(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２行２列に配置された４個の受光素子で構成される画素を格子状に配置した画素アレイと、
前記画素アレイのそれぞれの画素の受光面を覆うフィルタアレイであって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタを格子状に配置したフィルタアレイと、
前記フィルタアレイの被写体側に配置され、１本の光線を行方向に連続する４つの前記受光素子に分配する光学素子と、
前記受光素子を順次走査した４本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する画素走査線生成部とを含むカラー撮像装置であって、
前記フィルタアレイが、前記受光素子の各読み出しタイミングにおいて、前記画素走査線が前記Ｒフィルタによって覆われた前記受光素子であるＲ受光素子の出力、Ｇフィルタによって覆われた前記受光素子であるＧ受光素子の出力およびＢフィルタによって覆われた前記受光素子であるＢ受光素子の出力をそれぞれ少なくとも１つ含むように行方向に隣接する２つの前記画素フィルタを配置した構成を有するものである単板式カラー撮像装置。
【請求項２】
前記フィルタアレイが、
前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＢフィルタと、左下に配置されるＲフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第１の画素フィルタと、
前記画素フィルタの左上に配置されるＢフィルタと、右上に配置されるＧフィルタと、左下に配置されるもう１つのＧフィルタと、右下に配置されるＲフィルタとを含む第２の画素フィルタとを行方向に配置した構成を有する請求項１に記載の単板式カラー撮像装置。
【請求項３】
前記画素フィルタアレイが、
前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＢフィルタと、左下に配置されるＲフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第１の画素フィルタと、
前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＲフィルタと、左下に配置されるＢフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第２の画素フィルタとを行方向に配置した構成を有する請求項１に記載の単板式カラー撮像装置。
【請求項４】
前記画素走査線生成部の後段に接続される電気ＬＰＦを含む請求項１から３のいずれか１項に記載のカラー撮像装置。
【請求項５】
２行２列に配置された４個の受光素子で構成される画素を格子状に配置した画素アレイと、
前記画素アレイのそれぞれの画素の受光面を覆うフィルタアレイであって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタを格子状に配置したフィルタアレイと、
前記フィルタアレイの被写体側に配置され、１本の光線を行方向に連続する２つの前記受光素子に分配する光学素子と、
前記受光素子を順次走査して得られる２本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する画素走査線生成部とを含むカラー撮像装置であって、
前記画素走査線生成部が、前記受光素子の２読み出しタイミングごとに、前記受光素子走査線のそれぞれにＲ成分、Ｇ成分およびＢ成分のすべてが含まれるように、前記２読み出しタイミングでは読み出されない１つの色成分を前記２読み出しタイミングで読み出される２つの色成分により補完する補完部を含む単板式カラー撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単板式カラー撮像装置に係り、特に、色解像度を改善することのできる単板式カラー撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合素子（ＣＣＤ）等を撮像素子とするカラー撮像装置は、複数枚の撮像素子を使用する多板式と１枚の撮像素子を使用する単板式に大別されるが、ビデオカメラあるいは業務用カメラには比較的簡単に高解像度なカラー画像を撮像できる単板式が広く使用されている。
【０００３】
そして、単板式カラー撮像装置に使用されるカラー撮像素子は、撮像素子上にカラーフィルタが積層されている。そして、カラーフィルタの色配列パターンとしては、種々のパターンが既に提案されているが、その１つにＲＧＢ原色ベイヤー配置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１７（ａ）は、ＲＧＢ原色ベイヤー配置のカラーフィルタの正面図であって、２枚のＧフィルタと、各１枚のＲフィルタおよびＢフィルタが市松状に配置された２行２列フィルタを基本単位としている。
【０００５】
図１７（ｂ）は各フィルタをピッチｄで配列した場合のナイキスト領域を示すグラフであって、ＲおよびＢのナイキスト領域は水平および垂直方向のナイキスト周波数が１／４ｄである正方形で表され、Ｇの空間解像度は頂点のナイキスト周波数が１／２ｄであるダイヤモンド形状で表される。即ち、ＲおよびＢの水平方向および垂直方向のナイキスト周波数はＧの半分となり、ＧとＲおよびＢのナイキスト周波数は一致しない。
【０００６】
このため、Ｇ成分とＲ成分またはＢ成分を含む色については、各成分の輝度により折り返し誤差（エリアジング誤差）が異なり、偽色信号の発生を回避できない。
【０００７】
上記課題を解決するために、カラー撮像素子の受光面前方に光学ローパスフィルタ（低域通過型濾波器）を挿入して折り返し誤差の発生を抑制することもできるが、光学ローパスフィルタの遮断周波数はＲＧＢに対するナイキスト周波数中の最低のナイキスト周波数、即ち、ＲおよびＢのナイキスト周波数によって規定されてしまうため、Ｇの空間解像度もＲおよびＢの空間解像度に抑制されてしまうこととなる。
【０００８】
さらに、テレビジョン放送において一般的な飛び越し走査を適用した場合には、ＢおよびＲ成分はフレーム順次となり、分解能は一層低下することとなる。
【０００９】
そこで、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する２枚のＣＣＤを画素ずらし配置した２板式カラー撮像装置において、各画素位置でＲＧＢ色データが存在するように２枚のＣＣＤで撮像された画像データを補間処理し、２つの画像データを１／２画素ずらして合成し、さらに、合成画像の各画素位置の画像データを補間処理により生成して画像の解像度を向上する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】米国特許３９７１０６５号公報（第５欄第５２行目〜第６欄第６行目、図６）
【特許文献２】特開２００１−１６９３０１号公報（［００１０］、図２１〜図２３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２に開示されたカラー撮像装置には、２枚のＣＣＤが必要であり構造が複雑となるだけでなく経済的に不利という課題があった。
【００１１】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、解像度を改善することの可能な単板式カラー撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の本発明に係る単板式カラー撮像装置は、２行２列に配置された４個の受光素子で構成される画素を格子状に配置した画素アレイと、前記画素アレイのそれぞれの画素の受光面を覆うフィルタアレイであって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタを格子状に配置したフィルタアレイと、前記フィルタアレイの被写体側に配置され、１本の光線を行方向に連続する４つの前記受光素子に分配する光学素子と、前記受光素子を順次走査した４本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する画素走査線生成部とを含むカラー撮像装置であって、前記フィルタアレイが、前記受光素子の各読み出しタイミングにおいて、前記画素走査線が前記Ｒフィルタによって覆われた前記受光素子であるＲ受光素子の出力、Ｇフィルタによって覆われた前記受光素子であるＧ受光素子の出力およびＢフィルタによって覆われた前記受光素子であるＢ受光素子の出力をそれぞれ少なくとも１つ含むように行方向に隣接する２つの前記画素フィルタを配置した構成を有する。
【００１３】
この構成により、水平方向光学ローパスフィルタを設置しないでも走査線にＲＧＢ成分のナイキスト周波数の相違に起因する折り返し誤差が発生することを抑制し、水平方向の分解能を向上することが可能となることとなる。
【００１４】
第２の発明に係る単板式カラー撮像装置は、前記フィルタアレイが、前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＢフィルタと、左下に配置されるＲフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第１の画素フィルタと、前記画素フィルタの左上に配置されるＢフィルタと、右上に配置されるＧフィルタと、左下に配置されるもう１つのＧフィルタと、右下に配置されるＲフィルタとを含む第２の画素フィルタとを行方向に配置した構成を有していてもよい。
【００１５】
第３の発明に係る単板式カラー撮像装置は、前記画素フィルタアレイが、前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＢフィルタと、左下に配置されるＲフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第１の画素フィルタと、前記画素フィルタの左上に配置されるＧフィルタと、右上に配置されるＲフィルタと、左下に配置されるＢフィルタと、右下に配置されるもう１つのＧフィルタとを含む第２の画素フィルタとを行方向に配置した構成を有していてもよい。
【００１６】
第４の発明に係る単板式カラー撮像装置は、前記画素走査線生成部の後段に接続される電気ＬＰＦを含む構成を有する。
【００１７】
この構成により、走査線のＭＦＴを高く維持すること、折り返し誤差の発生を抑制することができることとなる。
【００１８】
第５の発明に係る単板式カラー撮像装置は、２行２列に配置された４個の受光素子で構成される画素を格子状に配置した画素アレイと、前記画素アレイのそれぞれの画素の受光面を覆うフィルタアレイであって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタを格子状に配置したフィルタアレイと、前記フィルタアレイの被写体側に配置され、１本の光線を行方向に連続する２つの前記受光素子に分配する光学素子と、前記受光素子を順次走査して得られる２本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する画素走査線生成部とを含むカラー撮像装置であって、前記画素走査線生成部が、前記受光素子の２読み出しタイミングごとに、前記受光素子走査線のそれぞれにＲ成分、Ｇ成分およびＢ成分のすべてが含まれるように、前記２読み出しタイミングでは読み出されない１つの色成分を前記２読み出しタイミングで読み出される２つの色成分により補完する補完部を含む構成を有する。
【００１９】
この構成により、特に輝度変化に対する解像度を向上することができることとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、画素アレイのそれぞれの画素の受光面を覆うフィルタアレイであって、受光素子の各読み出しタイミングにおいて、Ｒ受光素子の出力、Ｇ受光素子の出力およびＢ受光素子の出力をそれぞれ少なくとも１つ含むように行方向に隣接する２つの画素フィルタを配置した構成とすることにより、水平方向光学ローパスフィルタを設置しないでも走査線にＲＧＢ成分のナイキスト周波数の相違に起因する折り返し誤差が発生することを抑制し、水平方向の分解能を向上するという効果を有する単板式カラー撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る単板式カラー撮像装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の単板式カラー撮像装置１のブロック図、図２は画素アレイおよびフィルタアレイの斜視図である。
【００２２】
即ち、第１の実施形態の単板式カラー撮像装置１は、２行２列に配置された４個の受光素子ＬＥで構成される画素ＰＸを格子状に配置した画素アレイ１１と、画素アレイ１１のそれぞれの画素ＰＸの受光面を覆うフィルタアレイ１２であって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタＰＦを格子状に配置したフィルタアレイ１２と、フィルタアレイ１２の被写体側に配置され１本の光線を行方向に連続する４つの受光素子に分配する光学素子１３と、受光素子ＬＥを順次走査して得られる４本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する画素走査線生成部１４とを含み、フィルタアレイ１２が、受光素子ＬＥの各読み出しタイミングにおいて画素走査線がＲフィルタによって覆われた受光素子ＬＥであるＲ受光素子ＲＬＥの出力、Ｇフィルタによって覆われた受光素子ＬＥであるＧ受光素子ＧＬＥの出力およびＢフィルタによって覆われた受光素子ＬＥであるＢ受光素子ＢＬＥの出力をそれぞれ少なくとも１つ含むようにフィルタアレイ１２の行方向に隣接する画素フィルタを配置した構成を有するものである。
【００２３】
図３は、第１の実施形態の画素アレイ１１の正面図であって、２行２列に配置された４個の受光素子ＬＥを１つの画素ＰＸとし、列方向に１９２０個、行方向に１０８０個の画素ＰＸが格子状に配置されており、高精細度画像の撮像が可能な構成を有しているものとする。そして、第１の実施形態の画素アレイ１１は、受光素子ＬＥを列（水平）方向に主走査、行（垂直）方向に副走査する順次走査が可能なように構成されている。
【００２４】
画素アレイ１１を構成する受光素子を列方向に主走査、行方向に副走査する順次走査して出力される４本の走査線ＳＬ（ｊ）〜ＳＬ（ｊ＋３）を［数１］で表すものとする。
【００２５】
【数１】
0004551307.tif 000002
【００２６】
本発明に係る単板式カラー撮像装置を適用したテレビジョンカメラ２は、図４のブロック図に示すように、被写体の光学像を生成するレンズ系２１と、光学像を電気信号に変換する撮像装置１と、撮像装置１の出力を処理する信号処理部２２と、撮像装置１および信号処理部２２を制御する制御部２３とを含む。
【００２７】
画素走査線生成部１４は、図１のブロック図に示すように、画素アレイ１１から出力される受光素子を順次走査した４本の走査線をＲＧＢの３原色成分に分離する色分離部１４１と、色分離部１４１の出力に基づいて垂直２画素加算により１本の走査線を演算する演算部１４２とを含む。
【００２８】
第１の実施形態で使用されるフィルタアレイ１２は、図２に示すように、ＧフィルタＧ１１と、Ｇフィルタの列方向に隣接するＢフィルタＢ１と、ＧフィルタＧ１１の行方向に隣接するＲフィルタＲ１と、ＧフィルタＧ１１の対角位置に配置されるもう１つのＧフィルタＧ１２とを含む第１の画素フィルタＰＦ１と、第１の画素フィルタと行方向に隣接し、ＢフィルタＢ２と、ＢフィルタＢ２の列方向に隣接するＧフィルタＧ２１と、ＢフィルタＢ２の行方向に隣接するもう１つのＧフィルタＧ２２と、ＢフィルタＢ２の対角位置に配置されるＲフィルタＲ２とを含む第２の画素フィルタＰＦ２とを含む。
【００２９】
即ち、第１の実施形態で使用されるフィルタアレイ１２は、受光素子ＬＥを順次走査して得られる４本の順次走査線は、各受光素子ＬＥの読み出しタイミングにおいて、２個のＧ成分、１個のＲ成分、および１個のＢ成分が含まれるように構成されている。
【００３０】
図５は色分離部１４１の具体的構成例を示すブロック図であって、画素アレイ１１が順次走査線を逐次出力するように構成されている場合はメモリ部１４１ａおよび書き込み制御部１４１ｂで構成されるメモリ型色分離部（ａ）を適用することができ、画素アレイ１１が４本の順次走査線を同時出力するように構成されている場合はスイッチ部１４１ｃおよび切り替え制御部１４１ｄで構成される切り替え型色分離部（ｂ）を適用することができる。
【００３１】
図６は演算部１４２の具体的構成例を示すブロック図であって、ＲＧＢ色信号を出力する色信号出力演算部１４２ａ、あるいは輝度・色差信号を出力する輝度・色差信号出力演算部１４２ｂ等がある。
【００３２】
以下、第１の実施形態の撮像装置の動作を説明する。
【００３３】
被写体ＯＪから放射される光は、レンズ系２１、光学素子１３およびフィルタアレイ１２を介して画素アレイ１１上に被写体像を結像する。
【００３４】
図７は光学素子１３の動作を説明するための断面図であって、被写体ＯＪ側から放射された光線はレンズ系２１を通過した後、光学素子１３に入射する。光学素子１３は、入射光線を行方向に連続する４つの受光素子ＬＥに分配する。
【００３５】
光学素子１３としては水晶光学ＬＰＦを使用することができるが、水晶光学ＬＰＦは１枚で４分割することはできないので、実際には分離幅が２ｄである第１の水晶光学ＬＰＦ１３１と分離幅がｄである第２の水晶光学ＬＰＦ１３２とを直列に配列することが必要である。
【００３６】
光学素子１３によって１本の光線が行方向に４分割される結果、行方向に連続する４つの受光素子には同一の光線が入射するので、画素アレイ１１の受光素子ＬＥを順次走査すると、画素アレイ１１からは［数２］で表される４本の順次走査線が出力される。
【００３７】
【数２】
0004551307.tif 000003
【００３８】
色分離部１４１は、上記の４本の順次走査線を読み込み、読み出しタイミングｉおよびｉ＋１で２つのＧ信号、１つのＢ信号および１つのＲ信号を出力する。
【００３９】
そして、演算部１４２は２つのＧ信号、１つのＢ信号および１つのＲ信号を読み込み、垂直２画素加算処理を行い色信号あるいは輝度・色差信号を出力する。
【００４０】
即ち、色信号出力演算部１４２ａは、２つのＧ信号Ｇ１およびＧ２、１つのＢ信号ならびに１つのＲ信号を読み込み、［数３］に基づき色信号を演算する。
【００４１】
【数３】
0004551307.tif 000004
【００４２】
関数ｇは、具体的には［数４］を使用することができる。
【００４３】
【数４】
0004551307.tif 000005
【００４４】
また、輝度・色差信号出力演算部１４２ｂは、２つのＧ信号Ｇ１およびＧ２、１つのＢ信号ならびに１つのＲ信号を読み込み、［数５］に基づき輝度・色差信号Ｙ、Ｐb、Ｐrを演算する。
【００４５】
【数５】
0004551307.tif 000006
【００４６】
ここで、各関数としては、具体的には［数６］を使用することができる。
【００４７】
【数６】
0004551307.tif 000007
【００４８】
なお、輝度Ｙを関数ｆ1に基づき演算することにより、輝度Ｙの算出を簡略化することが可能となる。
【００４９】
第１の実施形態の単板式カラー撮像装置のナイキスト領域は、図８のグラフに示すように、（＋１／（２ｄ），０）、（０，＋１／（４ｄ））、（−１／（２ｄ），０）および（０，−１／（４ｄ））を頂点とする菱形の内側となる。なお、破線で囲まれる領域はベイヤー配置のＧ信号のナイキスト領域であり、一点鎖線で囲まれる領域はベイヤー配置のＢ信号およびＲ信号のナイキスト領域である。
【００５０】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、行（垂直）方向のＧ信号のナイキスト周波数は±１／（４ｄ）に低下するものの、列（水平）方向のＲ信号およびＢ信号のナイキスト周波数はＧ信号のナイキスト周波数と同じく±１／（２ｄ）まで高めることが可能となり、光学ローパスフィルタを設置しないでも走査線にＲＧＢ成分のナイキスト周波数の相違に起因する折り返し誤差が発生することを抑制し、水平方向の分解能を向上することが可能となる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態で使用されるフィルタアレイ１２は、図９の斜視図に示すように、ＧフィルタＧ１１と、ＧフィルタＧ１１の列方向に隣接するＢフィルタＢ１と、ＧフィルタＧ１１の行方向に隣接するＲフィルタＲ１と、ＧフィルタＧ１１の対角位置に配置されるもう１つのＧフィルタＧ１２とを含む第１の画素フィルタＰＦ１と、第１の画素フィルタＰＦ１と行方向に隣接し、ＧフィルタＧ２１と、ＧフィルタＧ２１の列方向に隣接するＲフィルタＲ２と、ＧフィルタＧ２１の行方向に隣接するＢフィルタＢ２と、ＧフィルタＧ２１の対角位置に配置されるもう１つのＧフィルタＧ２２とを含む第２の画素フィルタＰＦ２とを含む。
【００５１】
他の構成は第１の実施形態と同一であるので、詳細な説明を省略する。
【００５２】
第２の実施形態において、画素アレイ１１の受光素子ＬＥを順次走査すると、画素アレイ１１からは［数７］で表される４本の順次走査線が出力される。
【００５３】
【数７】
0004551307.tif 000008
【００５４】
色分離部１４１は、上記の４本の順次走査線を読み込み、読み出しタイミングｉおよびｉ＋１で２つのＧ信号、１つのＢ信号および１つのＲ信号を出力する。
【００５５】
第２の実施形態の撮像装置のＲ信号およびＢ信号のナイキスト領域は、図１０のグラフに示すように、（＋１／（２ｄ），０）、（０，＋１／（８ｄ））、（−１／（２ｄ），０）および（０，−１／（８ｄ））を頂点とする菱形となる。そして、Ｇ信号のナイキスト領域は、ベイヤー配置の場合と同一となる。なお、破線で囲まれる領域はベイヤー配置のＧ信号のナイキスト領域であり、一点鎖線で囲まれる領域はベイヤー配置のＢ信号およびＲ信号のナイキスト領域である。
【００５６】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、行（垂直）方向のＲ信号およびＢ信号のナイキスト周波数は±１／（８ｄ）に低下するものの、列（水平）方向のＲ信号およびＢ信号のナイキスト周波数はＧ信号のナイキスト周波数と同じく±１／（２ｄ）まで高めることが可能となり、光学ローパスフィルタを設置しないでも走査線にＲＧＢ成分のナイキスト周波数の相違に起因する折り返し誤差が発生することを抑制し、水平方向の分解能を向上することが可能となる。
（第３の実施形態）
上記の第１の実施形態および第２の実施形態によれば、列（水平）方向のＲ、ＧおよびＢ成分のナイキスト周波数は｛１／（２ｄ）｝となるので、ベイヤー配置の画素フィルタで使用されていた遮断周波数が、例えば｛１／（４ｄ）｝の光学ＬＰＦを省略することが可能となる。
【００５７】
図１１は第１の実施形態および第２の実施形態の撮像装置の変調度ＭＦＴを示すグラフであって、図１１（ａ）に示すように、開口度が１００％であれば、遮断周波数が、例えば｛１／（２ｄ）｝である光学ＬＰＦのＭＦＴよりも画素アレイのＭＦＴの方が小さく、走査線のＭＦＴは画素アレイのＭＦＴで制限されることが理解できる。
【００５８】
従って、第１の実施形態および第２の実施形態の撮像装置を使用して、水平方向に３８４０個、垂直方向に２１６０個の受光素子が配列され、水平方向に１９２０画素、垂直方向に１０８０画素を有する高精細テレビジョン画面を製作する場合には、図１１（ｂ）に示すように、画素走査線生成部１４の後段に遮断周波数が｛１／（４ｄ）｝である電気ＬＰＦ１５（例えばディジタル・フィルタ）を挿入することにより、走査線のＭＦＴを高く維持することが可能となり、折り返し誤差の発生を抑制することができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態の単板式カラー撮像装置３は、図１２に示すように、２行２列に配置された４個の受光素子ＬＥで構成される画素ＰＸを格子状に配置した画素アレイ３１と、画素アレイ３１のそれぞれの画素ＰＸの受光面を覆うフィルタアレイ３２であって、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置された２行２列の画素フィルタを格子状に配置したフィルタアレイ３２と、フィルタアレイ３２の被写体側ＯＪに配置され１本の光線を行方向に連続する２つの受光素子に分配する光学素子３３と、受光素子ＬＥを順次走査して得られる２本の受光素子走査線から１本の画素走査線を生成する走査線生成部３４とを含み、走査線生成部３４は２つの受光素子読み出しタイミングごとに受光素子走査線のそれぞれにＲ成分、Ｇ成分およびＢ成分のすべてが含まれるように、２つの受光素子読み出しタイミングでは読み出されない１つの色成分を２つの受光素子読み出しタイミングで読み出される２つの色成分により補完する補完部３５を含む。
【００５９】
第４の実施形態で使用されるフィルタアレイ３２は、図１３に示すように、ＧフィルタＧ１１と、Ｇフィルタの列方向に隣接するＢフィルタＢ１と、ＧフィルタＧ１１の行方向に隣接するＲフィルタＲ１と、ＧフィルタＧ１１の対角位置に配置されるもう１つのＧフィルタＧ１２とを含む。
【００６０】
第４の実施形態に係る単板式カラー撮像装置を適用したテレビジョンカメラ４は、図１４のブロック図に示すように、被写体の光学像を生成するレンズ系２１と、光学像を電気信号に変換する撮像装置３と、撮像装置３の出力を処理する信号処理部２２と、撮像装置３および信号処理部２２を制御する制御部２３とを含む。
【００６１】
図１５は第４の実施形態の走査線生成部３４の詳細ブロック図であって、色分離部１４１および補完部３５を含む。
【００６２】
色分離部１４１としては、第１の実施形態と同じく、図５に示すメモリ型色分離部（ａ）または切り替え型色分離部（ｂ）を使用することができる。
【００６３】
補完部３５は、Ｇ信号とＢ信号に基づいて補間Ｒ信号を生成する補間Ｒ信号生成部３５１と、Ｇ信号とＲ信号に基づいて補間Ｂ信号を生成する補間Ｂ信号生成部３５２とを含む。
【００６４】
次に、第４の実施の形態の動作を説明する。
【００６５】
被写体ＯＪから放射される光は、レンズ系２１、光学素子３３およびフィルタアレイ３２を介して画素アレイ３１上に被写体像を結像する。
【００６６】
光学素子３３は１本の光線を行方向に２分割する光学ＬＰＦであって、１本の光線が行方向に２分割される結果、行方向に連続する２つの受光素子には同一の光線が入射するので、画素アレイ３１の受光素子ＬＥを順次走査すると、画素アレイ３１からは［数８］で表される順次走査線が出力される。
【００６７】
【数８】
0004551307.tif 000009
【００６８】
色分離部１４１は、上記の２本の順次走査線を読み込み、画素読み出しタイミング（Ｉ、Ｊ）において１画素当り２つのＧ信号、１つのＢ信号および１つのＲ信号を出力する。
【００６９】
ただし、画素読み出しタイミングＩ、Ｊは［数９］次式により算出される。
【００７０】
【数９】
0004551307.tif 000010
【００７１】
色分離部１４１から出力されたＲＧＢ信号は、補完部３５を経て、ビデオ信号として出力され、必要に応じて後段の画像処理部に伝送される。
【００７２】
ここで、補完部３５を挿入する理由を説明する。
【００７３】
輝度の変化が色相の変化に比較して急激である一般的な画像にあっては、各受光素子走査線の画素読み出しタイミングごとに出力信号中にＲＧＢすべての色成分が含まれていれば、輝度分解能を高めることができる。
【００７４】
しかし、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタをそれぞれ少なくとも１つ含み、同色のフィルタが一方の対角に、他の２色のフィルタが他方の対角に配置されたフィルタアレイ３２を適用した場合には、Ｇ成分は受光素子の読み出しタイミングごとに含まれるものの、Ｒ成分およびＢ成分は１つおきの受光素子読み出しタイミングで出力されるので輝度分解能が低下することとなる。
【００７５】
そこで、第４の実施形態においては、色分離部１４１の後段に補完部３５を設置し、各受光素子走査線の画素読み出しタイミングごとにＲＧＢすべての色成分が出力されるようにしている。
【００７６】
即ち、［数８］を画素読み出しタイミングＩに書き換えると、［数１０］となる。
【００７７】
【数１０】
0004551307.tif 000011
【００７８】
即ち、走査線ＳＬ（ｊ）にあっては画素読み出しタイミング２ＩにはＲ成分が含まれず、走査線ＳＬ（ｊ＋１）にあっては画素読み出しタイミング２ＩにはＢ成分が含まれていない。
【００７９】
そこで、補完部３５に含まれるＲ成分補完部３５１およびＢ成分補完部３５２は［数１１］により補完Ｒ成分Ｒ’および補完Ｂ成分Ｂ’を生成する。
【００８０】
【数１１】
0004551307.tif 000012
【００８１】
関数ｈrおよびｈbは任意の関数であってよく特に規定されないが、輝度にはＧ成分が支配的であることを考慮して［数１２］の荷重平均値を使用することが望ましい。
【００８２】
【数１２】
0004551307.tif 000013
【００８３】
よって、補完部３５から出力されるビデオ信号は［数１３］で表される。
【００８４】
【数１３】
0004551307.tif 000014
【００８５】
図１６は補完部３５の動作を説明するグラフであって、白色の被写体を撮像した場合（ａ）、および黒色の被写体を撮像した場合（ｂ）を示す。なお、図１６において、破線は画素アレイ３１の出力に含まれない成分を、太線は補完部３５により補間された成分を示す。
【００８６】
白色被写体を撮像した場合（ａ）は、第ｊ列目の走査線は［数１０］に示すように、第２Ｉ番目の画素の出力にはＧ成分およびＢ成分が含まれ、Ｒ成分が含まれていない。そこでＲ成分補完部３５１は［数１１］により補完Ｒ成分Ｒ’を算出して出力する。
【００８７】
図１６は、白色あるいは黒色が２行にわたる場合を説明したが、行ごとに白黒が反転する被写体であっても本実施形態は有効である。
【００８８】
即ち、画素アレイ３１が行方向に２１６０個の受光素子を有する場合には、２１６０ＴＶ本の分解能を得ることができる。
【００８９】
上記の補完処理を輝度変化が緩やかで色相変化が激しい画像に適用した場合には、色相が正しく撮像されないおそれが生じる。
【００９０】
そこで、輝度変化周波数が予め定めた閾値周波数より低い場合には、補完処理を中止する、あるいは補完処理の効果を低減することが望ましい。なお輝度変化周波数は、Ｇ成分の変化周波数、Ｇ成分の時間差分等により検出することが適当である。
【００９１】
なお、上記の第４の実施形態の説明にあっては、フィルタアレイ３２は、第１の実施形態の第１のフィルタアレイであるとしたが、第１の実施形態の第２のフィルタアレイ、第２の実施形態の第１あるいは第２のフィルタアレイ、あるいはベイヤー配置のフィルタアレイであってもよい。
【００９２】
以上説明したように、第４の実施形態に係る単板式カラー撮像装置によれば、各受光素子読み出しタイミングにおいてＲＧＢ全成分が含まれるので、特に輝度変化に対する解像度を向上することができることとなる。
【００９３】
なお、上記実施形態においてはテレビジョンカメラを想定して、行が垂直方向、列が水平方向であるとしているが、列を垂直方向、行を水平方向とした場合にも本発明を適用できることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上のように、本発明に係る撮像装置は、単板式カラー撮像装置において水平方向の解像度を向上できるという効果を有し、テレビジョンカメラ、スチルカメラ等として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１の実施の形態における単板式カラー撮像装置のブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態における画素アレイおよびフィルタアレイの斜視図
【図３】本発明の第１の実施の形態における単板式画素アレイの正面図
【図４】本発明の第１の実施の形態における単板式カラー撮像装置を適用したテレビジョンカメラのブロック図
【図５】色分離部のブロック図
【図６】演算部のブロック図
【図７】光学素子のブロック図
【図８】本発明の第１の実施の形態における単板式カラー撮像装置のナイキスト領域を示すグラフ
【図９】本発明の第２の実施の形態における画素アレイおよびフィルタアレイの斜視図
【図１０】本発明の第２の実施の形態における単板式カラー撮像装置のナイキスト領域を示すグラフ
【図１１】本発明の第１および第２の実施の形態における単板式カラー撮像装置の変調率を示すグラフ
【図１２】本発明の第４の実施の形態における単板式カラー撮像装置のブロック図
【図１３】本発明の第４の実施の形態における画素アレイおよびフィルタアレイの斜視図
【図１４】本発明の第４の実施の形態における単板式カラー撮像装置を適用したテレビジョンカメラのブロック図
【図１５】補完部のブロック図
【図１６】補完部の動作を説明するグラフ
【図１７】ベイヤー配置のカラー撮像装置のナイキスト領域を示すグラフ
【符号の説明】
【００９６】
１  単板式カラー撮像装置
１１  画素アレイ
１２  フィルタアレイ
１３  光学素子
１４  走査線生成部
１４１  色分離部
１４２  演算部
１５  電気ＬＰＦ
ＬＥ  受光素子
ＰＸ  画素
ＰＦ  画素フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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