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発明の名称 固体撮像素子の色フィルタ及び固体撮像素子の信号処理装置
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7−193826
公開日 平成7年(1995)7月28日
出願番号 特願平5−333858
出願日 平成5年(1993)12月27日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 山本 靖利 / 米山 匡幸 / 谷添 幸広
要約 目的
ビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子の色フィルタ及び固体撮像素子の信号処理装置に関するもので、ダイナミックレンジを拡大することを目的とするものである。

構成
4種類以上のフィルタが固体撮像素子の画素上に配置された色フィルタであって、基準の白色を撮像したときに、少なくとも3種類のフィルタの画素から出力される出力信号量が概等しくなるように分光特性を構成するために、透過率が最大となる画素が飽和する光量が大きくなり、ダイナミックレンジが拡大する。
特許請求の範囲
【請求項1】4種類以上のフィルタが固体撮像素子の画素上に配置された色フィルタであって、基準の白色を撮像したときに、少なくとも3種類のフィルタの画素から出力される出力信号量が概等しくなる分光特性を有することを特徴とする固体撮像素子の色フィルタ。
【請求項2】基準の白色を撮像したときに、少なくとも3種類のフィルタの画素から出力される出力信号量が概等しくなる分光特性を持つ色フィルタを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の出力信号を入力とする増幅器とを備え、前記増幅器は、前記4種類以上の色フィルタの画素の出力信号のうち、同種類の色フィルタの画素の出力信号に対しては増幅率を等しくし、異なる種類の色フィルタの画素の出力信号に対しては増幅率を変化させて増幅することを特徴とする固体撮像素子の信号処理装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子の色フィルタ及び固体撮像素子の信号処理装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、固体撮像素子の色フィルタには様々な種類の物がある。この中でも単板カメラの色フィルタに関しては感度とダイナミックレンジの関係を考慮して設計していく必要がある。以下図面を参照しながら、従来の固体撮像素子の色フィルタの一例について説明する。図13は従来の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。
【0003】色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。ここで横軸は波長で単位は[nm]、縦軸は任意の単位である。この分光特性には光学系及び固体撮像素子の分光特性を含んでいる。また、説明の理解を助けるために各分光特性は模式的に直線で表しているが、実際には滑らかな曲線で表される。
【0004】Wフィルタの画素に関して、基準の白色を撮像した場合の400nmから500nmの範囲の分光特性による出力信号成分をb、500nmから600nmの範囲の分光特性による出力信号成分を2g、600nmから700nmの範囲の分光特性による出力信号成分をrとする。このときWフィルタの画素の出力信号Woはb+2g+rで、Gフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoはb+2gで、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは2g+rで表される。これらの信号から(数1)によってr,g,bの原色信号が得られる。
【0005】(数1)
r=( Wo−Go−Cyo+Yeo)/2g=(−Wo+Go+Cyo+Yeo)/4b=( Wo−Go+Cyo−Yeo)/2このときの各フィルタの画素の光電変換特性を図14に示す。図14で横軸は光量、縦軸は出力信号量である。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=4a,Go=2a,Cyo=3a,Yeo=3aとなる。
【0006】図14において、Gフィルタの画素の光電変換特性を実線で、Cy,Yeフィルタの画素の光電変換特性を破線で、Wフィルタの画素の光電変換特性を一点鎖線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、Wフィルタの画素の傾きは4、Cy,Yeフィルタの画素の傾きは3となる。すなわち、同じ光量でも出力信号量の大きいWフィルタの画素は光電変換特性の傾きが急で、少ない光量L3で飽和する。それに対して同じ光量でも出力信号量の小さいGは光電変換特性の傾きがゆるやかで、大きい光量L1で飽和する。このときのL1とL2,L3の比は、L1:L2:L3=1/2:1/3:1/4となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のような従来の構成では、この固体撮像素子は透過率が最大であるWフィルタの画素が飽和するL3という光量以上の光量では、Wフィルタの画素の信号が飽和しているために正確な色信号が得られないので使用することができず、このWフィルタの画素が飽和する光量L3でダイナミックレンジが規定されるという問題がある。
【0008】本発明はかかる点に鑑み、透過率が最大であるフィルタの画素の透過率を低下させることによりダイナミックレンジを拡大することができる固体撮像素子の色フィルタ及び固体撮像素子の信号処理装置を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達するため、4種類以上のフィルタが固体撮像素子の画素上に配置された色フィルタであって、基準の白色を撮像したときに、少なくとも3種類のフィルタの画素から出力される出力信号量が概等しくなるような分光特性を有する構成である。
【0010】
【作用】基準の白色を撮像したときに、少なくとも3種類のフィルタの画素から出力される出力信号量が概等しくなるように分光特性を構成するために、透過率が最大となる画素が飽和する光量が大きくなり、ダイナミックレンジが拡大する。
【0011】
【実施例】以下、本発明の第1の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。本実施例の目的は、透過率が最大であるフィルタの画素の透過率を低下させることによりダイナミックレンジを拡大しようというものである。
【0012】図1は本発明の第1の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。ここで横軸は波長で単位は[nm]、縦軸は任意の単位である。この分光特性には光学系及び固体撮像素子の分光特性を含んでいる。また、説明の理解を助けるために各分光特性は模式的に直線で表しているが、実際には滑らかな曲線で表される。
【0013】Cyフィルタの画素に関して、基準の白色を撮像した場合の400nmから500nmの範囲の分光特性による出力信号成分をb、500nmから600nmの範囲の分光特性による出力信号成分を2g、Yeフィルタの画素に関して、600nmから700nmの範囲の分光特性による出力信号成分をrとする。このときGフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoはb+2gで、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは2g+rで表される。さらにWフィルタの画素の出力信号Woは3(b+2g+r)/4で表されるようにWフィルタの分光特性を構成する。すなわち図13における従来の固体撮像素子の色フィルタのWの分光特性のみ3/4倍した構成となる。
【0014】図2は本発明の第1の実施例の固体撮像素子の色フィルタの信号処理装置の回路構成を示すブロック図である。図2において、1は固体撮像素子、2は増幅器、3は増幅率切換手段、4は色分離回路である。
【0015】固体撮像素子1から出力された各フィルタの出力信号Wo,Go,Cyo,Yeoは増幅器2に入力され、それぞれ増幅率切換手段3で切り換えられる増幅率Aw,Ag,Acy,Ayeで各フィルタの画素毎に増幅されてWo’,Go’,Cyo’,Yeo’として出力される。すなわちWo,Go,Cyo,YeoとWo’,Go’,Cyo’,Yeo’の関係は(数2)で表される。
【0016】(数2)
Wo’ = Aw ・WoGo’ = Ag ・GoCyo’= Acy・CyoYeo’= Aye・Yeo本実施例ではAw=4/3,Ag=1,Acy=1,Aye=1である。
【0017】次に増幅器2から出力された信号は色分離回路4に入力され、これらの信号から(数3)によってr,g,bの原色信号が得られる。
【0018】(数3)
r=( Wo’−Go’−Cyo’+Yeo’)/2g=(−Wo’+Go’+Cyo’+Yeo’)/4b=( Wo’−Go’+Cyo’−Yeo’)/2このときの各フィルタの画素の光電変換特性を図3に示す。図3で横軸は光量、縦軸は出力信号量である。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=3a,Go=2a,Cyo=3a,Yeo=3aとなる。図3でGフィルタの画素の光電変換特性を実線で、Cy,Ye、Wフィルタの画素の光電変換特性を破線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、W、Cy,Yeフィルタの画素の傾きは3となる。ここで、基準の白色撮像時のCy,Ye,Wフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L2も等しくなる。このときのL1とL2の比は、L1:L2=1/2:1/3となる。
【0019】以上のように本実施例によれば、Wフィルタの透過率を出力信号がCy,Yeと概等しくなるように構成したのでダイナミックレンジはL2となり、図14で示した従来の固体撮像素子の色フィルタによるダイナミックレンジL3に対して4/3倍飽和光量が拡大し、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0020】以下、本発明の第2の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。図4は本発明の第2の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。ここで図4に示された分光特性は、図13に示された従来の固体撮像素子の色フィルタの分光特性に対し、Wは1/2倍、Cy、Yeは2/3倍した場合の特性である。
【0021】このときGフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoは2(b+2g)/3で、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは2(2g+r)/3で表される。さらにWフィルタの画素の出力信号Woは(b+2g+r)/2で表されるように各フィルタの分光特性を構成する。
【0022】固体撮像素子の出力信号の処理方法は第1の実施例に準じるので省略するが、本実施例では(数2)における増幅率はAw=2,Ag=1,Acy=3/2,Aye=3/2である。
【0023】このときの各フィルタの画素の光電変換特性を図5に示す。図5で横軸は光量、縦軸は出力信号量である。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=2a,Go=2a,Cyo=2a,Yeo=2aとなる。図5でG,Cy,Ye、Wフィルタの画素の光電変換特性を実線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、W、Cy,Yeフィルタの画素の傾きも2となる。ここで、基準の白色撮像時のW,G,Cy,Yeフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L1も等しくなる。
【0024】以上のように本実施例によれば、W,Cy,Yeフィルタの透過率を出力信号がGと概等しくなるように構成したので、ダイナミックレンジはL1となり、図14で示した従来の固体撮像素子の色フィルタによるダイナミックレンジL3に対して2倍飽和光量が拡大し、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0025】以下、本発明の第3の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。図6は本発明の第3の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。
【0026】このときGフィルタの画素の出力信号Goはgで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoは(b+g)で、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは(g+r)で表される。さらにWフィルタの画素の出力信号Woは2(b+g+r)/3で表されるように各フィルタの分光特性を構成する。
【0027】固体撮像素子の出力信号の処理方法は第1の実施例に準じるので省略するが、本実施例では(数2)における増幅率はAw=3/2,Ag=Acy=Aye=1である。
【0028】このときの各フィルタの画素の光電変換特性を図7に示す。図7で横軸は光量、縦軸は出力信号量である。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=2a,Go=a,Cyo=2a,Yeo=2aとなる。図7でGフィルタの画素の光電変換特性を実線で、W,Cy,Yeフィルタの画素の光電変換特性を破線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを1とした場合、W、Cy,Yeフィルタの画素の傾きは2となる。ここで、基準の白色撮像時のW,Cy,Yeフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L2も等しくなる。このときのL1とL2の比は、L1:L2=2:1となる。
【0029】以上のように本実施例によれば、W,Cy,Yeフィルタの透過率を出力信号が概等しくなるように構成したので、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0030】以下、本発明の第4の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。図8は本発明の第4の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。
【0031】このときGフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoは(b+g)で、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは(g+r)で表される。さらにWフィルタの画素の出力信号Woは2(b+g+r)/3で表されるように各フィルタの分光特性を構成する。
【0032】固体撮像素子の出力信号の処理方法は第1の実施例に準じるので省略するが、本実施例では(数2)における増幅率はAw=3/2,Ag=1/2,Acy=Aye=1である。
【0033】このときの各フィルタの画素の光電変換特性は図5と同様になる。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=2a,Go=2a,Cyo=2a,Yeo=2aとなる。図5でW,G,Cy,Yeフィルタの画素の光電変換特性を実線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、W、Cy,Yeフィルタの画素の傾きは2となる。ここで、基準の白色撮像時のW,Cy,Yeフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L1も等しくなる。
【0034】以上のように本実施例によれば、W,Cy,Yeフィルタの透過率を出力信号がGと概等しくなるように構成したので、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0035】以下、本発明の第5の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。図9は本発明の第5の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはホワイト(W)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。
【0036】このときGフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoは(b+2g)で、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoは(2g+r)で表される。さらにWフィルタの画素の出力信号Woは(b+g+r)で表されるように各フィルタの分光特性を構成する。
【0037】固体撮像素子の出力信号の処理方法は第1の実施例に準じるので省略するが、本実施例では(数2)における増幅率はAw=1,Ag=1/2,Acy=Aye=1である。
【0038】このときの各フィルタの画素の光電変換特性は図3と同様になる。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Wo=3a,Go=2a,Cyo=3a,Yeo=3aとなる。図3でGフィルタの画素の光電変換特性を実線で、W,Cy,Yeフィルタの画素の光電変換特性を破線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、W、Cy,Yeフィルタの画素の傾きは3となる。ここで、基準の白色撮像時のW,Cy,Yeフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L2も等しくなる。
【0039】以上のように本実施例によれば、W,Cy,Yeフィルタの透過率を出力信号が概等しくなるように構成したので、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0040】以下、本発明の第6の実施例の固体撮像素子の色フィルタについて、図面を参照しながら説明する。本実施例の目的は、透過率が最大であるフィルタの画素の透過率を低下させることにより、ダイナミックレンジを拡大しようというものである。図10は本発明の第6の実施例の固体撮像素子の色フィルタの分光特性を示す模式図である。色フィルタはマゼンタ(Mg)、グリーン(G)、シアン(Cy)、イェロー(Ye)の4種類とする。
【0041】ここで横軸は波長で単位は[nm]、縦軸は任意の単位である。この分光特性には光学系及び固体撮像素子の分光特性を含んでいる。また、説明の理解を助けるために各分光特性は模式的に直線で表しているが、実際には滑らかな曲線で表される。Cyフィルタの画素に関して、基準の白色を撮像した場合の400nmから500nmの範囲の分光特性による出力信号成分をb、500nmから600nmの範囲の分光特性による出力信号成分をg、Yeフィルタの画素に関して、600nmから700nmの範囲の分光特性による出力信号成分をrとする。
【0042】このときGフィルタの画素の出力信号Goは2gで、Cyフィルタの画素の出力信号Cyoはb+gで、Yeフィルタの画素の出力信号Yeoはg+rで表される。さらにMgフィルタの画素の出力信号Mgoは(b+r)で表されるようにMgフィルタの分光特性を構成する。
【0043】図12は本発明の第6の実施例の固体撮像素子の色フィルタの信号処理装置の回路構成を示すブロック図である。図12において、1は固体撮像素子、2は増幅器、3は増幅率切換手段、4は色分離回路である。
【0044】固体撮像素子1から出力された各フィルタの出力信号Mgo,Go,Cyo,Yeoは増幅器2に入力され、それぞれ増幅率切換手段3で切り換えられる増幅率Amg,Ag,Acy,Ayeで各フィルタの画素毎に増幅されてMgo’,Go’,Cyo’,Yeo’として出力される。すなわちMgo,Go,Cyo,YeoとMgo’,Go’,Cyo’,Yeo’の関係は(数4)で表される。
【0045】(数4)
Mgo’=Amg・WoGo’ =Ag ・GoCyo’=Acy・CyoYeo’=Aye・Yeo本実施例ではAmg=1,Ag=1/2,Acy=1,Aye=1である。
【0046】次に増幅器2から出力された信号は色分離回路4に入力され、これらの信号から(数5)によってr,g,bの原色信号が得られる。
【0047】(数5)
r=( Mgo’ −Cyo’+Yeo’)/2g=(−Mgo’+Go’+Cyo’+Yeo’)/4b=( Mgo’ +Cyo’−Yeo’)/2このときの各フィルタの画素の光電変換特性を図11に示す。図11で横軸は光量、縦軸は出力信号量である。r,g,bの原色の信号量が等しい値aになるように各色フィルタの分光特性を決めると、基準白色撮像時の各色フィルタの出力信号はそれぞれ、Mgo=2a,Go=2a,Cyo=2a,Yeo=2aとなる。図11でMg,G,Cy,Yeフィルタの画素の光電変換特性を実線で示す。各フィルタの画素の光電変換特性は各フィルタの分光特性に依存し、その傾きはGフィルタの画素の傾きを2とした場合、Mg、Cy,Yeフィルタの画素の傾きも2となる。ここで、基準の白色撮像時のMg,G,Cy,Yeフィルタの出力信号は等しいので飽和光量L1も等しくなる。
【0048】以上のように本実施例によれば、Mgフィルタの透過率を出力信号がG,Cy,Yeと概等しくなるように構成したのでダイナミックレンジはL1となり、図14で示した従来の固体撮像素子の色フィルタによるダイナミックレンジL3に対して2倍飽和光量が拡大し、ダイナミックレンジが拡大できる。
【0049】なお、第1から第6の実施例で示したように、本発明を実現するためのフィルタの分光特性の組合せはかなりの自由度を持って構成することができる。
【0050】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、最大透過率の色フィルタの透過率を出力信号が他の色フィルタと概等しくなるように構成したので、従来の固体撮像素子の色フィルタによるダイナミックレンジに対して飽和光量が拡大し、ダイナミックレンジが拡大できる。




 

 


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