JPH02214286A - カラー固体撮像素子及びカラー撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電子スチルカメラに適したカラー固体撮像素
子及びこれを用いたカラー撮像装置に関する。

（従来の技術） 一般に、カラービデオカメラや電子スチルカメラに使用
されるカラー固体撮像素子は、異なる色フィルタ要素を
互いに直交する第１及゛び第２の方向、すなわち水平走
査方向及びこれと直交する方向にそれぞれに２行及び２
列配列して構成される１単位のモザイクフィルタを第１
及び第２の方向に周期的に配列した色フィルタと、この
色フィルタにおける色フィルタ要素にそれぞれ対応する
位置に設けられた光電変換セルを有する撮像部とによっ
て構成される。

色フィルタには第７図に示すようなＲ（赤）。

Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色のフィルタ要素を用いた原
色系フィルタと、第８図に示すようなＭｇ（マゼンタ）
、Ｃｙ（シアン）、Ｙｅ（黄色）の色フィルタ要素を主
体とした補色系フィルタとがある。原色系フィルタは色
Ｓ　／Ｎ、色再現性が良い反面、感度、解像度の点で劣
るため、最近では総合的に性能のバランスがとれている
第８図に示すような補色系フィルタが多（使用される傾
向にある。

電子スチルカメラでは、画像の記録媒体として半導体メ
モリを初めとするディジタル記録を前提とした媒体が使
用されることと、小型化の要求とから、撮像素子から得
られた映像信号に対する処理は、できるだけディジタル
信号処理により行なうことが好ましい。

カラー撮像素子における信号処理にディジタル信号処理
を適用する場合、アナログ映像信号をディジタル信号に
変換するためのＡ／Ｄ変換器の変換ビット数をコスト及
び変換精度から８ビット程度とすると、利得制御である
ホワイトバランス及び非線形処理であるガンマ補正につ
いては、アナログ信号処理により行なうことが望ましい
１、今、第８図のフィルタ配列の色フィルタを用いた場
合において、撮像素子からの信号続出しをフィルタ配列
の上から順次行なうとすると、Ｍｇ。

Ｇのフィルタ要素を有するラインとＣｙ、Ｙｅのフィル
タ要素を有するラインとが交互にシリアル信号として出
力される。シリアルに出力された信号はフィルタ配列上
の色フィルタ要素に対応してパラレル信号にされた後、
それぞれの色フィルタ要素に対応してホワイトバランス
及びガンマ補正が施され、再びマルチプレクサによりシ
リアル信号に変換されてから、Ａ／Ｄ変換器によりディ
ジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力される
ディジタル映像信号はディジタル処理回路に入力され、
次式（１）（２）（３）に示す輝度信号Ｙ及び二種の色
差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙが生成される。

Ｙ　　−０，２５（Ｍｇ＋Ｇ＋Ｃｙ＋Ｙ、ｅ）　　　　
　　　　　　　　　　−（１）Ｒ−Ｙ　＝　０．５９　
（Ｍｇ−Ｇ）　−０，８１（Ｃｙ−Ｙｅ　）　　−（２
）Ｂ−Ｙ　−０，５９（Ｍｇ−Ｇ）　＋　１．１９　（
Ｃｙ−Ｙｅ　）　　−（３）式（２）　（３）かられか
るように、色差信号は１ライン内で得られる色差（Ｍｇ
−Ｇ）、（Ｃｙ−Ｙｅ）の項で構成されているため、無
彩色で垂直方向に変化する画像を電子スチルカメラによ
り撮像したときは、色差信号が零となるために色偽信号
の発生がなく、良好な映像が再現される。

このように補色系の色フィルタを用いたカラー固体撮像
素子は、電子スチルカメラに特に適しているが、照明条
件が変わると色再現性が変化する欠点がある。一般には
照明の色温度が高（なると一方の色差信号軸（Ｂ−Ｙ軸
）方向の色彩が強くなり、他方の色差信号軸（Ｒ−Ｙ軸
）方向の色彩が弱くなる。従って、照明条件の色温度に
応じてＲ−Ｙ、Ｂ−Ｙの色差信号に対する利得を制御す
ることで色温度補正を行なう必要がある。

上述のようにディジタル処理を用いた場合、色差信号は
ディジタル信号で得られるため、色差信号に対して色温
度補正処理を施すと、色温度補正回路もディジタル回路
で構成することになり、回路規模が大きくなってしまう
。

また、アナログ信号処理により撮像素子から得られるカ
ラー映像信号のＭｇ−Ｇ、Ｃｙ−Ｙｅの変調成分に対し
て色温度補正処理を施す方法も考えられる。しかしなが
ら、Ｍｇ−Ｇ、Ｃｙ−Ｙｅの変調成分は、その変調軸が
第９図に示すようにＲ−Ｙ軸とＢ−Ｙ軸の中間に位置し
ているため、これらの変調成分に対する利得を変えても
、最終的に出力されるＢ−Ｙ、Ｒ−Ｙの色差信号に対す
る利得はあまり変化しないことになり、色温度補正を行
なうことは難しい。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、補色系の色フィルタを用いたカラー固
体撮像素子では色温度補正を行なうことが望ましいが、
特にディジタル記録を用いる電子スチルカメラのように
輝度信号及び色差信号の生成をディジタル信号処理によ
って行なう場合は、色差信号について色温度補正処理を
施すと回路規模が増大するという問題があり、また撮像
素子から得られるカラー映像信号の変調成分に対してア
ナログ信号処理で色温度補正を行なうことは、従来の補
色系の色フィルタを用いたカラー撮像素子では変調成分
の変調軸が２つの色差信号軸（Ｒ−Ｙ軸とＢ−Ｙ軸）の
中間に位置しているために困難であるという問題があっ
た。

本発明はこのような問題を解決すべくなされたもので、
補色系の色フィルタの分光特性を選ぶことにより、アナ
ログ信号処理によって容易に色温度補正を行なうことが
できるカラー固体撮像素子及びこれを用いたカラー撮像
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、異なる色フィルタ要素を水平走査方向及びこ
れと直交する方向にそれぞれ２行及び２列配列して構成
される１単位のモザイクフィルタを水平走査方向及びこ
れと直交する方向に周期的に配列した色フィルタを備え
たカラー固体撮像素子において、１単位のモザイクフィ
ルタのうち第１行を青色成分の透過率が赤色成分の透過
率よりも大きいマゼンタフィルタ要素（Ｍｇ’　フィル
タ要素）と、緑色成分の透過率が赤色成分の透過率より
も大きい黄色フィルタ要素（Ｙｅ’　フィルタ要素）と
によって構成し、また第２行を赤色成分の透過率が青色
成分の透過率よりも大きいマゼンタフィルタ要素（Ｍ’
フィルタ要素）と、緑色成分の透過率が青色成分の透過
率よりも大きいシアンフィルタ要素（Ｃｙ’　フィルタ
要素）とによって構成したことを特徴とする。

また、本発明のカラー撮像装置は、上記のカラー固体撮
像素子から得られるカラー映像信号の各色成分に対して
、ホワイトバランス補正と色温度補正及びガンマ補正を
施すアナログ信号処理回路と、このアナログ信号処理回
路から出力されたカラー映像信号をディジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力信号か
ら輝度信号及び二種の色差信号を生成するディジタル信
号処理回路とを備えたことを特徴とする。

（作　用） 本発明のカラー固体撮像素子から出力されるカラー映像
信号は、色フィルタの１単位のモザイクフィルタの第１
行に対応してＭｇ’−Ｙｅ’の色差の変調成分が得られ
、また第２行に対応してＭｇ’−ＣＹ’の色差の変調成
分が得られる。これらの変調成分は色フィルタにおける
各色フィルタ要素の分光特性から、第１及び第２の色差
信号軸（Ｂ−Ｙ軸及びＲ−Ｙ軸）にそれぞれ近くなるた
め、ホワイトバランス回路の後に設けられたアナログ信
号処理による色温度補正回路によって容易に利得制御に
基づく色温度補正が可能となり、補色系の色フィルタを
用いながら良好な色再現が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面の簡単な説明する。

第１図及び第２図は本発明の実施例に係るカラー固体撮
像素子における色フィルタの配列を示し、第３図は各フ
ィルタ要素の分光特性を示している。

第１図及び第２図に示すように、本発明による色フィル
タを構成する１単位のモザイクフィルタは、第１行がＭ
ｇ′フィルタ要素とＹｅ’　フィルタ要素とからなり、
第２行がＭｇ’フィルタ要素とＣｙ′フィルタ要素とか
らなっている。なお、第１図では１単位のモザイクフィ
ルタが水平走査方向及びこれと直交する垂直方向に整然
と配列されているが、ｆｆ１２図では垂直方向には１画
素分ずつずれて配列されている。

ここで、それぞれの色フィルタ要素の分光特性は、第３
図に示すように Ｍ　ｇ　”５２　Ｂ　＋　Ｒ Ｙｅ’−２０＋Ｒ Ｍｇ’−２Ｒ＋Ｂ Ｃｙ′ζ２０＋Ｂ のように選ばれている。すなわち、第１行におけるＭｇ
’フィルタ要素は青色成分の透過率が赤色成分の透過率
よりも大きく、またＹｅ’　フィルタ要素は緑色成分の
透過率が赤色成分の透過率よりも大きくなっており、第
２行におけるＭｇ’フィルタ要素は赤色成分の透過率が
青色成分の透過率よりも大きく、またＣｙ′フィルタ要
素は緑色成分の透過率が青色成分の透過率よりも大きく
なっている。

第４図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）はそれぞれＭｇ
’　、Ｙｅ’Ｍｇ、Ｃｙ’の各フィルタ要素と、通常の
分光特性のフィルタ要素との関係を示したものである。

同図に示すように本発明におけるマゼンタフィルタ要素
（Ｍｇ’　フィルタ要素）は通常のマゼンタフィルタ要
素（Ｍｇフィルタ要素）に比較して赤色波長領域の透過
率が小さく、黄色フィルタ要素（Ｙｅ’フィルタ要素）
も通常の黄色フィルタ要素（Ｙｅフィルタ要素）に比較
して赤色波長領域の透過率が小さくなっている。また、
もう一つのマゼンタフィルタ要素（Ｍｇ″フィルタ要素
）は通常のマゼンタフィルタ要素（Ｍｇフィルタ要素）
に比較して青色波長領域の透過率が小さく、同様にシア
ンフィルタ要素（Ｃｙ’フィルタ要素）も通常のシアン
フィルタ要素（Ｃｙフィルタ要素）に比較して青色波長
領域の透過率が小さくなっている。

第５図は上述の色フィルタを用いたカラー固体撮像素子
から得られる二種の変調成分の変調軸を示すベクトル図
である。すなわち、カラー撮像素子からは色フィルタの
第１行に対応してＭｇ′−Ｙ　ｅ’の変調成分が得られ
、第２行に対応してＭｇ″−Ｃｙ′の変調成分が得られ
る。この場合、図に示されるようにＭｇ’−Ｙｅ’軸は
Ｂ−Ｙ軸側に偏移しており、またＭｇ’−Ｃｙ’軸はＲ
−Ｙ軸側に偏移している。これにより色温度補正をアナ
ログ信号処理によって容易に行なうことができる。

第５図に上記の色フィルタを用いたカラー固体撮像素子
を含む本発明によるカラー撮像装置のブロック図を示す
。カラー固体撮像素子１は第１図または第２図の配列を
持つ色フィルタ２と、この色フィルタ２における各色フ
ィルタ要素に対応する位置にそれぞれ設けられた光電変
換セル（画素）とＣＣＤ等による信号電荷読出し・転送
部とからなる撮像部３とによって構成され、変調成分か
らなるカラー映像信号を出力する。この撮像素子１から
出力されるカラー映像信号はまずアナログ信号処理回路
１００に入力され、バッファ４を介してサンプルホール
ド回路５，６，７．８によってＭｇ’　、Ｙｅ’　、Ｍ
ｇ’　、Ｃｙ’の各色フィルタ要素に対応して得られた
変調成分の信号がサンプリングされ且つホールドされる
。サンプルホールド回路５，６，７．８の出力信号はホ
ワイトバランス回路によりホワイトバランスがとられた
後、色温度補正回路１３，１４，１５．１６にそれぞれ
入力される。色温度補正回路１３，１４，１５゜１６に
ついては後述する。

色温度補正回路１３．１４．１５．１６の出力信号は、
ガンマ補正回路１７．１８．１９．２０によって補正が
施された後、マルチプレクサ（同時化回路）２１により
１画素毎に順次選択されて１系統のシリアル信号に変換
され、ざらにＡ／Ｄ変換器２２により例えば８ビツトの
ディジタル信号に変換される。

Ａ／Ｄ変換器２２から出力されるディジタルカラー映像
信号はディジタル信号処理回路２００に人力され、輝度
信号と二種の色差信号が生成される。すなわち、Ａ／Ｄ
変換器２２の出力信号はＩＨ（１水平走査期間）の遅延
時間を持つＩＨ遅延回路２３に入力され、さらに該遅延
回路２３の出力信号と共に２つのライン切換回路２４．
２５に供給される。ライン切換回路２４．２５はＩＨ毎
にＡ／Ｄ変換器２２の出力信号とＩＨ遅延回路２３の出
力信号とを交互に選択する。サンプルホールド回路２６
．２７はライン切換回路２４の出力信号からＭｇ′フィ
ルタ要素及びＹｅ’　フィルタ要素にそれぞれ対応する
信号をサンプリングしてホールドし、サンプルホールド
回路２８．２９はライン切換回路２５の出力信号からＭ
ｇ’フィルタ要素及びＣｙ′フィルタ要素にそれぞれ対
応する信号をサンプリングしてホールドする。

加算回路３０はサンプルホールド回路２６〜２９の出力
信号を加算して輝度信号Ｙを出力する。

減算回路３１．３２はサンプルホールド回路２６〜２９
の出力信号からＭｇ’−Ｙｅ’及びＭｇ’−ｃｙ’の変
調成分を生成し、マトリ・ソクス回路３３及びローパス
フィルタ３４．３５は二種の色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ信
号を生成する。

上述した輝度信号Ｙと色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙの生成過
程を数式で表わすと、次のようになる。

Ｙ　−０，２５（Ｍｇ°＋Ｙｅ’＋Ｍｇ’＋Ｃｙ’）　
　　　　　　（４）Ｒ−Ｙ　−−０，１８５（Ｍｇ’−
Ｙｅ’）＋　１．０５（Ｍｇ”−Ｃｙ’）　　（５）Ｂ
−Ｙ＝　　１．３３５（Ｍｇ’−Ｙｅ’）−０，４５（
Ｍｇ”−Ｃｙｏ）　　（８）色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは
、式（５）（８）から明らかなように１ライン内で得ら
れる色差（Ｍｇ’Ｙｅ’　）、（Ｍｇ’　−（：ｙ’　
）の項で構成されている。従って、例えば無彩色で垂直
方向に変化する画像を電子スチルカメラにより撮像した
場合、Ｍｇ’　ｓｗＹｅ’　、Ｍｇ’　ｍｃｙ’　とな
って色差信号が零となるので、色偽信号の発生がなく、
良好な映像を再現することができる。

また、本構成によれば照明条件の変化による色再現の劣
化についても、色温度補正回路１３〜１６によって簡単
に補正ができる。この色温度補正の詳細は、次の通りで
ある。

一般に、色温度補正をしない場合は、照明の色温度が高
くなるとＢ−Ｙ軸方向の色彩が強くなり、Ｒ−Ｙ軸方向
の色彩が弱くなる。ここで、１ライン内でできる色差成
分の変調軸を表してみると、第５図に示したようにＭｇ
’−Ｙｅ’軸がＢ−Ｙ軸に近く、Ｍｇ″−Ｃｙｏ軸がＲ
−Ｙ軸に近いことがわかる。このことを利用してｆｆ１
５図ではホワイトバランス９〜１２の後段で色温度補正
回路１３〜１６による補正を行なう。すなわち、それぞ
れの色フィルタ要素に対応して得られた信号にホワイト
バランス回路９〜１２でホワイトバランスを施した信号
をＭｇｖ’　、　Ｙｅｖ’　、　Ｍｇｖ’Ｃｙｖ’　と
すると、色温度補正回路１３．１４ではＭｇｗ’　、　
Ｙｅｖ’　に色温度補正係数としてａを乗じ、色温度補
正回路１５．１６ではＭｇｖ’　、　　Ｃｙｖ’に色温
度補正係数としてｂを乗じるー。色温度補正係数ａ、ｂ
は照明の色温度が高いほどａが小さくなり、ｂが大きく
なるように制御される。

こうして色温度補正を施した時の最終的な色差信号Ｒ−
Ｙ、Ｂ−Ｙは次式のように表わされる。

γ Ｒ−Ｙ−−０，１６５１（ａ−Ｍｇｖ’）　　−（ａ−
Ｙｅｖ’）７１＋　１．０５１（ｂ−Ｍｇｖ”）７−　
（ｂ−Ｃｙｖ’）γ１−−０．１８５ａ７（Ｍｇｖ　　
　−Ｙｅｖ”　）　・＜１）＋１．０５ｂ７（Ｍｇｖ　
　　−Ｃｙｖ’　γ）Ｂ−Ｙ　−１，３３５ｔ（ａ−Ｍ
ｇｖ’）７−　（ａ−Ｙｅｖ’）７１−０．４５１（ｂ
−Ｍｇｗ”）７−　（ｂ−Ｃｙｖ’）７１”１．３３５
ａ７（Ｍｇｗ°７−Ｙｅｖ’　γ）−０，４５ｂ７（Ｍ
ｇｖ”　７−　Ｃｙｗ’　”　）　−（８）（γ：ガン
マ補正係数） 色温度補正係数ａ、ｂは前述したように色温度が高くな
ると、つまり青色成分が大きくなり、赤色成分が小さく
なると、ａ（ａ７）が小さくなり、ｂ　（ｂγ）が大き
くなる。従って、色差信号のうちＲ−Ｙが大きくなり、
Ｂ−Ｙが小さくなるため、色再現が良好に保たれる。ま
た、本構成では同一ラインの信号に同じ色温度補正係数
をかけているため、垂直方向に変化する無彩色画像にお
いては色差信号が零となり、色偽信号が出る心配もない
。

なお、以上の説明では撮像素子からの信号読出しを順次
走査（ノンインターレース）で行なった場合を説明した
が、インターレース走査により信号読出しを行なう場合
においても、Ａ／Ｄ変換器の後にバッファメモリを設け
ることにより順次読出しと同じ信号に変換できるため、
第・５図と同様の構成をとることが可能である。

また、実施例では色フィルタとして１単位のモザイクフ
ィルタにおける第１行がＭｇ′フィルタ要素とＹｅ’　
フィルタ要素とで構成され、第２行がＭｇ″フィルタ要
素とＣｙ’　フィルタ要素とで構成されているが、色フ
ィルタ要素の組合せはこれに限られず、例えば第１行に
対応して得られる変調成分がＢ−Ｇ軸に近く、第２行に
対応して得られる変調成分がＲ−Ｇ軸に近くなるような
補色系の色フィルタ要素を用いてもよい。

その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば色フィルタが補色系
であるため感度、解像度が良いばかりでなく、色温度補
正もアナログ信号処理によって簡単にできる。従って、
本発明は特にディジタル記録を用いた電子スチルカメラ
のようなカラー撮像装置において、輝度信号及び色差信
号の生成をディジタル信号処理により実現する場合に、
小型化及び高画質化を図る上で有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明のカラー固体撮像素子におけ
る色フィルタの構成を示す図、第３図は同色フィルタに
おける各色フィルタ要素の分光特性を示す図、第４図は
各色フィルタ要素と通常の色フィルタ要素の分光特性を
比較して示す図、第５図は本発明のカラー固体撮像素子
において１ライン内で得られる変調成分の変調軸と色差
信号軸との関係を示すベクトル図、第６図は本発明の一
実施例に係るカラー撮像装置の回路構成図、第７図及び
第８図は従来の色フィルタの構成を示す図、第９図は第
８図の色フィルタを用いたカラー固体撮像素子において
１ライン内で得られる変調成分の変調軸と色差信号軸と
の関係を示すベクトル図である。 １・・・カラー固体撮像素子、２・・・色フィルタ、３
・・・撮像部、９〜１２・・・ホワイトバランス回路、
１３〜１６・・・色温度補正回路、１７〜２０・・・ガ
ンマ補正回路、２２・・・Ａ／Ｄ変換器、１００・・・
アナログ信号処理回路、２００・・・ディジタル信号処
理回路。 第　第 Ｍ１図 第２図 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 適長（ｎｍ） 第３図 （Ｃ） 第 図 （ｄ） 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なる色フィルタ要素を水平走査方向及びこれと
   直交する方向にそれぞれ２行及び２列配列して構成され
   る１単位のモザイクフィルタを水平走査方向及びこれと
   直交する方向に周期的に配列した色フィルタと、 この色フィルタにおける色フィルタ要素にそれぞれ対応
   する位置に設けられた光電変換セルを有し、カラー映像
   信号を得る撮像部とを備えた固体撮像素子において、 前記１単位のモザイクフィルタは、第１行が青色成分の
   透過率が赤色成分の透過率よりも大きいマゼンタフィル
   タ要素と、緑色成分の透過率が赤色成分の透過率よりも
   大きい黄色フィルタ要素とによって構成され、第２行が
   赤色成分の透過率が青色成分の透過率よりも大きいマゼ
   ンタフィルタ要素と、緑色成分の透過率が青色成分の透
   過率よりも大きいシアンフィルタ要素とによって構成さ
   れていることを特徴とするカラー固体撮像素子。
2. （２）異なる色フィルタ要素を水平走査方向及びこれと
   直交する方向にそれぞれ２行及び２列配列して構成され
   る１単位のモザイクフィルタを水平走査方向及びこれと
   直交する方向に周期的に配列した色フィルタと、 この色フィルタにおける色フィルタ要素にそれぞれ対応
   する位置に設けられた光電変換セルを有し、変調成分か
   らなるカラー映像信号を得る撮像部とを備えた固体撮像
   素子において、 前記１単位のモザイクフィルタは、第１行に対応して得
   られる変調成分が第１の色度信号軸側に偏移し、第２行
   に対応して得られる変調成分が第２の色度信号軸側に偏
   移するようにそれぞれの色フィルタ要素の分光特性が選
   定されていることを特徴とするカラー固体撮像素子。
3. （３）請求項１または２記載のカラー固体撮像素子と、 このカラー固体撮像素子から得られるカラー映像信号の
   各色成分に対して、ホワイトバランス補正と色温度補正
   及びガンマ補正を施すアナログ信号処理回路と、 このアナログ信号処理回路から出力されたカラー映像信
   号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、 このＡ／Ｄ変換器の出力信号から輝度信号及び二種の色
   差信号を生成するディジタル信号処理回路とを備えたこ
   とを特徴とするカラー撮像装置。