンプノイズがクランプ容量Cにクランプされ、パルスφTX1によりフォトダイオードの電荷が画素アンプを経てクランプ容量に入力される。その結果、画素ノイズはCDS除去され、増幅器AMPを経てメモリ104に一時蓄積される。
今、垂直走査において図4(a)におけるm行を選択している状態とする。垂直信号線V1,V3,V5,V7からの信号として、メモリ容量CTa1にはR(m,n)(R画素のm行n列目の信号)、CTb1にはR(m,n+2)、CTc1にはR(m,n+4)、CTd1にはR(m,n+6)の画素信号として蓄積する。
時刻t3においてφSEL,φTX1がオン期間中にφTS1をオンすることによりこれらの画素信号の転送を行う。またこの奇数行を選択するタイミングでは、図6よりφTX1によって選択され、偶数行はφTX2によって選択されるとする。このため図8においてφTX2はオフのままである。
次に、垂直信号線V9からの信号としてメモリ容量CTe1にR(m,n+8)の画素信号を蓄積し、時刻t4において転送を行う。時刻t5ではφTS3、φTS4を同時にオンにすることで容量CAa1に5画素分の信号を加算する。
次に、垂直走査回路102で選択している行をm+2行にする。この状態で、同様な操作を行い、時刻t6ではR(m+2,n)、R(m+2,n+2)、R(m+2,n+4)、R(m+2,n+6)、R(m+2,n+8)の信号を加算し容量CTb1に蓄積する。時刻t7ではR(m+4,n)、R(m+4,n+2)、R(m+4,n+4)、R(m+4,n+6)、R(m+4,n+8)の信号を加算し容量CTc1に蓄積する。
時刻t8ではR(m+6,n)、R(m+6,n+2)、R(m+6,n+4)、R(m+6,n+6)、R(m+6,n+8)の信号を加算し容量cTd1に蓄積する。時刻t9ではR(m+8,n)、R(m+8,n+2)、R(m+8,n+4)、R(m+8,n+6)、R(m+8,n+8)の信号を加算し容量CTe1に蓄積する。
時刻t10では、φTS5,φTS6を同時にオンすることよってCAa1、CAb1、CAc1、CAd1、CAe1に蓄積された画素信号を加算し、φTS7をオンすることで加算結果をCTn(ここではn=1)に蓄積する。この結果、CT1には図4(b)に示すように25画素分のR信号が加算されていることになる。
次に、Gbについて図9のタイミング図を用いて説明するが、時刻t1、t2については図8の説明と同じなので省略する。
今、垂直走査において図4(a)におけるm+5行を選択している状態とする。垂直信号線V1,V3,V5,V7からの信号として、メモリ容量CTa1にはGb(m+5,n)(Gb画素のm+5行n列目の信号)、CTb1にはGb(m+5,n+2)、CTc1にはGb(m+5,n+4)、CTd1にはGb(m+5,n+6)の画素信号として蓄積する。
時刻t3においてパルスφSEL、φTX2をオンし、φTS1をオンすることにより偶数行の画素信号の転送を行う。次に垂直信号線V9からの信号としてメモリ容量CTe1にGb(m+5,n+8)の画素信号を蓄積し、時刻t4において転送を行う。また、時刻t5ではφTS3、φTS4を同時にオンにすることで容量CAa1に5画素分の信号を加算する。
次に、垂直走査回路102で選択している行をm+7行にする。この状態で、同様な操作を行い、時刻t6ではGb(m+7,n)、Gb(m+7,n+2)、Gb(m+7,n+4)、Gb(m+7,n+6)、Gb(m+7,n+8)の信号を加算し容量CTb1に蓄積する。
時刻t7ではGb(m+9,n)、Gb(m+9,n+2)、Gb(m+9,n+4)、Gb(m+9,n+6)、G(m+9,n+8)の信号を加算し容量CTc1に蓄積する。
時刻t8ではGb(m+11,n)、Gb(m+11,n+2)、Gb(m+11,n+4)、Gb(m+11,n+6)、Gb(m+11,n+8)の信号を加算し容量CTd1に蓄積する。
時刻t9では、φTS5,φTS6を同時にオンすることよってCAa1、Cab1、CAc1、CAd1に蓄積された画素信号を加算し、φTS7をオンすることで加算結果をCTn(ここではn=1)に蓄積する。この結果、CT1には図4(c)に示すように横5画素分、縦4画素分の計20画素分のGb信号が加算されることになる。
その他の色の加算については同様な操作を行う。例えば、図3(b)に示すようなRの横4画素×縦4画素分の加算においては、図7におけるφTS2,φTS4をオンしないことにより横4画素分の加算に対応し、φAD5,φTS6をオンしなければ縦4画素分の加算に対応する。また、他のGr、Bに関しては図5の撮像領域上部のブロック内で同様のことを行う。
また、図8のタイミング図によりそれぞれ必要な画素数分加算した後に、水平走査回路105によりφHAnを与えることで、加算後の1行分の信号出力を得ることが出来る。ここで、nは1〜加算後の水平画素数分の整数値となる。VGAであれば1〜640までのメモリ数となる。このようにメモリ104は静止画の水平画素数分のメモリ数を必要とするが、メモリ107は加算後のメモリとなるので、メモリ104よりは規模の小さな構成となる。
更に、静止画については、特にタイミングは記載していないが、図7においてφH1,φH2…とH−SR105からパルスを供給することによって加算回路106やメモリ107を通過させずにCTa1、CTb1…から直接読み出すことが可能であり、そうすることで静止画読みとなる。
また、ここでは縦4画素×横4画素を基本ユニットとした加算方式をモデルに説明したが、静止画の画素数が増えることで加算領域も縦6画素×横6画素、縦8画素×横8画素等、増やしていくことも可能であり、その時の加算方法も同上であるのでここでは説明を割愛する。
図10は本発明の撮像装置を用いたシステム構成図である。この図のように光学系1を通って入射した被写体光はセンサ2に結像する。センサ2は図5の撮像装置に対応する。センサ2に配置された画素により光情報は電気信号に光電変換される。この電気信号はADC4でアナログ信号からディジタル信号に変換されるのであるが、その前にAFE3によってADC4のブラックレベルに見合うようにクランプ補正を行い、またADC4の入力範囲に収まるようにAFE3によってゲイン補正を行う。
ディジタル信号に変換された後の画像信号は予め決められた方法に基づく処理回路5によって信号変換処理される。また、この信号処理に当たって一時的な画像保存領域としてメモリ6を使用する。信号処理された画像信号は記録系・通信系7を通して記録されるか、通信して外部媒体に記録を行う。
また、表示系・再生系8によって表示や再生を行う。これらの信号の流れを制御するものとしてシステム制御回路10を用いる。またROM9に保存されている動作プログラムによってシステム制御回路10は動作する。センサ2とAFE3とADC4はタイミングジェネレータ(TG)11によって与えられるパルスにより制御され動作する。また光学系1の絞り・フォーカス・ズーム・シャッター等もシステム制御回路10から制御を行っている。
ここで、例えば、全画素読み出しと加算読み出しを切り替える場合を説明する。これらの切り替えは外部入力系13から人の操作によって行う。全画素読み出しは静止画出力に相当し、加算読み出しは動画出力に対応する。この切り替え動作ではセンサ2に与えるパルスをTG11により変更し、加算時は複数画素を平均化するため画像のランダムノイズや固定パターンノイズが平滑化される。このため光学系1の絞りを絞った状態でも、AFE3のゲインを上げることが可能となる。
このようなゲイン変更信号をTG11から出力する。またADC4で使用している変換用のクロック信号も、全画素と加算画素の出力画素数が異なるためシステム制御回路10がTG11に信号を出力し、このTG11からそれぞれ変更を行う必要がある。同様に処理回路5においても動画・静止画の違いにより記録系への圧縮方法を変更する。更に全画素読み・加算読みの違いにより適正な補正方法等を変更する。
加算における図3に基づく方法と、図4に基づく方法の切り替えを説明する。この切り替えは加算動作中、つまり動画出力時において得られた画像信号が、処理回路5に入り更に判断に必要な情報を切り替え判断部12に伝達することによって行う。この切り替えの必要性は5×5画素加算では従来の全画素読みよりノイズが1/5になるが4×4画素加算においてはノイズが1/4になることに基づく。
例えば、光源の色温度が低い時(赤っぽい時)は、処理回路5においてホワイトバランス係数としてRの係数を弱め、Bの係数を強くする。このような時はBにゲインが多くかかっているので青を複数回読み出す加算方法(図3参照)を採用する。これによりBに強いゲインがかかってもノイズっぽさを低減できる。また、逆に光源の色温度が高い時(青っぽい時)は、ホワイトバランス係数としてRを強め、Bを弱めるために赤を複数回読み出す加算方法(図4参照)を行う。これによりRに強いゲインがかかってもノイズっぽさを低減できる。
同様に、写す被写体によっても切り替え可能である。例えば、赤いバラを撮る時は、画像の中央の色差信号(R−Y,B−Y)を測定することによって赤いかどうか判断できるが、赤を複数回読み出す加算方法(図4参照)を用いることで、赤いバラのノイズっぽさを低減することが可能である。また同様に例えば青空を被写体とする時は色差信号を測定し、青を複数回読み出す加算方法(図3参照)を用いることで、青空のノイズっぽさを低減することが可能となる。
このように処理回路5で使用するホワイトバランス係数や、色差信号を切り替え判断部12に伝えることで切り替えを行う。これによって切り替え判断されたものをTG11に伝え、それに基づきセンサ2を切り替える。
1 光学系
2 センサ
3 AFE
4 ADC
5 処理回路
6 メモリ
7 記録系・通信系
8 表示系・再生系
9 ROM
10 システム制御回路
11 タイミングジェネレータ(TG)
12 切り替え判断部
13 外部入力系
101 撮像領域
102 垂直走査回路(V−SR)
103 CDS、AMP
104 メモリ
105 水平走査回路(H−SR)
106 加算回路
107 メモリ
2 センサ
3 AFE
4 ADC
5 処理回路
6 メモリ
7 記録系・通信系
8 表示系・再生系
9 ROM
10 システム制御回路
11 タイミングジェネレータ(TG)
12 切り替え判断部
13 外部入力系
101 撮像領域
102 垂直走査回路(V−SR)
103 CDS、AMP
104 メモリ
105 水平走査回路(H−SR)
106 加算回路
107 メモリ
Claims (12)
- 水平方向、垂直方向の複数の画素信号を加算して読み出すカラー固体撮像装置において、同じ画素を2度以上読み出す動作と、これらの読み出された画素信号を用いて同色の信号を加算することによって、加算後における色信号間のサンプリング重心を等ピッチにする手段を有することを特徴とするカラー撮像装置。
- 前記加算時に使用する同色の信号に対し、各色毎に加算する領域を変更することを特徴とする請求項1に記載のカラー撮像装置。
- 色画素信号の加算前後で各色の空間的配列が同じであることを特徴とする請求項1又は2に記載のカラー撮像装置。
- 前記加算する領域を変更する場合には、赤色信号の加算領域より青色信号の加算領域が広くなるように変更することを特徴とする請求項2に記載のカラー撮像装置。
- 前記加算する領域を変更する場合には、青色信号の加算領域より赤色信号の加算領域が広くなるように変更することを特徴とする請求項2に記載のカラー撮像装置。
- 請求項4に記載の赤色信号の加算領域より青色信号の加算領域が広くなるように変更する場合と、請求項5に記載の青色信号の加算領域より赤色信号の加算領域が広くなるように変更する場合とを切り替える切り替え手段を有することを特徴とする請求項4又は5に記載のカラー撮像装置。
- 前記切り替え手段は、画像処理におけるホワイトバランスの赤と青にかかる係数に基づいて赤色信号の加算領域より青色信号の加算領域が広くなるように変更する場合と、青色信号の加算領域より赤色信号の加算領域が広くなるように変更する場合とを切り替えることを特徴とする請求項6に記載のカラー撮像装置。
- 前記切り替え手段は、画像処理における色差信号に基づいて赤色信号の加算領域より青色信号の加算領域が広くなるように変更する場合と、青色信号の加算領域より赤色信号の加算領域が広くなるように変更する場合とを切り替えることを特徴とする請求項6に記載のカラー撮像装置。
- 画素信号を加算しないで読み出す第1のモードと、画素信号を加算して読み出す第2のモードを持ち、第1のモードと第2のモードを切り替えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のカラー撮像装置。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のカラー撮像装置と、被写体光を結像する光学系と、前記カラー撮像装置から出力される画像信号を信号処理する画像処理手段とを有することを特徴とするカラー撮像システム。
- 複数画素信号の加算を行う固体撮像装置において、同一の画素信号を複数のメモリに記録した後に加算を行うことを特徴とする撮像装置。
- 複数画素信号の加算を行う固体撮像装置において、同一の画素信号を非破壊読み出しを行い加算を行うことを特徴とする撮像装置。
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