JP2011205348A - 固体撮像装置および画像記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照度が低い領域において、色温度に依存しない優れた色再現性と高感度な画像を得ることが可能な固体撮像装置および画像記録装置を提供することを目的とする。
【解決手段】各画素にカラーフィルタを配置した色画素を有する固体撮像装置において、
緑色の画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックが２組、一方の対角上に配置され、他方の対角上に、赤色および青色のうちの一方の色の画素が、列方向２画素×行方向２画素で配されたブロックと、他方の色の２つの画素と、赤色、緑色、青色と波長透過率ピークが異なる他の色の２つの画素が対角上に配されたブロックと、が配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置および画像記録装置に関する。

固体撮像装置は、画像入力処理を行う基本素子として、様々な分野で広く利用されている。現在、一般に利用されている固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサに大別される。ＣＭＯＳイメージセンサの原理は、個々の画素ごとに受光素子として機能するフォトダイオードを設け、このフォトダイオードの出力をＭＯＳトランジスタで増幅して取り出すものである。また、ＣＭＯＳイメージセンサは、低消費電力で駆動する小型の固体撮像素子として有望視されている。かかる固体撮像装置では、画素の微細化と多画素化が進行している。

固体撮像装置では、各画素に対応して特定のカラーフィルタ、例えば、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のカラーフィルタが設けられている。一般的に、固体撮像装置は、ベイヤ配列（例えば、特許文献１参照）と呼ばれるカラーフィルタ配列を採用している。

しかしながら、ベイヤ配列では、照度が低く、一つの画素では十分な感度が得られないような状況において、感度を上げるために、ビニング処理（画素加算）を行うと、解像度が低下したり、色温度が低い環境では色再現性が悪化してしまうという問題がある。

米国特許３，９７１，０６５

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、照度が低い領域において、色温度に依存しない優れた色再現性と高感度な画像を得ることが可能な固体撮像装置および画像記録装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、各画素にカラーフィルタを配置した色画素を有する固体撮像装置において、Ｘ１色の画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックが２組、一方の対角上に配置され、他方の対角上に、Ｘ２色およびＸ３色のうちの一方の色の画素が、列方向２画素×行方向２画素で配されたブロックと、他方の色の２つの画素と、Ｘ４色の２つの画素が対角上に配されたブロックと、が配置され、波長の大きさが、Ｘ３色＜Ｘ１色＜Ｘ４色＜Ｘ２色である固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、照度が低い領域において、色温度に依存しない優れた色再現性と高感度な画像を得ることが可能になるという効果を奏する。

図１は、ベイヤ配列を示す図である。 図２は、本実施の形態のカラーフィルタ配列を示す図である。 図３は、カラーフィルタの透過率を示す図である。 本実施の形態のフィルタ配列でビニング処理する場合を説明するための図である。 図５は、本実施の形態の固体撮像装置を搭載した画像記録装置の構成の一例を示すブロック図である。 図６は、画像処理装置の信号処理のフローを示す図である。 図７は、本実施の形態のカラーフィルタ配列の変形例を説明するための図である。

以下に、この発明にかかる固体撮像装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。

（実施の形態）
［固体撮像装置］
図１〜図４を参照して、本実施の形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタ配列（ＣＦＡ）について説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＭＯＳ型撮像装置またはＣＣＤ型撮像装置である。図１は、ベイヤ配列を示す図である。図２は、本実施の形態のカラーフィルタ配列を示す図である。図３は、カラーフィルタの透過率を示す図であり、（ａ）は、ベイヤ配列の場合、（ｂ）は本実施の形態のカラーフィルタ配列の場合を示している。図３において、横軸は波長［ｎｍ］、縦軸は透過率［％］を示している。

ベイヤ配列は、図１に示すように、列方向（水平方向）２画素×行方向（垂直方向）２画素を基本ブロックとして周期的に配置され、この基本ブロックにおいて、２つのＧ（緑色）画素が一方の対角上に配置され、Ｒ（赤色）画素とＢ（青色）画素が他方の対角上に配置されたカラーフィルタ配列である。

ベイヤ配列では、一つの画素では十分な感度が得られないような状況において、ビニング処理（画素加算）を行うと、解像度が低下したり、色温度が低い環境では色再現性が悪化してしまうといった問題がある。ベイヤ配列で使用されるＲ，Ｇ，Ｂのフィルタは、図３（ａ）に示すような、波長−透過率特性を有している。ここで、例えば、色温度が低い場合（３２００Ｋ）は、ＧとＲ間のサンプリングポイントが不足し、また、感度が低下してしまう。

これに対して、本実施の形態のカラーフィルタ配列は、図２に示すように、列方向４画素×行方向４画素を基本ブロックとして周期的に配置される。この基本ブロックは、Ｇの列方向２画素×行方向２画素のブロックが２つ一方の対角上に配置される。また、他方の対角上には、Ｒの列方向２画素×行方向２画素のブロックと、２つのＢ画素と２つのＯｒ（オレンジ色）画素がそれぞれ対角に配置されたブロックとが配置されている。

本実施の形態のＲ，Ｇ，Ｂ，Ｏｒのフィルタは、図３（ｂ）に示すような、波長−透過率特性を有している。Ｏｒフィルタは、５５０ｎｍ〜６１０ｎｍの範囲にピーク透過率を有しており、Ｏｒ画素を追加することで、長波長領域にサンプルポイントを追加することで、色再現性を向上でき、低照度時において十分な感度を得ることが可能となる。

図４は、本実施の形態のフィルタ配列でビニング処理する場合を説明するための図である。ここでは、列方向２画素×行方向２画素加算する場合について説明する。例えば、１画素では十分な感度が得られないような照度が低い領域において、ビニング処理が行われる。

本実施の形態のカラーフィルタ配列では、Ｒ，Ｇの同色４画素を加算する場合（ＢとＯｒは２画素加算）、図４に示すように、重心が移動しないため、補間処理等が不要であり、加算した値をそのまま使用できる。これにより、解像度の低下が避けられ、４画素加算後の配列もほぼベイヤ配列と同等なために、複雑な信号処理を必要としないことが分かる。

他方、Ｏｒ画素を追加しても、視感感度に影響が大きいＧやＲの画素数は、ベイヤ配列と比較して同等であるため、解像度の低下を避けることができる。

以上説明したように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、Ｇ画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックが２組、一方の対角上に配置され、他方の対角上に、Ｒ画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックと、２つのＢ画素と２つのＯｒ画素がそれぞれ対角上に配されたブロックとが配置されているので、照度が低い領域において、色温度に依存しない優れた色再現性と高感度な画像を得ることが可能となる。

［画像記録装置］
図５は、本実施の形態の固体撮像装置を搭載した画像記録装置の構成の一例を示すブロック図である。画像記録装置は、図５に示すように、撮像レンズ１、ＩＲカットフィルタ２、本実施の形態の固体撮像装置を適用したイメージセンサ部３、画像処理装置４と、および記録部５を備える。なお、ここでは、イメージセンサ部３と画像処理装置４を個別に設けているが、イメージセンサ部３が画像処理装置４を備える構成としてもよい。

図５において、撮像レンズ１は、被写体からの光を取り込むための光学系を構成し、イメージセンサ部３に被写体像を結像する。ＩＲカットフィルタ２は、撮像レンズ１により取り込まれた光から赤外光を除去する。イメージセンサ部３は、撮像レンズ１により取り込まれた光を信号電荷に変換することにより、被写体像を撮像し、画像信号として画像処理装置４に出力する。

より具体的には、イメージセンサ部３は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｏｒの画素値を上記カラーフィルタ配列に対応する順序で取り込むことによりアナログ画像信号を生成し、撮像条件に応じたゲインにて順次増幅させる。さらに、イメージセンサ部３は、得られた画像信号をアナログ方式からデジタル方式に変換する。

画像処理装置４は、イメージセンサ部３から入力されるデジタル画像信号に対して、種々の処理を施して記録部５に出力する。記録部５は、画像処理装置４から入力される画像信号をメモリや記録媒体に記録する。

図６は、画像処理装置４の信号処理のフローの一例を示す図である。画像処理装置４は、ビニング処理（隣接する同色４画素加算）を行う処理部を備えている。図６において、まず、ステップＳ１では、イメージセンサ製造時に生じた画素欠陥による画質劣化を防ぐために、画素が抜けた後を目立たないように補正する（傷補正処理）。

ステップＳ２では、撮像レンズ１に起因する中央部と周辺部との光量差による輝度ムラを補正する（シェーディング補正処理）。ステップＳ３では、イメージセンサ部３の撮像条件及び各画素の位置に基づいて算出した補正係数を用いて、輪郭強調処理を施す。

ステップＳ４では、固定パターンノイズ、暗電流ノイズ、ショットノイズなどのノイズを除去する（ノイズリダクション処理）。ステップＳ５では、隣接する４つ同色画素を加算するビニング処理を施す。かかるビニング処理は、出力画像のサイズが所定サイズの場合、例えば、有効画素数に対して、１／４サイズ（縦・横１／２）で出力する場合に実行される。また、各種条件に基づいて、ビニング処理を実行すべきか否かを判断して、必要な場合にビニング処理が実行される。例えば、照度が低いとアナログゲインが大きくなるので、ゲイン値が所定値を超えた場合に、ビニング処理を実行する。

ステップＳ６では、上記カラーフィルタ配列の順序で伝達されてくるデジタル画像信号に対して、画素補間処理（デモザイキング処理）を施す。デモザイキングでは、被写体像の撮像により得られた画像信号の補間処理により、不足色成分の感度レベル値を生成する。

ステップＳ７では、画像のホワイトバランスを自動調整する（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＡＷＢ）。ステップＳ８では、下式（１）に示すような色再現性を得るためのリニアカラーマトリクス処理を施す。

ここで、色再現性を高めると共に、ＲＧＢＯｒ４色からＲＧＢ３色へと色信号の変換処理を施す。

ステップＳ９では、ガンマ補正処理により、ディスプレイ等に表示される画像の彩度や明るさを補正する。なお、本実施の形態で説明する処理の手順は一例であって、他の処理の追加、省略可能な処理の省略、順序の変更などを適宜しても良い。

［固体撮像装置のカラーフィルタ配列の変形例］
本実施の形態のカラーフィルタ配列は、図２の構成に限られるものではなく、以下のような態様としてもよい。図７は、本実施の形態に係るカラーフィルタ配列の変形例を説明するための図である。例えば、図７（ａ）に示すように、Ｏｒ画素とＢ画素を入れ替えてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、対角上の上方にＯｒ画素とＢ画素からなるブロックを配置し、対角上の下方にＲ画素を配置してもよい。また、図７（ｃ）に示すように、Ｂ画素とＲ画素を入れ替えてもよい。また、図７（ｄ）に示すように、２組のＧ画素のブロックと、Ｒ画素のブロックおよびＯｒ画素とＢ画素のブロックと、を入れ替えてもよい。

さらに、Ｏｒの代わりに、Ｒ，Ｇ，Ｂと波長透過率ピークが異なるＸ色＝例えば、Ｃ（シアン色）、Ｍ（マゼンタ色）、Ｙ（イエロー色）を配置してもよい。これにより、Ｘ色の波長領域にサンプルポイントを追加することで、色再現性を向上でき、低照度時において十分な感度を得ることが可能となる。

すなわち、本実施の形態では、Ｇ画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックが２組、一方の対角上に配置され、他方の対角上に、ＲおよびＢのうちの一方の色の画素が、列方向２画素×行方向２画素で配されたブロックと、他方の色の２つの画素と、Ｒ，Ｇ，Ｂと波長透過率ピークが異なる色の２つの画素が対角上に配されたブロックと、が配置された構成とすることで、本実施の形態の効果を得ることが可能となる。

１ 撮像レンズ、２ ＩＲフィルタ、３ イメージセンサ部、４ 画像処理装置、５ 記録部

Claims (3)

1. 各画素にカラーフィルタを配置した色画素を有する固体撮像装置において、
   Ｘ１色の画素が、列方向２画素×行方向２画素配されたブロックが２組、一方の対角上に配置され、
   他方の対角上に、Ｘ２色およびＸ３色のうちの一方の色の画素が、列方向２画素×行方向２画素で配されたブロックと、他方の色の２つの画素と、Ｘ４色の２つの画素が対角上に配されたブロックと、が配置され、
   波長の大きさが、Ｘ３色＜Ｘ１色＜Ｘ４色＜Ｘ２色であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記Ｘ１色は緑色、前記Ｘ２色は赤色、前記Ｘ３色は青、Ｘ４色はオレンジ色であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置から出力される画像信号に対して、隣接する同色４画素を加算する処理部を有する画像処理装置と、を備えたことを特徴とする画像記録装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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