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発明の名称 固体撮像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−7736
公開日 平成7年(1995)1月10日
出願番号 特願平5−144605
出願日 平成5年(1993)6月16日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 谷添 幸広 / 米山 匡幸 / 山本 靖利 / 佐々木 省吾
要約 目的
空間周波数水平、垂直方向に色モアレの少ない色信号の比に従って、画素補間演算を施すことにより、輝度モアレを抑圧する。

構成
縦M画素×横N画素の所定の繰り返し配列を有する色分離フィルタ11を設けた全画素読み出し撮像素子12を用い、その縦K画素×横L画素領域からの信号に対し二次元演算を施すことにより、色信号を分離する色信号生成手段13と、分離した色信号の比に従って輝度信号の補間演算を行う画素補間演算手段14を備えた構成である。
特許請求の範囲
【請求項1】M画素×N画素の繰り返し配列を有する所定の色分離フィルタと、前記色分離フィルタを通過した入射光に光・電気変換を施こす全画素読み出し光電変換手段と、光・電気変換を施されたK×L領域の画素からの信号に対して二次元演算を施すことにより色分離された色信号を生成する色信号生成手段と、注目画素に対して前記色信号生成手段で生成された色信号の比に従って所定の画素補間演算を行う輝度信号生成手段とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項2】色信号生成手段の出力に所定の演算を施すことにより、水平方向または垂直方向の色の変化点を監視する信号処理手段Aと、輝度信号生成手段の出力に対し周波数特性処理を施す信号処理手段Bを有し、前記信号処理手段Bは係数が可変であるトランスバーサル型フィルタで構成され、前記トランスバーサル型フィルタのタップ係数は、前記信号処理手段Aの出力により決定されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
【請求項3】輝度信号生成手段において、各色分離フィルタの出力に対し一定値を加算することを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像装置。
【請求項4】色選択性光学ローパスフィルタを通過した光を入射光とすることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子を用いた固体撮像装置に関し、特に全画素読み出し撮像素子に色分離フィルタを設け、カラー映像信号を得る固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】撮像部に固体撮像素子を用いたカラーカメラには、複数個の撮像素子を用いる多板方式と1個の撮像素子を用いる単板方式がある。単板方式においては、画素毎に異なる分光特性を有する色分離フィルタを設け、これら色分離フィルタに対応する画素の信号の演算により色信号、輝度信号を得ている。このような単板方式では、必然的に各信号の空間サンプリング周波数が低くなり、輝度信号、色信号に画像の高域成分の折り返しによる偽信号すなわちモアレが発生する。
【0003】ところで、従来の撮像素子では垂直方向2画素を加算して読み出すPD(フォトダイオード)ミックス方式がとられている。この方式の撮像素子を用いた撮像方式の例として、色差順次方式がある。図9は色差順次方式に用いる色分離フィルタ配列の例である。図10は図9の色分離フィルタ配列におけるサンプリングキャリア図であり、Px、Pyはそれぞれ水平、垂直方向の画素間隔を示している。図9の色分離フィルタ配列では、空間周波数水平方向に色のキャリアが存在するため、空間周波数水平方向に輝度モアレが発生し、水平方向の解像度を低下させる原因になっている。
【0004】輝度信号はいくつかの異なる色分離フィルタに対応する色信号を加算して得られるが、各色信号を加算して輝度信号を得るときの加算比を各色信号の感度比の逆数に設定すれば輝度モアレを最小にできることが知られている。しかし、各色信号の感度は入力光の分光特性に依存するため、どのような入射光に対しても同時にモアレを最小にする事はできない。
【0005】一般の映像には、局所的な領域では色の相関が強いという性質がある。この性質を利用して、どのような入射光に対してもモアレを抑圧する方法が、特開平2−166988号公報に記載の固体カラーカメラ、または、「テレビジョン学会誌」(vol.46,No.9,pp.1153〜1160(1992))等に述べられている。
【0006】以下この方法について簡単に説明する。例えば、PDミックス撮像素子と図9の色フィルタ配列を用いた色差順次方式では、Mg+YeとG+Cyまたは、Mg+CyとG+Yeが点順次に出力される。色の変化が無い場合、Mg+Ye:G+Cy:Mg+Cy:G+Yeの比は一定であると考えられる。従って、例えばMg+YeとG+Cyが出力される行においては、Mg+Yeが出力される画素位置に対して、(G+Cy)’=(G+Cy)L/(Mg+Ye)L*(Mg+Ye)
の演算によってG+Cyが補間され、G+Cyが出力される画素位置に対して、(Mg+Ye)’=(Mg+Ye)L/(G+Cy)L*(G+Cy)
の演算によってMg+Yeが補間される。(Mg+Ye)Lと(G+Cy)LはそれぞれMg+YeとG+Cyの低域成分(L)であり、Mg+Ye、G+Cy信号にローパスフィルタ処理を施すことにより得られる。即ちローパスフィルタによって色モアレが抑圧された色信号の比に従って上記補間演算を行うことにより輝度モアレの抑圧を行っている。
【0007】ところで、図9に示す色分離フィルタ配列のように、水平方向に色のキャリアが存在する色分離フィルタ配列を用いた場合、色モアレを抑圧するためのローパスフィルタは水平方向1/4Pxに零点を持つものになるが、そのようなフィルタによって水平方向1/2Px周辺の色モアレを抑圧するには、比較的帯域の狭いローパスフィルタを用いる必要がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の補間演算を行う際、被写体において急激な色の変化点があった場合には帯域制限された色信号と、実際の色との誤差による偽信号が発生し、ローパスフィルタの帯域が狭いほど色の変化点での誤差が大きくなり、その誤差による偽信号が広範囲に発生するという問題があり、水平方向1/2Px付近の輝度のモアレ抑圧は困難であった。
【0009】本発明の目的は上記従来の問題点を解決し、特に水平、垂直空間周波数方向の輝度モアレ及び補間演算により発生する偽信号が抑圧された出力が得られる固体撮像装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成するため本発明では、縦M画素×横N画素の所定の繰り返し配列を有する色分離フィルタを設けた全画素読み出し撮像素子を用い、その縦K画素×横L画素領域からの信号に対し二次元演算を施すことにより、色信号を分離し、分離した色信号の比に従って輝度信号の補間演算を行う構成をとっている。
【0011】
【作用】上記構成によって、色信号について周りの画素信号より画素補間を行い、特に水平、垂直方向に色モアレの少ない色信号が得られ、色モアレの少ない色信号を用いて補間演算を行うことにより、特に水平、垂直方向に輝度モアレが少なく解像度の高い輝度信号を得ることができる。
【0012】
【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0013】(実施例1)図1は本発明による固体撮像装置の一実施例を示すブロック図であり、図1において、11は色分離フィルタ、12は全画素読み出し撮像素子、13は色信号生成手段、14は画素補間演算手段、15は輝度信号生成手段、16はハイパスフィルタである。図4は全画素読み出し固体撮像素子に用いる色分離フィルタ配列のM=4、N=2の場合の一例である。また、図5は図4に示す色分離フィルタ配列による場合のサンプリングキャリア図である。ただし、Px、Pyはそれぞれ、水平、垂直の画素間隔である。
【0014】まず、色信号生成手段における色信号生成方式を説明する。図4の色分離フィルタ配列において色分離を行うには、例えば、図4の色分離フィルタの上部縦2×横2の画素領域において、色分離フィルタW、G、Ye、Cyに対応するW信号、G信号、Ye信号、Cy信号にそれぞれ1、−1、1、−1の重みをつけて加算する信号処理手段により赤色信号rを色分離できるが、その場合、赤色信号rの水平方向の空間サンプリング周期は画素間隔の2倍になっているため、水平空間周波数1/2Px、垂直空間周波数0の周辺に色モアレが発生する。
【0015】ところで、図4の色分離フィルタ配列では、赤色信号r、青色信号bのサンプリングの位相が水平2ラインおきに反転しており、サンプリングの位相が反転したライン同士、互いに補間することにより水平方向のモアレを抑圧できる。補間は、例えば図4の色分離フィルタ配列において、上半分の縦2×横2の画素領域より得られるW、G、Ye、Cy信号にそれぞれ1、−1、1、−1の重みをつけて加算して分離した赤色信号rと、下半分の縦2画素×横2画素領域より得られるW、G、Ye、Cy信号に同様の重み付けをして加算して分離した赤色信号rの平均をとることによりなされる。
【0016】すなわち、図4の色分離フィルタ配列において、縦4画素×横2画素領域より得られるW、G、Ye、Cy信号にそれぞれ1、−1、1、−1の重みをつけて加算することにより、赤色信号rを分離することになる。青色信号bも、縦4×横2の画素領域における色分離フィルタW、G、Ye、Cyに対応する信号にそれぞれ1、−1、−1、1の重みをつけて加算することにより分離でき、赤色信号rと同様に補間される。
【0017】図6(a),(b)はそれぞれ以上に説明した色信号r、bの色分離を行う演算におけるW、G、Ye、Cy信号に対する重み付けを図4の色分離フィルタのW、G、Ye、Cyの位置に対応させて並べたものである。即ち、色信号r、bは図4に示す色分離フィルタ配列に対応する縦4×横2領域の各画素値に対し、図6(a),(b)に示すような重み付けをして加算する演算手段により分離される。また、緑色信号gは図4の色分離フィルタ配列の縦4×横2の領域の画素値を全て加算したものが4r+8g+4bになるため、縦4×横2の領域の画素値を全て加算したものから4r、4bを減算することにより分離できる。
【0018】図6(c)は、g信号の分離を行う演算におけるW、G、Ye、Cy領域に対する重み付けを図4の色分離フィルタのW、G、Ye、Cyの位置に対応させて並べたものである。即ち、W、G、Ye、Cy信号に対して、それぞれー1、3、1、1の重み付けをして加算することによりg信号が分離できる。以上の演算により得られた色信号r、b、gに対して、更に水平方向、垂直方向にローパスフィルタ処理を施すことにより、空間周波数高域成分の色モアレが抑圧された色信号を得ることができる。
【0019】また、図4の色分離フィルタ配列に対して上記の色信号生成処理を行なうと、水平空間周波数0、垂直空間周波数1/2Pyを中心に色モアレが発生する。この色モアレは、入射光の垂直空間周波数1/2Py付近のr(赤)、b(青)成分が原因になっている。従って、垂直空間周波数1/2Py付近を抑圧する水晶フィルタ等の光学ローパスフィルタによって抑圧できる。しかし、水晶ローパスフィルタはr、b成分だけでなくg(緑)成分も抑圧するため、垂直方向の輝度の解像度が劣化する。従って、gを残したままr、bの空間高周波数成分を選択的に抑圧することが望ましい。
【0020】これを実現するものとして、特開平4−9915号公報記載の色選択性光学ローパスフィルタがある。色選択性光学ローパスフィルタとは、光の波長即ち色毎に屈折率の異なる硝材を組み合わせることにより、色毎に異なるローパスフィルタ特性が得られるものである。この色選択性光学ローパスフィルタによってgの垂直空間周波数成分を残したまま、r、bの垂直空間周波数1/2Py付近を選択的に抑圧することにより、垂直方向の輝度の解像度の劣化を抑えながら、色モアレを抑圧できる。
【0021】以上の方法によって、水平、垂直方向に色モアレの少ない色信号RL(赤)、GL(緑)、BL(青)が得られる。この色信号を用いて、次式の演算によりW画素の位置のG’、G画素の位置のW’、Ye画素の位置のCy’、Cy画素の位置のYe’が得られる。
【0022】
W’= WL / GL * GG’= GL / WL * WYe’= YeL / CyL * CyCy’= CyL / YeL * Yeただし W L = RL + GL + BLYeL = RL + GLCyL = GL + BL図4の色分離フィルタ配列の場合、上記の補間演算によって各画素に対して、W、Gまたは、Ye、Cyが揃うことになる。そこで、W+G=Ye+Cy=r+2g+bを輝度信号とする事により、水平、垂直方向にモアレの少ない輝度信号を得ることができる。上記の補間演算におけるWL、GL、YeL、CyLを得るためのローパスフィルタは、水平1/2Pxに零点を持つものになっているため、図9の色分離フィルタ配列を用いる場合に比べて、水平方向に広帯域のローパスフィルタによって水平1/2Px付近のモアレ抑圧を行っている。そのため、図9の色分離フィルタによる場合に比べ、補間演算による偽信号の発生範囲が狭く、水平1/2Px付近のモアレを抑圧できる。
【0023】補間演算手段14において補間演算を施されたW,G,Ye,Cy信号より、輝度信号生成手段15において輝度信号が生成され、ハイパスフィルタ16において抜き出された輝度の高域成分をRL、GL、BLに均等に加算した信号が出力端18より出力される。
【0024】(実施例2)図2は、色の変化点における偽信号を抑圧するための補正を行う場合の一実施例でる。以下図2の実施例について説明する。
【0025】図2において、19は色の変化点の検出手段である。20は色の変化点の検出手段19の出力によりタップ係数が決まるトランスバーサル型フィルタである。図7は色の変化点の検出手段19及びトランスバーサル型フィルタの一例の構成を示すブロック図である。色の変化点における偽信号は,色の変化点を検出し、色の変化点のW,G,Ye,Cy信号に対して、ローパスフィルタ処理を施すことにより抑圧できる。図7は垂直方向(横線状)の色の変化点における偽信号のうち、W:Gの変動により発生する偽信号を抑圧する回路の一例である。
【0026】色の変化点の検出手段19では、隣接する上下2ライン分のWL/GLの比を監視することによりW:Gの変化点の検出を行っている。色の検出手段19における演算を式で表すと次のようになる。ただし、WL1、GL1は同一の画素位置に対応するWL、GLであり、WL2、GL2はWL1、GL1に対応する画素の1画素上または1画素下の画素の位置に対応するWL、GLを表している。
【0027】
α = log{(WL1/GL1)/(WL2/GL2)}
a = F(α)
ここで、F(α)は0から1/2を連続的に変化し、αの絶対値が大きいほど大きくなる関数である。図8は関数F(α)の一例を示したものである。
【0028】横線状の色の変化点においては、水平方向空間周波数1/2Px付近に偽信号が発生する。従って水平方向空間周波数1/2Px付近を抑圧することにより、偽信号を抑圧できる。図7の例におけるトランスバーサル型フィルタ20は H(z)= a/2 + (1−a)z-1 + (a/2)z-2の特性を持つフィルタである。なお、トランスバーサル型フィルタはデジタルFIRフィルタによって構成しても良い。
【0029】図7はW:Gの変化点において発生する偽信号を抑圧する回路の例であるが、Ye:Cyの変化点における偽信号も同様の手段により抑圧できる。
【0030】(実施例3)色の変化点において発生する偽信号は色信号の比(即ち色)の変動が大きいほど大きくなる。図4の色分離フィルタW,G,Ye,Cyに対応する出力信号の全てに、ある一定値を加算する演算により色信号の比の変動を抑え、偽信号を抑圧できる。
【0031】(実施例4)色の変化点において発生する偽信号のうち、特に入射光のr(赤)、b(青)成分の変化により発生している偽信号は色選択性光学ローパスフィルタ22を図3に示すようにCCDとレンズ(図示せず)の間に挿入し、r、bの空間周波数高周波成分を選択的に制限する事により抑圧できる。図3はその実施例を示すブロック図である。
【0032】以上で述べた実施例は、M=4、N=2の場合の例であるが、他のM、Nの組み合わせを採用しても差し支えない。また、上記の説明では、図4に示した色分離フィルタを用いたが、空間周波数水平、垂直方向に色のサンプリングキャリアを持たない色分離フィルタであれば、他の色分離フィルタ配列を用いても差し支えない。
【0033】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の固体撮像装置は、縦M画素×横N画素の所定の配列の繰り返しを有する色分離フィルタを通過した入射光が、全画素読み出し光電変換手段を介して光・電気変換された後、色信号生成手段に入力され、前記色信号生成手段において、縦K画素×横L画素領域の画素からの信号に対して二次元演算を施すことにより色分離された信号が前記輝度信号生成手段に入力され、前記輝度信号生成手段において注目画素に対して色信号の比に従って所定の画素補間演算を行う構成を有し、所定の色分離フィルタ配列の出力信号に対して二次元演算を施すことにより、色モアレが抑圧された色信号を得ることができ、さらに色モアレの少ない色信号を用いて補間演算を行うことにより、水平、垂直方向に輝度モアレが少なく解像度の高い輝度信号を得ることができる。
【0034】特に、色のキャリアが画像の水平、垂直方向に存在しない色分離フィルタの場合、色選択性光学ローパスフィルタと組み合わせることによって、水平、垂直方向に色モアレのない信号を得ることができ、色モアレの少ない色信号の比に従って所定の画素補間演算を行うことにより輝度モアレの抑圧された輝度信号を得ることができる。




 

 


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