(57)【要約】【課題】モアレや偽色の少ないフィルタ配列を簡略な構成で提供する。【解決手段】左上および右下にＧフィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイをそれぞれ０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイを縦横２枚ずつ配列して計１６枚のＲＧＢフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを構成する。基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを例えば０度、９０度、２７０度、１８０度回転したものをこの順で配置し、基本フィルタアレイパターンとする。基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置し撮像素子のオンチップカラーフィルタとする。【選択図】図３
2013201723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４行４列のフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置したフィルタアレイを含み、前記基本フィルタアレイパターンが、左上および右下にＧフィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイを時計回りに０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイの組合せから構成され、前記基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、前記単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したもの、あるいは０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものをこの順で配置することを特徴とする撮像素子のオンチップカラーフィルタ。
【請求項２】
前記基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、前記単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものをこの順で配置すること特徴とする請求項１に記載のオンチップカラーフィルタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２の何れか一項に記載のオンチップカラーフィルタを搭載する撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の撮像素子を搭載する電子内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば単板式のカラー撮像素子に搭載されるオンチップカラーフィルタの配列方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１枚の撮像素子を用いてカラー画像を取得する方法としては、撮像素子の各画素を単位としたカラーフィルタアレイを用いる方法が一般的である。カラーフィルタアレイには、ＲＧＢのカラーフィルタを市松模様状に配置したベイヤ配列が広く用いられている（特許文献１）。ベイヤ配列は、格子状の２×２画素のフィルタアレイをユニットとし、これを縦横方向に繰り返し配置したものである。１つのユニット（２×２画素）は、２枚のＧフィルタと、１枚のＲフィルタ、１枚のＢフィルタから構成され、Ｇフィルタは一方の対角線に沿って、Ｒ、Ｂフィルタは他方の対角線に沿って配置される。
【０００３】
しかし、ベイヤ配列で構成したフィルタアレイでは、ＲＧＢフィルタ各々の空間配置における周期性が高いため、周波数の高い規則的パターンを含む画像を撮影すると、モアレを生じたり、エッジ部に偽色を生じたりといった問題がある。このような問題を解決するために撮像素子の前に光学ローパスフィルタを配置する構成が一般的に採用されるが、光学ローパスフィルタを用いると、必然的に解像度や鮮鋭度が低下する。また、ベイヤ配列では、各行および各列にＲＧＢ全てのフィルタが含まれる訳ではなく、これは偽色の原因となる。
【０００４】
一方、ＲＧＢフィルタの配列に、ベイヤ配列とは異なる配列、例えば、図１２のYamanaka配列、図１３のLukac配列などを採用することでこの問題に対処する試みや（特許文献２、非特許文献１参照）、ＲＧＢフィルタを撮像素子全面にわたってランダムに配置することでフィルタ配列の周期性を壊す試みもなされている（特許文献３）。また、更にＲＧＢ以外の色を加える方法も提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５１−１１２２２８号公報
【特許文献２】米国特許第４０５４９０６号明細書
【特許文献３】特開２０００−３０８０７１号公報
【特許文献４】特開２０００−３１６１６９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】R. Lukac and K. N. Plataniotis, “Colorfilter arrays: Design and performance analysis”, IEEE Transactions on ConsumerElectronics vol. 51 No.4, pp. 1260-1267, 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２、非特許文献１の配列によれば周期性の問題はある程度解決される。しかし図１２のYamanaka配列では、Ｇフィルタしか含まれない列、ＲフィルタおよびＢフィルタしか含まない列が交互に生まれるため、偽色が発生する(非特許文献１のFig. 9 (b))。また、図１３のLukac配列では、Yamanaka配列に比べて偽色の発生は少ない。しかし、ＧフィルタおよびＲフィルタしか含まない行、ＧフィルタおよびＢフィルタしか含まない行が交互に生まれる。偽色の抑制の観点からは、全ての行および列にＲＧＢ全ての成分が含まれているのが望ましい。また、ＲＧＢフィルタをランダムに配置する特許文献３の構成では、ＲＧＢの成分を補間し、フルカラーの画像を構成するための計算が複雑となり、フィルタの色を増やした特許文献４の構成では製造コストが嵩み、かつＲＧＢフィルタのみからなる場合に比べ、色が増えたぶん画像を構成する際の計算も複雑となる。
【０００８】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであり、モアレや偽色の少ないフィルタ配列を簡略な構成で提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像素子のオンチップカラーフィルタは、４行４列のフィルタからなる基本フィルタアレイパターンを縦横に繰り返し配置したフィルタアレイを含み、基本フィルタアレイパターンが、左上および右下にＧフィルタ、右上にＲフィルタ、左下にＢフィルタが配置される２行２列の単位フィルタアレイを時計周りに０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の単位フィルタアレイの組合せから構成され、基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したもの、あるいは０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものをこの順で配置したことを特徴としている。
【００１０】
基本フィルタアレイパターンの左上、右上、右下、左下に、単位フィルタアレイを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したもの、または０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものをこの順で配置することで、Ｇフィルタがより均等に分散され、解像度がより向上する。
【００１１】
本発明の撮像素子は上記オンチップカラーフィルタを搭載したことを特徴としている。また本発明の電子内視鏡は、上記撮像素子を搭載したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、モアレや偽色の少ないフィルタ配列を簡略な構成で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態であるオンチップカラーフィルタを用いた撮像素子を搭載する撮像装置の概観図である。
【図２】単位フィルタアレイのＲＧＢの配置と、それを９０度、１８０度、２７０度回転させたときの配置を示す平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図４】図３に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図５】本発明の第２実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図６】図５に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図７】本発明の第３実施形態の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図８】図７に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図９】実施形態以外の基本フィルタアレイパターンにおける４枚の単位フィルタアレイの配置を示す。
【図１０】単位フィルタアレイ２０Ａ以外を基準とした基本フィルタアレイパターンの一例を示す。
【図１１】図１０に示される基本フィルタアレイパターンを縦横に２枚ずつ配列したフィルタアレイの配置図である。
【図１２】従来例であるYamanaka配列を示す図である。
【図１３】従来例であるLukac配列を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態であるオンチップカラーフィルタを用いた撮像素子を搭載する撮像装置の概観図である。
【００１５】
撮像装置は、例えば電子内視鏡装置１０であり、電子スコープ１１、プロセッサ装置１２、モニタ装置１３などから構成される。スコープ１１の挿入部先端には、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１４が配置され、撮像素子１４には本実施形態のオンチップカラーフィルタ１５が搭載される。
【００１６】
図２は、本実施形態のオンチップカラーフィルタ１５のフィルタアレイを構成する単位フィルタアレイの配列（図２（ａ））と、それを時計回りに９０度（図２（ｂ））、１８０度（図２（ｃ））、２７０度（図２（ｄ））回転した配置を示す平面図である。なお、本明細書においては、図２（ａ）に示される単位フィルタアレイを０度回転されたものとし２０Ａで示し、９０度、１８０度、２７０度回転された単位フィルタアレイをそれぞれ２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄで示す。
【００１７】
図２（ａ）に示されるように、本実施形態の単位フィルタアレイ２０Ａはベイヤ配列を構成し、２行２列、計４枚のＲＧＢフィルタから構成される。すなわち一方の対角線方向に２枚のＧフィルタが配列され、もう一方の対角線方向にＲフィルタ、Ｂフィルタがそれぞれ１枚ずつ配列される。図２（ａ）の例では、Ｇフィルタが左上および右下に配置され、Ｒフィルタが右上、Ｂフィルタが左下に配置されている。
【００１８】
本実施形態では、図２（ａ）〜（ｄ）に示される０度、９０度、１８０度、２７０度方向にそれぞれ回転された４枚の単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄを、重複することなく縦横２×２の正方格子状に配置したものを基本パターン（基本フィルタアレイパターン）とし、この基本パターンを縦横に繰り返し配列してオンチップカラーフィルタ１５のフィルタアレイ全体を構築する。
【００１９】
単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの１つを基準（例えば２０Ａ）に定め、その単位フィルタアレイの上記基本パターンにおける位置を固定するとき、得られる基本パターンの種類は６（＝（４−１）Ｐ（４−１））通りとなる。なお、その他のパターン（４Ｐ４−６＝１８種類）は、後述するように、これら６種類のパターンの何れかで代表されるので、その説明は省略する。また、以下の説明では、単位フィルタアレイ２０Ａを基準に定め、これを基本パターンの左上に配置したときに得られる６種類の基本パターンについて図３〜図９を参照して説明する。
【００２０】
図３は、本発明の第１実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ａにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示す。図３では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、９０度、２７０度、１８０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図４は図３に示される基本フィルタアレイパターン２１Ａを縦横に２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお図４の矢印は、単位フィルタアレイ２０Ａでの上向き方向を示しており、上向き矢印が２０Ａ（０度）、右向き矢印が２０Ｂ（９０度）、下向き矢印が２０Ｃ（１８０度）、左向き矢印が２０Ｄ（２７０度）に対応する。
【００２１】
図４に示されるように、第１実施形態の配列では、ベイヤ配列の周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタの全てが含まれるのでモアレや偽色の発生が抑えられる。また、Ｇフィルタも比較的均等に分散して配置される。
【００２２】
図５は、本発明の第２実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ｂにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示し、図５では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、１８０度、９０度、２７０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図６は図５に示される基本フィルタアレイパターン２１Ｂを縦横２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお、図の記載方式は図３、４と同様である。図６に示されるように、第２実施形態の配列においても、ベイヤ配列の周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタが含まれ、モアレや偽色の発生が抑えられる。また、Ｇフィルタも比較的均等に分散して配置される。
【００２３】
図７は、本発明の第３実施形態の基本フィルタアレイパターン２１Ｃにおける単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄの配置を示し、図７では、単位フィルタアレイ２０Ａを０度、９０度、１８０度、２７０度回転したものが基本フィルタアレイパターン２１Ａの左上、右上、右下、左下にこの順で配置されている。また、図８は図７に示される基本フィルタアレイパターン２１Ｃを縦横２枚ずつ配列したときのフィルタアレイの様子を示す。なお、図の記載方式も図３、４と同様である。図８に示されるように、第３実施形態の配列においても、ベイヤ配列の周期性が低減され、かつ全ての行および列にＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタが含まれ、モアレや偽色の発生が抑えられる。
【００２４】
次に、図９（ａ）〜（ｃ）に、単位フィルタアレイ２０Ａ〜２０Ｄを残る３パターンで配列したときの基本フィルタアレイパターン２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆの配置を示す。なお、図９は、図３、図５、図７と同様の方式で描かれている。図示されるように、図９（ａ）の配列（２１Ｄ）では、各行および各列がＲＧＢの中の２色しか含まない。また、図９（ｂ）の配列（２１Ｅ）では各行がＲＧＢの中の２色しか含まず、図９（ｃ）の配列（２１Ｆ）では各列がＲＧＢの中の２色しか含まない。したがって、これら図９（ａ）〜（ｃ）の配列では、実施形態１〜３に比べ偽色の抑制の観点からは劣る。
【００２５】
なお、図１０、１１を参照して、単位フィルタアレイ２０Ａの代わりに９０度回転された単位フィルタアレイ２０Ｂを基準に定めたときの基本パターンが、単位フィルタアレイ２０Ａを基準とした６種類のパターンの１つに該当することを示す一例を示す。
【００２６】
図１０では、単位フィルタアレイ２０Ｂを基準に定め、基本パターンの左上に配置するとともに、２０Ａを右上、２０Ｄを右下、２０Ｃを左下に配置したときの基本パターンのフィルタ配列が示される。また、図１１には図１０の基本パターンを縦横２枚ずつ４枚並べたときのフィルタ配列が示される。ここで図１１において破線で囲まれた領域を参照すると、これは単位フィルタアレイ２０Ａを基準に定め、２０Ｂ（９０度回転）を右上、２０Ｃ（１８０度回転）を右下、２０Ｄ（２７０度回転）を左下に配置したものに対応する。すなわち図１１のフィルタ配列は、図７の基本パターン２１Ｃを縦横に繰り返し配列したものに対応する。このように、図３〜図９を参照して説明された単位フィルタアレイ２０Ａを基準とした６種類のパターン以外のパターンは、この６種類のパターンの何れかによって代表される。
【００２７】
以上のように本実施形態によれば、極めて簡略な構成で、撮像素子においてモアレや偽色を防止しながらも、光学ローパスフィルタの省略を通して高解像度化を図ることができる。また本実施形態のオンチップカラーフィルタを用いた電子内視鏡装置では、解像度の向上により、例えばローパスフィルタを省略しても、偽色やモアレの発生が少ないので、例えばローパスフィルタを省略することができ、その先端をより小型化することができる。また、本実施形態ではＲＧＢの比率がベイヤ配列と同じであることから、ベイヤ配列と同等の色再現も実現できる。
【００２８】
なお、本実施形態のオンチップカラーフィルタは、本実施形態の基本パターン（基本フィルタアレイパターン）の繰り返しを含んでいればよく、ｍ×ｎ枚（ｍ、ｎは整数）の上記基本パターンのみから構成されるとは限らない。例えばカラーフィルタの周縁部は、上記基本パターンの一部で構成されるかもしれない。
【００２９】
また、本実施形態では電子内視鏡装置を例に説明を行ったが、本実施形態のオンチップカラーフィルタは、他の撮像装置に用いてもよく、例えばカメラや携帯電話などの撮像素子にも適用してもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  電子内視鏡装置
１１  電子スコープ
１２  プロセッサ装置
１３  モニタ装置
１４  撮像素子
１５  オンチップカラーフィルタ
２０Ａ〜２０Ｄ  単位フィルタアレイ
２１Ａ〜２１Ｆ  基本フィルタアレイパターン
【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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