JP2007235877A - 多板式固体撮像素子モジュール及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する固体撮像素子の数以上の解像度を実現する。
【解決手段】 同一構成の複数個の固体撮像素子を画素ずらし配置して実効画素数を増加させた多板式固体撮像素子モジュールにおいて、前記画素ずらし配置した後の赤色（Ｒ）光検出用固体撮像素子と青色（Ｂ）光検出用固体撮像素子と第１緑色（Ｇ１）光検出用固体撮像素子と第２緑色（Ｇ２）光検出用固体撮像素子の全画素の実効配列を市松配列にし、各画素間の虚画素６０位置の画像データを実画素の画像データで補間することで、解像度を向上させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば４個の固体撮像素子を画素ずらし配置した多板式固体撮像素子モジュール及び撮像装置に係り、特に、高解像度を実現した多板式固体撮像素子モジュール及び撮像装置に関する。

例えば下記特許文献１，２には、４板式固体撮像装置が記載されている。４板式の場合、各固体撮像素子を画素ずらし配置することで解像度を上げることができる。これを図６，図７で説明する。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、夫々同一構成の固体撮像素子１，２，３，４を示している。各固体撮像素子１，２，３，４には正方格子状に画素（各図中に「丸」で示し、丸内に、画素が属する固体撮像素子の番号を入れている。）が配置されており、画素ピッチや画素の大きさ（開口）は固体撮像素子１，２，３，４で同一である。

固体撮像素子１の配置位置に対し、固体撮像素子２をｘ方向（水平方向）ｙ方向（垂直方向）共に１／２画素ピッチ分ずらして配置し、固体撮像素子３をｙ方向に１／２画素ピッチ分ずらして配置し、固体撮像素子４をｘ方向に１／２画素ピッチ分ずらして配置する。これにより、各固体撮像素子１，２，３，４の各画素位置は、図７に示す配置となる。即ち、４板式固体撮像装置では、実効的に、解像度が４倍になることが分かる。

特開平７―２５０３３２号公報 特開昭６０―１５４７８１号公報

図８は、固体撮像素子１と固体撮像素子２とを画素ずらし配置して実画素の実効配列を市松配列にしたときの画素配置図である。画素配置が市松配列（ハニカム配列）になると、点線丸印で示す虚画素５の位置の各画像データを、周りの実画素１，２の画像データで補間して求め、画像データを正方格子状に配列することになる。

即ち、図８に示す固体撮像素子１，２の２板式固体撮像装置で得られる画像の解像度は、図７に示される４板式固体撮像装置で得られる画像の解像度と同じとなり、搭載する固体撮像素子を２個から４個に増やしても、解像度が上がらないことになる。

本発明の目的は、使用する固体撮像素子数以上の解像度を実現する多板式固体撮像素子モジュール及び撮像装置を提供することにある。

本発明の多板式固体撮像素子モジュールは、同一構成の複数個の固体撮像素子を画素ずらし配置して実効画素数を増加させた多板式固体撮像素子モジュールにおいて、前記画素ずらし配置した後の前記複数個の固体撮像素子の全画素の実効配列を市松配列にしたことを特徴とする。

本発明の多板式固体撮像素子モジュールは、前記固体撮像素子として画素が市松配列された固体撮像素子を用いることを特徴とする。

本発明の多板式固体撮像素子モジュールは、前記複数個が４個であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記のいずれかに記載の多板式固体撮像素子モジュールと、前記実効配列された画素の間を埋める虚画素位置の画像データを該虚画素の周りの前記実効配列された画素の画像データから補間演算する演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、画素ずらし配置された後の画素配列が市松配列なため虚画素位置の画像データをその周囲の実画素の画像データで補間でき、解像度を向上させることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、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デジタルカメラのブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系２１と、本実施形態に係る４板式固体撮像素子モジュール２２と、光学系２１とモジュール２２との間に配置された赤外線カットフィルタ２３とを備える。

本実施形態のデジタルカメラはまた、４板式固体撮像素子モジュール２２から出力される赤色（Ｒ）信号，青色（Ｂ）信号，第１緑色（Ｇ１）信号，第２緑色（Ｇ２）信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うＣＤＳ回路２４と、ＣＤＳ回路２４の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路２５と、プリプロセス回路２５から出力されるＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、Ａ／Ｄ変換回路２６から出力されるＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの画像信号を取り込んでホワイトバランス補正やガンマ補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路２７と、回路２７に接続された画像メモリ２８と、回路２７が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録／表示回路２９とを備える。

このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路３０と、システム制御回路３０からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路３１と、同期信号に基づいて４板式固体撮像素子モジュール２２内の各固体撮像素子に駆動信号を出力する撮像素子駆動回路３２とを備える。

本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路３０からの指示信号に基づいて光学系２１のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通してモジュール２２内の４つの固体撮像素子に被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じて各固体撮像素子から赤色（Ｒ）信号，第１緑色（Ｇ１）信号，第２緑色（Ｇ２）信号，青色（Ｂ）信号が出力され、プリプロセス回路２５が同期信号に応じてＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ信号の利得制御等を行い、システム制御回路３０からの指示に基づいて回路２７が信号処理等を行うことで、固体撮像素子モジュール２２から出力されたＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ信号に基づいて撮像画像が再生され、ＪＰＥＧ形式等のデータに圧縮された画像データが外部メモリに記録される。

図２は、４板式固体撮像素子モジュール２２の構成図である。このモジュール２２は、入力光を４分割する色分解プリズムと、４つの固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｇ１，２２Ｇ２，２２Ｂとを備える。図３は、色分解プリズムが入射光を４分割する青色（Ｂ）光と、第１緑色（Ｇ１）光と、第２緑色（Ｇ２）光と、赤色（Ｒ）光の分光特性を例示するグラフである。

図２に示す様に、色分解プリズムは、第１プリズム部材４０と、第２プリズム部材４１と、第３プリズム部材４２と、第４プリズム部材４３と、部材４０，４１間に設けられた青色（Ｂ）光反射用ダイクロイック膜４５と、部材４１，４２間に設けられた赤色（Ｒ）光反射用ダイクロイック膜４６と、部材４２，４３間に設けられた第２緑色（Ｇ２）光反射用ダイクロイック膜４７とを備える。

また、この色分解プリズムは、第１プリズム部材４０の光出力面に塗布された青色（Ｂ）光トリミング用カラーフィルタ４０ａと、第２プリズム部材４１の光出力面に塗布された赤色（Ｒ）光トリミング用カラーフィルタ４１ａと、第３プリズム部材４２の光出力面に塗布された第２緑色（Ｇ２）光トリミング用カラーフィルタ４２ａと、第４プリズム部材４３の光出力面に塗布された第１緑色（Ｇ１）光トリミング用カラーフィルタ４３ａとを備える。

各トリミング用カラーフィルタ４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａは、各プリズム部材４０，４１，４２，４３から出力する光の分光特性が、図３に示す様に、釣り鐘状となるようにトリミングする機能を有する。

固体撮像素子２２Ｂは、その受光面がトリミング用カラーフィルタ４０ａに対面する様に配置され、固体撮像素子２２Ｒは、その受光面がトリミング用カラーフィルタ４１ａに対面する様に配置され、固体撮像素子２２Ｇ１は、その受光面がトリミング用カラーフィルタ４２ａに対面する様に配置され、固体撮像素子２２Ｇ２は、その受光面がトリミング用カラーフィルタ４３ａに対面する様に配置される。

斯かる４板式固体撮像素子モジュール２２に被写界からの光が入射すると、入射光のうちの青色光はダイクロイック膜４５及び第１プリズム部材４０内で反射して固体撮像素子２２Ｂに入射する。入射光のうちの赤色光はダイクロイック膜４６及び第２プリズム部材４１内で反射して固体撮像素子２２Ｒに入射し、Ｇ２光はダイクロイック膜４７及び第３プリズム部材４２内で反射して固体撮像素子２２Ｇ２に入射し、Ｇ１光は第４プリズム部材４３内を直進して固体撮像素子２２Ｇ１に入射する。第１プリズム部材４０の光入射面から、各固体撮像素子２２Ｂ，Ｒ，Ｇ１，Ｇ２の受光面までの光路長は同じに設計される。

図４は、固体撮像素子２２Ｒ（固体撮像素子２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２も同一構成）の表面模式図である。固体撮像素子２２Ｒは、半導体基板５１の表面部に多数のフォトダイオード５２を備える。各フォトダイオード５２は、二次元アレイ状に配列形成され、偶数行のフォトダイオード５２に対して奇数行のフォトダイオード５２が１／２ピッチづつずらして形成され、所謂、ハニカム画素配列（市松配列）になっている。

水平方向に隣接する各フォトダイオード５２間には、垂直方向に蛇行して延びる垂直転送路（ＶＣＣＤ）５３が形成され、半導体基板５１の下辺部には、各垂直転送路５３の端部に連絡する水平転送路（ＨＣＣＤ）５４が設けられる。

各フォトダイオード５２が受光量に応じて蓄積した信号電荷は、隣接の垂直転送路５３に読み出されたあと水平転送路５４方向に転送され、水平転送路５４に移された信号電荷は、水平転送路５４に沿って出力端まで転送される。そして、水平転送路出力端に設けられた出力アンプ５５が、信号電荷量に応じた電圧値信号を画像データとして出力する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。また、本実施形態の固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２は、ＣＣＤ型であるが、画素配置が市松配列であればＭＯＳ型の固体撮像素子でも良い。

本実施形態の４板式固体撮像素子モジュール２２は、同一構成の４枚の固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２を用い、画素ずらし配置される。即ち、赤色光を検出する固体撮像素子２２Ｒの配置位置に対し、青色光を検出する固体撮像素子２２Ｂを、画素ピッチがｘ方向（水平方向）またはｙ方向（垂直方向）に１／２画素ピッチ分ずれるように配置する。

Ｇ１光を検出する固体撮像素子２２Ｇ１は、固体撮像素子２２Ｒに対して、右斜め４５度方向に斜め方向の画素ピッチの１／２だけずれる様に配置する。Ｇ２光を検出する固体撮像素子Ｇ２は、固体撮像素子２２Ｒに対して、左斜め４５度方向に斜め方向の画素ピッチの１／２だけずれる様に配置する。

以上の様に４個の固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２を配置すると、各固体撮像素子の実効的な画素配列は、図５に示す様になる。図５によれば、各固体撮像素子２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２の画素（図５では丸印で示され、その中に各固体撮像素子に属することを示す検出光Ｒ，Ｂ，Ｇ１，Ｇ２を記載している。）を実画素とすると、実画素の実効配列は、市松配列となっている。

斯かる構成の４板式固体撮像素子モジュール２２を搭載したデジタルカメラで被写体を撮像すると、４板式固体撮像素子モジュールれ２２の各実画素から、Ｒ信号，Ｂ信号，Ｇ１信号，Ｇ２信号が図１のＣＤＳ回路２４に出力され、これが、デジタル画像データとしてＡ／Ｄ変換回路２６から信号処理回路２７に出力される。

信号処理回路２７では、ガンマ補正処理，ホワイトバランス補正処理，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等の各種画像処理が行われるが、このとき、補間演算処理も行われる。

４板式固体撮像素子モジュール２２の各実画素から出力される画像データを配置すると、図５に示す様に市松配列となる。画像データが市松配列のままでは、各画像データが正方格子配列される「画像」を構成することができないため、画像データを正方格子配列する必要が生じる。即ち、市松配列される各実画素の間の虚画素６０の画像データが必要となる。

そこで、信号処理回路２７は、各虚画素６０の画像データを、当該虚画素６０の周りの実画素の画像データを補間演算することで生成し、虚画素６０の画像データとして配列する。

即ち、本実施形態によれば、４個の固体撮像素子を用いて画素ずらし配置し、配置後の実画素の配列を市松配列としたため、実画素数は１個の固体撮像素子の実画素数の４倍となり、虚画素６０の数も同数となるため、全画素数は８倍となり、解像度が８倍となる。

このように、多板式固体撮像装置の場合、実効画素数を上げて解像度を向上させるには、画素ずらし配置した後の全画素の実効配列が市松配列（ハニカム配列）となるように画素ずらし位置を決めるのが良く、ハニカム画素配列の固体撮像素子を用いる場合には、少なくとも４個の固体撮像素子が必要となる。

尚、上述した実施形態では、カラー画像を撮像する４板式固体撮像装置について説明したが、カラー画像ではなく白黒画像を撮像する４板式固体撮像装置とすることも可能である。この場合、色分解プリズム及びトリミング用カラーフィルタの代わりに、入射光を４分割するビームスプリッタを用いれば良い。

また、上述した実施形態では、色分解プリズム及びトリミング用カラーフィルタを用いたが、色分解プリズム及びトリミング用カラーフィルタの代わりに入射光を４分割するビームスプリッタを用い、各画素にカラーフィルタを積層した固体撮像素子を用いることも可能である。

また、上述した実施形態は４板式であるが、ハニカム画素配列の固体撮像素子を４のｎ乗個用いれば（例えば１６個）、上述した実施形態と同様に固体撮像素子数より高い解像度の撮像装置を得ることができる。

また、上述した実施形態では、Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの４色に分けたが、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に分け、図２のプリズム部材４１から出射したＧ光をビームスプリッタで同一分光特性のＧ光に２分割し、２つの固体撮像素子に別々に入射させる構成にすることでも良い。

本発明に係る４板式固体撮像装置は、使用する固体撮像素子数より高い解像度を得ることができるため、高精細画像を撮像するデジタルカメラに適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係る４板式固体撮像装置の機能ブロック図である。 図１に示す４板式固体撮像素子モジュールの構成図である。 図２に示す４板式固体撮像素子モジュールで用いる色分解プリズム及びトリミング用カラーフィルタの分光特性を示すグラフである。 図２に示す４板式固体撮像素子モジュールを構成する固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示す４板式固体撮像素子モジュールの実画素の配置図である。 従来の４板式固体撮像装置で用いる各固体撮像素子の表面模式図である。 画素が正方格子配列された４個の各固体撮像素子を画素ずらし配置して全画素が正方格子配列されたときの実画素の配置図である。 画素が正方格子配列された２個の固体撮像素子を画素ずらし配置して画素を市松配列にしたときの実画素の配置図である。

符号の説明

２２ ４板式固体撮像素子モジュール
２２Ｒ，２２Ｂ，２２Ｇ１，２２Ｇ２ ハニカム画素配列の固体撮像素子
２７ 信号処理回路
４０，４１，４２，４３ 色分解プリズムを構成するプリズム部材
４０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ トリミング用カラーフィルタ
４５，４６，４７ ダイクロイック膜
５１ 半導体基板
５２ フォトダイオード（画素）
５３ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
５４ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
５５ 出力アンプ
６０ 虚画素

Claims (4)

1. 同一構成の複数個の固体撮像素子を画素ずらし配置して実効画素数を増加させた多板式固体撮像素子モジュールにおいて、前記画素ずらし配置した後の前記複数個の固体撮像素子の全画素の実効配列を市松配列にしたことを特徴とする多板式固体撮像素子モジュール。
2. 前記固体撮像素子として画素が市松配列された固体撮像素子を用いることを特徴とする請求項１に記載の多板式固体撮像素子モジュール。
3. 前記複数個が４個であることを特徴とする請求項２に記載の多板式固体撮像素子モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多板式固体撮像素子モジュールと、前記実効配列された画素の間を埋める虚画素位置の画像データを該虚画素の周りの前記実効配列された画素の画像データから補間演算する演算手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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